淮河入海水道泄洪能力与洪泽湖运行水位关系研究

李晗宇，邓 涯,2,3，张 维，马爱兴,2,3，胡 颖,2,3

(1.水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029；3.港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，江苏 南京 210029；4.江苏省水利工程建设局，江苏 南京 210029)

洪泽湖位于江苏淮安、宿迁境内，是淮河中下游结合部的巨型综合利用平原水库，总库容169亿m3，在淮河整个防洪体系中占据十分重要的作用，现状防洪标准为100年一遇[1-3]。

目前，洪泽湖的泄洪通道有南侧的入江水道和北侧的苏北灌溉总渠、分淮入沂水道以及入海水道，总泄洪能力达15 270～18 270 m3/s。但在中低水位期(蒋坝水位12.5～ 14.5 m)，洪泽湖洪水出路规模偏小，如蒋坝水位14.50 m时，总泄洪流量仅有15 110 m3/s，进而导致在遭遇中等洪水时，湖区水位明显偏高[4]。

入海水道西起洪泽湖二河闸，东至滨海县扁担港注入黄海，全长162.3km，是洪泽湖十分重要的泄洪通道[5-6]。当前，二期工程也正在前期规划阶段，有必要对工程实施前入海水道泄洪能力与洪泽湖运行水位间的关系进行分析，以为工程规划和设计提供技术借鉴。

本文建立了洪泽湖大范围二维水流数学模型，对洪泽湖在中、低水位期湖区水流特性、分流特性和出湖段局部水动力特征进行计算，并分析了中低水位下洪泽湖泄洪能力不足的原因。

1 模型建立与验证

1.1 控制方程

水流连续方程：

(1)

运动方程：

(2)

(3)

1.2 研究区域及网格划分

为探究泄洪能力与洪泽湖运行水位的关系，模拟区域进口边界共5处，淮河干流给定吴家渡站实测流量，其余周边支流作为源，给定各控制站的实测出流，并加入到相应的二维模型网格单元中；出口边界4处，入江水道(三河闸)、入海水道给定实测水位，分淮入沂和高良涧闸给定实测流量边界。

洪泽湖湖区模拟范围以迎湖挡洪堤为边界；淮河干流上至池河口上游2.5 km，共51.6 km；入海水道下至进洪闸下游3.5 km；分淮入沂下至二河闸下游9.5 km，模型范围总共1 758.9 km2，见图 1。

图1 模型地形

模型计算区域的离散采用三角形网格，洪泽湖湖面网格适当放大，并对重点研究区域网格适当加密。整个计算区域网格节点17 826个，单元34 421个，模型地形及网格见图2。

图2 模型网格

1.3 验证结果

根据2003年和2007年实际行洪水位流量复核及模型验证，二河枢纽至淮安枢纽，泓道糙率为0.02～0.0225，滩地糙率为0.03～0.035。模型中一般河道糙率为0.018～0.025，洪泽湖湖面糙率为0.025～0.033，其中疏浚过的、较规则的河槽糙率取0.018，其余河槽糙率取0.025，由于如栗河洼等部分区域为芦苇荡，糙率取0.033。

2007年7月24日对洪泽湖北侧出湖段二河闸、入海水道进洪闸和淮安地涵上下游的水位进行观测，在7月24日前后3日内各入湖流量、出湖流量和湖区内各水位站点水位变化过程较为平稳(蒋坝水位变幅±2 cm，出湖流量变幅在±0.8%)，模型可采用7月24日日均流量和水位资料进行恒定流验证。

洪泽湖湖区蒋坝、老子山等5个水文站和二河闸、入海水道进洪闸上、闸下的水位，以及入海水道和入江水道泄洪流量验证结果见表1，出湖流量误差在±5%以内，水位误差在±5cm以内，满足相关规范要求。

表1 模型验证边界条件及结果

2 结果与讨论

2.1 水位和流场

由于主要的入流通道为南侧的淮河(占比70.3%)和汇入西侧溧河洼的淮沐新河、下草湾引河(共计占比22.9%)，湖区水位特征呈现淮河口最高、西高东低和北高南低的特性，其中南北向水面比降相对较小，空间不均匀性明显(图3)。

图3 入海水道启用水位13.0 m下洪泽湖及出湖段水位和流场分布

在蒋坝水位13.0 m条件下(入海水道启用)湖区水流南北界线在高良涧船闸附近出湖河道口门南侧7.9 km(直线距离，下同)，湖区内水流流速在0.1 m/s以下，在湖区南侧水流由淮河口流出后急剧摆向进入三河闸上游段，呈现明显的吞吐水势，流速在0.3 m/s以上，南侧出湖段流速在0.5～1.2 m/s。

