基于MIKE 11水动力模块的水闸规模论证研究

李 杰

（宁波市鄞州区水利水电勘测设计院,浙江 宁波 315192）

0 引言

平原区河网地势较低,河流纵横交错,相互连通。复杂的水文条件对传统的排涝验算方法提出艰巨挑战。为精确模拟平原区河网排涝过程,目前越来越多的研究倾向于采用河网水动力模型法进行排涝验算[1-2]。MIKE 11软件主要适用于河口、渠道、河流等水体的一维水动力模拟,可模拟河流水位、流量及泥沙输送等。本文基于MIKE11软件建立宁波市大嵩江流域水动力河网模型,对河网进行概化,合理选取断面、调蓄容积和糙率,计算龙尾碶水闸的闸底板高程和闸门净宽。

1 工程概况

龙尾碶水闸位于大嵩江流域长大河出海口,南新塘南端。现状水闸规模为2.6 m×3.6 m×1 m（宽×高×孔数）,闸底高程为-0.77 m,主要功能性质为挡潮及排涝。目前水闸存在塘体与闸身交接处局部沉陷拉裂及水闸结构老化等。龙尾碶上游为咸祥平原,下游为象山港,水闸规模较小,排涝能力不足。近年来,随着区域经济的快速发展,对水闸排涝的要求也越来越高,龙尾碶现有的规模已不能满足流域排涝的要求,迫切需要规划重建以提高排涝能力。

2 工程规模计算

2.1 计算方法

大嵩江干流源短流急,两岸平原则河道密布,水流相对平缓,流域水情复杂。本次计算采用MIKE11 软件的水动力模块模拟大嵩江流域水动力情况。MIKE11 软件一维水动力学模型控制方程为圣维南偏微分方程组见下式：

式中：q为河道旁侧入流,m3/s；BT为当量河宽,m；Z为断面水位,m；Q为流量,m3/s；K为流量模数。

MIKE11 采用Abbott六点隐式差分格式离散Saint-Venant方程组,该离散格式在每一个网格点并不同时计算水位和流量,而是按顺序交替计算水位或流量,该格式无条件稳定,可以在相当大的Courant数下保持计算稳定,可以取较长的时间步长以节省计算时间。对上述离散方程组采用传统的“追赶法”,即“双扫”算法进行求解。模型考虑堰、闸、阻水桥梁以及区间水量交换等,能适用于本段河道洪流演进的定量分析计算,得出河道各特征断面水位和流量的过程。

在一个河网中,河道与河道相互交叉连结,其连接点成为节点,每个节点均要满足两个衔接条件,即水量连接条件和动力连接条件。

整个河网为若干河道和节点的组合,河网水量的控制方程即为每一河道的控制方程与每一节点衔接条件及初边值条件联立所得的微分方程组。数值求解河网水量微分方程组,则可以求出每一河道指定断面处以及节点上的水位、流量等水力变量。

2.2 模型概化

2.2.1 河网概化

依据流域情况、地形、水系结构及其水流走向、现有域内水利工程布局、控规路网等因素,构建河网概化图。

模型河道概化涵盖了大嵩江流域的主要河道,包括干流的梅溪、亭溪、大嵩江,北岸的新东吴塘、瞻岐河、永安河、红卫河、护塘河、东港河、江滨河、养殖区纳排河、排淡河、纳潮河等,南岸的咸祥河、长大河、中塘河等。

2.2.2 水闸概化

考虑干流上的大嵩江大闸,北岸的珠山碶、大塘碶、洪安碶、德兴碶、德兴新碶、红卫西碶、黄牛礁碶、联盛新碶,南岸的横山碶、龙尾碶、南兴碶、潘家碶等。

2.2.3 调蓄容积

调蓄容积对河网水利计算十分重要。本次计算两岸平原的调蓄容积,是根据大嵩江流域1∶10000实测高程数据插值统计得到。

2.2.4 糙率选取

由于流域植被,江道坡降,河床质、河道断面形式及河道上的建筑物等,都会对流域洪水演进产生影响,因而河道的概化以及参数的选定会影响到洪流演进计算成果。在模型计算过程中,根据行洪河道河床情况,平原比较顺直河段糙率取0.02,干流及山区性河段糙率。

