2.4　蚌埠至浮山段一維、二維耦合水動力數學模型

2.4.1　模型范圍及資料選擇

2.4.1.1　模型范圍的選定

淮河干流蚌埠至浮山河段長約104km，1950年代實施五河內外水分流工程后，該段沒有大的支流入匯，區間集水面積僅為2620km2。分布在本段的4處行洪區(方邱湖、臨北段、花園湖、香浮段)1956年后均未啟用，所以驗證階段暫不考慮行洪區的影響。模型的范圍選定為蚌埠閘下至浮山(下邊界根據驗證的需要延至小柳巷)的淮河干流河段。

本段沿程分布有蚌埠閘下水位站、吳家渡水文站、臨淮關水位站、五河水位站、浮山水位站和小柳巷水文站，如圖2.4-1所示。圖中使用1954北京平面坐標系(下同)。

2.4.1.2　基礎資料選取

(1)水文資料:蚌埠閘下至小柳巷段2003年、2007年汛期洪水要素資料(包括蚌埠閘下水位過程線、吳家渡水位、流量過程線、臨淮關水位過程線、五河水位過程線、浮山水位過程線、小柳巷水位、流量過程線)。

(2)地形資料:淮河干流蚌埠至小柳巷河道橫斷面圖(中水淮河規劃設計研究有限公司，2001年);淮河干流蚌埠至方邱湖進口河道橫斷面圖(中水淮河規劃設計研究有限公司，2008年);淮河干流方邱湖進口至香廟河道橫斷面圖(中水淮河規劃設計研究有限公司，2009年);淮河干流香廟至浮山河道橫斷面圖(安徽省水利水電勘測設計院，2008年)。

(3)工程項目資料:1983年至今，蚌埠閘下至小柳巷河段已實施的河道整治及堤防加固工程項目共計7項，見表2.4-1。

模型驗證需要地形資料與水文資料盡可能同步，結合本段工程項目資料，本次驗證計算所選用的水文資料和地形資料見表2.4-2。

從表2.4-2可知:①采用2001年蚌埠閘至小柳巷測量斷面成果結合宋家灘疏浚擴挖工程及吳家渡至方邱湖進口疏浚退堤工程資料作為2003年洪水的驗證地形;②采用2008年蚌埠閘下至方邱湖進口測量斷面、2009年方邱湖進口至香廟測量斷面、2008年香廟至浮山測量斷面及2001年浮山至小柳巷測量斷面作為2007年洪水的驗證地形。上述地形與水文資料基本同步，可作為模型驗證計算的基礎。

2.4.2　模型的定解條件

(1)邊界條件:模型以蚌埠閘下為上邊界，給定吳家渡實測流量過程，以小柳巷為下邊界，給定小柳巷實測水位過程。

(2)初始條件:以計算起始時前三天吳家渡平均流量和小柳巷平均水位計算出各斷面的初始流量和初始水位，即以恒定流啟動。計算表明，計算啟動經若干時段初始條件的影響即漸趨消失。

2.4.3　模型參數和特殊問題的處理

2.4.3.1　計算的時間步長和空間步長

(1)空間步長:本段實測斷面間距為200～500m，為滿足計算精度要求，對計算節點進行適當加密，空間最大步長選取Δs=100m。

(2)時間步長:如前所述，Mike11采用的Abbott格式雖然具有無條件穩定，在實際運用的情況下時間步長還是會受到一定的限制，考慮到水深變化和斷面間距，為滿足穩定性及精度的要求，本次計算選取Δt=600s。

2.4.3.2　計算時段的選取

選取2003年、2007年洪水從起漲至峰頂到回落的整個過程作為計算時段。2003年計算期為2003年6月28日8時至8月28日20時，2007年計算期為2007年6月29日8時至8月28日8時。

2.4.3.3　河道糙率的取值

淮河干流蚌埠閘下至小柳巷河道，一般主槽糙率n主=0.0215，灘地糙率n灘=0.0335。本次計算參考了這一研究成果，并以蚌埠閘下、吳家渡、臨淮關、五河、浮山、小柳巷斷面的實測水文資料為依據，做進一步的率定，結果表明主槽糙率為0.021～0.025，灘地糙率為0.030～0.042，與淮河中游干流河道多次率定的取值基本一致。各段糙率取值詳見表2.4-3。

