保障通航條件下江蘇省武障河閘泄流量數(shù)值模擬分析

顏秉龍，張應(yīng)奎，姚力銘，陸洪亞，賀丙舉

(1.連云港市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 連云港 222003； 2.連云港徐圩港口投資集團(tuán)有限公司，江蘇 連云港 222047)

0 引 言

水網(wǎng)承擔(dān)著地區(qū)防洪排澇、供水、通航等任務(wù)，水網(wǎng)地區(qū)水閘亦為多功能綜合利用水閘，其下泄流量關(guān)系地區(qū)防洪排澇、供水和航運(yùn)安全，須統(tǒng)籌各功能需求合理確定[1-2]。

目前，較多研究針對(duì)水網(wǎng)地區(qū)多功能水閘控制下泄流量進(jìn)行了分析[3-5]。本文以江蘇省沂南地區(qū)武障河閘為例，通過對(duì)武障河閘防洪排澇、供水、保證通航功能需求及矛盾進(jìn)行分析，研究兼顧各功能需求的水閘控制泄流方案，并提出相應(yīng)措施。

1 研究區(qū)域概況

沂南地區(qū)位于江蘇省淮河流域沂沭泗水系，該區(qū)域北至新沂河，西至中運(yùn)河，南到廢黃河(中山河)，東臨黃海，總面積7 477 km2，行政區(qū)劃涉及鹽城市響水縣，連云港市灌南縣，淮安市漣水縣全部及淮陰區(qū)一部分，宿遷市宿豫區(qū)、泗陽縣、沭陽縣等四市七縣(區(qū))。武障河是沂南地區(qū)行洪排澇的骨干河道，也是江蘇省“兩縱五橫”干線航道網(wǎng)中淮河出海航道和連申線航道的重要組成部分，河道西起鹽河，東至灌河?xùn)|三岔，全長12.4 km，與義澤河、龍溝河、北六塘河合并承泄沂南地區(qū)上游來水入灌河，是一條具有防洪、排澇、供水、航運(yùn)等綜合功能的河道[6]。

武障河閘位于武障河上游與鹽河交匯處，與鹽灌船閘共同控制武障河與鹽河，為鹽東控制4閘之一。鹽東控制4閘(武障河閘、義澤河閘、龍溝河閘、北六塘河閘)是沂南以西地區(qū)排水入灌河的唯一控制口門、灌河流域的末級(jí)控制工程，4閘現(xiàn)狀總設(shè)計(jì)流量2 565 m3/s(武障河閘841 m3/s，義澤河閘291 m3/s，龍溝河閘874 m3/s，北六塘河閘559 m3/s)，主要承泄上游的沂南河、柴米河、柴南河、北六塘河、南六塘河等5條高低河道來水以及鹽河的區(qū)間來水，匯水面積約3 650 km2。武障河閘建于1976年，共14孔，閘孔總凈寬88 m，閘底板高程-2.17 m，設(shè)計(jì)最大流量841 m3/s，建成后在擋潮、排澇、蓄水灌溉、保證通航等方面發(fā)揮了顯著的效益。由于武障河閘建設(shè)年代較早且多年來未進(jìn)行加固，其實(shí)際外排能力不足、閘下游河道規(guī)模不足、閘門擋潮高度不足、閘底板防滲長度不足等問題日益凸顯，不能滿足區(qū)域防洪排澇的要求。

2015年，武障河閘經(jīng)安全鑒定被評(píng)定為三類閘。為消除工程安全隱患、滿足區(qū)域防洪排澇要求，相關(guān)部門于2020年對(duì)武障河閘拆除擴(kuò)建：在老閘下游約960 m處新建，擴(kuò)建后的水閘共13孔、單孔凈寬10.0 m，總凈寬130 m，10 a一遇設(shè)計(jì)排澇流量849 m3/s，工程于2022年底前完工。

