南水北调金湖站抽调水对宝应湖围网养殖区水动力的影响分析

卞新盛，吴牧天，王晓森，周晨露

（1.南水北调东线江苏水源有限责任公司，江苏南京 210029；2.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏扬州 225127）

金湖泵站工程是江苏省南水北调九级梯级枢纽中的第二梯级枢纽工程，于2013年建成通水，主要任务是抽引上级江都站、宝应站来水，及向下级洪泽站送水［1］。经过近8年的运行，发现泵站大流量抽调水时，会引起宝应湖围网养殖区水流流速增加，致使渔网毁坏、鱼蟹逃跑。针对这一问题，本研究采用MIKE21构建金湖站站下水域二维水动力模型，分析金湖站抽调水对宝应湖围网区水动力的影响，在此基础上，研究得出泵站后续优化运行方案，从而保障围网养殖区安全，并为金湖站的运行管理和决策提供技术支撑。

1 研究区概况

金湖站站下水域主要包括宝应湖部分湖区，部分金宝航道及金湖船闸引河。模型范围覆盖金宝航道自金湖泵站至上游约7 km的部分航道；覆盖宝应湖湖区面积约4.98 km2。宝应湖上游来水自大汕子河及北公司河汇入湖内围网区，围网区面积约2.76 km2。金湖船闸引河位于围网养殖区西侧，面积约0.24 km2（图1）。

图1 研究区域地形

宝应湖是运西湖群中面积最小的一个湖泊。原是淮河入江行洪必经之地，面积192.1 km2，三河来水流经该湖后于尾闾段大油子河注入高邮湖。1969年新建淮河入江水道和大汕子隔堤后，三河来水经淮河入江水道直接泄入高邮湖，从此成为不受洪泽湖泄洪影响的湖泊。由于原入湖水源被隔断，湖水位随之降低，广大湖滩显露并被大量围垦，致使湖泊面积急骤缩小，状如圩内河道。宝应湖年平均水位6.00 m，长23.8 km，最大宽4.4 km，平均宽1.8 km，面积42.8 km2；最大水深2.20 m，平均水深1.13 m，蓄水量0.48×108m3［2-3］。

金宝航道是一条集供水、通航、灌溉、排涝为一体的综合性河道，位于宝应湖地区，东起里运河西堤，西至三河拦河坝下，全长30.88 km（裁弯取直后全长28.40 km）［4］。

2 水动力数学模型构建

2.1 MIKE21模型简介

MIKE21模型是MIKE模型中的核心基础模块，是丹麦水力学研究所（DHI）开发的系列软件之一，其采用有限体积计算方法，在国内外水动力研究中得到广泛的使用，数值模拟的科学性得到世界公认［5］。主要应用领域包括湖泊、河流、水库、海洋、波浪及泥沙等的模拟研究。MIKE21模型的控制方程如下:

连续方程：

动量方程：

式中：ε为水位高程；p、q分别为x、y方向上的流量；h为水深；t为时间；g为重力加速度;C为谢才系数；Ω为Coriol系数；f为风摩擦力；V为风速；Vx、Vy分别为风在x、y方向上的分量。

2.2 计算条件设置

二维水动力模型需要输入的数据包括:金湖站站下水域网格数据（库区闭合水陆边界）、库区水深高程数据、开边界流量和水位时间序列数据、模型模拟参数、模拟初始水位及流量、模拟时间和时间步长的设定。经过多次调试得出适合金湖站站下水域的二维水动力模型。

2.2.1 模型网格设置

在金湖站站下水域中，上游来水从金宝航道进入到站下水域，由金湖泵站抽送至下游淮河入江水道内，因此将金湖站站上及金宝航道距金湖站东7 km处设置为开边界。由于模型模拟时长较短，宝应湖上游边界处，即大汕子河及北公司河处，与外界短时间无水量交换，水动力变化极小，可设置为稳定水位边界，边界水位与模型设置的初始水位保持一致。船闸处由于水量变化极小，设置为闭边界。模型采用非结构三角网格划分研究区，三角网格能较好的拟合研究区水陆边界，且能随意调整网格密度和网格大小。由最新地形勘测资料得到研究区水陆边界线数据以及水深数据，然后将水陆边界线数据导入网格生成器Mesh Generator生成研究区网格并设置模型开边界，模型网格数为47 190个，三角网格的边长在10 m之内。然后将水深数据导入网格中并插值生成研究区地形图，如图1所示。

2.2.2 水动力模型计算条件的设置

MIKE21水动力模型需要设置的计算条件包括:模拟时间与时间步长、地形、克朗值、干湿边界、涡黏系数、边界条件以及初始条件等。

模拟时间与时间步长：水动力模型的模拟时间为120 min。模拟时间步长为120 s，时间步数为100步。

克朗值：网格分辨率、水深和时间步长决定了模型设置中的克朗值。克朗值在小于1的情况下模型才能正常运行，所以为了保证模型运行的稳定性将克朗值设置为0.8。

干湿边界：干湿水深是用来判断单元网格是否参与到模型的计算中来。在该模型中干水深为0.001 m，淹没水深为0.05 m，湿水深为0.1 m。底床摩擦力：选用曼宁系数，取值0.024［6］。其他没有设置的参数采用默认值。

2.3 水动力模型验证

利用MIKE 21FM水动力学模型对站下水域进行模拟，将断面流量结果输出。实测断面选择分别位于金宝航道与宝应湖湖区连接区域的口门处及金宝航道内（观测断面位置见图1）。两实测断面便于监测出入湖区流量及出入航道流量，实测流量数据具有代表性，可用于验证模型。于2019年1月5—7日对观测断面进行流量监测，测量过程中洪泽站金湖站均保持抽水流量90 m3/s。将站下水域的实测断面流量与模拟断面流量进行比较验证，结果如表1所示。由表1可以看出，模拟结果与实际结果相比，相对误差在2.07%以内，绝对误差在1.24 m3/s范围内。总体而言，模拟的效果好，模拟误差控制在模型计算要求的范围内。

