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黄墩湖滞洪区洪水演进研究
 
2016年12月13日  点击量:4081
字号:【   】

 陈黎明1,李1詹道强2,胡文才2

(1南京水利科学研究院水文水资源及水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京210029,2沂沭泗水利管理局,江苏 徐州221009)

 

摘要

本文介绍了黄墩湖滞洪区的自然条件和工程情况,建立了黄墩湖滞洪区二维洪水演进数学模型。根据骆马湖洪水调度原则,分别对滞洪闸和爆破口滞洪方案进行了洪水演进模拟研究,对滞洪区各处的洪水到达时间、水位变化过程、最大淹没深度、淹没面积及分洪量进行比较分析,得到黄墩湖滞洪区洪水演进的时空分布。

关键词:黄墩湖滞洪区;洪水演进;洪水调度;数学模型

 

1 引言

黄墩湖滞洪区位于骆马湖西侧(图1),在沂沭泗流域下游地区的洪水调度中具有重要作用,为确保宿迁大控制的安全时启用。黄墩湖滞洪区与一般滞洪区不同,其范围大,人口多而密集,生产较发达,但应用机会少;其滞洪特点是:来水快、来势猛,滞洪水深,滞蓄时间长。为解决黄墩湖滞洪区的安全问题,在骆马湖现行防洪工程体系条件下,进行黄墩湖滞洪区启用时的洪水演进等研究,对骆马湖洪水调度和超标准洪水预案制定具有重要的现实意义和巨大的社会效益。

1 黄墩湖地理位置图

1.1 地理位置

黄墩湖滞洪区的范围包括中运河以西、房亭河以南、邳睢公路以东、废黄河以北以及退守宿迁大控制后的三角地带,地处邳州、睢宁、宿豫3()交界处,面积385km2。滞洪区内的地势西北高、东南低。地面高程一般为21.5m,最低19.0m。滞洪水位26.0m时,水深57m,实际淹没面积335.8 km2,有效滞洪蓄水量可达14.76×108m3。滞洪区内有耕地32.65万亩,人口22.2万。徐洪河在滞洪区中部纵贯南北,将滞洪区分割为两个区域,其中,徐洪河以东面积251km2,徐洪河以西面积134km2。徐洪河东堤顶高程28.0m,西堤顶高程24.0m,东堤在与民便河交汇处留有约1000m长的口门,口门高程24.0m[1]

1.2 滞洪区运用

19577月沂沭泗流域大洪水,黄墩湖被迫滞洪,最高水位达23.15m,超设计水位0.15m,蓄水量6亿m3,经济损失约1亿元;1963年长历时洪水,骆马湖退守宿迁大控制后,最高洪水位23.87m,黄墩湖已作滞洪准备;1974年大洪水,骆马湖退守宿迁大控制后,最高洪水位达25.47m,黄墩湖未滞洪。

1.3 黄墩湖滞洪闸及爆破口

黄墩湖滞洪闸和曹甸、胜利两处分洪爆破口均建在中运河右堤上(图2)。黄墩湖滞洪闸为骆马湖向黄墩湖分洪的控制工程,199812月建成。闸上游为骆马湖,闸下游为黄墩湖滞洪区。共有12孔,每孔净宽10.0m,弧形钢闸门,闸底板高程为20.50m。设计流量2000m3/s,设计滞洪水位为25.80m,校核滞洪水位26.30m

曹甸爆破口位于民便河口南约6km处,口门宽300m,预埋砼管爆破井207眼(共3排,每排69眼)。胜利(又称双河)爆破口位于民便河口北约3.5km,口门宽300m,预埋砼管爆破井168眼(共3排,每排56眼)。

1.4 黄墩湖滞洪方式

黄墩湖滞洪采取分洪闸滞洪和临时口门爆破滞洪两种方式。当骆马湖水位超过25.50m,且预报骆马湖水位将超过26.00m时,即开闸滞洪以确保宿迁大控制安全。当滞洪闸仍不能满足滞洪要求时,实施滞洪口门爆破滞洪。

 

