基于MIKE 11水動(dòng)力模塊的水閘規(guī)模論證研究

李 杰

（寧波市鄞州區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 寧波 315192）

0 引言

平原區(qū)河網(wǎng)地勢(shì)較低,河流縱橫交錯(cuò),相互連通。復(fù)雜的水文條件對(duì)傳統(tǒng)的排澇驗(yàn)算方法提出艱巨挑戰(zhàn)。為精確模擬平原區(qū)河網(wǎng)排澇過(guò)程,目前越來(lái)越多的研究?jī)A向于采用河網(wǎng)水動(dòng)力模型法進(jìn)行排澇驗(yàn)算[1-2]。MIKE 11軟件主要適用于河口、渠道、河流等水體的一維水動(dòng)力模擬,可模擬河流水位、流量及泥沙輸送等。本文基于MIKE11軟件建立寧波市大嵩江流域水動(dòng)力河網(wǎng)模型,對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行概化,合理選取斷面、調(diào)蓄容積和糙率,計(jì)算龍尾碶水閘的閘底板高程和閘門凈寬。

1 工程概況

龍尾碶水閘位于大嵩江流域長(zhǎng)大河出?？?南新塘南端?，F(xiàn)狀水閘規(guī)模為2.6 m×3.6 m×1 m（寬×高×孔數(shù)）,閘底高程為-0.77 m,主要功能性質(zhì)為擋潮及排澇。目前水閘存在塘體與閘身交接處局部沉陷拉裂及水閘結(jié)構(gòu)老化等。龍尾碶上游為咸祥平原,下游為象山港,水閘規(guī)模較小,排澇能力不足。近年來(lái),隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)水閘排澇的要求也越來(lái)越高,龍尾碶現(xiàn)有的規(guī)模已不能滿足流域排澇的要求,迫切需要規(guī)劃重建以提高排澇能力。

2 工程規(guī)模計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

大嵩江干流源短流急,兩岸平原則河道密布,水流相對(duì)平緩,流域水情復(fù)雜。本次計(jì)算采用MIKE11 軟件的水動(dòng)力模塊模擬大嵩江流域水動(dòng)力情況。MIKE11 軟件一維水動(dòng)力學(xué)模型控制方程為圣維南偏微分方程組見(jiàn)下式：

式中：q為河道旁側(cè)入流,m3/s；BT為當(dāng)量河寬,m；Z為斷面水位,m；Q為流量,m3/s；K為流量模數(shù)。

MIKE11 采用Abbott六點(diǎn)隱式差分格式離散Saint-Venant方程組,該離散格式在每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)并不同時(shí)計(jì)算水位和流量,而是按順序交替計(jì)算水位或流量,該格式無(wú)條件穩(wěn)定,可以在相當(dāng)大的Courant數(shù)下保持計(jì)算穩(wěn)定,可以取較長(zhǎng)的時(shí)間步長(zhǎng)以節(jié)省計(jì)算時(shí)間。對(duì)上述離散方程組采用傳統(tǒng)的“追趕法”,即“雙掃”算法進(jìn)行求解。模型考慮堰、閘、阻水橋梁以及區(qū)間水量交換等,能適用于本段河道洪流演進(jìn)的定量分析計(jì)算,得出河道各特征斷面水位和流量的過(guò)程。

在一個(gè)河網(wǎng)中,河道與河道相互交叉連結(jié),其連接點(diǎn)成為節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)均要滿足兩個(gè)銜接條件,即水量連接條件和動(dòng)力連接條件。

整個(gè)河網(wǎng)為若干河道和節(jié)點(diǎn)的組合,河網(wǎng)水量的控制方程即為每一河道的控制方程與每一節(jié)點(diǎn)銜接條件及初邊值條件聯(lián)立所得的微分方程組。數(shù)值求解河網(wǎng)水量微分方程組,則可以求出每一河道指定斷面處以及節(jié)點(diǎn)上的水位、流量等水力變量。

2.2 模型概化

2.2.1 河網(wǎng)概化

依據(jù)流域情況、地形、水系結(jié)構(gòu)及其水流走向、現(xiàn)有域內(nèi)水利工程布局、控規(guī)路網(wǎng)等因素,構(gòu)建河網(wǎng)概化圖。

模型河道概化涵蓋了大嵩江流域的主要河道,包括干流的梅溪、亭溪、大嵩江,北岸的新東吳塘、瞻岐河、永安河、紅衛(wèi)河、護(hù)塘河、東港河、江濱河、養(yǎng)殖區(qū)納排河、排淡河、納潮河等,南岸的咸祥河、長(zhǎng)大河、中塘河等。

2.2.2 水閘概化

考慮干流上的大嵩江大閘,北岸的珠山碶、大塘碶、洪安碶、德興碶、德興新碶、紅衛(wèi)西碶、黃牛礁碶、聯(lián)盛新碶,南岸的橫山碶、龍尾碶、南興碶、潘家碶等。

2.2.3 調(diào)蓄容積

調(diào)蓄容積對(duì)河網(wǎng)水利計(jì)算十分重要。本次計(jì)算兩岸平原的調(diào)蓄容積,是根據(jù)大嵩江流域1∶10000實(shí)測(cè)高程數(shù)據(jù)插值統(tǒng)計(jì)得到。

