淮河干流息县枢纽工程防洪影响分析

季益柱，王 江，余 生

(中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230601)

1 工程概况

息县枢纽工程是即将建设的河南省大别山革命老区引淮供水灌溉工程中控制性工程，拟建于淮河息县水文站下游6.7km处(王家坝上游约97km)，如图1所示。枢纽工程设计洪水标准50年一遇，校核洪水标准200年一遇，设计和校核流量分别为9300、15600m3/s，设计洪水位43.82/43.72m(闸上/闸下)，校核洪水位45.05/44.85m(闸上/闸下)；闸上正常蓄水位39.20m。枢纽工程采用全深孔闸方案，闸底板顶高程29.0m，共布置26孔、每孔净宽15m，总净宽390m。工程不承担下游防洪任务，不设防洪库容，闸上水位在设计蓄水位39.20m以上时闸门敞开，恢复河道泄流。

2 闸址上游洪水影响分析

工程闸址上游河道断面资料采用2016年中水淮河规划设计研究有限公司工程勘测院测量成果。

天然河道的过水断面形状、面积、流量、流速等随流程和时间而变化，属非恒定流，我们将其简化为非均匀恒定流，采用以下的有限差分公式计算。

(1)

式中，Z1、Z2—上下游水位，m；v1、v2—上下游断面平均流速，m/s；a1、a2—上下游断面的动能校正系数，均取1.0；hw—两断面间的水头损失。

本次通过5、10、20、50、100、200年一遇洪水，以闸址处河道天然水位和建闸后闸上水位分别作为起推水位，并以闸址处为起点、建闸前后水位齐平处为终点，经计算，发生5、10、20、50、100、200年一遇洪水时防洪影响长度依次为30、41、44、46、47、48km。

工程对闸址上游防洪影响分析如下：

(1)对洪水位的影响

5年一遇洪水影响长度为30km，闸上水位由41.88～43.84m抬高到41.90～43.85m，抬高0.02～0.01m。

10年一遇洪水影响长度为41km，闸上水位由42.81～45.87m抬高到42.84～45.88m，抬高0.03～0.01m。

20年一遇洪水影响长度为44km，闸上水位由43.28～47.21m抬高到43.33～47.22m，抬高0.05～0.01m。

50年一遇洪水影响长度为46km，闸上水位由43.72～48.81m抬高到43.79～48.82m，抬高0.07～0.01m。

100年一遇洪水影响长度为47km，闸上水位由44.17～50.34m抬高到44.28～50.35m，抬高0.11～0.01m。

200年一遇洪水影响长度为48km，闸上水位由44.85～52.17m抬高到45.03～52.18m，抬高0.18～0.01m。

图1 息县枢纽工程位置示意图

(2)对规划防洪工程影响

息县县城现状城区地面高程绝大部分在45.0m以上，沿淮无堤防。按照《息县城乡总体规划(2012～2030年》，息县县城2030年人口规模为43万人，规划防洪标准为50年一遇，淮河左岸利用南环路以路代堤防洪。规划的南环路西端在省道S337处接西环路、东端接大广高速(路面宽38m)，其中从省道S337至S213段将作为国道G230组成部分进行建设。

经推算，淮河从清水河口至大广高速段50年一遇设计洪水位为44.22～42.92m。据沿淮城市防洪工程建设经验，城市防洪土堤堤顶高程一般超设计洪水位2m，经综合考虑，建议南环路从省道S337至大广高速段设计路面高程超50年一遇设计洪水位2m，即设计路面高程为46.30～44.92m。

3 闸址下游洪水影响分析

大别山革命老区引淮供水灌溉工程虽不承担下游防洪任务，在闸前水位达到或超过39.20m，泄洪闸敞开、恢复河道泄洪，但其蓄水、供水过程会对闸址处洪水下泄过程有所改变。为研究工程对下游的影响，选取5、10、20、50、100、200年一遇设计洪水和1968、2002、2007年典型洪水进行工程前后洪水调节计算，对比分析工程对闸址下游水位、流量及洪量的影响。

3.1 洪水调节计算

3.1.1洪水调节计算条件

枢纽工程闸上水位～库容关系曲线见表1，泄流能力曲线见表2。

表1 枢纽工程水位库容曲线

表2 枢纽工程泄流能力曲线

根据拟定的枢纽工程调度方案，洪水调节计算采用的工程调度运行办法如下：

(1)当枢纽工程上游来水流量小，枢纽工程闸上水位低于生态水位33.0m时，停止农业灌溉用水，向城镇生活应急供水并维持淮河干流生态流量用水。

(2)当枢纽工程上游来水流量增加，枢纽工程闸上水位高于33.0m低于39.20m时，枢纽按河道内最小生态需水流量要求控制下泄流量，根据工程受水区内城镇和灌区需水要求，向城镇和灌区供水。

