江苏连云港青湖闸设计流量及水位计算

黄 英，孔 艳,李成功，周庆连，李亚楠

（1.连云港市水利规划设计院有限公司,江苏 连云港 222006；2.连云港市市区水工程管理处,江苏 连云港 222006）

青湖闸水电站位于石梁河水库下游,始建于20 世纪60 年代,采用明槽无压进水,且电站大多数设备从投运发电至今已运行40 多年,设备陈旧、老化严重、效率低下、损耗量大,大部分设备属淘汰型产品,无备件更换,严重影响设备的安全运行,造成电站弃水量大,水资源利用率低,经相关部门讨论,对其进行拆除重建。本文围绕青湖闸设计流量及水位展开计算分析,青湖闸后续除险加固设计规模依据石安河的设计洪水、沿线各泄洪口门规模及其调度规则等综合确定[1]。

1 工程概况

青湖闸位于连云港市东海县青湖镇,坐落在石安河东侧堤防上、磨山河与石安河的交汇处。该闸于1960 年11 月开工建设,1966 年12 月竣工交付使用,设计流量660 m3/s,现状共9 孔（其中5 孔净宽5 m, 2 孔净宽4 m,2 孔净宽2 m）,底板高程13 m。青湖闸主要承泄石安河洪水,经过青湖闸下泄、经磨山河进入新沭河入海,同时完成防洪、灌溉和发电功能：（1）防洪：承担石安河50 年一遇洪水的泄洪任务,由青湖闸通过磨山河经磨山河桥闸泄入新沭河,是磨山河上游重要的防洪屏障；（2）灌溉发电：设计灌溉面积16 万亩,利用灌溉水发电,设计年发电量为190 万kW·h。石安河及青湖闸工程位置见图1。

图1 石安河及青湖闸工程位置图

2 青湖闸设计流量、水位计算

2.1 计算方法

根据水文计算成果,石安河流域年最大24 小时20 年一遇、50 年一遇设计面积量分别为177.75 mm、206.96 mm,流域水情复杂。本次计算采用MIKE11 软件的水动力模块模拟石安河流域水动力情况。MIKE11 软件一维水动力学模型控制方程为圣维南偏微分方程组,见下式：

式中：q为河道旁侧入流,m3/s；BT为当量河宽,m；Z为断面水位,m；Q为流量,m3/s；K为流量模数。

Mike11 采用Abbott六点隐式差分格式离散Saint-Venant方程组,该离散格式在每一个网格点并不同时计算水位和流量,而是按顺序交替计算水位或流量,该格式无条件稳定,可以在相当大的Courant数下保持计算稳定,可以取较长的时间步长以节省计算时间。对上述离散方程组采用传统的“追赶法”,即“双扫”算法进行求解。模型考虑了堰、闸、阻水桥梁,以及区间水量交换等,能适用于本段河道洪流演进的定量分析计算,得出河道各特征断面水位和流量的过程。

在一个河网中,河道与河道相互交叉连结,其连接点成为节点,每个节点均要满足两个衔接条件,即水量连接条件和动力连接条件。

整个河网为若干河道和节点的组合,河网水量的控制方程即为每一河道的控制方程与每一节点衔接条件及初边值条件联立所得的微分方程组。数值求解河网水量微分方程组,则可以求出每一河道指定断面处以及节点上的水位、流量等水力变量。

2.2 模型建立

2.2.1 河网概化

依据图2 所示流域情况、地形、水系结构及其水流走向、现有域内水利工程布局、控规路网等因素,构建河网概化模型,见图3。

图2 河网及工程布局现状

图3 河道水利计算模型河网概化图

概化后的河网模型涵盖了石安河流域的主要河道,包括新沐河、磨山河及石安河,为了模拟计算三座水闸的运行工况,对河网建立简化模型,即以石安河为主,同时在青湖闸、埝河闸、范埠闸三座闸门下游取0.15 km长的河道。整个模型河网总长55.45 km,模型计算中涉及到的计算水位断面共560 个,平均间距约100 m。

