淮河入海水道泄洪能力與洪澤湖運行水位關系研究

李晗宇，鄧 涯,2,3，張 維，馬愛興,2,3，胡 穎,2,3

(1.水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院，江蘇 南京 210029；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；3.港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210029；4.江蘇省水利工程建設局，江蘇 南京 210029)

洪澤湖位于江蘇淮安、宿遷境內，是淮河中下游結合部的巨型綜合利用平原水庫，總庫容169億m3，在淮河整個防洪體系中占據十分重要的作用，現狀防洪標準為100年一遇[1-3]。

目前，洪澤湖的泄洪通道有南側的入江水道和北側的蘇北灌溉總渠、分淮入沂水道以及入海水道，總泄洪能力達15 270～18 270 m3/s。但在中低水位期(蔣壩水位12.5～ 14.5 m)，洪澤湖洪水出路規模偏小，如蔣壩水位14.50 m時，總泄洪流量僅有15 110 m3/s，進而導致在遭遇中等洪水時，湖區水位明顯偏高[4]。

入海水道西起洪澤湖二河閘，東至濱?？h扁擔港注入黃海，全長162.3km，是洪澤湖十分重要的泄洪通道[5-6]。當前，二期工程也正在前期規劃階段，有必要對工程實施前入海水道泄洪能力與洪澤湖運行水位間的關系進行分析，以為工程規劃和設計提供技術借鑒。

本文建立了洪澤湖大范圍二維水流數學模型，對洪澤湖在中、低水位期湖區水流特性、分流特性和出湖段局部水動力特征進行計算，并分析了中低水位下洪澤湖泄洪能力不足的原因。

1 模型建立與驗證

1.1 控制方程

水流連續方程：

(1)

運動方程：

(2)

(3)

1.2 研究區域及網格劃分

為探究泄洪能力與洪澤湖運行水位的關系，模擬區域進口邊界共5處，淮河干流給定吳家渡站實測流量，其余周邊支流作為源，給定各控制站的實測出流，并加入到相應的二維模型網格單元中；出口邊界4處，入江水道(三河閘)、入海水道給定實測水位，分淮入沂和高良澗閘給定實測流量邊界。

洪澤湖湖區模擬范圍以迎湖擋洪堤為邊界；淮河干流上至池河口上游2.5 km，共51.6 km；入海水道下至進洪閘下游3.5 km；分淮入沂下至二河閘下游9.5 km，模型范圍總共1 758.9 km2，見圖 1。

圖1 模型地形

模型計算區域的離散采用三角形網格，洪澤湖湖面網格適當放大，并對重點研究區域網格適當加密。整個計算區域網格節點17 826個，單元34 421個，模型地形及網格見圖2。

圖2 模型網格

1.3 驗證結果

根據2003年和2007年實際行洪水位流量復核及模型驗證，二河樞紐至淮安樞紐，泓道糙率為0.02～0.0225，灘地糙率為0.03～0.035。模型中一般河道糙率為0.018～0.025，洪澤湖湖面糙率為0.025～0.033，其中疏浚過的、較規則的河槽糙率取0.018，其余河槽糙率取0.025，由于如栗河洼等部分區域為蘆葦蕩，糙率取0.033。

2007年7月24日對洪澤湖北側出湖段二河閘、入海水道進洪閘和淮安地涵上下游的水位進行觀測，在7月24日前后3日內各入湖流量、出湖流量和湖區內各水位站點水位變化過程較為平穩(蔣壩水位變幅±2 cm，出湖流量變幅在±0.8%)，模型可采用7月24日日均流量和水位資料進行恒定流驗證。

洪澤湖湖區蔣壩、老子山等5個水文站和二河閘、入海水道進洪閘上、閘下的水位，以及入海水道和入江水道泄洪流量驗證結果見表1，出湖流量誤差在±5%以內，水位誤差在±5cm以內，滿足相關規范要求。

表1 模型驗證邊界條件及結果

2 結果與討論

2.1 水位和流場

由于主要的入流通道為南側的淮河(占比70.3%)和匯入西側溧河洼的淮沐新河、下草灣引河(共計占比22.9%)，湖區水位特征呈現淮河口最高、西高東低和北高南低的特性，其中南北向水面比降相對較小，空間不均勻性明顯(圖3)。

圖3 入海水道啟用水位13.0 m下洪澤湖及出湖段水位和流場分布

在蔣壩水位13.0 m條件下(入海水道啟用)湖區水流南北界線在高良澗船閘附近出湖河道口門南側7.9 km(直線距離，下同)，湖區內水流流速在0.1 m/s以下，在湖區南側水流由淮河口流出后急劇擺向進入三河閘上游段，呈現明顯的吞吐水勢，流速在0.3 m/s以上，南側出湖段流速在0.5～1.2 m/s。

