劉國慶，王 蔚，范子武，穆守勝，賈本有，烏景秀，鄧 曌

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，江蘇 南京 210029)

平原河網(wǎng)區(qū)分汊河道是一種極為常見的河型。研究分汊口的分流特性，對于保障區(qū)域防洪排澇、供水、通航安全，保護河流水環(huán)境健康，指導(dǎo)水利工程建設(shè)等具有十分重要的現(xiàn)實意義。依據(jù)干、支流河床平面形態(tài)，分汊河道可以分為“Y”型交汊口（對稱式交汊口）和斜接形交汊口[1-3]。我國關(guān)于分汊口分流特性的研究，按照研究對象，可大致分為兩類。一類是針對大江大河的重要分汊口，例如：長江口南北汊、珠江口思賢滘等。張蔚等利用平面二維數(shù)學(xué)模型，定量分解出徑流、潮流和徑潮相互作用對長江口南北汊分流比的影響[4]。楊清書等利用珠江口思賢滘三水、馬口站實測水文資料，探討近幾十年來西北江三角洲河網(wǎng)區(qū)頂點分水分沙的季節(jié)變化和多年變化[5]。另一類則是針對自然及人工河道中常見的直角分水口和彎道分水口的研究。羅福安等利用水槽試驗，研究了直角分水口口前水流的運動形態(tài)，揭示了分水寬度沿水深的變化規(guī)律[6]。郭維東等在物理模型試驗基礎(chǔ)上，結(jié)合三維數(shù)學(xué)模型，研究了彎道取水口流態(tài)和流速分布，分析了不同取水角度引水口上游分水寬度及分流比的變化規(guī)律[7-8]。總體看來，對于分汊河道的研究，國內(nèi)外學(xué)者大多重點關(guān)注交汊口水流流態(tài)、水沙物質(zhì)分配及其影響因素等相關(guān)問題[9-12]。

蘇南運河作為太湖流域唯一跨越多個水利分區(qū)的南北向河道，起著水量調(diào)節(jié)和承轉(zhuǎn)作用，直接影響沿線流域、區(qū)域及城市防洪排澇安全。2015，2016，2017年蘇南運河沿線連續(xù)出現(xiàn)超警戒、超歷史的洪水，一直以航運為主要任務(wù)的蘇南運河成了流域內(nèi)“漲水快、退水慢、水位高”的高水位河道，是本區(qū)域洪水風(fēng)險防控的重點。然而，目前針對蘇南運河沿線分汊口流態(tài)、分流比及影響因素等相關(guān)研究相對較少。由于蘇南運河自身下泄能力有限，洪水主要依靠沿線相連的通江河道外排入江，但各段通江河道與運河連接間的交汊角存在差異，使得大運河洪水入江走向有順?biāo)髋c逆水流方向；加之運河沿線蘇、錫、常城市防洪大包圍建成，切斷了部分骨干入江河道。另外，洪水入江還受區(qū)域圩區(qū)群建設(shè)、入江口門規(guī)模與調(diào)度等因素影響，如何妥善解決太湖流域洪水出路需要從流域全局進行整體研究。

蘇南運河-蠡河-望虞河交汊口既是蘇南運河沿線重要的分洪通道，又是流域、區(qū)域洪水遭遇的典型位置。以蘇南運河-蠡河-望虞河典型分汊口為研究對象，通過開展相關(guān)物理模型試驗研究，為工程建設(shè)、工程調(diào)度及數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)，為運河沿線排江通道分流能力及外排能力的匹配研究提供理論支撐。以“16·7”超歷史洪水實測資料為基礎(chǔ)，建立研究區(qū)域平面二維數(shù)學(xué)模型，研究超歷史洪水條件下蠡河分流比及其變化過程，并從流量、上下游水位差以及分流角度等方面揭示蘇南運河-蠡河-望虞河分汊口分流比的影響因素。

1 區(qū)域概況

蘇南運河-蠡河-望虞河交汊口位于望亭立交水利樞紐工程處，望虞河經(jīng)由望亭立交工程下穿蘇南運河（圖1）。望亭立交與蘇南運河成60°交角，地涵有9孔，每孔高6.5 m，寬7.0 m，均有閘門控制。蠡河位于望亭立交上游東側(cè)，上通蘇南運河、下接望虞河，全長約500 m，是蘇南運河重要的排江通道。蠡河樞紐在運河高水位時可分泄蘇南運河洪水入望虞河，降低蘇南運河水位減緩區(qū)域防洪壓力，是區(qū)域防洪重點工程之一?，F(xiàn)狀蠡河樞紐工程由船閘與節(jié)制閘組成，節(jié)制閘閘孔凈寬8 m，船閘寬8 m，長135 m。

