M IKE11 模型在八灘渠地區(qū)河道及擋潮閘規(guī)模論證中的應(yīng)用

1 八灘渠區(qū)域概況

八灘渠地區(qū)以三條八灘渠為界可細(xì)分為北、中、南八灘渠排區(qū),區(qū)內(nèi)澇水主要由沿線排澇支河沙埔河、陶圩河、陸集河、梁橋河、西排河、新八河、通濟(jì)河、海堤河匯水進(jìn)入三條八灘渠后自排入海。

北八灘渠開挖于1955年,西起張家河?xùn)|至振東閘,全長47 km,?？趽醭迸艥抽l（振東閘）的規(guī)模為6 孔,每孔凈寬8 m,底板高程-2.0 m。中八灘渠開挖于1953年,西起張家河?xùn)|至二罾閘,全長46.8 km,?？趽醭迸艥抽l二罾閘的規(guī)模為5 孔,每孔6 m,底板高程-2.0 m。南八灘渠開挖于1957年,西起陳濤鄉(xiāng)丁墩村東至海邊,全長28.7 km,海口擋潮排澇閘南八灘閘的規(guī)模為4 孔,孔徑為3×5 m+1×8 m,底板高程-2.0 m。

八灘渠區(qū)域匯水范圍為：東至海堤,西移至張弓干渠（渠首段）～中心河～沙浦河,南至入海水道北堤,北至張弓干渠,區(qū)域面積約530 km2。

2 八灘渠地區(qū)水動(dòng)力學(xué)模型

2.1 水利計(jì)算方法

采用非恒定水動(dòng)力學(xué)模型的控制方程一維非恒定水動(dòng)力學(xué)模型,建立八灘渠地區(qū)排水范圍河網(wǎng)水利計(jì)算模型。

一維非恒定流動(dòng)方程組如下：

式中：Z（x,t）斷面平均水位,m；B（x,t）斷面平均寬度,m；Q（x,t）斷面流量,m3/s；A（x,t）斷面面積,m2；u（x,t）斷面平均流速,m/s；C 為謝才系數(shù)；qi為單位河長上的支流流量。

定解條件包括水流的初值與邊界值。

水流初始條件：

t=0，Z（x,t）=Z（x,0）,Q（x,t）=Q（x,0）。

邊界條件：

當(dāng)x=0 時(shí)，Z（x,t）=Z（0,t）；

當(dāng)x=L 時(shí)，Z（x,t）=Z（L,t）。

2.2 模型計(jì)算范圍

模型河網(wǎng)（圖1）主要包括：南、中、北三條八灘渠,沿線排澇支河及主要大、中溝河道。模型中建筑物包括：南八灘閘、二罾閘、振東閘及北八灘渠劉莊套閘、中八灘渠陳濤節(jié)制閘。

圖1 八灘渠區(qū)域模型河網(wǎng)圖

3 模型概化及運(yùn)行參數(shù)

3.1 設(shè)計(jì)暴雨

設(shè)計(jì)降雨采用《渠北排灌影響處理工程報(bào)告》中渠北低片區(qū)設(shè)計(jì)成果,5年一遇設(shè)計(jì)暴雨181 m,十年一遇設(shè)計(jì)暴雨219 mm。

設(shè)計(jì)凈雨由《江蘇省暴雨洪水圖集》（1984年）P+Pa~R 關(guān)系曲線,計(jì)算得八灘區(qū)域地區(qū)5年一遇設(shè)計(jì)凈雨為112 mm,10年一遇設(shè)計(jì)凈雨為150 mm。

3.2 設(shè)計(jì)潮位

采用海口50%排澇設(shè)計(jì)潮型。選用高高潮位P=50%的平均潮位作為設(shè)計(jì)高高潮位。經(jīng)分析,設(shè)計(jì)高高潮位為2.2 m,再選取高高潮位與設(shè)計(jì)高高潮位2.2 m 相近的若干次全潮過程線,取其高低潮位的平均值-0.2 m 作為設(shè)計(jì)高低潮,設(shè)計(jì)排澇潮位采用高高潮與高低潮的平均值1.0 m,計(jì)算過程中用全潮過程線進(jìn)行校核。

