基于MIKE-21新沂河?？跇屑~加固工程分流比研究

李銘杰

（江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001）

分汊河道屬于沖積河道內(nèi)比較普遍的一種平面形態(tài)。分流比參數(shù)改變時容易導(dǎo)致各級支汊出現(xiàn)變化，同時也影響著河道的防洪、航運(yùn)等安全問題[1-4]。在含有分汊河段的河道管理中，分流比的關(guān)注度逐步提高，相關(guān)的研究也在持續(xù)增多。分流比變化時會產(chǎn)生多方面影響，導(dǎo)致河道下游在水源利用以及防洪等方面出現(xiàn)較多問題[5-8]。

新沂河口地形較上一次物模試驗已發(fā)生較大變化，閘前導(dǎo)流堤、各閘底板均發(fā)生不同程度的沉降。因匯流方式的改變，受到水流沖刷等因素影響，分流口、閘下港道等形成一定的淤積，灘地與深泓糙率也有變化。結(jié)合2019 年8 月行洪監(jiān)測資料分析發(fā)現(xiàn)，相對于設(shè)計值，實際分流比出現(xiàn)了顯著變化，中深泓行洪能力難以滿足運(yùn)行要求。采用MIKE-21 探究了該工程分流比改變原因，重新校核控制斷面水位是否滿足標(biāo)準(zhǔn)，為新沂河口下一步治理提供理論依據(jù)，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

1 數(shù)值模型與計算參數(shù)

研究中采用了二維洪水演進(jìn)模型，基于MIKE-21 工具開展研究，有效模擬出水面在道路、小區(qū)、綠地、河道等不同地形狀況下漫流過程。模擬結(jié)果以數(shù)據(jù)、表格、圖像、動畫等形式輸出，可以直觀進(jìn)行分析和應(yīng)用，內(nèi)容包括洪水水量的空間分布、淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時。在二維水動力學(xué)模型中涉及連續(xù)、動量2種方程，如下所示。

式中：H代表水深（m）；Z代表水位（m）；B為地面高程（m），Z=H+B；M和N分別為x和y方向的單寬流量（m2/s）；u和v分別為x和y方向上的流速分量（m/s）；n為糙率系數(shù)；g為重力加速度（m/s2）；q為源匯項。

方程沒有考慮科氏力和紊動項的影響。依據(jù)河段具體情況來設(shè)置模型邊界，具體包括左右、上下邊界，分別對應(yīng)著兩側(cè)河堤、138+000—灌河邊界，河道總長保持在8 km 上下。此次研究結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)確定灌河概化控制水位如下所示：下游高、中、低水位分別是4.00、0.88、-2.15 m，本次計算主要研究在高水位下深泓的過流能力，因此下游控制水位取4.00 m。上游邊界為50 a一遇洪水7 800 m3/s。

針對模型分流比等進(jìn)行檢驗，利用2019 年8 月行洪監(jiān)測信息，并且利用了糙率參數(shù)。糙率取值參考南京水利科學(xué)院編制的《新沂河二期工程?？诳刂茢U(kuò)建模型試驗研究》中的設(shè)計糙率，泓道n=0.020，閘上灘地n=0.030，閘下灘地n=0.040。結(jié)果顯示，計算的分流比與行洪監(jiān)測結(jié)果基本一致，最高誤差僅為3.53%，因此可以用于模擬各深泓的過流情況，模型計算范圍如圖1所示。

圖1 模型計算范圍

2 計算模型驗證

現(xiàn)狀地形下，上游流量為5 480 m3/s，下游水位為1.67 m。該工況與2019年8月行洪監(jiān)測數(shù)據(jù)基本吻合，然后將測量的結(jié)果和計算數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，根據(jù)得到的結(jié)果確定模型是否達(dá)到了預(yù)期效果，計算結(jié)果詳見表1。結(jié)合表1中的信息可知，測量數(shù)據(jù)和計算結(jié)果基本是一致的，存在偏差最大的是北深泓，具體為3.53%，其他2 個位置的偏差相對較小，偏差總體處于較小的范圍內(nèi)，通過該模型可以有效對深泓過流狀況進(jìn)行模擬分析。

表1 率定工況分流比計算結(jié)果

3 計算結(jié)果分析

3.1 現(xiàn)狀地形下的計算結(jié)果

此次研究中主要采用了2 種現(xiàn)狀地形，分別是行洪前、后地形，具體如圖2所示，相對于設(shè)計方案，現(xiàn)狀河道斷面出現(xiàn)了顯著變化。其中，分流魚嘴處偏向南、北深泓方向河底高程相對較小，中深泓方向明顯更高。在2019 年8 月行洪沖刷之后，各個深泓閘下引河均受到?jīng)_刷，但是沖刷程度不同，沖刷最大的是北深泓河底。其他部位高程在沖刷之后并未出現(xiàn)顯著變化，具體結(jié)果如圖2所示。

