蘇北灌溉總渠現(xiàn)狀行洪能力計算

張翼，朱大偉，張玥，張鎖江，王宇露，李潔

（1.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225127；2.揚州大學 水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009）

0 引言

淮河流域地處中國中東部，是長三角一體化發(fā)展、長江經(jīng)濟帶等重大國家戰(zhàn)略承載地，在全國社會經(jīng)濟發(fā)展中占有重要地位，其長期面臨復雜嚴峻的洪澇災害威脅。蘇北灌溉總渠作為淮河流域下游地區(qū)防洪工程體系的重要組成，也是發(fā)展下游地區(qū)灌溉的綜合利用的大型水利工程。總渠建成投運后，在灌溉、防洪以及排澇等方面均發(fā)揮了重要作用。由于總渠入?？谔幵O閘控制，改變了河口區(qū)的潮波運動，加之近年來上游沖淤保港水量不足，在自然與人為因素的雙重影響下，總渠入海河口閘下港道淤積嚴重，導致上游河道的行洪能力衰弱。因此，為確保蘇北灌溉總渠乃至洪澤湖的防洪安全，建立能夠模擬多建筑物控制下河道洪水演進過程的數(shù)學模型，定量分析現(xiàn)狀行洪能力及影響因素具有重要意義。

文章首先構建了蘇北灌溉總渠一維模型，在模型率定及驗證的基礎上對河道現(xiàn)狀行洪能力進行了計算，并分析了閘下港道淤積對河道行洪能力的影響，以期為蘇北灌溉總渠的治理提供借鑒參考。

1 研究區(qū)域概況

1.1 河道概況

蘇北灌溉總渠位于淮河下游江蘇省北部，西起洪澤湖高良澗，東至扁擔港入黃海，全長168 km，向東經(jīng)淮安市的洪澤區(qū)、清江浦區(qū)、蘇淮高新區(qū)、淮安區(qū)，鹽城市的阜寧縣、射陽縣、濱?？h，及江蘇省淮海農(nóng)場，南、北堤均為1級堤防?？偳黧w工程于1951 年11 月2 日開工，1952 年5 月10 日竣工，原設計行洪700 m3/s，1960年運東閘加固后，行洪標準提高到800 m3/s，灌溉設計流量500 m3/s。蘇北灌溉總渠南堤及北堤（淮河入海水道南堤）是里下河地區(qū)、白寶湖地區(qū)的防洪屏障，防洪保護區(qū)面積22 400 km2。區(qū)內(nèi)淮安、鹽城是江蘇發(fā)展最有潛力的地區(qū)之一，是拉動蘇北經(jīng)濟社會發(fā)展的關鍵地帶。

1.2 沿線建筑物概況

蘇北灌溉總渠沿線主要有高良澗進水閘、運東閘、阜寧腰閘、總渠地涵、六垛南閘五級控制樞紐，設計泄洪流量均為800 m3/s。高良澗進水閘共16 孔，單孔凈4.20 m；運東閘為第二級控制，主要功能為泄洪、引水灌溉，共7孔，單孔凈寬9.20 m；阜寧腰閘為第三級控制，主要功能為泄洪、引水灌溉，共21孔，單孔凈寬3 m?？偳睾强偳c通榆河立交控制，主要功能為泄洪、引水灌溉、維持通榆河航運，為上槽下洞結構，15 孔，單孔凈寬4 m；六垛南閘為末級控制，主要功能為泄洪、排澇、擋潮，共7孔，單孔凈寬9.20 m。

2 一維水流模型構建

MIKE11 軟件是由丹麥水利研究所（DHI）開發(fā)的，用于模擬河流、河口、河網(wǎng)系統(tǒng)的水流、水質(zhì)過程的一維模型，經(jīng)過大量工程實踐驗證，適用于具有多種建筑物控制的河道水流計算。文章采用MIKE11軟件建立了一維河道水流模型，對蘇北灌溉總渠的現(xiàn)狀行洪能力及主要影響因素進行了計算分析。

2.1 模型概化

綜合考慮了流域洪水組成、防洪工程體系、主要控制建筑物分布等，確定計算范圍為蘇北灌溉總渠（高良澗閘下～入?？诙危?，概化河道長度約168 km，概化斷面420 個，斷面平均間距400 m，沿線運東閘、阜寧腰閘、總渠地涵、六垛南閘等均采用MIKE11中的可控水工建筑物進行概化模擬，見圖1。

圖1 河道概化圖

2.2 計算條件

蘇北灌溉總渠為相對獨立的行洪河道，主要承泄洪澤湖下泄洪水，河道水位受沿線建筑物控制運行及沿海潮位影響。模型率定及驗證階段上游邊界采用實測流量過程，下游邊界采用入海口處實測潮位過程；設計工況研究過程中，上游邊界采用800 m3/s的設計行洪流量，下邊界采用50年一遇設計高潮位，綜合實測資料排頻結果與附近工程已有研究成果，此次下邊界取3.60 m。