望虞河位于太湖流域陽澄淀泖區(qū)和武澄錫虞區(qū)的交界處，是流域綜合治理骨干工程之一，總長60.8 km，既是流域洪水外排長江的主要河道，又是太湖流域“引江濟太”的重要調(diào)水通道（圖1）。望虞河入太湖湖口由望亭立交水利樞紐控制，入長江口由常熟水利樞紐控制。望虞河?xùn)|岸沿線大小支流眾多，多由閘門控制，引江濟太期間大部分處于關(guān)閉狀態(tài)；西岸屬典型的平原河網(wǎng)區(qū)，支流多兼排地區(qū)澇水，僅北部靠近長江的福山塘以北段和南部嘉菱蕩以南段由閘門控制，其余均為敞開狀態(tài)[13-14]。

圖 1 蘇南運河-蠡河-望虞河分汊口平面圖Fig. 1 Junction of South Jiangsu Canal-Li River-Wangyu River

2 研究方法

基于江蘇省太湖地區(qū)整體一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型與蘇南運河-蠡河-望虞河交汊口局部物理模型，進一步建立了蘇南運河-蠡河-望虞河交汊口局部平面二維數(shù)學(xué)模型。江蘇省太湖流域整體一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型范圍為江蘇省太湖地區(qū)，面積約為1.96萬km2，包括蘇州、無錫、常州市的全部和鎮(zhèn)江市的部分區(qū)域，模型通過“15·6”，“16·7”，“17·9”等多組典型洪水驗證。交汊口二維數(shù)學(xué)模型計算邊界由區(qū)域整體一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型提供，采用實測資料及物理模型交叉驗證的方法對二維數(shù)學(xué)模型水位、流量等計算結(jié)果進行驗證。利用驗證后的蘇南運河-蠡河-望虞河交汊口局部平面二維數(shù)學(xué)模型，模擬計算“16·7”超歷史洪水過程蠡河樞紐調(diào)度前后交汊口主要位置處水位、流量變化過程，分析蠡河樞紐現(xiàn)狀分流比及其影響因子；進一步計算蘇南運河-蠡河不同交汊角度對蠡河分流的影響，并探討其成因。

2.1 交汊口局部物理模型

蘇南運河-蠡河-望虞河交汊口局部物理模型按水流運動相似、重力相似及阻力相似準(zhǔn)則要求設(shè)計，采用比尺為1∶30的正態(tài)模型。模型上邊界為望亭立交蘇南運河上游0.6 km、望虞河上游0.8 km處；下邊界為望亭立交蘇南運河下游0.4 km、望虞河下游0.6 km處，模型還包括望亭立交水利樞紐、蠡河水利樞紐工程及蠡河（圖2）。

圖 2 蘇南運河-蠡河-望虞河分汊口局部物理模型Fig. 2 Partial physical model of South Jiangsu Canal-Li River-Wangyu River junction

2.2 交汊口平面二維水流數(shù)學(xué)模型

利用MIKE21工程軟件包建立蘇南運河-蠡河-望虞河交汊口局部平面二維數(shù)學(xué)模型。MIKE21是二維自由水面流動模擬系統(tǒng)軟件，可運用于自由水體流動、污染物擴散以及泥沙輸運等二維數(shù)值模擬研究。蘇南運河-蠡河-望虞河交汊口局部平面二維數(shù)學(xué)模型范圍，以望亭立交為中心，上邊界分別控制到蘇南運河上游2.6 km、望虞河上游2.0 km處，下邊界分別控制到蘇南運河下游2.8 km、望虞河下游2.1 km處。模型整體采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格最大空間步長為15 m，交汊口處局部加密至5 m，最終節(jié)點總數(shù)為23 689個，網(wǎng)格總數(shù)為44 666個。模型地形采用2018年交汊口范圍內(nèi)1∶500實測地形，上邊界采用流量控制，下邊界采用水位控制，邊界條件由區(qū)域整體一維河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型提供。蠡河樞紐采用MIKE21中水閘模塊進行模擬，蘇南運河與望虞河立交斷面則采用管涵模塊實現(xiàn)準(zhǔn)確模擬。