2.3 边界条件

溪水库采用天然洪水过程。下边界为潮位边界,主要为大嵩江、长大河、咸祥河、中塘河、新东吴塘河、东港河、永安河等碶闸闸下潮位过程。洪潮组合,根据水文分析设计排涝潮型采用平均偏不利潮型,洪峰对潮峰平均偏不利的洪潮遭遇。

2.4 龙尾碶规模确定

龙尾碶的规模包括闸底板高程和闸门净宽,先确定闸底板高程。

2.4.1 闸底板高程

根据《鄞州区河网水系规划》,嵩南平原规划河道底高程均为-1 m；而根据《宁波市鄞州区水利建设长远规划报告》,规划长大河在现状线形的基础上进行拓宽至30 m,河宽10 m~20 m平原处（非山区坡地）河床底控制标高-1.37 m,河宽20 m及以上平原处（非山区坡地）河床底控制标高-1.87 m。故本次模型计算拟定闸底板高程-0.5 m、-0.77 m、-1 m、-1.37 m、-1.87 m、-2 m六组方案。

六组方案计算水位见表1。

①闸底板-0.77 m方案较闸底板-0.5 m方案,咸祥南部平原水位降低0.02 m；②闸底板-1.0 m方案较闸底板-0.77 m方案,咸祥南岸平原水位降低0.01 m；③闸底板-1.37 m方案较闸底板-1.0 m方案,咸祥南部平原水位降低0~0.01 m；④闸底板-1.87 m方案较闸底板-1.37 m方案,咸祥南部平原水位降低0 m ；⑤闸底板-2 m方案较闸底板方案-1.87 m方案,咸祥南部平原水位降低0 m。

不同闸底板高程下的水位比较见表1及闸前断面逐时水位过程见图1。从不同闸底板高程的水位变化情况看,同时为配套龙尾碶上游长大河的河底高程,故闸底板高程取-1.0m方案最优。

表1 不同闸底板高程下的水位比较（20年一遇） 单位：m

图1 不同闸底板高程闸前断面逐时水位过程

2.4.2 闸门净宽

在闸底板高程确定的基础上,拟定闸门净宽6 m、8 m、9 m、10 m、12 m五组方案,闸底板高程-1.0 m。五组方案计算水位见表2。

①闸门净宽8 m方案较闸门净宽6 m方案,水位降低0.01 m~0.02 m；②闸门净宽9 m方案较闸门净宽8 m方案,水位降低0.01 m~0.02 m；③闸门净宽10 m方案较闸门净宽9 m方案,水位降低0~0.01 m；④闸门净宽12 m方案较闸门净宽10 m方案,水位降低0 m；⑤闸门净宽15 m方案较闸门净宽12 m方案,水位降低0 m。

不同闸净宽下的水位比较见表2 及闸前断面逐时水位过程见图2,从不同闸净宽的水位变化情况看,以9 m方案最优。

表2 不同闸门净宽下的水位比较（20年一遇） 单位：m

图2 不同闸门净宽闸前逐时水位过程

综上比较,选定闸底板高程为-1.0 m,闸门净宽9 m为推荐方案。

2.4.3 效益分析

在现状河道情况下,20 年一遇工况,龙尾碶上游0.3 km范围内河道水位可下降0.08 m、1 km范围内河道水位可下降0.05 m、2 km范围内河道水位可下降0.04 m、3 km范围河道水位可下降0.02 m、4 km范围内河道水位可下降0.01 m；在规划河道及推荐方案情况下,20 年一遇工况,龙尾碶上游0.3 km范围内河道水位可下降0.32 m、1 km范围内河道水位可下降0.30 m、2 km范围内河道水位可下降0.21 m、3 km范围河道水位可下降0.20 m、4 km范围内河道水位可下降0.17 m。

3 结论

区域排涝计算采用一维河网水动力学方法,龙尾碶出口象山港潮位采用动态过程。根据计算,初步设计确定水闸规模为净宽9 m（3 孔×3 m）。按照规划的河网和推荐方案建设水闸,可降低平原区内水位0.2 m~0.3 m,工程的实施可改善区域防洪排涝能力,同时水闸规模与规划确定的龙尾碶上游长大河面宽30 m相匹配。