2.4.3.4　跨河建筑物的處理

淮河干流蚌埠閘下至小柳巷河段有六處跨河建筑，自上而下依次為:蚌埠市朝陽路公路橋、京滬鐵路淮河雙線橋、蚌埠市淮河公路橋、京滬鐵路鄭家渡橋、南洛高速淮河大橋、五河淮河公路大橋。沿用前人的做法，在橋梁上下游100m的范圍內，按河道糙率的2倍取值[24]。

2.4.4　模型的驗證

在對實測資料進行分析的基礎上，利用典型年2003年、2007年洪水過程對模型的參數進行率定和驗證，以檢驗模型的適應性、穩定性和模擬的精度。

2.4.4.1　2003年洪水過程復演

1.2003年洪水過程

2003年6月下旬至7月底的洪水，本段吳家渡站和小柳巷站有三次明顯的洪水過程[8]，如圖2.4-2及圖2.4-3所示。

(1)第一次洪水。吳家渡站6月30日11時36分從水位16.28m(相應流量1920m3/s)起漲，7月3日下午超過警戒水位(20.14m)。7月4日10時30分水位漲至21.38m，相應流量8450m3/s。為減輕蚌埠以下的洪水壓力，4日10時懷洪新河何巷閘首次開啟分洪，6日10時最大分洪流量1590m3/s。受其影響，吳家渡站水位4日21時，回落至21.07m(相應流量7200m3/s)。其后吳家渡水位又漲;6日22時，出現2003年最高水位21.94m(超警戒水位1.80m，低于保證水位0.54m)，相應最大流量8620m3/s。6月19日荊山湖上口門漫堤行洪，吳家渡水位7月7日0時開始緩落，至7日21時水位落至20.67m。

小柳巷站從6月23日20時水位12.86m(相應流量為900m3/s)起漲，7月7日2時出現洪峰水位17.71m，相應洪峰流量為8600m3/s。

(2)第二次洪水。吳家渡站7月7日21時起漲時水位為20.67m。受懷洪新河何巷閘9日12時第二次分洪的影響，吳家渡站9日14時水位漲至21.60m后，曾有幾次微小的起伏。9日8時出現最大流量7920m3/s，14日1時30分出現洪峰水位21.69m。

小柳巷站7月8日10時水位從17.29m(相應流量7860m3/s)回漲后，9日23時出現洪峰流量8440m3/s，11日11時45分出現2003年最高水位17.88m。

(3)第三次洪水。吳家渡站7月22日7時出現最高水位21.48m，22日2時出現洪峰流量7430m3/s。在此期間，懷洪新河何巷閘7月22日2時第三次開啟分洪，23日14時30分最大分洪流量為1510m3/s，明顯影響吳家渡站的洪水過程。

小柳巷站7月20日14時從水位17.46m(相應流量為6780m3/s)起漲后，22日10時出現洪峰水位17.61m，洪峰流量為7140m3/s。

2.復演驗證成果

對2003年蚌埠閘下、吳家渡、臨淮關、五河、浮山五個站瞬時計算水位過程線與實測水位過程線進行了對比，其中蚌埠閘下、吳家渡、浮山三個站水位過程線比較如圖2.4-4～圖2.4-6所示，小柳巷瞬時計算流量過程線與實測流量過程線比較如圖2.4-7所示。

從圖2.4-4～圖2.4-7中可以看出，各測站計算水位、流量過程與實測過程一致性良好，沿程各站峰值水位計算值與實測值之間的差值均在5～10cm范圍內，小柳巷站峰值流量計算值與實測值相差在5%以內。模型較好的重現了2003年本段洪水演進的過程。

2.4.4.2　2007年洪水過程復演

1.2007年洪水過程

2007年洪水，本段吳家渡站和小柳巷站出現一次水位高、持續時間長的洪水過程，受來水和工程運用的影響，在洪峰前后水位出現起伏[9]，如圖2.4-8及圖2.4-9所示。