模型驗證與計算水文組合均選取“16·7”超歷史洪水過程，結(jié)合《蘇南運河區(qū)域洪澇聯(lián)合調(diào)度方案》（蘇防辦電傳（2016）85號），具體計算時間為蠡河樞紐啟用后的36 h，即2016-07-02T07:00—2016-07-03T18:00。蘇南運河-蠡河-望虞河交汊口實測水文資料相對缺乏，因此，本文利用了“16·7”實測望亭上、望亭下及望亭（大）3個站點（位置見圖1）的水位，局部物理模型測得的“16·7”蠡河樞紐啟用后蠡河流量過程對二維水流數(shù)學(xué)模型的水位、流量進行驗證，驗證結(jié)果見圖3。由圖3可見，計算值與實測水位值及物理模型觀測流量值吻合良好，水位誤差均在0.05 m以內(nèi)，流量誤差一般都在10%以內(nèi)，表明二維數(shù)學(xué)模型較為真實地模擬了交汊口水流運動特征，可應(yīng)用于本次研究工作。

圖 3 交汊口局部平面二維數(shù)學(xué)模型水位、流量驗證結(jié)果Fig. 3 Verification results of water level and discharge of the two-dimensional mathematical model

2.3 模型計算方案設(shè)計

方案設(shè)計考慮現(xiàn)狀交汊角度分流特性計算方案與變交汊角度影響分析計算?，F(xiàn)狀交汊角度分流特性分析方案的計算時段為蠡河樞紐啟動前24 h至啟動后36 h，即：2016-07-01T07:00—2016-07-03T18:00。模型計算完成后，統(tǒng)計蠡河樞紐啟用后30 h內(nèi)蘇南運河流量、蠡河流量、蘇南運河水位（蘇南運河-蠡河交汊口位置）、望虞河水位（望虞河-蠡河交汊口位置）變化過程，分析蠡河流量及分流比變化過程及影響因素。

變交汊角度影響分析方案的計算時段、控制邊界及模型參數(shù)與現(xiàn)狀交汊角度分流特性分析方案完全一致，僅將現(xiàn)狀蘇南運河-蠡河交汊角度（約35°）分別改變至20°，45°，60°，90°和120°，統(tǒng)計蠡河樞紐啟用后30 h內(nèi)蠡河流量變化過程，分析交汊角度對蠡河分流比的影響并分析其原因。

3 交汊口分流特性分析

3.1 蠡河流量及分流比變化分析

圖4為蠡河樞紐啟用后蠡河分流量與分流比隨時間變化。由圖4可見，樞紐啟用后，蠡河流量變化過程與分流比變化過程基本一致。樞紐剛啟用時，蘇南運河與望虞河水位差最大，因此過閘流量最大，蠡河流量約為73 m3/s，分流比約為52%。在隨后的近20 h內(nèi)，蠡河流量及分流比總體呈現(xiàn)波動下降趨勢，原因是由于隨著蠡河泄洪，蘇南運河與望虞河水位差逐漸減小。最后蠡河泄流量又回升至48 m3/s，分流比上升至30%左右并基本保持穩(wěn)定。

圖 4 蠡河流量分流比變化Fig. 4 Variation of diversion ratio of Li River

3.2 蘇南運河流量對蠡河分流比的影響

根據(jù)以往相關(guān)研究成果，支流分流比多與干流來流量密切相關(guān)，本次研究繪制了蘇南運河流量與對應(yīng)時刻蠡河分流比散點分布圖（圖5）。由圖5可見，散點分布散亂、規(guī)律性較差，因此對于蘇南運河-蠡河交汊口而言，干流蘇南運河的來流量對支流蠡河的分流比影響不大。分析其原因，對于天然的“Y”型交汊口或者斜接形交汊口，其支流的分流比多與干流流量有關(guān)，而蘇南運河-蠡河-望虞河交汊口是不同于以上兩種交汊口形態(tài)的較為特殊的交汊口，蠡河樞紐啟用時，其過閘水頭主要由望虞河與蘇南運河水位差所決定，因此，蠡河分流比可能與蠡河樞紐閘下水位（即望虞河出口段水位）及蘇南運河-望虞河水位差有關(guān)。

圖 5 蘇南運河流量與蠡河分流比關(guān)系Fig. 5 Relationship between discharge of South Jiangsu Canal and diversion ratio of Li River

3.3 望虞河水位對蠡河分流比的影響

圖 6 望虞河水位與蠡河分流比關(guān)系Fig. 6 Relationship between water level of Wangyu River and diversion ratio of Li River

