李铭杰
(江苏省淮沭新河管理处,江苏 淮安 223001)
分汊河道属于冲积河道内比较普遍的一种平面形态。分流比参数改变时容易导致各级支汊出现变化,同时也影响着河道的防洪、航运等安全问题[1-4]。在含有分汊河段的河道管理中,分流比的关注度逐步提高,相关的研究也在持续增多。分流比变化时会产生多方面影响,导致河道下游在水源利用以及防洪等方面出现较多问题[5-8]。
新沂河口地形较上一次物模试验已发生较大变化,闸前导流堤、各闸底板均发生不同程度的沉降。因汇流方式的改变,受到水流冲刷等因素影响,分流口、闸下港道等形成一定的淤积,滩地与深泓糙率也有变化。结合2019 年8 月行洪监测资料分析发现,相对于设计值,实际分流比出现了显著变化,中深泓行洪能力难以满足运行要求。采用MIKE-21 探究了该工程分流比改变原因,重新校核控制断面水位是否满足标准,为新沂河口下一步治理提供理论依据,研究成果可为相关工程提供参考。
研究中采用了二维洪水演进模型,基于MIKE-21 工具开展研究,有效模拟出水面在道路、小区、绿地、河道等不同地形状况下漫流过程。模拟结果以数据、表格、图像、动画等形式输出,可以直观进行分析和应用,内容包括洪水水量的空间分布、淹没范围、淹没水深、淹没历时。在二维水动力学模型中涉及连续、动量2种方程,如下所示。
式中:H代表水深(m);Z代表水位(m);B为地面高程(m),Z=H+B;M和N分别为x和y方向的单宽流量(m2/s);u和v分别为x和y方向上的流速分量(m/s);n为糙率系数;g为重力加速度(m/s2);q为源汇项。
方程没有考虑科氏力和紊动项的影响。依据河段具体情况来设置模型边界,具体包括左右、上下边界,分别对应着两侧河堤、138+000—灌河边界,河道总长保持在8 km 上下。此次研究结合现有的数据确定灌河概化控制水位如下所示:下游高、中、低水位分别是4.00、0.88、-2.15 m,本次计算主要研究在高水位下深泓的过流能力,因此下游控制水位取4.00 m。上游边界为50 a一遇洪水7 800 m3/s。
针对模型分流比等进行检验,利用2019 年8 月行洪监测信息,并且利用了糙率参数。糙率取值参考南京水利科学院编制的《新沂河二期工程海口控制扩建模型试验研究》中的设计糙率,泓道n=0.020,闸上滩地n=0.030,闸下滩地n=0.040。结果显示,计算的分流比与行洪监测结果基本一致,最高误差仅为3.53%,因此可以用于模拟各深泓的过流情况,模型计算范围如图1所示。
图1 模型计算范围
现状地形下,上游流量为5 480 m3/s,下游水位为1.67 m。该工况与2019年8月行洪监测数据基本吻合,然后将测量的结果和计算数据进行对比,根据得到的结果确定模型是否达到了预期效果,计算结果详见表1。结合表1中的信息可知,测量数据和计算结果基本是一致的,存在偏差最大的是北深泓,具体为3.53%,其他2 个位置的偏差相对较小,偏差总体处于较小的范围内,通过该模型可以有效对深泓过流状况进行模拟分析。
表1 率定工况分流比计算结果
此次研究中主要采用了2 种现状地形,分别是行洪前、后地形,具体如图2所示,相对于设计方案,现状河道断面出现了显著变化。其中,分流鱼嘴处偏向南、北深泓方向河底高程相对较小,中深泓方向明显更高。在2019 年8 月行洪冲刷之后,各个深泓闸下引河均受到冲刷,但是冲刷程度不同,冲刷最大的是北深泓河底。其他部位高程在冲刷之后并未出现显著变化,具体结果如图2所示。
图2 行洪前后地形
在研究过程中需要对边界条件进行合理设置,其中上游设计50 a 一遇洪水流量为7 800 m3/s、下游潮位为4.00 m。基于该工况对深泓分流比等进行校核分析,最终得到结果详见表2。根据结果可知,相对于设计值,实际分流比存在显著偏差。在流量上也存在类似问题,相对于设计值,北深泓、南深泓流量明显更高,然而中深泓并未达到设计要求。冲刷之后在一定程度上提高了中深泓分流比,使得其过流能力有所改善,然而相对于设计值依然存在显著偏差。各个位置的水位变化情况如图3所示,在冲刷前、后的控制断面141+000水位分别是5.28、4.99 m,出现了显著变化,已经达到控制水位(5.12 m)标准。由此可知,冲刷在一定程度上降低了控制断面水位。冲刷前后的分流比计算结果,详见表2。
表2 地形图基本等高距 m
表2 冲刷前后分流比计算结果
图3 冲刷前后模型内水位
在本次研究中分析了影响分流比的因素,重点研究了分流口、闸上下游引河河底高程影响,设计了不同方案。方案1:对鱼嘴和闸上引河进行开挖,达到-5 m高程,具体涉及鱼嘴上游200 m到3个节制闸段,其余部位不进行处理;方案2:开挖中深泓闸下引河,达到-5 m高程,其余部位不进行处理;方案3:前2种方案均采用,其余部位不进行处理。针对上述3种方案进行计算分析,最终得到结果详见表3—5。
由表3 可知,在开挖之后分流比出现了不同变化,其中南深泓与北深泓均减小,而中深泓提高。相对于现状地形并未出现显著变化,中深泓分流比也没有达到设计标准。根据上述结果可知,分流比与分流鱼嘴及闸上引河开挖之间的关系不大,并未出现显著变化。在开挖之后能够有效地提高各深泓过流能力,141+000 水位为4.91 m,可以达到设计标准(设计控制水位5.12 m)。根据表4 可知,在开挖之后分流比出现了不同的变化,其中南深泓与北深泓均减小,而中深泓提高,并且已经达到了过流能力设计标准。结合上述分析可知,分流比和中深泓闸下引河开挖存在显著相关性,使得前者得到明显的改善。各中深泓过流能力显著提高,141+000 水位值已经达到了设计要求。根据表5 可知,在开挖之后南深泓、北深泓分流比降低,而中深泓分流比显著增大,在流量增量上相对于前2种方案总和更高,据此判断应该优先进行中深泓下游引河开挖,然后进行鱼嘴开挖。开挖之后显著提升了中深泓过流能力,141+000水位达到4.78 m,符合设计标准。
表3 方案1分流比计算结果
表4 方案2分流比计算结果
表5 方案3分流比计算结果
(1)根据边界条件,上游50 a 一遇洪水流量为7 800 m³/s,下游潮位为4.00 m,南、北深泓的实际分流比相对于设计值明显更高,而中深泓未达到设计值;另外,由于141+000 水位达到5.28 m,并未达到设计标准。
(2)洪水行洪产生了显著的冲刷作用,导致分流比出现了一定变化,其中南、北深泓有所降低,而中深泓显著提高,但是仍然未达到设计值要求,在过流能力上仍然存在不足。另外,141+000 水位达到4.99 m,符合设计标准。
(3)在中深泓闸下引河、鱼嘴开挖之后,南深泓、北深泓分流比降低,而中深泓分流比显著增大,在流量增量上提升明显。但是2种方案的优先级是不同的,闸下引河方案应该更高。据此判断应该优先进行下游引河开挖,然后进行鱼嘴开挖。在开挖之后有效提升了中深泓过流能力,141+000 水位达到4.78 m,符合设计标准。