2 存在問題

武障河閘建于1976年，建成后其功能主要為擋潮、排澇、灌溉。隨著區(qū)域水情、工情的不斷變化和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，尤其是2010年以后連云港疏港航道(涉及武障河閘上游鹽河航道)、鹽灌船閘、連申線航道(涉及武障河閘下游武障河航道)相繼建成通航以來，武障河閘的功能已由原來的擋潮、排澇、灌溉，轉(zhuǎn)變?yōu)閾醭?、排澇、供水、保證通航。近年來，武障河閘在洪澇期間全力開閘排水、平時(shí)關(guān)閘蓄水的調(diào)度運(yùn)行方式與保證通航這一需求之間的矛盾較為突出，無法兼顧水利部門排澇、供水和交通部門航運(yùn)需求，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

(1) 開閘泄洪對(duì)航道水流條件影響較大。武障河是沂南地區(qū)行洪排澇骨干河道，武障河閘開閘泄洪期間，由于設(shè)計(jì)流量較大，閘上游鹽河航道橫向流速和閘下游武障河航道縱向、橫向流速均較大，影響通航安全；尤其武障河為感潮河道，通航水位工況復(fù)雜且河道規(guī)模較小，武障河閘泄洪對(duì)其影響尤為突出。近年來，由于武障河閘存在重大安全隱患，除洪澇期間外基本不開閘，即使開閘也是小流量控制行洪(控泄流量基本不超過300 m3/s)，其對(duì)航道水流條件影響相對(duì)較小。武障河閘下移擴(kuò)建恢復(fù)正常運(yùn)行后，其開閘泄洪流量加大對(duì)航道水流條件的影響勢必?cái)U(kuò)大，水閘下游泄流量須統(tǒng)籌防洪排澇和通航水流要求。

(2) 關(guān)閘蓄水對(duì)閘下游航道沖淤影響較大。武障河位于武障河閘下游，為感潮河道，易沖易淤，基本呈枯淤洪沖的變化規(guī)律，其沖淤平衡受上游來水流量及開關(guān)閘時(shí)間影響較大：上游徑流越小、關(guān)閘時(shí)間越短，則閘下游淤積越嚴(yán)重；上游徑流越大、開閘時(shí)間越長，則閘下游沖刷越強(qiáng)。近年來，由于武障河閘僅洪澇期間開閘、其他時(shí)段關(guān)閘，不具備放水沖淤條件，導(dǎo)致閘下游武障河航道淤積嚴(yán)重，已嚴(yán)重影響航道通航安全[7]。武障河閘下移擴(kuò)建恢復(fù)正常運(yùn)行后，具備放水沖淤條件。為保障武障河航道和鹽灌船閘正常運(yùn)行，除洪澇期間外，武障河閘亦須放水沖淤，水閘泄流量須兼顧武障河航道沖淤保通航需求。

3 控制泄流方案分析

除防洪排澇外，武障河閘下游泄流量對(duì)航道水流條件和閘下游航道沖淤影響亦較大，開閘排澇期間，宜在保障區(qū)域防洪排澇安全的前提下控制減小泄流以減小對(duì)上下游航道水流條件的影響；放水沖淤期間，應(yīng)控制加大泄流以滿足航道沖淤保通航需求。

武障河閘擴(kuò)建后，由于閘址下移、上游引河疏浚、老河槽抽槽新開引河，擴(kuò)大了武障河閘上游過流斷面。各工況相同流量下，水閘上游鹽河橫向流速均減小，新閘較老閘對(duì)鹽河航道的不利影響減小。閘址下移擴(kuò)建及下游引河疏浚后，由于下泄流量加大，且武障河河道規(guī)模偏小、與閘規(guī)模不匹配，新閘較老閘對(duì)武障河航道水流條件的不利影響和對(duì)沖淤的有利影響均增大。