2.3 模型率定

采用2015 年實測河道地形資料，選取2015 年5 月25 日至8月12日洪水過程，對模型進行了率定。期間蘇北灌溉總渠上游高良澗閘最大日均流量為513 m3/s，發(fā)生于7月9日，此時運西電站節(jié)制閘出流流量為245 m3/s，運東閘、阜寧腰閘、六垛南閘流量分別為212、159、125 m3/s。根據(jù)沿線運東閘下、阜寧腰閘閘下的實測水位過程資料，率定河道主槽、灘地糙率等關鍵參數(shù)，計算表明率定結果與實測的水位過程符合較好，最高洪水位相對誤差在±10 cm 以內(nèi)，故該模型可很好地模擬河道水位變化過程。

2.4 模型驗證

根據(jù)實測地形及水文資料掌握情況，驗證過程采用2021年實測河道地形資料，選取2020 年6 月15 日至8 月31 日洪水過程。期間上游高良澗閘最大日均流量達771 m3/s（7 月23日），此時運西電站節(jié)制閘出流流量為219 m3/s，運東閘、阜寧腰閘、六垛南閘流量分別為460、427、365 m3/s。在率定得到的河道糙率（主槽0.018～0.023、灘地0.026～0.044）等條件下，根據(jù)典型水文站點實測水位資料，驗證模型計算精度。驗證結果表明計算結果與實際符合較好，故此次概化模型方法及參數(shù)選定基本合理，可用于現(xiàn)狀河道行洪能力及影響因素的計算分析。

3 現(xiàn)狀行洪能力分析

根據(jù)蘇北灌溉總渠2021 年實測河道地形，采用上述模型對高良澗閘下泄流量分別為400、600、800、1 000 m3/s時的河道水位進行了計算，并與沿線主要建筑物設計水位進行對比，分析河道現(xiàn)狀行洪能力。計算可得，2021年實測地形條件下，上游流量為1 000 m3/s 時，阜寧腰閘、總渠地涵、六垛南閘處計算水位高于設計水位；800 m3/s下，總渠地涵、六垛南閘處計算水位高于設計水位；600 m3/s下，六垛南閘處計算水位高于設計水位；400 m3/s下，各節(jié)點計算水位均低于設計水位。

分析表明，蘇北灌溉總渠現(xiàn)狀行洪能力整體不滿足800 m3/s 的設計標準，經(jīng)試算，高良澗閘至運東閘段現(xiàn)狀行洪能力約1 000 m3/s，運東閘至總渠地涵段現(xiàn)狀行洪能力約600～900 m3/s；總渠地涵至入海口段現(xiàn)狀行洪能力約400 m3/s，僅為設計行洪能力的50%。

4 閘下港道淤積對行洪的影響

現(xiàn)狀六垛南閘閘下港道長約7.50 km，根據(jù)2021年實測斷面資料，六垛南閘上7.50 km 平均河底高程為-5.44 m，閘下7.50 km平均河底高程為-0.60 m，閘下比閘上高4.84 m。

采用模型對閘下港道清淤后的河道水位進行了計算，清淤規(guī)模初定為底高程-2.50 m、底寬60 m、邊坡1 ∶3。計算可得：800 m3/s 設計流量下，清淤前后高良澗閘至運東閘段水位差為0.03 ～ 0.06 m，阜寧腰閘至六垛南閘段水位差為0.36 ～0.78 m，表明六垛南閘閘下港道淤積造成上游河道水位壅高，主要控制節(jié)點處水位最大壅高幅度為0.78 m，嚴重影響上游河道行洪能力；對閘下港道進行一定規(guī)模的清淤整治后，基本可恢復河道800 m3/s的設計行洪能力。

5 結論

文章建立一維河道水流模型，對蘇北灌溉總渠現(xiàn)狀行洪能力進行了計算分析，主要得到以下結論：采用MIKE11 建立了蘇北灌溉總渠一維河道水流模型，并對模型進行了率定及驗證，結果表明該模型能較好地模擬河道洪水演進過程，并用于設計方案的研究。

采用建立模型對蘇北灌溉總渠2021年地形條件下的現(xiàn)狀行洪能力進行了計算，得出河道現(xiàn)狀行洪能力整體不滿足800 m3/s的設計標準，其中高良澗閘至運東閘段現(xiàn)狀行洪能力約1 000 m3/s，運東閘至總渠地涵段現(xiàn)狀行洪能力約600 ～900 m3/s；總渠地涵至入?？诙维F(xiàn)狀行洪能力約400 m3/s。

分析了六垛南閘閘下港道淤積對河道行洪能力的影響，結果表明閘下港道淤積造成上游河道水位壅高，主要控制節(jié)點處水位最大壅高幅度為0.78 m，嚴重影響上游河道行洪能力；對閘下港道進行一定規(guī)模的清淤整治后，基本可恢復河道800 m3/s的設計行洪能力。