淮河入海水道泄洪能力與洪澤湖運(yùn)行水位關(guān)系研究

李晗宇，鄧 涯,2,3，張 維，馬愛興,2,3，胡 穎,2,3

(1.水利部交通運(yùn)輸部國家能源局南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；3.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；4.江蘇省水利工程建設(shè)局，江蘇 南京 210029)

洪澤湖位于江蘇淮安、宿遷境內(nèi)，是淮河中下游結(jié)合部的巨型綜合利用平原水庫，總庫容169億m3，在淮河整個(gè)防洪體系中占據(jù)十分重要的作用，現(xiàn)狀防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇[1-3]。

目前，洪澤湖的泄洪通道有南側(cè)的入江水道和北側(cè)的蘇北灌溉總渠、分淮入沂水道以及入海水道，總泄洪能力達(dá)15 270～18 270 m3/s。但在中低水位期(蔣壩水位12.5～ 14.5 m)，洪澤湖洪水出路規(guī)模偏小，如蔣壩水位14.50 m時(shí)，總泄洪流量?jī)H有15 110 m3/s，進(jìn)而導(dǎo)致在遭遇中等洪水時(shí)，湖區(qū)水位明顯偏高[4]。

入海水道西起洪澤湖二河閘，東至濱?？h扁擔(dān)港注入黃海，全長162.3km，是洪澤湖十分重要的泄洪通道[5-6]。當(dāng)前，二期工程也正在前期規(guī)劃階段，有必要對(duì)工程實(shí)施前入海水道泄洪能力與洪澤湖運(yùn)行水位間的關(guān)系進(jìn)行分析，以為工程規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供技術(shù)借鑒。

本文建立了洪澤湖大范圍二維水流數(shù)學(xué)模型，對(duì)洪澤湖在中、低水位期湖區(qū)水流特性、分流特性和出湖段局部水動(dòng)力特征進(jìn)行計(jì)算，并分析了中低水位下洪澤湖泄洪能力不足的原因。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1 控制方程

水流連續(xù)方程：

(1)

運(yùn)動(dòng)方程：

(2)

(3)

1.2 研究區(qū)域及網(wǎng)格劃分

為探究泄洪能力與洪澤湖運(yùn)行水位的關(guān)系，模擬區(qū)域進(jìn)口邊界共5處，淮河干流給定吳家渡站實(shí)測(cè)流量，其余周邊支流作為源，給定各控制站的實(shí)測(cè)出流，并加入到相應(yīng)的二維模型網(wǎng)格單元中；出口邊界4處，入江水道(三河閘)、入海水道給定實(shí)測(cè)水位，分淮入沂和高良澗閘給定實(shí)測(cè)流量邊界。

洪澤湖湖區(qū)模擬范圍以迎湖擋洪堤為邊界；淮河干流上至池河口上游2.5 km，共51.6 km；入海水道下至進(jìn)洪閘下游3.5 km；分淮入沂下至二河閘下游9.5 km，模型范圍總共1 758.9 km2，見圖 1。

圖1 模型地形

模型計(jì)算區(qū)域的離散采用三角形網(wǎng)格，洪澤湖湖面網(wǎng)格適當(dāng)放大，并對(duì)重點(diǎn)研究區(qū)域網(wǎng)格適當(dāng)加密。整個(gè)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)17 826個(gè)，單元34 421個(gè)，模型地形及網(wǎng)格見圖2。

圖2 模型網(wǎng)格

1.3 驗(yàn)證結(jié)果

根據(jù)2003年和2007年實(shí)際行洪水位流量復(fù)核及模型驗(yàn)證，二河樞紐至淮安樞紐，泓道糙率為0.02～0.0225，灘地糙率為0.03～0.035。模型中一般河道糙率為0.018～0.025，洪澤湖湖面糙率為0.025～0.033，其中疏浚過的、較規(guī)則的河槽糙率取0.018，其余河槽糙率取0.025，由于如栗河洼等部分區(qū)域?yàn)樘J葦蕩，糙率取0.033。

2007年7月24日對(duì)洪澤湖北側(cè)出湖段二河閘、入海水道進(jìn)洪閘和淮安地涵上下游的水位進(jìn)行觀測(cè)，在7月24日前后3日內(nèi)各入湖流量、出湖流量和湖區(qū)內(nèi)各水位站點(diǎn)水位變化過程較為平穩(wěn)(蔣壩水位變幅±2 cm，出湖流量變幅在±0.8%)，模型可采用7月24日日均流量和水位資料進(jìn)行恒定流驗(yàn)證。

洪澤湖湖區(qū)蔣壩、老子山等5個(gè)水文站和二河閘、入海水道進(jìn)洪閘上、閘下的水位，以及入海水道和入江水道泄洪流量驗(yàn)證結(jié)果見表1，出湖流量誤差在±5%以內(nèi)，水位誤差在±5cm以內(nèi)，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

表1 模型驗(yàn)證邊界條件及結(jié)果

2 結(jié)果與討論

2.1 水位和流場(chǎng)

由于主要的入流通道為南側(cè)的淮河(占比70.3%)和匯入西側(cè)溧河洼的淮沐新河、下草灣引河(共計(jì)占比22.9%)，湖區(qū)水位特征呈現(xiàn)淮河口最高、西高東低和北高南低的特性，其中南北向水面比降相對(duì)較小，空間不均勻性明顯(圖3)。

