绍兴平原河网防洪排涝水动力模型控制条件分析

陈卫金,李东风，张红武

(1.绍兴市第一水利生态建设有限公司,浙江 绍兴 312000;2.浙江水利水电学院 水利与环境工程学院,浙江 杭州 310018；3.清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京 100084)

五水共治是浙江省大政方针，是推进浙江新一轮改革发展的关键之策.纵横交叉平原河网的河道湖泊水体，作为水生态环境的重要载体，担负有行洪排涝、供水灌溉、调蓄水量、航运交通、景观休闲和生态环境等.防洪排涝等问题直接关系着一个地区水安全，关系本地区经济社会的可持续发展.防洪排涝在五水共治中具有及其重要地位.

研究平原河网防洪排涝问题，分析河流湖泊在一定边界条件的水动力及其变化是研究问题的基础，而数学模型作为重要便利的工具是解决水动力问题的重要手段之一.掌握复杂河流湖泊的水动力状况，准确把握各种边界条件是数学建模的基础.

通过水动力数学模型的计算分析，掌握不同条件下的河流湖泊水动力状况，准确预测水流流速、水位、水深和流量及其变化、预测洪水传播和洪水演进规律，可以通过水库水闸水利工程调度运行、控制上游来水、排除暴雨涝水、加大加快洪水排入大海、分析河流湖泊水体富营养化的水动力条件、分析不同来水组合条件下河网水动力条件的变化，为进行区域河网防洪排涝、河流湖泊治理和规划设计的前提和基础.

由于受条件的限制，对流域性水流动力的模拟主要利用一维数学模型，由于一维数学模型对把三维问题简化为水流运动方向的一维问题，这个简化的一维数学模型的特点，使得对河流湖泊水动力计算模拟的精度受到了很多限制，在以往计算技术限制的条件下，一维模型在工程水动力分析中发挥了重要作用；随着计算技术等不断突破，利用二维和三维水动力模型对流域河网水动力、河流湖泊局部区域进行计算精细计算已成为可能.

绍兴平原河网水系发达，水域情况异常复杂.有河面较宽的多条骨干河道，也有水域面积达数千亩的多个重要湖泊，还有一些支河叉港和小河小镂；绍兴平原河网中由密集的河道所形成的水面面积占总面积的比重达13%以上.同时洪水的排泄受到曹娥江河口海洋潮汐的顶托.这些特性使得绍兴平原河网河流湖泊水流运动，洪水形成、传播、演进变形等问题众多异常复杂.因此研究绍兴平原防洪排涝河流湖泊水动力调控和计算机数值计算和信息及其建模进行分析.研究绍兴平原防洪排涝具有典型性和代表性.

1 水动力理论[1-4]

区域河流水动力受区域河流及其地貌、区域来水和流出区域边界条件的控制.河流水动力是河流河床地貌形态和河流边界条件共同制约的结果，其控制方程为

1.1 控制方程

(1)

(2)

(3)

式中：Z—水位；H—水深；

U、V—分别为x、y方向深度平均流速；

g—重力加速度；

C—谢才阻力系数，

C=H1/6/n，n—曼宁糙率系数；

νt—紊动涡粘性系数.

1.2 定解条件

定解条件是初始条件和边界条件的统称.初始条件是指在微分方程中未知函数在初始时刻所需满足的条件.边界条件指在运动边界上方程组的解应该满足的条件.

1.2.1 自由面边界条件

自由表面给定风应力；自由表面运动学边界条件，根据界面保持定理(不可入可滑移条件)；自由表面动力学边界条件p=pa.

1.2.2 底部边界条件

1249 Resistance of Plasmodium falciparum to artemisinin derivatives and piperaquine: epidemic status and mechanism

无滑动条件(粘附条件)u=v=0(床面上)；底部应力定律，将近底速度(离底小距离)与近底速度梯度联系起来.

2 绍兴平原防洪排涝河流湖泊水动力分析

由于控制河流水动力的边界条件不同，例如流程长短不同，水流阻力不同，水头损失不同，流量大小也不均匀，水动力也不同.从浙东引水试运行情况看，大部分流量将进入北面的杭甬运河和三江大河，这是因为这两条骨干河道的流程比较短、过水断面面积较大，输水能力比较强，水动力也较大.马山闸西江和浙东运河流程长，水流阻力大，水头损失大，分配流量较少.

根据新的河道等级划分，鉴湖、浙东古运河、杭甬运河、马山大河等4条河道为市级河道；马山闸西江、三江大河、滨海大河、瓜渚湖直江、大坂湖直江等河道划定为县级河道；其余为乡级河道(见图1).

2.1 绍兴河流及其地貌

绍兴平原部分位于钱塘江南岸，西北靠萧山、西南靠诸暨、东邻曹娥江上虞，南界嵊州，绍兴平原地势西南高、东北低.西南部南部为山丘区地势高，地面高程大多在10～500 m(黄海，下同)之间，中部及东北沿海一带，地势平坦，河流纵横，湖泊众多，素有“江南水乡”之称.地面高程大多在4.5～5.5m之间.绍兴平原西部北部属于柯桥区，平原中部是绍兴市城区，是绍兴经济政治文化中心区域.

