2.5　浮山至洪澤湖出口段一維、二維耦合水動力數(shù)學模型

2.5.1　模型范圍及資料選擇

2.5.1.1　模型范圍的選定

淮河干流浮山至洪澤湖出口段長約103km，區(qū)間集水面積34210km2。主要的入湖河道有7條，包括淮河干流以及南北區(qū)間的6條支流?；幢眳^(qū)間較大的支流有懷洪新河、新汴河、濉河、老濉河和徐洪河;淮南區(qū)間較大的支流有池河。主要的出湖河道有淮河入江水道、蘇北灌溉總渠、淮河入海水道和分淮入沂工程。分布在本段2處行洪區(qū)(潘村洼、鮑集圩)和洪澤湖周邊滯洪圩區(qū)自1956年后均未啟用，所以驗證階段暫不考慮行洪區(qū)和滯洪圩區(qū)的影響[30-34]。

模型的計算范圍包括浮山至洪澤湖出口段的淮河干流及南北區(qū)間6條支流，如圖2.5-1所示。

模型的結(jié)構(gòu)如圖2.5-1所示，對于淮河干流采用兩種方法模擬，以A287斷面為界，淮河干流浮山至A287斷面河段采用一維非恒定河網(wǎng)模型計算;淮河干流A287斷面至洪澤湖出口河段，考慮到計算區(qū)域的平面尺度及流速大小和流向隨時空變化，采用平面二維模型計算。一維、二維模型的耦合計算通過在A287斷面處采用MikeFlood標準連接實現(xiàn)。對于南北區(qū)間的6條支流的入?yún)R，也采用兩種方法模擬，考慮到池河女山湖閘以下七里湖調(diào)蓄作用，采用零維模型(水庫型水量平衡法)計算，其他支流(懷洪新河、新汴河、濉河、老濉河和徐洪河)以集中旁側(cè)入流方式作為二維模型的源項參與計算[35]。

從圖2.5-1還可以看出，本段洪澤湖以西分布有淮河干流小柳巷水文站、池河女山湖閘、懷洪新河下草灣及雙溝水文站、濉河泗洪水文站、老濉河泗洪水文站、新汴河團結(jié)閘、徐洪河金鎖鎮(zhèn)水文站可以控制入湖流量;洪澤湖的東側(cè)分布有三河閘水文站、二河閘水文站、高良澗水文站可以控制出湖流量;此外，淮河干流和洪澤湖周邊還分布有浮山、盱眙、老子山、臨淮頭、尚咀、蔣壩6個水位測站，可以滿足模型驗證計算的需要。

2.5.1.2　基礎資料

(1)水文資料:浮山至洪澤湖出口段(包括淮河干流及區(qū)間6條支流)2003年、2007年汛期洪水要素資料[8-9]，詳見表2.5-1。

(2)風場資料:2003年和2007年洪澤站的風速和風向資料。從典型年洪澤站風玫瑰圖(圖2.5-2、圖2.5-3)可知，洪澤湖汛期盛行風為東南風。

(3)地形資料:淮河干流浮山至老子山河道橫斷面圖(中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司，2001年);洪澤湖1：10000地形圖(江蘇省工程勘測設計院，1992年)。

一維模型地形采用浮山至A287河道橫斷面資料，斷面間距約200m，共布設358個斷面。二維模型地形考慮到洪澤湖周邊圩區(qū)的影響，在通過調(diào)研和實地考察初步確定2003年、2007年洪水實際淹沒范圍后，對模型的地形進行了適當?shù)男拚?，修正后的二維模型地形如圖2.5-4所示。

2.5.2　模型的定解條件

(1)邊界條件:模型擁有8個進口和3個出口。進口邊界淮河干流浮山給定小柳巷實測流量過程，池河女山湖閘給定實測出流過程，其余洪澤湖周邊支流(包括懷洪新河、濉河、老濉河、新汴河、徐洪河)作為源，給定各控制站的實測出流過程并加入到相應的二維模型網(wǎng)格單元中。出口邊界三河閘給定實測水位過程線、二河閘和高良澗作為匯，給定實測出流過程并加入相應的二維模型網(wǎng)格單元中。模型邊界條件詳見表2.5-2。

