引江济淮工程支流洪水对主航道的影响分析

　　摘    要：　引江济淮工程由长江下游上段引水，向淮河中游地区补水，是一项以城乡供水和发展江淮航运为主，结合灌溉补水和改善巢湖及淮河水生态环境等综合利用的大型跨流域调水工程。本文以引江济淮工程江淮沟通段为例，选择了输水航道线路涉及的南小河等4条具有代表性入渠支流作为建模对象，采用构建二维水动力学模型的方法评估分析支流洪水对主航道的影响。

　　关键词 :     引江济淮;二维水动力学模型;输水航道;影响分析;

　　1 、概述

　　江淮沟通段是引江济淮工程重要关键段，输水河道兼作航道，全长155.1km，是沟通长江与淮河航运的重要通道。航道设计底宽60m，设计通航水深4.0m。江淮沟通段沿线支流较多，其中较大的支流有南小河、王桥小河、嘴子河和天河。沿线支流防洪标准不超过10年一遇，一旦上游发生超标准洪水，其来水可能会改变输水航道局部范围内水深流速等水力要素，影响输水航道的正常运用。

　　为评估支流发生超标准洪水对输水航道的影响，采用丹麦丹华公司的MIKE软件构建江淮沟通段二维水动力学模型，模拟计算支流超标准洪水的洪水演进，分析各个支流汇入口处对输水航道的影响，为工程设计提供了科学依据。

　　2 、模型建立

　　2.1 、建立对象

　　本次模型选择了引江济淮输水航道线路涉及的南小河、王桥小河、嘴子河和天河4条河作为建模对象。这4条支流均为该段输水线路较大的入河支流，具有流域面积相对较大、洪水来量较大以及地形落差较大的特点，具有较好的典型代表性。

　　建模地形资料采用了引江济淮输水航道线路已有测量成果。本文模型建立采用高程均为国家1985高程基准。

　　2.2 、建模范围

　　建模范围包含南小河、王桥小河、嘴子河和天河下游及河口处输水航道二维DEM地形范围，总面积7.7km2。其中，南小河、王桥小河、嘴子河和天河区域二维DEM地形范围分别为2.2km2、2.07km2、1.96km2、1.47km2。

　　2.3 、地形处理与网格剖分

　　南小河、王桥小河、嘴子河和天河的二维水动力学数值模型依据带状地形图进行网格剖分。

　　依据研究需要，考虑本次构建模型地形变化范围较大，故采用不同大小的网格尺度。其中，输水河道网格大小为50～80m2，支流河道网格大小为20～50m2，河道外区域网格不大于500m2。

　　2.4、建筑物设置

　　南小河、王桥小河、嘴子河和天河两岸设有堤防，河口均设有跌水建筑物。

　　通过MIKE21的SO模块中的dike功能对堤防进行概化，当洪水位低于设定的堤顶高程值时堤防挡水，洪水位高于堤顶高程时漫堤。根据跌水设计，通过对跌水所处位置的河道网格节点进行高程修改来概化跌水建筑物。

　　2.5、 计算参数与计算边界条件

　　对于模型糙率的选取，依据《水工手册》糙率取值范围，结合输水航道规划设计资料以及以往相关工程经验等资料，对保护区下垫面分别按照不同下垫面条件分区对糙率进行取值。参考糙率取值见表1。

　　模型计算边界条件为：南小河、王桥小河、嘴子河和天河分别发生100年一遇洪水时，遭遇下游输水航道20年一遇洪水位；输水航道上、下游边界采用20年一遇洪水位，支流来水采用100年一遇设计洪水过程。

　　表1 区域糙率表

　　图1 王桥小河二维水动力学模型边界设置图

　　表2 输水航道支流计算方案汇总表

　　表3 支流对输水航道流场影响表

　　以王桥小河为例，边界条件设置情况见图1。南小河、王桥小河、嘴子河和天河100年一遇设计洪水过程见图2。

　　3 、计算成果分析

　　3.1、 计算方案

　　本次计算考虑输水航道支流河道发生100年一遇洪水时对输水航道的影响，输水航道为20年一遇设计洪水位，南小河、王桥小河、嘴子河和天河计算方案见表2。

　　根据二维洪水演进计算成果，本次计算的支流河道两岸堤防矮小，河道现状断面行洪能力不足，当支流发生100年一遇设计洪水，支流河道将发生洪水漫溢，超额洪水在低洼地滞蓄。因此本次计算以河道最大归槽泄流能力来核算超标准支流洪水对输水航道的影响。