本次研究將武障河閘對(duì)航道水流條件的影響和對(duì)閘下游航道沖淤的影響作為兩種工況，根據(jù)各工況特點(diǎn)分別分析武障河閘控制下泄流量。

3.1 模型構(gòu)建

武障河閘上游為平原河網(wǎng)地區(qū)、水位變化較平穩(wěn)，閘下游排水入海(灌河)河道為典型的感潮排水河道、水位周期變動(dòng)較大，為了計(jì)算武障河閘泄流對(duì)航道通航等的影響，本文分別構(gòu)建了武障河閘上游與下游河道二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，將閘上游與下游河道進(jìn)行概化，形成如圖1～2所示的武障河閘上游、下游二維水動(dòng)力河網(wǎng)模型。

圖1 武障河閘上游二維河網(wǎng)模型

3.2 計(jì)算條件

3.2.1 計(jì)算工況

武障河閘10 a一遇排澇工況和最低通航水位工況為本文計(jì)算工況。

3.2.2 邊界條件

武障河閘上游模型：模型上游鹽河(南)、武障河西邊界采用流量邊界，10 a一遇排澇流量分別為239 m3/s，610 m3/s，鹽河(北)采用閉邊界；模型下游閘址采用水位邊界，10 a一遇水閘上游排澇設(shè)計(jì)水位3.6 m，鹽河最低通航水位1.61 m。

圖2 武障河閘下游二維河網(wǎng)模型

武障河閘下游模型：上游閘址邊界采用流量邊界、流量取10 a一遇排澇流量849 m3/s，鹽灌船閘采用閉邊界；下游武障河閘下游采用水位邊界，10 a一遇閘下游排澇設(shè)計(jì)水位3.5 m，武障河閘大流量放水期間閘下游低水位1.0 m。

3.2.3 水閘調(diào)度規(guī)則

武障河閘以汛限水位進(jìn)行控制運(yùn)行，當(dāng)閘上游水位超過汛限水位且高于閘下游潮位時(shí)開閘排澇，低于控制水位或低于潮位時(shí)關(guān)閘擋潮。當(dāng)需要控制下泄流量時(shí)，通過調(diào)節(jié)水閘開啟度控制其泄流量。

3.3 方案擬定

3.3.1 對(duì)航道水流條件影響

根據(jù)GB50139-2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)規(guī)定，航道范圍內(nèi)水域縱向流速宜不大于1.0 m/s、橫向流速應(yīng)不大于0.3 m/s。當(dāng)武障河閘上游鹽河和下游武障河航道范圍內(nèi)橫向、縱向流速超過規(guī)范允許值時(shí)，通過模型試算流速滿足通航水流要求的武障河閘最大下泄流量。

根據(jù)模型計(jì)算成果，武障河閘10 a一遇排澇工況和最低通航水位工況下，由于未進(jìn)行控泄(武障河閘泄流量849 m3/s)，閘上游鹽河航道和閘下游武障河航道流速均不滿足規(guī)范要求。鹽河航道以橫向流速超標(biāo)為主，在10 a一遇排澇工況下橫向流速最大值約0.52 m/s、最低通航水位工況下橫向流速最大值約0.71 m/s；武障河由于河道規(guī)模較小，航道內(nèi)橫向、縱向流速均超標(biāo)，10 a一遇排澇工況下橫向流速最大值約0.32 m/s、縱向流速最大約1.07 m/s，低水位工況下橫向流速最大值約0.50 m/s、縱向流速最大約1.72 m/s。

通過對(duì)比武障河閘移址拆建前后10 a一遇排澇工況下鹽河橫向流速，發(fā)現(xiàn)在相同工況下，武障河閘移閘后，鹽河航道最大橫向流速較移閘前減少0.11 m/s，更有利于改善鹽河航道通航條件。