(2)初始條件:首先以計算起始時前三天進出口邊界條件的平均值計算出一維模型各斷面的初始水位及二維模型各網(wǎng)格點的初始流速和水位，即模型以恒定流啟動。

2.5.3　模型參數(shù)和特殊問題的處理

2.5.3.1　計算時間步長和空間步長

(1)空間步長:一維模型實測斷面間距約200m，為滿足計算精度要求，對計算節(jié)點進行適當加密，空間最大步長選取Δs=100m。二維模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格，考慮到洪澤湖湖底地勢平坦，網(wǎng)格空間步長取400～600m;淮河干流入湖河口段及三河閘附近等處，地形復雜，高程變化大，網(wǎng)格空間步長取100～200m。二維模型包括網(wǎng)格節(jié)點7069個，計算單元13537個，具體網(wǎng)格布置如圖2.5-5所示。

(2)時間步長:MikeFlood標準連接采用顯格式進行一、二維模型的耦合計算，時間步長受柯朗條件的限制，為滿足穩(wěn)定性及精度的要求，本次計算選取Δt=60s。

2.5.3.2　計算時段的選取

選取2003年、2007年洪水從起漲至峰頂?shù)交芈涞恼麄€過程作為計算時段。2003年計算期為2003年6月28日8時至2003年8月29日20時，2007年計算期為2007年6月29日8時至2007年8月28日8時。

2.5.3.3　糙率的取值

本段一、二維模型中糙率的取值以沿程各站實測水文資料為依據(jù)，采用試錯法率定。率定的結(jié)果表明河道主槽糙率為0.020～0.023，河道灘地糙率為0.03～0.04，洪澤湖湖區(qū)糙率為0.020～0.022。各段糙率取值詳見表2.5-3。

2.5.3.4　風阻力系數(shù)的取值

風阻力系數(shù)可以被設定為一個常數(shù)或依風速設定。本次計算參考Wu[6]的經(jīng)驗公式:

上式中各參數(shù)的取值分別為:ca=1.255×10-3，cb=2.425×10-3，wa=7m/s，wb=25m/s。

2.5.3.5　無資料地區(qū)徑流的處理

在研究范圍內(nèi)還有占洪澤湖出口(中渡)控制面積4.2%的濱湖區(qū)間尚無徑流資料，如何得出該范圍入湖流量的大小及過程對模型驗證的精度起重要的作用。本次計算根據(jù)水量平衡原理(進入洪澤湖的凈水量等于洪澤湖蓄量的變化)得出:

式中:∑Q入湖為入湖總流量過程，由入湖控制站淮河干流小柳巷Q淮干、池河女山湖閘Q池河、懷洪新河雙溝及下草灣Q懷洪新河、濉河泗洪Q濉河、老濉河泗洪Q老濉河、新汴河團結(jié)閘Q新汴河、徐洪河金鎖鎮(zhèn)Q徐洪河和無資料未控區(qū)間Q區(qū)間流量過程疊加而成;Q出湖為出湖總流量過程，由出湖控制站三河閘Q三河閘、二河閘Q二河閘、高良澗Q高良澗流量過程疊加而成;V為洪澤湖的庫容，可通過表2.5-4計算得出。

通過式(2.5-2)推求出無資料區(qū)間Q區(qū)間的入流過程后，為方便起見，本次計算按未控面積分配到各入湖控制站中。

2.5.4　模型的率定及驗證

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(shù)進行率定和驗證，以檢驗模型的適應性、穩(wěn)定性和模擬的精度。

2.5.4.1　2003年洪水過程復演

1.2003年洪水過程

2003年6月下旬到7月底的洪水，造成淮河干流和洪澤湖出現(xiàn)年最大洪峰流量和最高水位，入湖大部分支流也在本次洪水中出現(xiàn)2003年最大洪水[8]。

入湖河道各控制站洪水過程:

(1)淮河干流:小柳巷站在本時段有三次明顯的洪水過程，數(shù)據(jù)分析見2.4.4節(jié)。

(2)懷洪新河:雙溝、下草灣站6月30日0時，流量從0開始起漲。7月7日10時出現(xiàn)2003年最大流量3160m3/s(雙溝、下草灣流量分別為1860m3/s和1300m3/s，相應洪峰水位分別為15.83m和15.55m)，隨后稍有起伏，21日14時流量減到1640m3/s后再次上漲。25日6時出現(xiàn)第二次洪峰，流量為2131m3/s(雙溝、下草灣流量分別為1250m3/s和881m3/s)，雙溝、下草灣相應洪峰水位分別為15.10m(7月23日14時)和14.93m(7月23日17時)。至8月9日洪水退盡流量為0。雙溝、下草灣站實測流量過程如圖2.5-6所示。

(3)池河:女山湖閘7月4日8時，流量從0開始起漲。7月11日20時出現(xiàn)最大洪峰1246m3/s，之后受淮河干流水位頂托影響，致女山湖內(nèi)水一度無法排出，7月14日流量再次回漲，7月15日0時出現(xiàn)第二次洪峰，洪峰流量1161m3/s。8月11日20時，流量降至200m3/s以下。女山湖閘實測出流過程如圖2.5-7所示。

(4)新汴河:宿縣閘大洪水主要出現(xiàn)在8月27日至9月15日之間。宿縣閘實測出流過程如圖2.5-8所示。

(5)濉河:濉河泗洪站6月30日開始起漲，7月5日2時出現(xiàn)最高水位16.92m，相應洪峰流量為757m3/s。7月11日洪水退盡后，13日又再次起漲，14日、18日和23日先后出現(xiàn)3次洪峰，其中23日0時最大洪峰流量497m3/s，到7月25日流量退至0。濉河泗洪站的實測流量過程如圖2.5-9所示。

(6)老濉河:老濉河泗洪站從6月30日開始起漲到7月28日洪水退盡，共出現(xiàn)5次大于150m3/s的洪峰，其中7月4日、9日、22日的洪峰流量均超過200m3/s，7月5日2時，出現(xiàn)2003年最高水位16.57m。老濉河泗洪站的實測流量過程如圖2.5-10所示。

(7)徐洪河:徐洪河金鎖鎮(zhèn)站在此期間出現(xiàn)多個洪峰。6月29日20時起漲水位12.61m，相應流量71.2m3/s。7月3日8時出現(xiàn)2003年最高水位16.00m，相應的洪峰流量為815m3/s。7月8日流量落至82.6m3/s后，又在9日、13日、18日和22日依次出現(xiàn)流量為346m3/s、405m3/s、504m3/s和562m3/s的4次洪峰。徐洪河金鎖鎮(zhèn)實測流量過程如圖2.5-11所示。

出湖河道各控制站:

(1)淮河入江水道:三河閘于6月28日6時開閘后，除在7月24日和7月27日控制下泄外，均為敞開泄洪，7月17日16時最大泄洪流量8940m3/s，如圖2.5-12所示。

(2)淮河入海水道及分淮入沂:二河閘于7月4日23時48分開始分泄洪澤湖洪水(在此之前是為灌溉、供水開閘泄水)，7月11日17時48分最大泄洪流量達3250m3/s，超過設計流量250m3/s。二河閘以下二河新閘于7月4日23時48分首次開閘啟用，7月16日14時最大泄洪流量為1870m3/s;淮沭河淮陰閘2003年是1991年以來第二次用于分泄淮河洪水，7月11日23時淮陰閘最大泄洪流量1440m3/s，如圖2.5-13所示。

(3)蘇北灌溉總渠:高良澗閘在7月5日開始分泄洪澤湖洪水，7月11日最大下泄流量為731m3/s，如圖2.5-14所示。

洪澤湖洪水過程:蔣壩站水位在洪澤湖多種工程調(diào)蓄的影響下基本呈現(xiàn)為一次洪水過程。蔣壩站水位7月2日8時從12.12m開始上漲，7月14日15時30分出現(xiàn)2003年的最高水位14.19m。到7月26日水位降至13.81m以下。蔣壩實測水位過程如圖2.5-15所示。