蠡河分泄的洪水直接進入望虞河，因此望虞河蠡河出口段水位可能對蠡河分流比產(chǎn)生影響。本文利用數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果，建立了蠡河樞紐啟用后，望虞河水位與蠡河分流比關(guān)系（圖6）。如圖6所示，蠡河分流比隨著望虞河水位升高而減小，二者呈現(xiàn)近似線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，即：其中：Y為蠡河分流比；X為望虞河水位。這主要是由于望虞河水位升高會導(dǎo)致蠡河樞紐閘下水位壅高，在蘇南運河水位不變的情況下，蠡河樞紐過閘水頭減小，導(dǎo)致蠡河分流比相應(yīng)減小。

3.4 蘇南運河-望虞河水位差與蠡河分流比的相關(guān)性分析

為進一步探究蠡河分流比的影響因素，建立蘇南運河-望虞河水位差與蠡河分流比的關(guān)系。由圖7可見，蠡河樞紐分流比隨蘇南運河-望虞河水位差增大而增大，且二者呈現(xiàn)很好的線性正相關(guān)關(guān)系，即：其中：Y為蠡河分流比；X為蘇南運河與望虞河水位差。這是因為蠡河樞紐泄流量大小直接由其過閘水頭決定，而蠡河樞紐的過閘水頭又由蘇南運河-望虞河水位差決定，因此蠡河樞紐啟用后其分流量及分流比均由蘇南運河-望虞河水位差決定。

圖 7 蘇南運河-望虞河水位差與蠡河分流比關(guān)系Fig. 7 Relationship between water level difference of South Jiangsu Canal-Wangyu River and diversion ratio of Li River

3.5 交汊角度對蠡河分流比的影響

現(xiàn)狀蘇南運河與蠡河河道中心線夾角約為35°，為了研究分流角度對蠡河分流比的影響，本文進一步計算了另外5組夾角，分別為20°，45°，60°，90°，120°，蠡河樞紐啟用時，蠡河的分流比變化過程（圖8）。當(dāng)蘇南運河與蠡河交角不同時，蠡河分流比大小及變化過程基本一致，這表明蘇南運河與蠡河的交汊角度對蠡河分流比基本無影響。

圖8 不同分流角度蠡河分流比變化過程Fig.8 Changes of Li River diversion ratios under different diversion angles

當(dāng)干流內(nèi)水流流經(jīng)分水口后，部分水流發(fā)生偏轉(zhuǎn)進入支流，并且會在支流一側(cè)形成回流區(qū)，導(dǎo)致進水口的實際寬度要小于支流寬度，回流區(qū)在干流方向的寬度越大，對支流的有效過流寬度影響越大[8]。圖9為蘇南運河-蠡河交汊口不同分流角度下，蠡河水閘啟用后交汊口流態(tài)。由圖9可見，當(dāng)交汊角分別為20°，35°，45°，60°，90°和120°時，蠡河口門區(qū)均有明顯的回流區(qū)存在，且不同交汊角度下回流區(qū)大小及強度基本相當(dāng)，造成不同交汊角度下蠡河的分流量及分流比基本保持不變。

圖 9 不同分流角度分汊口流態(tài)Fig. 9 Flow patterns under different diversion angles

4 結(jié) 語

平原河網(wǎng)區(qū)河道交汊口分流特性一直都是學(xué)術(shù)界高度關(guān)注的問題。以蘇南運河-蠡河-望虞河典型交汊口為研究對象，利用平面二維數(shù)學(xué)模型，研究了蘇南運河流量、望虞河水位、蘇南運河-望虞河水位差以及分汊口角度對蠡河分流比的影響，主要結(jié)論如下：

（1）蘇南運河-蠡河-望虞河交汊口不同于常見“Y”型或者斜接形交汊口，干流蘇南運河的流量對蠡河分流比影響較小。

（2）蠡河分流比與望虞河水位及望虞河-蘇南運河水位差密切相關(guān)，蠡河分流比與前者呈現(xiàn)近似負(fù)線性相關(guān)，與后者則呈現(xiàn)較好的正線性相關(guān)。

（3）蘇南運河-蠡河交汊角度對蠡河分流比影響不大，這主要是由于口門回流區(qū)降低了支流有效過水寬度，導(dǎo)致進水口的實際過流寬度小于支流寬度。

蘇南運河沿線分流節(jié)點眾多，且受人為干預(yù)較大，其分流特性往往由流域水情及水利工程調(diào)度共同決定。因此，綜合考慮流域、區(qū)域防洪需求，科學(xué)制定流域、區(qū)域防洪工程調(diào)度方案，優(yōu)化樞紐改擴建工程，才能有效保障區(qū)域防洪安全。