2.2.4 糙率選取

由于流域植被,江道坡降,河床質(zhì)、河道斷面形式及河道上的建筑物等,都會(huì)對(duì)流域洪水演進(jìn)產(chǎn)生影響,因而河道的概化以及參數(shù)的選定會(huì)影響到洪流演進(jìn)計(jì)算成果。在模型計(jì)算過(guò)程中,根據(jù)行洪河道河床情況,平原比較順直河段糙率取0.02,干流及山區(qū)性河段糙率。

2.3 邊界條件

溪水庫(kù)采用天然洪水過(guò)程。下邊界為潮位邊界,主要為大嵩江、長(zhǎng)大河、咸祥河、中塘河、新東吳塘河、東港河、永安河等碶閘閘下潮位過(guò)程。洪潮組合,根據(jù)水文分析設(shè)計(jì)排澇潮型采用平均偏不利潮型,洪峰對(duì)潮峰平均偏不利的洪潮遭遇。

2.4 龍尾碶規(guī)模確定

龍尾碶的規(guī)模包括閘底板高程和閘門凈寬,先確定閘底板高程。

2.4.1 閘底板高程

根據(jù)《鄞州區(qū)河網(wǎng)水系規(guī)劃》,嵩南平原規(guī)劃河道底高程均為-1 m；而根據(jù)《寧波市鄞州區(qū)水利建設(shè)長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃報(bào)告》,規(guī)劃長(zhǎng)大河在現(xiàn)狀線形的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓寬至30 m,河寬10 m~20 m平原處（非山區(qū)坡地）河床底控制標(biāo)高-1.37 m,河寬20 m及以上平原處（非山區(qū)坡地）河床底控制標(biāo)高-1.87 m。故本次模型計(jì)算擬定閘底板高程-0.5 m、-0.77 m、-1 m、-1.37 m、-1.87 m、-2 m六組方案。

六組方案計(jì)算水位見(jiàn)表1。

①閘底板-0.77 m方案較閘底板-0.5 m方案,咸祥南部平原水位降低0.02 m；②閘底板-1.0 m方案較閘底板-0.77 m方案,咸祥南岸平原水位降低0.01 m；③閘底板-1.37 m方案較閘底板-1.0 m方案,咸祥南部平原水位降低0~0.01 m；④閘底板-1.87 m方案較閘底板-1.37 m方案,咸祥南部平原水位降低0 m ；⑤閘底板-2 m方案較閘底板方案-1.87 m方案,咸祥南部平原水位降低0 m。

不同閘底板高程下的水位比較見(jiàn)表1及閘前斷面逐時(shí)水位過(guò)程見(jiàn)圖1。從不同閘底板高程的水位變化情況看,同時(shí)為配套龍尾碶上游長(zhǎng)大河的河底高程,故閘底板高程取-1.0m方案最優(yōu)。

表1 不同閘底板高程下的水位比較（20年一遇） 單位：m

圖1 不同閘底板高程閘前斷面逐時(shí)水位過(guò)程

2.4.2 閘門凈寬

在閘底板高程確定的基礎(chǔ)上,擬定閘門凈寬6 m、8 m、9 m、10 m、12 m五組方案,閘底板高程-1.0 m。五組方案計(jì)算水位見(jiàn)表2。

①閘門凈寬8 m方案較閘門凈寬6 m方案,水位降低0.01 m~0.02 m；②閘門凈寬9 m方案較閘門凈寬8 m方案,水位降低0.01 m~0.02 m；③閘門凈寬10 m方案較閘門凈寬9 m方案,水位降低0~0.01 m；④閘門凈寬12 m方案較閘門凈寬10 m方案,水位降低0 m；⑤閘門凈寬15 m方案較閘門凈寬12 m方案,水位降低0 m。

不同閘凈寬下的水位比較見(jiàn)表2 及閘前斷面逐時(shí)水位過(guò)程見(jiàn)圖2,從不同閘凈寬的水位變化情況看,以9 m方案最優(yōu)。

表2 不同閘門凈寬下的水位比較（20年一遇） 單位：m

圖2 不同閘門凈寬閘前逐時(shí)水位過(guò)程

綜上比較,選定閘底板高程為-1.0 m,閘門凈寬9 m為推薦方案。

2.4.3 效益分析

在現(xiàn)狀河道情況下,20 年一遇工況,龍尾碶上游0.3 km范圍內(nèi)河道水位可下降0.08 m、1 km范圍內(nèi)河道水位可下降0.05 m、2 km范圍內(nèi)河道水位可下降0.04 m、3 km范圍河道水位可下降0.02 m、4 km范圍內(nèi)河道水位可下降0.01 m；在規(guī)劃河道及推薦方案情況下,20 年一遇工況,龍尾碶上游0.3 km范圍內(nèi)河道水位可下降0.32 m、1 km范圍內(nèi)河道水位可下降0.30 m、2 km范圍內(nèi)河道水位可下降0.21 m、3 km范圍河道水位可下降0.20 m、4 km范圍內(nèi)河道水位可下降0.17 m。

3 結(jié)論

區(qū)域排澇計(jì)算采用一維河網(wǎng)水動(dòng)力學(xué)方法,龍尾碶出口象山港潮位采用動(dòng)態(tài)過(guò)程。根據(jù)計(jì)算,初步設(shè)計(jì)確定水閘規(guī)模為凈寬9 m（3 孔×3 m）。按照規(guī)劃的河網(wǎng)和推薦方案建設(shè)水閘,可降低平原區(qū)內(nèi)水位0.2 m~0.3 m,工程的實(shí)施可改善區(qū)域防洪排澇能力,同時(shí)水閘規(guī)模與規(guī)劃確定的龍尾碶上游長(zhǎng)大河面寬30 m相匹配。