　　3.2、流场影响分析

　　南小河：输水航道内流速一般在0.1～0.5m/s。在最大泄流时刻南小河下游流速在1.0m/s以上，河口下游输水航道主槽流速一般在0.4m/s以内，河口上游输水航道主槽流速一般在0.1m/s以内，入河口横向流速在0.3m/s以内。输水航道右岸受到南小河来水顶冲，右岸迎流顶冲段流速在0.2～0.5m/s之间。

　　王桥小河：输水航道内流速一般在0.1～0.4m/s。在最大泄流时刻南小河下游流速在1.0m/s以上，河口下游输水航道主槽流速一般在0.2m/s以内，河口上游输水航道主槽流速一般在0.1m/s以内，入河口横向流速在0.3m/s以内。输水航道右岸受到王桥小河来水顶冲，右岸迎流顶冲段流速在0.3～0.5m/s之间。在河口处王桥小河左岸区域有一定回流，对于输水航道左岸区域流态有一定影响，但不影响主河槽流场分布。

　　嘴子河：输水航道内流速一般在0.1～0.3m/s。在最大泄流时刻南小河下游流速在1.1m/s以上，河口下游输水航道主槽流速一般在0.3m/s以内，河口上游输水航道主槽流速一般在0.2m/s以内，入河口横向流速在0.4m/s以内。输水航道右岸受到嘴子河来水顶冲，右岸迎流顶冲段流速在0.2～0.4m/s之间。

　　天河：输水航道内流速一般在0.1～0.3m/s。在最大泄流时刻天河下游流速在1.5m/s以上，河口下游输水航道主槽流速一般在0.3m/s以内，河口上游输水航道主槽流速一般在0.2m/s以内，入河口横向流速在0.25m/s以内。输水航道右岸受到天河来水顶冲，右岸迎流顶冲段流速在0.2～0.3m/s之间。

　　南小河、王桥小河、嘴子河和天河支流河道对输水航道流场影响详见表3。经计算，南小河、王桥小河、嘴子河和天河发生100年一遇设计洪水时，河道归槽流量均较小，河口处横向流速以及航道下游流速均不大于0.4m/s，对通航影响较小。王桥小河有局部回流，对于输水航道左岸区域流态有一定影响，但不影响主河槽流场分布。

　　3.3 、水位影响分析

　　南小河、王桥小河100年一遇设计洪水遭遇输水航道20年一遇洪水位时，在最大泄流时刻输水航道水位上升0.07～0.08m，对干流输水航道水位有一定影响。

　　嘴子河100年一遇设计洪水遭遇输水航道20年一遇洪水位时，在最大泄流时刻输水航道水位上升0.08～0.09m，对干流输水航道水位有一定影响。

　　天河100年一遇设计洪水遭遇输水航道20年一遇洪水位时，在最大泄流时刻输水航道水位不大于0.01m，对干流输水航道水位影响较小。

　　经计算，南小河、王桥小河、嘴子河和天河支流河道处输水航道断面较现状河道明显扩大，其洪水下泄更加顺畅，当南小河、王桥小河、嘴子河支流发生100年一遇超标准洪水时，对于输水航道水位有一定影响。当天河支流发生100年一遇超标准洪水时，对于输水航道水位影响较小。

　　南小河、王桥小河、嘴子河和天河支流河道对输水航道水位影响详见表4。

　　4、 结语

　　本文以引江济淮工程为例，采用构建二维水动力学模型的方法对大中型输调水工程输水航道路线沿线的支流洪水影响进行评估分析。这种方法与传统物模分析方法相比较，大大减少了构建模型的时间，节约人力物力成本，在本工程设计中取得了良好的效果，对类似大中型调水输水工程设计有一定的参考意义