3.3 河道斷面

模型驗(yàn)證：干河及主要排澇支河采用實(shí)測斷面。

規(guī)模分析：南八灘渠、沙浦河、陶圩河及西排河采用不同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)試算。

3.4 排澇歷時(shí)

排澇歷時(shí)指從0.8 m上漲然后回落到0.8 m所經(jīng)歷的時(shí)間,采用三日暴雨雨后一日排出。

3.5 模型參數(shù)

模型計(jì)算的主要參數(shù)為河道糙率。根據(jù)驗(yàn)證調(diào)整,八灘渠干河河道糙率為0.025,沿線支河為0.0275。計(jì)算時(shí)間步長為60 s。

4 工程規(guī)模論證

4.1 現(xiàn)狀排澇能力復(fù)核

5年一遇排澇能力復(fù)核：五年一遇設(shè)計(jì)暴雨南八灘閘、二罾閘、振東閘最大過閘流量分別為140 m3/s、202 m3/s、304 m3/s,最大日均過閘流量分別為61 m3/s、93 m3/s、134 m3/s,郭集西排河?xùn)|側(cè)最高水位2.2 m,南八灘閘、二罾閘閘前最高水位1.24 m,振東閘閘前最高水位1.27 m,排澇歷時(shí)3d20h,八灘渠區(qū)域現(xiàn)狀已達(dá)到5年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)。

10年一遇排澇能力復(fù)核：十年一遇設(shè)計(jì)暴雨南八灘閘、二罾閘、振東閘最大過閘流量分別為159 m3/s、237 m3/s、359 m3/s,最大日均過閘流量分別為79 m3/s、117 m3/s、169 m3/s,郭集西排河?xùn)|側(cè)最高水位2.62 m,南八灘閘、二罾閘閘前最高水位1.56 m,振東閘閘前最高水位1.6 m,排澇歷時(shí)4 d8 h。八灘渠區(qū)域水位、排澇歷時(shí)均未達(dá)到規(guī)劃要求,不能滿足10年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 規(guī)模論證

八灘渠地區(qū)南八灘閘、二罾閘為沿海擋潮閘,南八灘地區(qū)、中八灘地區(qū)澇水主要通過南八灘渠、中八灘渠兩條河道經(jīng)兩座閘自排入海?，F(xiàn)狀二閘緊鄰,閘下港道淤積,南八灘渠與中八灘渠入?？诰o鄰,上游沖淤保港水源不足,加之閘下圍墾養(yǎng)殖后港道淤積,排水不暢,本次擬將南、中八灘渠擋潮閘南八灘閘、二罾閘拆除后合建。由于南八灘渠水位較低,將新閘建在南八灘渠入?？?原二罾閘封堵。

根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)及模型試算,擴(kuò)大河道標(biāo)準(zhǔn)對(duì)提高區(qū)域排澇能力效果比較明顯。因此,首先論證南八灘閘、二罾閘按現(xiàn)狀閘規(guī)模合并后（閘孔凈寬52 m,底板面高程-2.0 m）,通過疏浚八灘渠干河及沿線排澇支河提高區(qū)域排澇能力。中八灘渠、北八灘渠現(xiàn)狀河道標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)較大,且沿線集鎮(zhèn)較多,為減少征地拆遷,只對(duì)南八灘渠及沿線排澇支河進(jìn)行疏浚[1]。