2 黄墩湖滞洪区洪水演进模型

为了解黄墩湖滞洪区在启用时洪水的影响时间和范围(图2),采用二维水动力数学模型,在有限体积法框架下应用通量向量分裂(FVS)格式,进行平面二维水流计算;根据骆马湖的水位~库容曲线[2],模拟当黄墩湖滞洪采取分洪闸和临时口门爆破方案时,黄墩湖滞洪区的入湖流量、水位以及在滞洪区的演进情况。

二维浅水方程和对流-扩散方程的守恒形式可表达为[4-8]

1

(1)中,h为水深;uv分别为xy方向垂线平均水平流速分量;g为重力加速度;s0xsfx分别为x向的水底底坡、摩阻坡度;s0ysfy分别为y向的水底底坡、摩阻坡度。

 

3 黄墩湖滞洪区洪水演进计算

水动力模型采用三角形网格进行网格剖分,共有303个节点,528个三角形单元,网格尺寸30~1300m3)。模型采150000地形图(废黄河高程,2000年),边界入流处为黄墩湖滞洪闸以及曹甸、胜利两处分洪爆破口。黄墩湖滞洪闸的闸上水位以及胜利、曹甸爆破口的上游水位由骆马湖水动力数学模型提供[2]黄墩湖床质主要为沙质土,植被为稀疏杂草、杂树和矮小农作物,糙率取0.04

    

2 黄墩湖范围及主要村庄                     3二维水动力模型网格

3.1 滞洪闸分洪演进计算

模拟的计算条件为骆马湖水位达到25.50m时,启用黄墩湖滞洪闸滞洪,暂不考虑爆破口的滞洪,模拟时间为72小时。

根据黄墩湖滞洪闸泄流曲线,骆马湖初始水位给定25.50m时,黄墩湖滞洪闸的最大下泄流量为2146.2m3/s(图4)。

4 黄墩湖滞洪闸泄流过程

数学模型计算得黄墩湖滞洪闸滞洪72小时内16个主要村庄的水位变化过程(图5)。结果表明,16个村庄的最高水位为22.76m,阎老庄村和薛庄距滞洪闸较近,分别为0.59km1.97km0.25小时以内洪水已经到达,最大淹没深度分别为2.27m1.58m;黄墩镇距滞洪闸3.54km,洪水到达时间约为0.75小时,最大淹没深度2.06m;北大宅子和曹甸距滞洪闸分别为5.31km6.00km,洪水到达时间分别为6.754小时,最大淹没深度分别为1.50m2.48m;新河距滞洪闸为6.49km,但由于地面高程相对较高为22.18m,因此洪水到达时间较曹甸滞后,约为15.25小时,最大淹没深度为0.58m;闫南一组距滞洪闸8.25km,洪水到达时间约7.25小时,最大淹没深度为1.78m;前程庄、程圩村因距滞洪闸都在10km以上,洪水到达时间较晚,分别为43.50小时、31.00小时;沈塘、郭庄村、八路镇、八井村、皂河镇、古邳镇、后赵庄等7个地区,此次计算72小时后,尚未被洪水淹没。

 

5 主要村庄水位变化过程

6和图7给出了模型计算72小时内,黄墩湖滞洪区淹没面积以及分洪量的变化过程。计算结果表明,随着计算时间的增加,滞洪闸泄流的影响,滞洪区的淹没面积和分洪量在不断的增加。淹没面积在初始的10小时之内增加较快,10小时的淹没面积达到了101.19 km2,约占总淹没面积的54.8%10小时至45小时淹没面积的增加有所减缓,这主要和地形有关,滞洪闸附近高程相对较低的地区首先被淹没,其次在被淹没地区水位抬升到一定程度之后才继续淹没其他地区;45小时后,淹没面积增加进一步减缓,这主要因为45小时后随着骆马湖水位进一步降低,滞洪闸上下的水位差进一步变小,58.5小时后滞洪闸闸下水位已经高于骆马湖水位,滞洪闸关闭;此后黄墩湖滞洪区达到最大淹没面积184.65 km2。从分洪量变化过程可以看出,初始20小时,分洪量增加较快,分洪量达到1.306亿m3,占分洪总量的56.3%20小时至40小时,分洪量增加稍缓,分洪量超过2亿m358.5小时后滞洪闸关闭,分洪总量达到2.319亿m3

 