吳家渡站6月30日8時起漲水位為12.36m，至7月9日20時水位達20.20m，超過警戒水位0.06m，相應流量6680m3/s，11日21時30分水位漲至20.76m，受上游行洪區運用影響，水位小幅回落0.10m，12日4時水位落至20.66m后回漲并出現起伏。13日4時水位上漲到20.91m后，再次緩慢起伏回落。16日8時水位退至20.76m后開始回漲，20日9時42分出現2007年最高水位21.22m(超警戒水位1.08m)，相應洪峰流量為7520m3/s。隨后洪水緩慢下落，30日20時水位退至警戒水位以下。

小柳巷站6月29日20時起漲水位12.13m，相應流量為800m3/s，至7月20日16時出現洪峰水位17.61m，相應洪峰流量8000m3/s，也是2007年最高水位和最大流量。

2.復演驗證成果

對2007年蚌埠閘下、吳家渡、臨淮關、五河、浮山等五個站瞬時計算水位過程線與實測水位過程線比較，其中蚌埠閘下、吳家渡、浮山等三個站水位過程線比較如圖2.4-10～圖2.4-12所示，小柳巷瞬時計算流量過程線與實測流量過程線比較如圖2.4-13所示。

從圖2.4-10～圖2.4-13中可以看出，各測站計算水位、流量過程與實測過程一致性良好，峰值水位計算值與實測值之間的差值均在5cm以內，小柳巷站峰值流量計算值與實測值相差在5%以內。模型較好的重現了2007年本段洪水演進的過程。

此外，對比兩個典型年的驗證成果可以看出，2003年計算水位較實測水位偏高，相對誤差大于2007年。經初步分析，可能是2001—2003年之間河道違禁采砂，使得實際斷面較2001年測量斷面大，從而導致驗證斷面較實際斷面偏小，驗證水位偏高。

2.4.4.3　1991年洪水過程復演

采用1992年實測河道地形建立蚌埠閘至老子山段一維水動力數學模型，并利用1991年洪水資料對模型進行驗證。

1.資料選取

(1)地形資料:中水淮河規劃設計研究有限公司1992年實測蚌埠閘至洪山頭河道橫斷面圖(C180～C464)及洪山頭至老子山河道橫斷面圖(D0～D86)。

(2)水文資料:蚌埠閘至老子山段1991年汛期洪水實測資料(包括蚌埠閘下水位過程線、吳家渡水位與流量過程線、臨淮關水位過程線、五河水位過程線、浮山水位過程線、小柳巷水位線、盱眙水位過程線、老子山水位過程線)。

2.定解條件

(1)邊界條件:模型以蚌埠閘下為上邊界，給定吳家渡實測流量過程線，以老子山為下邊界，給定老子山實測水位過程線。支流池河作為旁側入流，給定明光站的入流過程。

(2)初始條件:首先以計算起始時前三天吳家渡、明光平均流量和老子山平均水位計算出各斷面的初始流量和初始水位，即以恒定流啟動。

3.模型參數

空間最大步長:Δs=100m;時間步長:Δt=600s;計算時段:選取1991年洪水從起漲至峰頂到回落的整個過程作為計算時段，計算期為1991年6月11日8時至9月17日8時;河段糙率:模型糙率的取值見表2.4-4，其中蚌埠閘至老子山段取值與前文一致。

4.驗證成果

比較了1991年蚌埠閘下、吳家渡、臨淮關、五河、浮山、小柳巷和盱眙等7個站點計算水位過程線與實測水位過程線，其中蚌埠閘下、吳家渡、浮山、盱眙等站如圖2.4-14～圖2.4-18所示。

從圖2.4-14～圖2.4-18中可以看出，盱眙計算水位較實測水位偏高，這可能與盱眙至老子山段河道左岸存在與洪澤湖連通的狹窄水道，沿程水量并不守衡有關。除此之外，其他各測站計算水位過程與實測過程一致性良好，峰值水位計算值與實測值之間的差值一般在5.00～10.00cm。模型較好的重現了1991年本段洪水演進的過程。