出湖段附近湖區水位在13.06±0.01 m，高良澗閘口門、高良澗船閘附近出湖河槽口門以及二河閘左側臨閘區水位有一定比降，也是水流集中的區域，流速在0.3 m/s以上；其中高良澗船閘下游東側大堤和西側沙洲形成的狹窄出湖段流速在1.0～1.7 m/s。

在蔣壩水位14.5 m條件下(破圩滯洪臨界)湖區水流南北界線在高良澗船閘附近出湖河道口門南側6.8 km，相比蔣壩水位13.0 m條件下北移1.1 km。出湖段較大的水面比降出現在高良澗船閘附近出湖河槽和二河閘左側臨閘區，流速在0.4 m/s以上，高良澗船閘下游東側大堤和西側沙洲形成的狹窄出湖段流速在0.5～0.8 m/s，相比中洪水期有所減小。

2.2 分流特性

洪澤湖南北側出湖通道分流特性隨著洪澤湖不同運行水位而相應變化(表2)，北側經二河閘的流量占整個出湖流量的比例為17.6～25.1%，整體上隨湖區洪水位的抬升而有所增加，相應地南側入江流量占比有所減小。由于大洪水期分淮入沂逐步啟用并增加控泄流量，入海水道泄洪流量占比隨湖區水位增加有所減小，泄洪流量在1 198～1 993 m3/s。

表2 洪澤湖不同運行水位下出湖流量分流情況

2.3 北側出湖段水面比降

洪澤湖北側出湖段河槽狹窄、洲灘范圍較大和閘群較多等原因，出湖段水位沿程變化明顯，見圖4。

圖4 不同湖區水位下出湖段沿程水面線變化

在中洪水期(蔣壩水位13.0 m)出湖段水位由湖區的13.04 m逐步降至入海水道邊界的11.14 m，沿程3處水位跌落明顯，分別在取水口上游0.6 km、取水口至洪祥村段和入海水道進洪閘附近河段，前兩個河段基本相連均在二河閘上游，水面比降為0.318‰，入海水道閘上下游河段比降在0.276‰；而由于二河閘下游受入海水道進洪閘壅水的影響，在閘壩上下游水面線降幅較小，比降僅為0.046‰；入海水道段在中洪水期水面比降較大，在0.118‰。

隨洪澤湖運行水位的抬升，出湖段各河段洲灘和近岸灘地的淹沒水深也大幅增加，除二河閘上游至下游分流點河段水面比降變化不大外(0.045‰～0.053‰)，其余3個河段水面比降均有所減小。高良澗船閘至二河閘上游段比降變化最為明顯，由中洪水期的0.318‰大幅降至大洪水期(蔣壩水位14.5m)的0.052‰；入海水道比降則由0.118‰降至0.032‰。

2.4 洪澤湖泄洪不暢原因

通過對洪澤湖不同中低水位運行條件下湖區水流特性和北側出湖段局部水流特性分析可知，洪澤湖中低水位條件下泄洪不暢的主要原因在于北側出湖段二河閘上游引河的河槽狹小，出湖水流被壓縮在東岸大堤和沙洲(高程在13.3～14.3 m)之間狹窄的縫隙中，部分水流漫過西側灘地進入引河，但由于低水位時水深較小，所形成的泄洪量也較低。

在洪澤湖水位13.0～13.5 m運行時，高良澗船閘～洪祥村尾段水面比降高達0.318‰～0.205‰，流速1.6 m/s～1.4 m/s；在水位抬高至14.0～14.5 m時，比降降至0.102‰～0.052‰，見圖5，可見高良澗船閘～洪祥村尾段形成了卡口區，在中低水位期大幅限制了北側出湖段的泄洪能力。

圖5 洪澤湖中低運行水位下出湖段水流特性

3 結 論

(1)由于主要入湖通道為南側的淮河和西側的淮沐新河、下草灣引河，湖區水位特征呈現淮河口最高、西高東低和北高南低的特性，南側水流由淮河口流出后急劇擺向進入三河閘上游段，呈明顯的吞吐之勢。

(2)湖區的南北側分流位置隨淮河入匯流量增加而北移，北側經二河閘的流量占整個出湖流量的比例為17.6%～25.1%，入海水道泄洪流量在1 198～1 993 m3/s，整體上兩者隨湖區洪水位的抬升而有所增加。

(3)北側出湖段二河閘上游引河的河槽狹小，形成出湖段的卡口區，水流被壓縮在東岸大堤和沙洲(高程在13.3～14.3 m)之間狹窄的縫隙中，在洪澤湖中低水位期大幅限制了北側出湖段的泄洪能力。