6黄墩湖滞洪区淹没面积                   7 黄墩湖滞洪区分洪量

3.2 滞洪闸和爆破口同时分洪演进计算

当骆马湖水位达到25.50m时,同时启用黄墩湖滞洪闸滞洪、胜利爆破口和曹甸爆破口爆破滞洪,爆破时间分别为计算开始后的第5小时和第6小时,整个模拟时间为72小时。

由骆马湖水位变化并根据黄墩湖滞洪闸理论泄流公式计算得出滞洪闸下泄流量过程,取闸门最大开度为4.0m,骆马湖水位为25.50m时,滞洪闸最大下泄流量约为2146.2m3/s28.5小时后,黄墩湖滞洪闸闸下水位已经高于骆马湖水位,模型中拟定此时关闭闸门,因此此次模拟28.5小时后的滞洪闸下泄流量为0胜利爆破口和曹甸爆破口时间分别为计算开始后的第5小时和第6小时,爆破后胜利和曹甸爆破口的堰顶高程为21.5m,其下泄流量按堰流公式计算求得(图8和图9,胜利和曹甸爆破口的最大下泄流量分别为3004.8 m3/s3598.4m3/s。此次模拟29.25小时后,胜利和曹甸爆破口下游水位已经高于上游骆马湖水位,因此29.25小时后,胜利和曹甸爆破口出现负流量(倒流)的情况。

8 曹甸爆破口泄流量                       9 胜利爆破口泄流量

16个村庄的最高水位为23.43m(图10,阎老庄村与薛庄距离滞洪闸较近,0.25小时以内洪水已经到达,最大淹没深度分别为2.96m2.24m;黄墩镇洪水到达时间约为0.75小时,最大淹没深度2.72m;北大宅子与曹甸洪水到达时间分别为5.754.00小时,最大淹没深度分别为2.17m3.15m;新河镇洪水到达时间较只有滞洪闸滞洪时的15.25小时提前至5.75小时,这主要是因为受到第5小时靠近新河镇的胜利爆破口爆破的影响,最大淹没深度为1.22m;闫南一组洪水到达时间约6.75小时,最大淹没深度为2.45m;郭庄村、前程庄、程圩村和八路镇由于受到曹甸和胜利两个爆破口的影响,洪水到达时间都有所提前,分别为28.25小时、15.25小时、9.75小时、25.00小时,但淹没深度较浅,分别为0.47m0.79m1.16m0.19m;皂河镇因距离较远,以及沈塘、八井村、古邳镇和后赵庄四个地方因地面高程均高于最高水位23.43m,此次计算72小时后,尚未被洪水淹没。

 

10 主要村庄水位变化过程

由于受到骆马湖水位变化的影响,29.25小时之前随着滞洪闸泄流和两个爆破口的影响,滞洪区的淹没面积和分洪量在不断的增加,29.25小时后由于滞洪区水位高于骆马湖水位,出现两个爆破口流量为负出流的情况,滞洪区的淹没面积和分洪量出现一定程度下降的趋势。此次模拟72小时内,黄墩湖滞洪区的最大淹没面积为249.47 km2,最大分洪量为3.748 亿m3

1112分别为滞洪闸滞洪与滞洪闸和爆破口同时分洪72小时洪水演进水位分布

  

11 滞洪闸滞洪72小时水位分布            12 滞洪闸和爆破口同时分洪72小时水位分布

 

4 结论

采用黄墩湖二维水动力数学模型,模拟了骆马湖水位达到25.5m时、单独启用黄墩湖滞洪闸和启用黄墩湖滞洪闸后再进行爆破口滞洪两种情况下的洪水演进过程,得到黄墩湖滞洪区16个村庄洪水到达的时间、水位过程、淹没深度和淹没面积以及分洪量。启用爆破口滞洪后,各村庄洪水的到达时间较单独使用滞洪闸均有所提前,淹没和淹没面积均增大,分洪量也进一步增加,72小时内,最大淹没面积为249.47 km2,最大分洪量为3.748 亿m3



 基金项目: “十一五” 国家科技支撑计划资助项目(2008BAB42B082009ZX07528-005-02);水利部公益型行业科研专项(200901027);南京水利科学研究院青年基金(Y510004

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