通過計算分析，2003年洪澤湖最大入湖流量(入湖各控制站及未控區(qū)間流量合成)為14500m3/s，出現(xiàn)在7月9日。洪澤湖最大出湖流量(三河閘、二河閘、高良澗閘合成)為12700m3/s，出現(xiàn)在7月12日，如圖2.5-16所示。

2.復演驗證成果

2003年浮山、小柳巷、盱眙、老子山、臨淮頭、尚嘴、蔣壩計算水位過程線與實測水位過程線如圖2.5-17～圖2.5-23所示;三河閘計算流量過程線與實測流量過程線如圖2.5-24所示。

從圖2.5-17～圖2.5-24中可以看出，浮山、小柳巷洪峰水位較實測水位略高，經(jīng)調(diào)研核實，2003年7月12日上午9時30分左右，江蘇省盱眙縣團結(jié)河東大堤被洪水沖破，近5000畝圩區(qū)被淹，這使得盱眙以上的實測洪峰水位有所降低。其余各測站計算水位、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以內(nèi)，三河閘峰值流量計算值與實測值相差在5%以內(nèi)。此外，從2003年洪澤湖二維計算的成果來看(圖2.5-25～圖2.5-29)，在沿淮河口繞老子山至三河閘一線形成以吞吐流為主的高流速帶，在成子湖相對封閉的區(qū)域形成以風生環(huán)流為主的低流速帶，溧河洼一帶流速介于兩者之間，上述流態(tài)基本反映了洪澤湖天然流場的特征。由此可見，模型較好的重現(xiàn)了2003年本段洪水演進的過程。

2.5.4.2　2007年洪水過程復演

1.典型年2007年本段洪水過程

2007年6月底到9月中旬的多次暴雨，在本段形成一場復式大洪水過程[9]。

入湖河道各控制站洪水過程如下:

(1)淮河干流:小柳巷站出現(xiàn)一次水位高、持續(xù)時間長的洪水過程，數(shù)據(jù)分析見2.4.4節(jié)。

(2)懷洪新河:由于何巷閘和區(qū)間來水，2007年雙溝及下草灣出現(xiàn)兩次較為明顯的洪水過程。雙溝站7月1日6時30分開始起漲，起漲流量為0。10日14時出現(xiàn)年最大流量2980m3/s(雙溝、下草灣流量分別為1700m3/s和1280m3/s)，隨后緩慢回落至17日6時31分的1276m3/s后再次起漲。23日14時出現(xiàn)第二次洪峰，流量為1935m3/s(雙溝、下草灣流量分別為1080m3/s和855m3/s)，至8月6日5時30分流量退盡，如圖2.5-30所示。

(3)池河:女山湖閘7月9日8時，流量從0開始起漲，7月14日出現(xiàn)洪峰流量170m3/s，至8月10日，流量一直維持在160m3/s上下。女山湖閘實測出流過程如圖2.5-31所示。

(4)新汴河:新汴河團結(jié)閘7月5日開閘，至7月底基本上都開閘泄洪。7月7日12時最大下泄流量為714m3/s，團結(jié)閘實測出流過程如圖2.5-32所示。

(5)濉河:濉河泗洪站出現(xiàn)4次較為明顯的洪水過程，其中第2次、第3次過程為復式峰。7月3日8時40分開始起漲，起漲流量為0。7日16時出現(xiàn)第一次也是2007年最大洪峰，水位為16.75m，相應洪峰流量930m3/s，為歷史最大流量。第2次、第3次、第4次洪峰流量分別為690m3/s、735m3/s和561m3/s，分別出現(xiàn)在7月16時10時、8月9日8時和9月1日16時30分。濉河泗洪實測出流過程如圖2.5-33所示。

(6)老濉河:老濉河泗洪站出現(xiàn)3次洪水過程，其中第1次過程較小。第2次過程于7月3日8時開始起漲，起漲流量為0，7日16時20分出現(xiàn)洪峰，水位為16.59m，相應洪峰流量為183m3/s，為2007年最大。第3次洪峰水位15.59m出現(xiàn)于21日2時，相應洪峰流量109m3/s，如圖2.5-34所示。