出湖段附近湖区水位在13.06±0.01 m，高良涧闸口门、高良涧船闸附近出湖河槽口门以及二河闸左侧临闸区水位有一定比降，也是水流集中的区域，流速在0.3 m/s以上；其中高良涧船闸下游东侧大堤和西侧沙洲形成的狭窄出湖段流速在1.0～1.7 m/s。

在蒋坝水位14.5 m条件下(破圩滞洪临界)湖区水流南北界线在高良涧船闸附近出湖河道口门南侧6.8 km，相比蒋坝水位13.0 m条件下北移1.1 km。出湖段较大的水面比降出现在高良涧船闸附近出湖河槽和二河闸左侧临闸区，流速在0.4 m/s以上，高良涧船闸下游东侧大堤和西侧沙洲形成的狭窄出湖段流速在0.5～0.8 m/s，相比中洪水期有所减小。

2.2 分流特性

洪泽湖南北侧出湖通道分流特性随着洪泽湖不同运行水位而相应变化(表2)，北侧经二河闸的流量占整个出湖流量的比例为17.6～25.1%，整体上随湖区洪水位的抬升而有所增加，相应地南侧入江流量占比有所减小。由于大洪水期分淮入沂逐步启用并增加控泄流量，入海水道泄洪流量占比随湖区水位增加有所减小，泄洪流量在1 198～1 993 m3/s。

表2 洪泽湖不同运行水位下出湖流量分流情况

2.3 北侧出湖段水面比降

洪泽湖北侧出湖段河槽狭窄、洲滩范围较大和闸群较多等原因，出湖段水位沿程变化明显，见图4。

图4 不同湖区水位下出湖段沿程水面线变化

在中洪水期(蒋坝水位13.0 m)出湖段水位由湖区的13.04 m逐步降至入海水道边界的11.14 m，沿程3处水位跌落明显，分别在取水口上游0.6 km、取水口至洪祥村段和入海水道进洪闸附近河段，前两个河段基本相连均在二河闸上游，水面比降为0.318‰，入海水道闸上下游河段比降在0.276‰；而由于二河闸下游受入海水道进洪闸壅水的影响，在闸坝上下游水面线降幅较小，比降仅为0.046‰；入海水道段在中洪水期水面比降较大，在0.118‰。

随洪泽湖运行水位的抬升，出湖段各河段洲滩和近岸滩地的淹没水深也大幅增加，除二河闸上游至下游分流点河段水面比降变化不大外(0.045‰～0.053‰)，其余3个河段水面比降均有所减小。高良涧船闸至二河闸上游段比降变化最为明显，由中洪水期的0.318‰大幅降至大洪水期(蒋坝水位14.5m)的0.052‰；入海水道比降则由0.118‰降至0.032‰。

2.4 洪泽湖泄洪不畅原因

通过对洪泽湖不同中低水位运行条件下湖区水流特性和北侧出湖段局部水流特性分析可知，洪泽湖中低水位条件下泄洪不畅的主要原因在于北侧出湖段二河闸上游引河的河槽狭小，出湖水流被压缩在东岸大堤和沙洲(高程在13.3～14.3 m)之间狭窄的缝隙中，部分水流漫过西侧滩地进入引河，但由于低水位时水深较小，所形成的泄洪量也较低。

在洪泽湖水位13.0～13.5 m运行时，高良涧船闸～洪祥村尾段水面比降高达0.318‰～0.205‰，流速1.6 m/s～1.4 m/s；在水位抬高至14.0～14.5 m时，比降降至0.102‰～0.052‰，见图5，可见高良涧船闸～洪祥村尾段形成了卡口区，在中低水位期大幅限制了北侧出湖段的泄洪能力。

图5 洪泽湖中低运行水位下出湖段水流特性

3 结 论

(1)由于主要入湖通道为南侧的淮河和西侧的淮沐新河、下草湾引河，湖区水位特征呈现淮河口最高、西高东低和北高南低的特性，南侧水流由淮河口流出后急剧摆向进入三河闸上游段，呈明显的吞吐之势。

(2)湖区的南北侧分流位置随淮河入汇流量增加而北移，北侧经二河闸的流量占整个出湖流量的比例为17.6%～25.1%，入海水道泄洪流量在1 198～1 993 m3/s，整体上两者随湖区洪水位的抬升而有所增加。

(3)北侧出湖段二河闸上游引河的河槽狭小，形成出湖段的卡口区，水流被压缩在东岸大堤和沙洲(高程在13.3～14.3 m)之间狭窄的缝隙中，在洪泽湖中低水位期大幅限制了北侧出湖段的泄洪能力。