保障通航条件下江苏省武障河闸泄流量数值模拟分析

颜秉龙，张应奎，姚力铭，陆洪亚，贺丙举

(1.连云港市水利规划设计院有限公司，江苏 连云港 222003； 2.连云港徐圩港口投资集团有限公司，江苏 连云港 222047)

0 引 言

水网承担着地区防洪排涝、供水、通航等任务，水网地区水闸亦为多功能综合利用水闸，其下泄流量关系地区防洪排涝、供水和航运安全，须统筹各功能需求合理确定[1-2]。

目前，较多研究针对水网地区多功能水闸控制下泄流量进行了分析[3-5]。本文以江苏省沂南地区武障河闸为例，通过对武障河闸防洪排涝、供水、保证通航功能需求及矛盾进行分析，研究兼顾各功能需求的水闸控制泄流方案，并提出相应措施。

1 研究区域概况

沂南地区位于江苏省淮河流域沂沭泗水系，该区域北至新沂河，西至中运河，南到废黄河(中山河)，东临黄海，总面积7 477 km2，行政区划涉及盐城市响水县，连云港市灌南县，淮安市涟水县全部及淮阴区一部分，宿迁市宿豫区、泗阳县、沭阳县等四市七县(区)。武障河是沂南地区行洪排涝的骨干河道，也是江苏省“两纵五横”干线航道网中淮河出海航道和连申线航道的重要组成部分，河道西起盐河，东至灌河东三岔，全长12.4 km，与义泽河、龙沟河、北六塘河合并承泄沂南地区上游来水入灌河，是一条具有防洪、排涝、供水、航运等综合功能的河道[6]。

武障河闸位于武障河上游与盐河交汇处，与盐灌船闸共同控制武障河与盐河，为盐东控制4闸之一。盐东控制4闸(武障河闸、义泽河闸、龙沟河闸、北六塘河闸)是沂南以西地区排水入灌河的唯一控制口门、灌河流域的末级控制工程，4闸现状总设计流量2 565 m3/s(武障河闸841 m3/s，义泽河闸291 m3/s，龙沟河闸874 m3/s，北六塘河闸559 m3/s)，主要承泄上游的沂南河、柴米河、柴南河、北六塘河、南六塘河等5条高低河道来水以及盐河的区间来水，汇水面积约3 650 km2。武障河闸建于1976年，共14孔，闸孔总净宽88 m，闸底板高程-2.17 m，设计最大流量841 m3/s，建成后在挡潮、排涝、蓄水灌溉、保证通航等方面发挥了显著的效益。由于武障河闸建设年代较早且多年来未进行加固，其实际外排能力不足、闸下游河道规模不足、闸门挡潮高度不足、闸底板防渗长度不足等问题日益凸显，不能满足区域防洪排涝的要求。

2015年，武障河闸经安全鉴定被评定为三类闸。为消除工程安全隐患、满足区域防洪排涝要求，相关部门于2020年对武障河闸拆除扩建：在老闸下游约960 m处新建，扩建后的水闸共13孔、单孔净宽10.0 m，总净宽130 m，10 a一遇设计排涝流量849 m3/s，工程于2022年底前完工。

2 存在问题

武障河闸建于1976年，建成后其功能主要为挡潮、排涝、灌溉。随着区域水情、工情的不断变化和社会经济的快速发展，尤其是2010年以后连云港疏港航道(涉及武障河闸上游盐河航道)、盐灌船闸、连申线航道(涉及武障河闸下游武障河航道)相继建成通航以来，武障河闸的功能已由原来的挡潮、排涝、灌溉，转变为挡潮、排涝、供水、保证通航。近年来，武障河闸在洪涝期间全力开闸排水、平时关闸蓄水的调度运行方式与保证通航这一需求之间的矛盾较为突出，无法兼顾水利部门排涝、供水和交通部门航运需求，主要体现在以下两个方面。

(1) 开闸泄洪对航道水流条件影响较大。武障河是沂南地区行洪排涝骨干河道，武障河闸开闸泄洪期间，由于设计流量较大，闸上游盐河航道横向流速和闸下游武障河航道纵向、横向流速均较大，影响通航安全；尤其武障河为感潮河道，通航水位工况复杂且河道规模较小，武障河闸泄洪对其影响尤为突出。近年来，由于武障河闸存在重大安全隐患，除洪涝期间外基本不开闸，即使开闸也是小流量控制行洪(控泄流量基本不超过300 m3/s)，其对航道水流条件影响相对较小。武障河闸下移扩建恢复正常运行后，其开闸泄洪流量加大对航道水流条件的影响势必扩大，水闸下游泄流量须统筹防洪排涝和通航水流要求。