圖3 入海水道啟用水位13.0 m下洪澤湖及出湖段水位和流場(chǎng)分布

在蔣壩水位13.0 m條件下(入海水道啟用)湖區(qū)水流南北界線在高良澗船閘附近出湖河道口門南側(cè)7.9 km(直線距離，下同)，湖區(qū)內(nèi)水流流速在0.1 m/s以下，在湖區(qū)南側(cè)水流由淮河口流出后急劇擺向進(jìn)入三河閘上游段，呈現(xiàn)明顯的吞吐水勢(shì)，流速在0.3 m/s以上，南側(cè)出湖段流速在0.5～1.2 m/s。

出湖段附近湖區(qū)水位在13.06±0.01 m，高良澗閘口門、高良澗船閘附近出湖河槽口門以及二河閘左側(cè)臨閘區(qū)水位有一定比降，也是水流集中的區(qū)域，流速在0.3 m/s以上；其中高良澗船閘下游東側(cè)大堤和西側(cè)沙洲形成的狹窄出湖段流速在1.0～1.7 m/s。

在蔣壩水位14.5 m條件下(破圩滯洪臨界)湖區(qū)水流南北界線在高良澗船閘附近出湖河道口門南側(cè)6.8 km，相比蔣壩水位13.0 m條件下北移1.1 km。出湖段較大的水面比降出現(xiàn)在高良澗船閘附近出湖河槽和二河閘左側(cè)臨閘區(qū)，流速在0.4 m/s以上，高良澗船閘下游東側(cè)大堤和西側(cè)沙洲形成的狹窄出湖段流速在0.5～0.8 m/s，相比中洪水期有所減小。

2.2 分流特性

洪澤湖南北側(cè)出湖通道分流特性隨著洪澤湖不同運(yùn)行水位而相應(yīng)變化(表2)，北側(cè)經(jīng)二河閘的流量占整個(gè)出湖流量的比例為17.6～25.1%，整體上隨湖區(qū)洪水位的抬升而有所增加，相應(yīng)地南側(cè)入江流量占比有所減小。由于大洪水期分淮入沂逐步啟用并增加控泄流量，入海水道泄洪流量占比隨湖區(qū)水位增加有所減小，泄洪流量在1 198～1 993 m3/s。

表2 洪澤湖不同運(yùn)行水位下出湖流量分流情況

2.3 北側(cè)出湖段水面比降

洪澤湖北側(cè)出湖段河槽狹窄、洲灘范圍較大和閘群較多等原因，出湖段水位沿程變化明顯，見圖4。

圖4 不同湖區(qū)水位下出湖段沿程水面線變化

在中洪水期(蔣壩水位13.0 m)出湖段水位由湖區(qū)的13.04 m逐步降至入海水道邊界的11.14 m，沿程3處水位跌落明顯，分別在取水口上游0.6 km、取水口至洪祥村段和入海水道進(jìn)洪閘附近河段，前兩個(gè)河段基本相連均在二河閘上游，水面比降為0.318‰，入海水道閘上下游河段比降在0.276‰；而由于二河閘下游受入海水道進(jìn)洪閘壅水的影響，在閘壩上下游水面線降幅較小，比降僅為0.046‰；入海水道段在中洪水期水面比降較大，在0.118‰。

隨洪澤湖運(yùn)行水位的抬升，出湖段各河段洲灘和近岸灘地的淹沒水深也大幅增加，除二河閘上游至下游分流點(diǎn)河段水面比降變化不大外(0.045‰～0.053‰)，其余3個(gè)河段水面比降均有所減小。高良澗船閘至二河閘上游段比降變化最為明顯，由中洪水期的0.318‰大幅降至大洪水期(蔣壩水位14.5m)的0.052‰；入海水道比降則由0.118‰降至0.032‰。

2.4 洪澤湖泄洪不暢原因

通過對(duì)洪澤湖不同中低水位運(yùn)行條件下湖區(qū)水流特性和北側(cè)出湖段局部水流特性分析可知，洪澤湖中低水位條件下泄洪不暢的主要原因在于北側(cè)出湖段二河閘上游引河的河槽狹小，出湖水流被壓縮在東岸大堤和沙洲(高程在13.3～14.3 m)之間狹窄的縫隙中，部分水流漫過西側(cè)灘地進(jìn)入引河，但由于低水位時(shí)水深較小，所形成的泄洪量也較低。

在洪澤湖水位13.0～13.5 m運(yùn)行時(shí)，高良澗船閘～洪祥村尾段水面比降高達(dá)0.318‰～0.205‰，流速1.6 m/s～1.4 m/s；在水位抬高至14.0～14.5 m時(shí)，比降降至0.102‰～0.052‰，見圖5，可見高良澗船閘～洪祥村尾段形成了卡口區(qū)，在中低水位期大幅限制了北側(cè)出湖段的泄洪能力。

圖5 洪澤湖中低運(yùn)行水位下出湖段水流特性

3 結(jié) 論

(1)由于主要入湖通道為南側(cè)的淮河和西側(cè)的淮沐新河、下草灣引河，湖區(qū)水位特征呈現(xiàn)淮河口最高、西高東低和北高南低的特性，南側(cè)水流由淮河口流出后急劇擺向進(jìn)入三河閘上游段，呈明顯的吞吐之勢(shì)。

(2)湖區(qū)的南北側(cè)分流位置隨淮河入?yún)R流量增加而北移，北側(cè)經(jīng)二河閘的流量占整個(gè)出湖流量的比例為17.6%～25.1%，入海水道泄洪流量在1 198～1 993 m3/s，整體上兩者隨湖區(qū)洪水位的抬升而有所增加。

(3)北側(cè)出湖段二河閘上游引河的河槽狹小，形成出湖段的卡口區(qū)，水流被壓縮在東岸大堤和沙洲(高程在13.3～14.3 m)之間狹窄的縫隙中，在洪澤湖中低水位期大幅限制了北側(cè)出湖段的泄洪能力。