(3)当枢纽工程上游来水流量继续增加，枢纽工程闸上水位达到39.20m时，维持枢纽工程闸上水位39.20m，来多少泄多少。

(4)当枢纽工程闸上水位高于正常蓄水位39.20m，枢纽工程闸门全开敞泄洪水，充分利用河道原有泄洪能力泄洪。

3.1.2洪水调节计算成果对比分析

工程建成后，息县遇5～200年一遇洪水可减小洪峰流量3.4m3/s(占比0.02%～0.08%)，减少24h洪量29万m3(占比0.03%～0.09%)，减少72h洪量88万m3(占比0.04%～0.11%)。

工程建成后，遇1968年洪水息县洪峰流量减小3.4m3/s，占比0.03%；24h洪量减少29万m3，占比0.03%；72h洪量减少88万m3，占比0.04%。

遇2002年洪水息县洪峰流量减小3.4m3/s，占比0.07%；24h洪量减少29万m3，占比0.08%；72h洪量减少88万m3，占比0.11%。

遇2007年洪水息县洪峰流量减小3.4m3/s，占比0.08%；24h洪量减少29万m3，占比0.09%；72h洪量减少88万m3，占比0.12%。

综合来看，工程后息县洪峰流量减小3.4m3/s，占工程前洪峰流量的0.02～0.08%以内；24h洪量减少29万m3，占工程前24h洪量的0.03～0.09%；72h洪量减少88万m3，占工程前72h洪量的0.04%～0.12%，对下游防洪有利，但作用很小。

3.2 一、二维耦合水动力数学模型

为分析息县枢纽工程对下游河道洪水过程的影响，采用丹麦水力研究所研发的MIKE系列软件构建一、二维耦合水动力数学模型，计算枢纽工程的调度对枢纽下游淮滨、王家坝等断面洪水过程的影响。

3.2.1模型原理

(1)一维水流数学模型

MIKE11是用于在河口、河流、灌溉系统、渠道等地表水体模拟水体流动、水质变化、泥沙运移等一维水利专业工程软件，该模型数值计算依据的是由连续方程和动量方程组成的圣维南方程组，基本方程式如下：

(2)

(3)

式中，x—距离坐标，m；t—时间坐标，s；A—过水断面面积，m2；Q—流量，m3/s；q—旁侧入流量；Z—水位，m；α—动量校正系数；Sf—水力坡度。

采用Abbott六点隐式有限差分格式求解圣维南方程组。离散后的线性方程组用追赶法求解。

(2)二维水流数学模型

MIKE21适合模拟具有自由表面的港口、河流、湖泊及海洋等，采用的控制方程是不可压流三维雷诺Navier-Stokes平均方程沿水深积分的连续方程和动量方程，在笛卡尔坐标系中可用如下方程表示：

(4)

X方向动量方程：

(5)

Y方向动量方程：

(6)

图2 淮河干流息县至三河尖段数学模型计算范围示意图

(7)

横向应力Tij包括粘滞阻力，紊动摩檫阻力和差动平流摩擦阻力，用垂向流速平均的涡粘方程来计算：

(8)

MIKE21FM采用非结构有限体积法离散控制方程。本次采用三角形网格。对于空间离散后得到的常微分方程，采用常微分方程解算器进行时间离散，将计算问题归结为如何求解跨界面处的数值通量。目前常用的途径是基于间断的思想，认为在控制体界面两侧的物理量存在间断，这样在每个控制界面处可以形成一个黎曼问题。MIKE21非结构化网格模型采用Roe格式求解黎曼问题，为避免数值振荡，使用了二阶TVD限制器。

(3)一、二维耦合水流数学模型

通过MIKEFLOOD建立一、二维耦合水流数学模型，将两种模型连成一体，联合求解，既可以发挥出一维模型快速方便的特点，同时又能获得局部范围的细部信息。本次采用MIKEFLOOD的标准连接，将一个或多个二维网格单元连接到一个一维模型的末端。这种连接方式非常适用于河口复杂水流的计算中。

