平面二维数学模型在输电线路跨越洪泽湖周边滞洪区防洪评价中的应用

王　宇　管宪伟　王　江　季益柱（中水淮河规划设计研究有限公司　合肥　230601）

平面二维数学模型在输电线路跨越洪泽湖周边滞洪区防洪评价中的应用

王宇管宪伟王江季益柱
（中水淮河规划设计研究有限公司合肥230601）

为分析输电线路的修建对洪泽湖周边滞洪区运用的影响，建立平面二维水流数学模型，以大莲湖圩区为例，对比分析输电线路修建前后区内的洪水演进过程。结果表明，输电线路的修建不会对滞洪区运用时的水位及流场等产生明显不利影响。

二维数学模型输电线路滞洪区防洪评价

洪泽湖周边滞洪区作为淮河下游最大的滞洪区，是淮河流域防洪体系中的重要组成部分。输电线路的修建对洪泽湖周边滞洪区运用的影响主要包括分洪流量、蓄洪水位、水流流场和流速过程等。本文选用大莲湖圩区为例，采用平面二维水流数学模型，结合淮南～南京1000kV输电线路跨越大莲湖圩区工程，模拟分析输电线路修建前后大莲湖圩区内的水流运动，为防洪评价提供重要的参考依据。

1　大莲湖圩区及输电线路概况

大莲湖圩区位于淮河干流洪山头下，是淮干最上游的圩区，于20世纪60年代围垦而成，面积为22.6km2，耕地2.9万亩，人口约2600人，圩区地面高程为11.5～15.0m，滞洪库容约0.37亿m3，圩堤高程17.5～18.0m。

淮南～南京1000kV输电线路途经安徽省的淮南市、怀远县、凤阳县、明光市以及江苏省的盱眙县。江苏境内的线路从安徽、江苏两省省界处穿越女山湖的实验区后进入盱眙县大莲湖圩区，在河桥镇西跨越312省道向南进入山区走线。其中大莲湖段线路起于皖苏省界的女山湖入淮河口，止于江苏省盱眙县河桥镇南的山上，路径长度约6.5km，布置C05-C16共12基铁塔。该段线路采用同塔双回架设，平均档距约499m，平均呼高约65m。圩区内塔位均按灌注桩基础设计，承台桩桩径0.8～1.2m，每个承台下4个，承台宽度5.0～5.8m，高度1.4～1.6m。线路跨越大莲湖圩区示意图见图1。

图1　　输电线路跨越大莲湖圩区示意图

2　大莲湖圩区二维数学模型

2.1基本方程及求解方法

连续性方程：

X方向动量方程：

Y方向动量方程：

式中：t为时间；x，y，z为右手Cartesian坐标系；d为静止水深；h=η+d为总水深；η为水位；u，v分别为流速在x，y方向上的分量；f为科氏力系数f=2Ωsinθ，Ω为地球旋转的角频率，θ为当地的纬度；ρ为水的密度；ρ0为参考水密度；fv和fu为地球自转引起的加速度；sxx，sxy，syx和syy为辐射应力分量；Txx，Txy，Tyx和Tyy为水平粘滞应力项；pa为当地的大气压；S为源汇项（us，vs）水流流速。τsx，τsy为风场摩擦力在x，y上的分量；τbx，τby为底床摩擦力在x，y上的分量。

采用非结构有限体积法离散控制方程。有限体积法中使用的非结构网格通常由三角形或四边形网格组成，为了准确拟合圩区曲折的岸边界，一般采用三角形网格进行计算。

2.2糙率

大莲湖圩区在进行洪水模拟的过程中，根据现场调研资料、相关项目经验及各种相关书籍资料的查阅，模型中糙率选用0.04。

2.3网格

采用边长约60m的三角形作为计算网格，并对塔基局部网格进行加密，总共划分了14099个网格。

2.4时间步长

利用有限体积法计算三角网格的水流模拟时，采用30s作为最大时间步长，0.01s作为最小时间步长。

2.5边界条件

根据盱眙县洪泽湖滞洪区运用预案，大莲湖圩区为人工爆破口门，口门宽度约100m，口门底高程14.5m。根据《淮河流域防御洪水方案》，洪泽湖蒋坝水位达14.5m，且继续上涨时，洪泽湖周边滞洪区破圩滞洪。蒋坝水位达14.5m时，相应大莲湖圩区爆破口门处设计洪水位为16.9m，大莲湖圩区需破圩滞洪。大莲湖圩区在进行破圩滞洪的洪水演进模拟时，以口门处相应淮河水位作为边界条件，口门处的出流情况以动量的形式进行计算。

3　计算结果分析

3.1对分洪流量的影响

根据计算分析结果，输电线路的修建，引起线路上游、大莲湖口门处水位略有壅高，从而一定程度上减小了口门的进洪流量。但由于输电线路距离进洪口门较远，在同一时刻的进洪流量较输电线路建成前的最大减少值仅为0.05m3/s，相对于进洪流量来说非常小。由此可见，输电线路的修建对进洪流量过程产生了一定的影响，但影响很小。

3.2对蓄洪水位和水流流场的影响

大莲湖圩区库容小，48h可基本滞满洪水。由于输电线路的修建，位于输电线路两侧的区域水位会略微抬高。根据二维水流数学模型计算结果分析，各特征点处水位的最大抬高值不超过0.004m，输电电路的修建对圩区蓄洪水位的影响很小。

为分析工程修建对大莲湖圩区运用后水流流场的影响，选取9#塔为代表，图2和图3为同一时刻工程前后9#塔处流场图。从图中可以看出，工程修建后，塔基附近出现明显的绕流。但总体来说，输电线路的修建对水流流场的影响很小，仅在塔基局部网格处的流速大小和流向有稍为明显的改变，其他网格处的流速大小和方向并无明显的变化。

图2　　工程前9#塔处流场图　

图3　工程后9#塔处流场图

3.3对流速过程的影响

输电线路沿线各特征点相应的流速峰值及峰现时间统计见表1。可以看出，特征点的流速峰值及峰现时间相差不大。总体来说，输电线路修建后，滞洪区破圩进洪时区内各点的流速过程、流速峰值及峰现时间有所变化，但变化很小。

3.4冲刷影响分析

当洪水从淮河干流向大莲湖圩区口门处分洪后，圩区内的流速较低，呈现出淤积水情，圩区内的塔位不具备一般冲刷和自然冲的条件。同时，从表1可以看出，塔位处流速较小，塔基处也不会形成局部冲刷。

表1　　工程修建前后各特征点流速峰值及峰值出现时间比较表

4　结语

研究输电线路对洪泽湖周边滞洪区内洪水演进过程的影响时，可建立平面二维水流数学模型进行模拟。模型将工程修建前后区内的水位、流场分布等水力要素进行形象直观的展示，可满足工程需要，为防洪评价提供重要的技术支撑。

大莲湖圩区的实例计算结果表明，输电电路的修建对圩区蓄洪水位的影响很小，对塔基局部水流流场稍有改变，输电线路的修建对圩区滞洪过程影响较小■