(7)徐洪河:金鎖鎮(zhèn)站7月3日12時起漲水位12.38m，相應流量47.5m3/s，6日15時出現(xiàn)第一次洪峰，流量為1040m3/s，19時出現(xiàn)最高水位16.10m。隨后又出現(xiàn)多次洪水，其中7月16日5時、8月8日20時、9月1日9時30分和20日20時的洪峰流量分別為640m3/s、794m3/s、452m3/s和795m3/s。金鎖鎮(zhèn)實測出流過程見圖2.5-35。

出湖河道各控制站洪水過程如下:

(1)淮河入江水道:三河閘于7月4日開閘泄洪，7月11日14時最大泄洪流量8500m3/s，如圖2.5-36所示。

(2)淮河入海水道及分淮入沂:二河閘于7月9日開閘泄洪，7月11日20時最大泄洪流量2510m3/s，如圖2.5-37所示。

(3)蘇北灌溉總渠:高良澗在7月2日開閘泄洪，7月29日10時最大下泄流量為607m3/s，如圖2.5-38所示。

洪澤湖洪水過程:蔣壩站水位自6月30日開始起漲。7月3日超過汛限水位，7月9日達到警戒水位13.31m，15日13時6分出現(xiàn)2007年最高水位13.71m，此后水位有漲有落，29日退至警戒水位以下。2007年洪水蔣壩站超警戒水位歷時21d。蔣壩實測水位過程如圖2.5-39所示。

通過計算分析，洪澤湖最大入湖日流量(入湖各控制站及未控區(qū)間流量合成)為14200m3/s，出現(xiàn)在7月9日。洪澤湖最大出湖日流量(三河閘、二河閘、高良澗閘合成)為11300m3/s，出現(xiàn)在7月12日，詳見圖2.5-40。

2.復演驗證成果

2007年浮山、小柳巷、盱眙、老子山、臨淮頭、尚嘴和蔣壩計算水位過程線與實測水位過程線如圖2.5-41～圖2.5-47所示，三河閘計算流量過程線與實測流量過程線比較如圖2.5-48所示。

從圖2.5-41～圖2.5-48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5cm左右，三河閘站峰值流量計算值與實測值相差在5%以內(nèi)。二維計算的流態(tài)也基本反映了洪澤湖天然流場的特征，如圖2.5-49～圖2.5-52所示。由此可見，模型較好的重現(xiàn)了2007年本段洪水演進的過程。

2.5.5　入湖河段二維水動力數(shù)學模型

入湖河段(浮山至A287斷面)河道分汊，洲灘棋布。由于一維模型無法得到各汊的分流比及局部流態(tài)等水力要素，因此，本節(jié)嘗試建立本段二維水動力數(shù)學模型。

2.5.5.1　模型的建立

二維模型地形采用2001年河道實測資料，與一維模型相同。網(wǎng)格劃分根據(jù)河道地形的復雜程度選擇不同的網(wǎng)格尺寸，其中，浮山至洪山頭河道段，網(wǎng)格長度為80～120m;洪山頭至A287段分汊河道主槽網(wǎng)格長度為50～120m，河心洲灘地網(wǎng)格長度為200～300m;池河七里湖網(wǎng)格長度為400～600m。模型共計有13528個計算節(jié)點，25547個網(wǎng)格單元，具體的網(wǎng)格布置如圖2.5-53所示。模型的上邊界浮山給定小柳巷實測流量過程，女山湖閘給定實測出流過程，模型的下邊界A287斷面給定水位過程，其值由浮山至洪澤湖出口段一、二維耦合模型計算得出。

2.5.5.2　模型參數(shù)

浮山至A287斷面二維模型主要參數(shù)糙率的取值見表2.5-5。

2.5.5.3　二維模型與一維模型計算結(jié)果的比較

利用所建二維模型計算2003年和2007年洪水，圖2.5-54～圖2.5-59給出本段沿程主要測站浮山、小柳巷、盱眙的二維模型的水位計算結(jié)果。通過與實測值及一維模型的計算值對比可以看出:①二維模型各站的水位計算過程與實測過程基本上是吻合的;②兩種模型計算精度相當，但在峰值水位的計算成果上，二維模型的計算精度略低于一維模型，原因可能與河道兩岸附近干濕邊界處理方法的精度不高有關(guān)。