4.2.1 河道規(guī)模論證

通過模型試算,最終確定南八灘渠河道設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 南八灘渠不同工況設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果分析,南八灘渠采用工況1（圖2）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)西排河?xùn)|最高水位2.55 m,南八灘閘閘上最高水位1.57 m,排澇歷時(shí)4 d+3 h,均不能滿足規(guī)劃要求；進(jìn)一步擴(kuò)大南八灘渠疏浚標(biāo)準(zhǔn),采用工況2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)西排河?xùn)|最高水位為2.51 m,南八灘閘閘上最高水位1.55 m,排澇歷時(shí)4 d+1 h,閘上最高水位及排澇歷時(shí)仍不能滿足規(guī)劃要求；繼續(xù)擴(kuò)大南八灘渠疏浚標(biāo)準(zhǔn),采用工況3 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)西排河?xùn)|最高水位降到2.5 m,南八灘閘閘上最高水位仍為1.57 m,排澇歷時(shí)4 d。

圖2 八灘渠工況1

綜上,當(dāng)南八灘渠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用工況2（圖3）標(biāo)準(zhǔn)時(shí),除閘上最高水位不滿足規(guī)劃要求外,排澇歷時(shí)及最高控制水位已基本滿足規(guī)劃要求；當(dāng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步擴(kuò)大到工況3 標(biāo)準(zhǔn)時(shí),南八灘渠最高水位降到2.35 m,但對(duì)閘上最高水位及排澇歷時(shí)影響很小。在工況2 基礎(chǔ)上繼續(xù)擴(kuò)大南八灘渠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)提高區(qū)域的總體排澇能力效果很小,因此,初步確定南八灘渠采用工況2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行疏浚。

圖3 八灘渠工況2

圖4 八灘渠工況3

采用工況2 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)南八灘渠進(jìn)行疏浚后,南八灘閘閘上控制水位及排澇歷時(shí)仍不能滿足規(guī)劃要求,進(jìn)一步分析通過擴(kuò)大閘規(guī)模提高區(qū)域排澇標(biāo)準(zhǔn)[2]。

4.2.2 閘孔規(guī)模論證

（1）閘孔凈寬的選擇。采用現(xiàn)狀閘底高程、工況2 設(shè)計(jì)斷面標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算不同閘孔凈寬對(duì)區(qū)域排澇的影響,對(duì)比見表2。

表2 閘孔凈寬對(duì)區(qū)域排澇的影響對(duì)比

經(jīng)分析,閘孔凈寬由52 m 加大到57 m 后,南八灘閘閘上最高水位降低2 cm,排澇歷時(shí)減少1 h,南八灘閘閘上最高水位仍不能滿足規(guī)劃要求；閘孔凈寬增加到60 m 后,南八灘閘閘上最高水位降低到1.51 m,排澇歷時(shí)降低到3 d+23 h,基本滿足規(guī)劃要求。

（2）底板高程的選擇。采用閘孔凈寬52 m,分析不同閘底高程對(duì)區(qū)域排澇的影響,對(duì)比見表3。

表3 閘底高程對(duì)區(qū)域排澇的影響對(duì)比

經(jīng)分析,閘底高程由-2.0 m 降低到-2.5 m 后,南八灘閘閘上最高水位降低5 cm,排澇歷時(shí)減少2 h,排澇歷時(shí)及最高控制水位均可滿足規(guī)劃要求。

4.3 成果分析

綜上,只疏浚河道斷面不能達(dá)到十年一遇排澇規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)。在工況2 設(shè)計(jì)斷面標(biāo)準(zhǔn)下,當(dāng)南八灘閘閘底高程-2.0 m、閘孔凈寬60 m 或者閘底高程-2.5 m、閘孔凈寬52 m 時(shí)均可滿足十年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,降低閘底高程對(duì)提高區(qū)域排澇標(biāo)準(zhǔn)效果比較明顯。

5 結(jié)論

綜上,通過拆建南八灘閘、疏浚南八灘渠及沿線主要排澇支河,可以使八灘渠區(qū)域排澇標(biāo)準(zhǔn)提高到10年一遇,主要標(biāo)準(zhǔn)為：拆建南八灘閘拆除封閉二罾閘,南八灘閘拆建規(guī)模為：閘孔凈寬52 m、閘底高程-2.5 m 或者閘孔凈寬60 m、閘底高程-2.0 m。