表1 模型验证结果

3 抽水对站下水域水动力影响分析

3.1 工况设计

通过对实际调水情况的分析，根据泵站设计参数及南水北调调度管理部门提供的信息可知：

（1）金宝航道来水流量与金湖泵站抽水外泄流量差值小［7-10］；

（2）金湖泵站设计抽水流量为150 m3·s-1，调水期平均流量为90 m3·s-1；设计站下水位5.45 m，调水期站下平均水位为6 m［7-10］。

因此，基于不同的运行调度方案下设置工况。其中正常运行工况下的初始水位取调水期间的泵站站下平均水位6 m，取调水期平均流量作为边界流量；设计工况下的初始水位取金湖站设计站下水位，边界流量取泵站设计流量。另外设立工况二、三用作分析泵站抽水规模对水动力的影响，设立工况五、六用作分析初始水位对水动力的影响。

表2 各计算工况方案边界条件及初始水位条件

3.2 结果分析

在围网养殖区设立5个观测点。观测点T1～T5位置分布如图2所示。

3.2.1 湖区流速分布

通过分析设计工况下流态变化及流速分布情况可得：金湖站开始抽水，站下水位下降，8 min后，宝应湖湖区口门处水位在此影响下同样开始下降（图2（a）），导致湖区内出现涌向口门处的水流；抽水引起的水流在短时间内加速到达峰值，而后逐渐减速至稳定状态。峰值流速维持时间极短，可视为瞬时流速（图2（b））。

图2 T1～T5水位及流速变化曲线

通过对比所有测点的流速曲线图可知，T1点位于宝应湖区口门处，此处受抽水影响最大，由泵站抽水引起的瞬时流速峰值也最大，其余测点与泵站距离越远，由泵站抽水引起的瞬时流速峰值也越小。因此T1点流速变化情况在研究围网区流速变化时具有代表性。

3.2.2 金湖泵站抽水规模影响

对比工况一、二、三可知（图3），在泵站开始抽水8 min后，观测点位置出现瞬时流速峰值。且金湖站抽水规模越大，抽水导致的湖区内的瞬时最大流速也越大。当抽水规模达到150 m3/s、100 m3/s、90 m3/s，抽水导致湖区观测点流速最大可达0.201 m/s、0.142 m/s、0.130 m/s。宝应湖湖区口门处，即与金宝航道连接区域过流较通畅，在金湖站以设计抽水流量运行工况下，出现明显的局部流速增加现象。

图3 不同抽水规模下T1流速变化曲线

3.2.2 初始水位影响

对比工况三、四、五可知（图4），初始水位越低，抽水导致湖区内的流速增加也越大；当初始水位为5.45 m、5.7 m、6.0 m时，抽水导致湖区观测点流速最大可达0.300 m/s、0.241 m/s、0.201 m/s。

图4 不同初始水位T1流速变化曲线

通过对比模拟结果可知，金湖泵站抽水导致宝应湖围网养殖区内流速增大，出现瞬时流速峰值，威胁养殖区内的设备安全。临近泵站的围网区口门处流速增大现象最明显。抽水规模越大，站下水位越低，抽水引起的瞬时流速峰值也越大。各工况模拟的瞬时流速峰值见表3。

表3 不同工况下观测点瞬时流速峰值统计

4 应对措施

站下水域包含围网养殖区、船闸引航道及金宝航道，承担了渔业养殖、航运等重要功能。采取工程措施影响站下水域发挥其功能，且成本高，设计施工难度大，因此,宜采取非工程措施，通过调度达到削弱围网区瞬时流速峰值的目的。

针对大流量抽水，拟采取分段开机的运行方案，每台机组设计抽水流量37.5 m3/s，每30 min加开1台机组，模型模拟起始后90 min抽水流量达150 m3/s。具体边界及水位边界条件见表4。

表4 优化方案水位及边界条件设置

对比两种工况可知，当采取分段开机的调度方案，可有效减小因抽水引起的瞬时流速峰值（图5）。优化方案按照间隔30 min增加1台机组运行的方案运行，2 h后抽水规模达到150 m3/s，期间最大的瞬时流速为0.086 m3/s，该最大流速远小于工况一（一次性启动4台机组）下的最大瞬时流速0.300 m3/s。由此可说明分段开机可有效降低大流量抽水导致的围网区瞬时流速峰值，保证围网区内养殖设备的安全。

图5 优化方案T1点流速变化曲线

针对抽水时站下水域水位过低造成围网区流速过大的情况，拟建议当地主管部门在调度时考虑水位影响，尽可能避免在过低水位条件下大流量调水。

5 结语

本文基于MIKE21FM模型建立了金湖站站下水域的二维水动力数值模型，对特定的断面流量进行了验证分析。模拟结果表明，水动力模拟结果较好，误差在计算要求的范围内。并对模型进行了检验，验证结果较好。在验证结果较好的基础上，分多种工况进行模拟分析，在采用不同的运行调度方案下泵站抽水对站下水域水动力的影响，得出结论如下：

（1）金湖站抽水引起宝应湖围网养殖区内流速增加，临近泵站的湖区口门处流速增加现象最明显。

（2）金湖站抽水规模越大，初始水位越低，抽水导致湖区内的瞬时最大流速也越大。

（3）采用分段开机抽水方案可有效减小因抽水引起的瞬时峰值流速。