2.2 绍兴平原河网水体流动水动力条件分析

在绍虞平原境内，河网除承接和调蓄本地降水外，还承接来自萧山进化溪、蜀山平原和南沙地区的部分客水量，以及上虞市东关的部分来水量.河流湖泊交织成河网，具有蓄洪、排涝、灌溉、拒咸、通航和养殖等功能.绍兴平原境内河网水系又称三江水系(古称鉴湖水系)，水流自西向东、自南而北流经河网湖泊，主要经新三江闸、马山闸和海涂三闸等注入曹娥江.西部南部来水和曹娥江引水工程来水是河网水体流动的主要动力，同时曹娥江河口径流来水、潮汐、曹娥江大闸运行方式和沿河口水闸的运行方式对河网水动力具有控导作用.

图1 河网水系示意图

2.2.1 河网西部来水水动力条件

河网西部来水水动力主要受源出萧山县临浦镇麻溪西小江流量控制和浙东引水流量控制，两个水流汇合会在柯桥区钱清镇进入绍兴县境内.然后再一分为四，分四路进入绍兴平原河网.从北到南分别是杭甬运河、三江大河、马山闸西江和浙东运河.在四路水流中，流程较短的是北面的杭甬运河和三江大河，都在绍兴县境内.富春江水分流进入杭甬运河、三江大河后，又合二为一，经新三江闸注入曹娥江.另外两路水流流程都很长.其中，进入马山闸西江的水流一路向东，过钱清、柯桥、袍江，然后从马山闸注入曹娥江；进入浙东运河的富春江水，跨绍兴县、越城区和上虞市三地，最后到达上虞的塘角船闸，注入曹娥江.西部来水是河网水动力重要边界条件之一.

2.2.2 南部山丘区河流水动力条件

自南而北汇入河网的主要河流均出自会稽山麓，西南部山丘区有多条山区溪流由南向北汇入绍兴平原，自西向东依次主要有十一条山溪性河流，主要有石泄江、富盛江、攒宫江(上蒋江、东湖江)、平水江、南池江、坡塘江、兰亭江、漓渚江、项里江、型塘江、青墩江、夏履江等.南部来水经运河由河网与芝塘湖、瓜渚湖、鉴湖、贺家池、白塔洋、康家湖、青甸湖等19个湖泊相连.主要由西小江、荷湖江、直江等经新三江闸，部分经马山闸、红旗闸注入曹娥江.运河南北平原水网密布，河密率高，南部来水也是河网水动力重要边界条件之一.

2.2.3 浙东引水与鉴湖水系水动力

浙东引水对鉴湖水系水动力是否会受到影响是否会出现“倒灌”等现象.柯桥城区的地势南高北低.正常情况下，柯南的水位比104国道以北的水位要高出50 cm以上，如果雨季的话，水位落差会超过1 m.因此，进入浙东运河的富春江水需要通过泵站抽水才能进入鉴湖水系，一般不会影响绍兴黄酒厂家取用的水源.浙东引水能够加快平原河网水体流动.

2.2.4 曹娥江引水工程与河网水动力

通过兴建曹娥江引水工程，将曹娥江的清水通过14.6 km的地下隧道，引入绍兴市区，实现一江清水绕城流.绍兴市曹娥江引水工程，增加了绍兴平原河网水体流动性，有效改善了市区河道水质.曹娥江引水工程来水水也是河网水动力重要边界条件之一.

2.2.5 曹娥江沿河口水闸与河网水动力

曹娥江是绍兴平原防洪排涝的承泄区，曹娥江河口径流来水、潮流潮汐、曹娥江大闸运行方式和沿河口排水闸的的运行方式对河网水动力具有控导作用.通过闸门不同运行方式的组合，改变河网出口水位，控导河网水动力.主要排水闸包括新三江闸、马山闸、新楝树下闸、新红旗闸、东江闸、迎阳闸和汇联闸等水闸.

3 结 语

以绍兴平原河网水动力为研究对象，全面分析了进入河网的河流控制边界条件和流出河网的水闸潮流潮汐水流控制边界条件；为模型建设和河网防洪排涝和五水共治提供决策；研究表明西部、南部和流出河网的水闸控制条件为重要的边界条件；为研究建立合理的河网水动力模型奠定了基础.

参考文献：

[1] 郑邦民，槐文信，齐鄂荣.洪水水力学[M].武汉：湖北科学技术出版社，2000:112-126.

[2] 李东风,张红武,谢华伟,等.名山桥建桥河流壅水防洪影响研究[J].浙江水利水电专科学校学报，2012(3)：9-11.

[3] 梁佰军,李东风,张红武，等.瓜渚湖直江引水对通航影响的数值计算和分析[J].浙江水利水电专科学校学报,2013(4):1-3.

[4] 李东风,毛连明,陈冬云，等.河网水体流动控导措施二维数值计算分析[J].浙江水利水电专科学校学报,2011(1):9-12.

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浙江水利水电学院学报编辑部