10 a一遇排澇工況下武障河閘以防洪保安為主，可全力泄流不控泄；但在河道水位相對(duì)較低、防洪排澇壓力不大時(shí)應(yīng)兼顧航道通航，武障河閘應(yīng)適當(dāng)控泄以滿足鹽河、武障河航道橫向、縱向流速要求。通過模型試算可知，當(dāng)鹽河、武障河處于最低通航水位時(shí)，武障河閘下游泄流量分別控制不超過350 m3/s，505 m3/s，能保證航道內(nèi)最大縱向流速不超過1.0 m/s、最大橫向流速不超過0.30 m/s。基于此，分別確定武障河閘上游鹽河和下游武障河航道處于不同通航水位時(shí)，航道流速滿足規(guī)范要求對(duì)應(yīng)的武障河閘最大下泄流量，其水位、流量成果見表1。

表1 鹽河、武障河不同水位工況下最大通航流量計(jì)算成果

根據(jù)武障河閘功能定位，當(dāng)出現(xiàn)洪澇時(shí)，全力排除澇水，以防汛為主；其他時(shí)段根據(jù)旱澇情況而定，服務(wù)防汛抗旱的同時(shí)兼顧沖淤保通航。為避免洪澇期間武障河閘泄流導(dǎo)致鹽河、武障河航道橫向、縱向流速超標(biāo)造成船舶事故，武障河閘下泄流量若大于表1中鹽河、武障河各通航水位要求的下泄流量，武障河閘管理部門需提前通知航道主管部門，在鹽河(上游引河、老河槽與鹽河交叉口)、武障河(鹽灌船閘下游引航道口門段)采取短期限航措施。

3.3.2 對(duì)閘下游航道沖淤影響

武障河閘下游航道沖淤期間，宜控制縱向流速不小于1.0 m/s，以此為沖刷啟動(dòng)條件。當(dāng)武障河航道范圍內(nèi)縱向流速達(dá)到?jīng)_刷啟動(dòng)條件時(shí)，通過模型試算流速滿足航道沖淤要求的武障河閘最小下泄流量。

根據(jù)模型試算成果，確定武障河閘下游航道處于不同通航水位時(shí)，航道流速滿足沖淤要求所對(duì)應(yīng)的各水位下武障河閘最小下泄流量，其成果見表1。由于沖刷啟動(dòng)流速(1.0 m/s)與滿足水流條件的航道最大縱向流速相同，因此閘下游航道沖淤工況下的武障河閘最小控制流量成果與對(duì)航道水流條件影響工況下的武障河閘最大控制流量成果相同。

為最大限度提高武障河閘下游沖淤保通航效果，武障河閘放水沖淤期間，可結(jié)合以清頂渾、高水增速等措施，完善沖淤調(diào)度運(yùn)行管理方案，優(yōu)化開閘沖淤時(shí)機(jī)選擇及水閘上游下游水位、流量組合，進(jìn)一步提升放水沖淤效果。

4 結(jié) 論

本文以江蘇省沂南地區(qū)武障河閘為例，由于其下泄流量關(guān)系地區(qū)防洪排澇、供水和航運(yùn)安全，須統(tǒng)籌各功能需求合理確定。通過構(gòu)建二維水動(dòng)力模型進(jìn)行試算，在確保防洪排澇和供水安全的前提下，按照水閘泄流對(duì)航道水流條件和閘下游沖淤的影響分別確定下泄流量是合理的。為減小對(duì)上下游航道水流條件的影響，保證航道內(nèi)最大橫向、縱向流速滿足通航要求，當(dāng)鹽河、武障河處于最低通航水位時(shí)，武障河閘下游泄流量應(yīng)分別不超過350 m3/s，505 m3/s；為滿足沖淤保通航需求，確保武障河航道達(dá)到?jīng)_刷啟動(dòng)條件(縱向流速不小于1.0 m/s)，沖淤期間武障河閘下游泄流量應(yīng)控制不小于300～505 m3/s(對(duì)應(yīng)閘下游武障河水位-0.77～1.0 m)。本次計(jì)算得到的武障河閘各工況控制下泄流量成果，在保障地區(qū)防洪排澇安全的同時(shí)，可避免洪澇期間武障河閘泄流導(dǎo)致航道橫向、縱向流速超標(biāo)造成船舶事故，并最大限度提高武障河閘下游沖淤保通航效果。