(2) 关闸蓄水对闸下游航道冲淤影响较大。武障河位于武障河闸下游，为感潮河道，易冲易淤，基本呈枯淤洪冲的变化规律，其冲淤平衡受上游来水流量及开关闸时间影响较大：上游径流越小、关闸时间越短，则闸下游淤积越严重；上游径流越大、开闸时间越长，则闸下游冲刷越强。近年来，由于武障河闸仅洪涝期间开闸、其他时段关闸，不具备放水冲淤条件，导致闸下游武障河航道淤积严重，已严重影响航道通航安全[7]。武障河闸下移扩建恢复正常运行后，具备放水冲淤条件。为保障武障河航道和盐灌船闸正常运行，除洪涝期间外，武障河闸亦须放水冲淤，水闸泄流量须兼顾武障河航道冲淤保通航需求。

3 控制泄流方案分析

除防洪排涝外，武障河闸下游泄流量对航道水流条件和闸下游航道冲淤影响亦较大，开闸排涝期间，宜在保障区域防洪排涝安全的前提下控制减小泄流以减小对上下游航道水流条件的影响；放水冲淤期间，应控制加大泄流以满足航道冲淤保通航需求。

武障河闸扩建后，由于闸址下移、上游引河疏浚、老河槽抽槽新开引河，扩大了武障河闸上游过流断面。各工况相同流量下，水闸上游盐河横向流速均减小，新闸较老闸对盐河航道的不利影响减小。闸址下移扩建及下游引河疏浚后，由于下泄流量加大，且武障河河道规模偏小、与闸规模不匹配，新闸较老闸对武障河航道水流条件的不利影响和对冲淤的有利影响均增大。

本次研究将武障河闸对航道水流条件的影响和对闸下游航道冲淤的影响作为两种工况，根据各工况特点分别分析武障河闸控制下泄流量。

3.1 模型构建

武障河闸上游为平原河网地区、水位变化较平稳，闸下游排水入海(灌河)河道为典型的感潮排水河道、水位周期变动较大，为了计算武障河闸泄流对航道通航等的影响，本文分别构建了武障河闸上游与下游河道二维水动力数学模型，将闸上游与下游河道进行概化，形成如图1～2所示的武障河闸上游、下游二维水动力河网模型。

图1 武障河闸上游二维河网模型

3.2 计算条件

3.2.1 计算工况

武障河闸10 a一遇排涝工况和最低通航水位工况为本文计算工况。

3.2.2 边界条件

武障河闸上游模型：模型上游盐河(南)、武障河西边界采用流量边界，10 a一遇排涝流量分别为239 m3/s，610 m3/s，盐河(北)采用闭边界；模型下游闸址采用水位边界，10 a一遇水闸上游排涝设计水位3.6 m，盐河最低通航水位1.61 m。

图2 武障河闸下游二维河网模型

武障河闸下游模型：上游闸址边界采用流量边界、流量取10 a一遇排涝流量849 m3/s，盐灌船闸采用闭边界；下游武障河闸下游采用水位边界，10 a一遇闸下游排涝设计水位3.5 m，武障河闸大流量放水期间闸下游低水位1.0 m。

3.2.3 水闸调度规则

武障河闸以汛限水位进行控制运行，当闸上游水位超过汛限水位且高于闸下游潮位时开闸排涝，低于控制水位或低于潮位时关闸挡潮。当需要控制下泄流量时，通过调节水闸开启度控制其泄流量。

3.3 方案拟定

3.3.1 对航道水流条件影响

根据GB50139-2004《内河通航标准》等相关规定，航道范围内水域纵向流速宜不大于1.0 m/s、横向流速应不大于0.3 m/s。当武障河闸上游盐河和下游武障河航道范围内横向、纵向流速超过规范允许值时，通过模型试算流速满足通航水流要求的武障河闸最大下泄流量。