圖2 行洪前后地形

在研究過程中需要對邊界條件進(jìn)行合理設(shè)置，其中上游設(shè)計50 a 一遇洪水流量為7 800 m3/s、下游潮位為4.00 m。基于該工況對深泓分流比等進(jìn)行校核分析，最終得到結(jié)果詳見表2。根據(jù)結(jié)果可知，相對于設(shè)計值，實際分流比存在顯著偏差。在流量上也存在類似問題，相對于設(shè)計值，北深泓、南深泓流量明顯更高，然而中深泓并未達(dá)到設(shè)計要求。沖刷之后在一定程度上提高了中深泓分流比，使得其過流能力有所改善，然而相對于設(shè)計值依然存在顯著偏差。各個位置的水位變化情況如圖3所示，在沖刷前、后的控制斷面141+000水位分別是5.28、4.99 m，出現(xiàn)了顯著變化，已經(jīng)達(dá)到控制水位（5.12 m）標(biāo)準(zhǔn)。由此可知，沖刷在一定程度上降低了控制斷面水位。沖刷前后的分流比計算結(jié)果，詳見表2。

表2 地形圖基本等高距 m

表2 沖刷前后分流比計算結(jié)果

圖3 沖刷前后模型內(nèi)水位

3.2 模擬地形下的計算結(jié)果

在本次研究中分析了影響分流比的因素，重點(diǎn)研究了分流口、閘上下游引河河底高程影響，設(shè)計了不同方案。方案1：對魚嘴和閘上引河進(jìn)行開挖，達(dá)到-5 m高程，具體涉及魚嘴上游200 m到3個節(jié)制閘段，其余部位不進(jìn)行處理；方案2：開挖中深泓閘下引河，達(dá)到-5 m高程，其余部位不進(jìn)行處理；方案3：前2種方案均采用，其余部位不進(jìn)行處理。針對上述3種方案進(jìn)行計算分析，最終得到結(jié)果詳見表3—5。

由表3 可知，在開挖之后分流比出現(xiàn)了不同變化，其中南深泓與北深泓均減小，而中深泓提高。相對于現(xiàn)狀地形并未出現(xiàn)顯著變化，中深泓分流比也沒有達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)上述結(jié)果可知，分流比與分流魚嘴及閘上引河開挖之間的關(guān)系不大，并未出現(xiàn)顯著變化。在開挖之后能夠有效地提高各深泓過流能力，141+000 水位為4.91 m，可以達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（設(shè)計控制水位5.12 m）。根據(jù)表4 可知，在開挖之后分流比出現(xiàn)了不同的變化，其中南深泓與北深泓均減小，而中深泓提高，并且已經(jīng)達(dá)到了過流能力設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合上述分析可知，分流比和中深泓閘下引河開挖存在顯著相關(guān)性，使得前者得到明顯的改善。各中深泓過流能力顯著提高，141+000 水位值已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計要求。根據(jù)表5 可知，在開挖之后南深泓、北深泓分流比降低，而中深泓分流比顯著增大，在流量增量上相對于前2種方案總和更高，據(jù)此判斷應(yīng)該優(yōu)先進(jìn)行中深泓下游引河開挖，然后進(jìn)行魚嘴開挖。開挖之后顯著提升了中深泓過流能力，141+000水位達(dá)到4.78 m，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

表3 方案1分流比計算結(jié)果

表4 方案2分流比計算結(jié)果

表5 方案3分流比計算結(jié)果

4 結(jié)論

（1）根據(jù)邊界條件，上游50 a 一遇洪水流量為7 800 m3/s，下游潮位為4.00 m，南、北深泓的實際分流比相對于設(shè)計值明顯更高，而中深泓未達(dá)到設(shè)計值；另外，由于141+000 水位達(dá)到5.28 m，并未達(dá)到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

（2）洪水行洪產(chǎn)生了顯著的沖刷作用，導(dǎo)致分流比出現(xiàn)了一定變化，其中南、北深泓有所降低，而中深泓顯著提高，但是仍然未達(dá)到設(shè)計值要求，在過流能力上仍然存在不足。另外，141+000 水位達(dá)到4.99 m，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

（3）在中深泓閘下引河、魚嘴開挖之后，南深泓、北深泓分流比降低，而中深泓分流比顯著增大，在流量增量上提升明顯。但是2種方案的優(yōu)先級是不同的，閘下引河方案應(yīng)該更高。據(jù)此判斷應(yīng)該優(yōu)先進(jìn)行下游引河開挖，然后進(jìn)行魚嘴開挖。在開挖之后有效提升了中深泓過流能力，141+000 水位達(dá)到4.78 m，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。