基于水动力模型沙河定州分流堰布置分析

刘 迪

（河北省水利水电勘测设计研究院集团有限公司，天津 300250）

1 项目区概况

沙河是大清河水系南支潴龙河的一条主要支流，发源于山西省灵丘县和繁峙县。沙河上游北支源出灵邱县太白卫山， 西北支源出繁峙县五台山东白坡头，两支于河北省阜平县杜里元汇合，流经阜平、曲阳县至新乐南辛店小吴村入定州市大吴村， 至怀德、子远、东西张歉村以下分为两支：北支在邵村、西留春、西王耨、马阜才等村南；南支在李亲顾镇东、东湖村西、西丁、子位村北，至安国市大李庄南两支合流。 北支为主流，至大定村出境入安国市境，至安平县北郭村附近与磁河、孟良河汇合后注入潴龙河，河道全长242km，北郭村以上流域面积为5560km2。定州市段主河长26.4km，南支15.2km，西部河宽3.3km，东部河宽300～500m，境内流域面积105.7km2。

2 研究内容及技术路线

沙河定州市段长约26.4km， 本课题主要以李亲顾镇段5.6km为研究对象，为保证模型可靠对模型上下游进行了延长。 为满足规划0.313∶0.687比例，拟定了几种不同工况， 基于MIKE21 FM水动力模块进行各种工况下的二维数值模拟。技术路线如下：①提取区域地图数据；②构建数模划分网格；③设置边界条件；④控制高程数据；⑤模型概化；⑥构建MIKE21 FM水动力模型；⑦水力学模块构建；⑧入流条件设置；⑨建筑模块构建；⑩运转模型计算成果。

3 河道模型的建立

本次研究以沙河定州段规划后河道为例构建数学模型。 沙河定州市段长约26.4km河道，研究对象主要为分叉口及其上下游各延长5km河道。采用2019年1∶1000实测地形图，并结合沙河设计断面，作为建模基础进行转化、提取，将沙河河道堤线作网格剖分边界， 以100m为边长， 形成三角形， 模型总面积18.13km2，对分汊口段河道进行了模型加密，内部有1561个节点，2521个非结构网格。

沙河防洪标准为20年一遇， 模型的入流为沙河20年一遇设计流量3560m3/s。 入流条件选择恒定流。下游边界条件为模型的出流。 下游边界为规划断面下的设计水位。

糙率是反映地面阻水程度的参数， 本次参照以往模型率定成果按经验选取。 现状滩地糙率取0.045，主槽糙率取0.025。

3.1 分流堰设置方案

河道规划分流比为0.313∶0.687。经模型验算，发生20年一遇洪水时规划模型下河道自然分流比为0.228∶0.772，不满足规划要求。 沙河定州段现状多为沙土， 很难实现在河底采取工程措施改变分流比。本次采取在分汊口设置分流堰的方式达到设计值的目标。

分流堰设置方案选定办法： ①考虑改变河道宽度。 首先利用分流堰将河道南北支宽度划分为3∶7进行试算，再通过调试分流堰位置达到计算目的；②参考沙河洪水自然分流工况下的流态， 设置分流堰对水流进行拦截导流， 再通过调整分流堰位置使流量逐步趋近设计值。

通过模型对分流堰的位置进行了多次的调整试算，选出了9种方案进行比对，方案特性如表1，分流堰各方案工程位置如图1。

表1 分流堰各方案特性

图1 各方案位置

3.2 模型计算结果

对模型计算结果进行比对，其中方案5分流比达到0.310∶0.690；方案7分流比达到0.312∶0.688；方案9分流比达到0.311∶0.689，基本满足规划要求。 方案5分流堰长805m；方案7分流堰长736m；方案9分流堰长416m。综合考虑可实施性确定方案9为最终实施方案。 模型充分运行，待流态稳定后，计算提取南北支流量数据进行分流比分析，记入表2。

表2 分流堰各方案计算成果

设置分流堰后， 当沙河定州段发生20年一遇洪水时， 南支分得流量为1108.25m3/s， 北支分得流量2451.75m3/s，分流比为0.311∶0.689。

经计算确定分流堰位于分汊口北侧，长416m，与分汊口成60°夹角。 模型计算30min时，洪水行至桩号9+800 附 近；90min 时 洪 水 行 至 桩 号15+600 附 近；120min洪水行至桩号18+400附近；160min分洪水行至北支22+000左右，南支已行至模型终点；200min左右，洪水行至模型终点。 从淹没过程上看，各时段淹没范围基本合理；从洪水流场图上看，各时段流场分布合理，变化趋势符合水流运动规律。图2为方案9实施后，沙河定州段分叉口附近流态图。

图2 分流堰附近流态

4 结语

（1）河道规划分流比为0.313∶0.687。经模型验算，发生20年一遇洪水时规划模型下河道自然分流比为0.228∶0.772，不满足规划要求。 沙河定州段现状多为沙土，很难实现在河底采取工程措施改变分流比。本次采取在分汊口设置分流堰的方式达到设计值的目标。

（2）沙河分流堰与水平方向的夹角越大，与水流方向的夹角就越大，南支流量就越大；同一位置方向的分流堰，长度越长，南支流量越大。

（3） 经模型验证可知方案9为最优分流堰位置、长度416m、 角度60°， 坐标为X=596348.1381，Y=4248270.209；X=596780.8692，Y=4248087.2366。 总体来讲， 分流堰的结构能够影响河道的分流比，在一定范围内达到设计规划要求，同时分流堰具体型式也要满足结构稳定，确保河道行洪时两岸居民的安全。