根据模型计算成果，武障河闸10 a一遇排涝工况和最低通航水位工况下，由于未进行控泄(武障河闸泄流量849 m3/s)，闸上游盐河航道和闸下游武障河航道流速均不满足规范要求。盐河航道以横向流速超标为主，在10 a一遇排涝工况下横向流速最大值约0.52 m/s、最低通航水位工况下横向流速最大值约0.71 m/s；武障河由于河道规模较小，航道内横向、纵向流速均超标，10 a一遇排涝工况下横向流速最大值约0.32 m/s、纵向流速最大约1.07 m/s，低水位工况下横向流速最大值约0.50 m/s、纵向流速最大约1.72 m/s。

通过对比武障河闸移址拆建前后10 a一遇排涝工况下盐河横向流速，发现在相同工况下，武障河闸移闸后，盐河航道最大横向流速较移闸前减少0.11 m/s，更有利于改善盐河航道通航条件。

10 a一遇排涝工况下武障河闸以防洪保安为主，可全力泄流不控泄；但在河道水位相对较低、防洪排涝压力不大时应兼顾航道通航，武障河闸应适当控泄以满足盐河、武障河航道横向、纵向流速要求。通过模型试算可知，当盐河、武障河处于最低通航水位时，武障河闸下游泄流量分别控制不超过350 m3/s，505 m3/s，能保证航道内最大纵向流速不超过1.0 m/s、最大横向流速不超过0.30 m/s。基于此，分别确定武障河闸上游盐河和下游武障河航道处于不同通航水位时，航道流速满足规范要求对应的武障河闸最大下泄流量，其水位、流量成果见表1。

表1 盐河、武障河不同水位工况下最大通航流量计算成果

根据武障河闸功能定位，当出现洪涝时，全力排除涝水，以防汛为主；其他时段根据旱涝情况而定，服务防汛抗旱的同时兼顾冲淤保通航。为避免洪涝期间武障河闸泄流导致盐河、武障河航道横向、纵向流速超标造成船舶事故，武障河闸下泄流量若大于表1中盐河、武障河各通航水位要求的下泄流量，武障河闸管理部门需提前通知航道主管部门，在盐河(上游引河、老河槽与盐河交叉口)、武障河(盐灌船闸下游引航道口门段)采取短期限航措施。

3.3.2 对闸下游航道冲淤影响

武障河闸下游航道冲淤期间，宜控制纵向流速不小于1.0 m/s，以此为冲刷启动条件。当武障河航道范围内纵向流速达到冲刷启动条件时，通过模型试算流速满足航道冲淤要求的武障河闸最小下泄流量。

根据模型试算成果，确定武障河闸下游航道处于不同通航水位时，航道流速满足冲淤要求所对应的各水位下武障河闸最小下泄流量，其成果见表1。由于冲刷启动流速(1.0 m/s)与满足水流条件的航道最大纵向流速相同，因此闸下游航道冲淤工况下的武障河闸最小控制流量成果与对航道水流条件影响工况下的武障河闸最大控制流量成果相同。

为最大限度提高武障河闸下游冲淤保通航效果，武障河闸放水冲淤期间，可结合以清顶浑、高水增速等措施，完善冲淤调度运行管理方案，优化开闸冲淤时机选择及水闸上游下游水位、流量组合，进一步提升放水冲淤效果。

4 结 论

本文以江苏省沂南地区武障河闸为例，由于其下泄流量关系地区防洪排涝、供水和航运安全，须统筹各功能需求合理确定。通过构建二维水动力模型进行试算，在确保防洪排涝和供水安全的前提下，按照水闸泄流对航道水流条件和闸下游冲淤的影响分别确定下泄流量是合理的。为减小对上下游航道水流条件的影响，保证航道内最大横向、纵向流速满足通航要求，当盐河、武障河处于最低通航水位时，武障河闸下游泄流量应分别不超过350 m3/s，505 m3/s；为满足冲淤保通航需求，确保武障河航道达到冲刷启动条件(纵向流速不小于1.0 m/s)，冲淤期间武障河闸下游泄流量应控制不小于300～505 m3/s(对应闸下游武障河水位-0.77～1.0 m)。本次计算得到的武障河闸各工况控制下泄流量成果，在保障地区防洪排涝安全的同时，可避免洪涝期间武障河闸泄流导致航道横向、纵向流速超标造成船舶事故，并最大限度提高武障河闸下游冲淤保通航效果。