3.2.2模型范围及参数

(1)模型计算范围

模型的计算范围为淮河干流息县至三河尖段河道，如图2所示。淮河干流王家坝段淮河干流、大洪河、濛河分洪道在此交汇，大水年份王家坝闸开闸进洪至濛洼蓄洪区，水流条件比较复杂，本次采用二维模型，淮河干流其他河段采用一维模型，支流的入流过程和王家坝闸的泄流过程以一、二维模型的源汇项参与计算。模型进口为息县枢纽工程闸下，给定流量边界；出口为三河尖，给定水位边界。

(2)基础资料

地形资料；淮河息县至淮滨段采用2012年地形，淮滨至王家坝段采用1992年地形，王家坝至三河尖段采用2011年地形。

水文资料：选择2007年的水文资料对模型进行验证。

(3)模型参数

空间步长：一维模型根据断面资料采用不等间距的节点布置，淮河干流计算步长为200～1000m；二维模型采用非结构网格剖分计算区域。

时间步长：MIKEFLOOD标准连接采用显格式进行一、二维模型的耦合计算，时间步长受克朗条件的限制，为满足稳定性和精度要求，本次计算取时间步长为30s。

3.2.3模型糙率

本段一、二维模型中糙率的取值以沿程各站实测水文资料为依据，采用试错法率定。率定的结果表明河道主槽糙率为0.025～0.04，河道滩地糙率为0.035～0.06。

图3 2007年淮滨水位计算值与实测值对比

图4 2007年王家坝水位计算值与实测值对比

图5 2007年淮滨流量计算值与实测值对比

2007年淮滨、王家坝站计算水位过程线与实测水位过程线对比如图3—4所示，淮滨站计算流量过程线与实测流量过程线对比如图5所示。可以看出，各测站计算水位、流量过程与实测过程一致性良好，峰值水位计算值与实测值的差值基本在20cm以内，峰值流量计算值与实测值相差在5%以内。模型较好地重现了2007年本段洪水演进的过程。

3.3 工程对下游洪水过程影响

选取2002、2007年两个典型年洪水，计算息县枢纽的调度对下游洪水过程的影响。

3.3.1对2002年洪水过程影响

2002年洪水息县出流过程如图6所示。工程后除6月17日0时至18日19时，因放生态流量38.6m3/s，下泄流量增加0.6～3.6m3/s，其余时段闸下流量比工程前有不同程度的减小，最大减小幅度为161.4m3/s。洪峰流量减少3.4m3/s，工程前为4969m3/s，工程后为4965.6m3/s。

图6 2002年洪水息县出流过程

图7 2002年淮滨站工程前后计算水位值对比

图8 2002年王家坝站工程前后计算水位值对比

图9 2002年淮滨站工程前后计算流量值对比

图10 2002年王家坝站(总)工程前后计算流量值对比

2002年淮滨和王家坝洪水过程图如图7—10所示。工程建成后，由于枢纽的调度，下游淮滨站和王家坝站的水位以及流量均有所降低，但降低幅度均较小。其中：淮滨站洪峰水位降低2mm，洪峰流量减少3.85m3/s；王家坝站洪峰水位降低1mm，洪峰流量减少3.55m3/s。在2002年洪水条件下，息县枢纽的调度运用对下游淮滨和王家坝的洪峰水位及流量影响很小。

3.3.2对2007年洪水过程影响

2007年洪水息县出流过程如图11所示。工程前息县洪峰流量为4230.0m3/s，工程后为4226.6m3/s，减少3.4m3/s。

2007年淮滨和王家坝洪水过程图如图12—15所示。工程后淮滨站和王家坝站的洪峰水位以及洪峰流量均有所降低，其中淮滨站洪峰水位降低2mm，洪峰流量减少3.4m3/s；王家坝站洪峰水位降低0.3mm，洪峰流量减少3.33m3/s。2007年洪水条件下，息县枢纽的调度运用对下游淮滨和王家坝的洪峰水位及流量影响很小。

图11 2007年洪水息县出流过程

图12 2007年淮滨站工程前后计算水位值对比

图13 2007年王家坝站工程前后计算水位值对比

图14 2007年淮滨站工程前后计算流量值对比

图15 2007年王家坝站(总)工程前后计算流量值对比

4 结语

(1)息县枢纽工程的建设对闸址上下游的水文情势将产生一定影响。本文采用水面线法分析过闸落差引起的闸上壅水，同时构建淮河干流息县至三河尖段一、二维耦合水动力数学模型，分析工程对闸址下游水位、流量及洪量的影响。

(2)本次防洪影响分析基于息县枢纽工程现有设计资料及拟定的工程调度运行办法，在今后的建设运行中，应长期观测工程上下游的水文情势变化情况并进行防洪影响分析，在枢纽工程的调度中予以考虑。