2.2.2 参数选取

（1）河网参数

石安河流域的主要河道包括新沐河、磨山河及石安河,全长55 km,鉴于河道上已建水闸工程拦蓄致使上下游水位相差较大,为了充分模拟水闸对过流水动力条件的影响,假定水闸下游河道承泄能力满足要求,对泄洪无显著约束,按照三座水闸的自由出流形态,将青湖闸、埝河闸、范埠闸下游河道长度均设置成0.15 km以便于后续计算。因此,整个河网模型全长为55.45 km。

（2）糙率选取

由于流域植被,江道坡降,河床质、河道断面形式及河道上的建筑物等等,都会对流域洪水演进产生影响,因而河道的概化以及参数的选定会影响到洪流演进计算成果。在模型计算过程中,根据行洪河道河床情况,河段糙率取0.0225。

（3）河道断面参数

河道底高程为14 m,底宽依据各水闸节点按照实际测量值予以赋值,在20 m~40 m之间,边坡确定为1∶2。

（4）水闸节点参数

据前所述,根据石安河三处水闸规模对模型予以赋值,具体如下：

①青湖闸,闸底板高程13.0 m,闸孔总净宽29 m,设计泄流量660 m3/s；

②埝河闸,闸底板,高程15.0 m,闸孔总净宽16 m,设计泄流量240 m3/s；

③范埠闸,闸底板,高程15.0 m,闸孔总净宽8 m,设计泄流量124 m3/s。

（5）边界条件

通过河流的自由端点定义其外部边界。石安河的外部边界主要涉及安峰山水库和石梁河水库,但是鉴于石安河水位,将连接处设置为闭合边界。三座水闸下游0.15 km处的河道末端边界设置为0.1 m相应的水位。对于内部边界,即石安河西侧流域的汇流按照汇水区节点处分布流边界模式赋值。

2.3 计算结果

根据河网模型计算成果,当发生20 年一遇设计洪水时,石安河沿线最高水位为18.20 m～20.77 m；当发生50 年一遇设计洪水时,石安河沿线最高水位为19.32 m～21.23 m,见图4。

图4 石安河各计算截面不同工况水位

不同工况下青湖闸最高水位及最大下泄流量结果见表1。

表1 不同工况下青湖闸泄洪结果

青湖闸按20 年一遇防洪标准设计,其相应泄洪流量为660 m3/s,水位18.21 m；按50 年一遇防洪标准校核,其相应泄洪流量为660 m3/s,水位19.33 m,本次河网模型计算河道上游水位结果较其偏低、青湖闸处水位结果较其偏高。

2.4 成果分析

本次青湖闸设计标准为50 年一遇,根据河网模型计算成果,当发生50 年一遇设计洪水时,模型计算石安河沿线最高水位为19.32 m～21.23 m,虽高于石安河沿线防洪设计水位,但比石安河沿线堤防高程（20.4 m～23.8 m）低0.7 m以上,能够满足石安河堤防安全加高（0.6 m）的要求。因此,本次设计青湖闸按原闸孔规模拆建,能满足石安河50 年一遇泄洪要求。

上述计算结果主要是由于河网模型考虑了河道的调蓄作用,而闸前设计水位采用天然河道明渠恒定非均匀流的计算方法由青湖闸处18.0 m向上游推算石安河水位,没有考虑河道本身的调蓄作用,故而本次计算河道上游水位结果较其偏低、青湖闸处水位结果较其偏高。因此,本次模型计算结果较为可靠。

3 结语

鉴于河网区水文水动力条件复杂的情况,为精确模拟洪涝过程,确定排涝工程规模,建立基于MIKE11水动力模块的排涝区河网模型,按照流域情况、地形、水系结构及水流走向、工程布局、控规路网等影响因素概化模型,合理确定相应的计算参数和边界条件,计算结果是可靠可信的。青湖闸主要功能为分泄石安河洪水入新沭河、并兼灌溉发电,依据计算成果待工程加固完善后,将对该闸上游防洪安全,促进地方经济发展和保障人民群众生产生活需要等方面均能发挥显著作用。