顏秉龍，張應(yīng)奎，姚力銘，陸洪亞，賀丙舉

(1.連云港市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司，江蘇 連云港 222003； 2.連云港徐圩港口投資集團有限公司，江蘇 連云港 222047)

0 引 言

水網(wǎng)承擔(dān)著地區(qū)防洪排澇、供水、通航等任務(wù)，水網(wǎng)地區(qū)水閘亦為多功能綜合利用水閘，其下泄流量關(guān)系地區(qū)防洪排澇、供水和航運安全，須統(tǒng)籌各功能需求合理確定[1-2]。

目前，較多研究針對水網(wǎng)地區(qū)多功能水閘控制下泄流量進行了分析[3-5]。本文以江蘇省沂南地區(qū)武障河閘為例，通過對武障河閘防洪排澇、供水、保證通航功能需求及矛盾進行分析，研究兼顧各功能需求的水閘控制泄流方案，并提出相應(yīng)措施。

1 研究區(qū)域概況

沂南地區(qū)位于江蘇省淮河流域沂沭泗水系，該區(qū)域北至新沂河，西至中運河，南到廢黃河(中山河)，東臨黃海，總面積7 477 km2，行政區(qū)劃涉及鹽城市響水縣，連云港市灌南縣，淮安市漣水縣全部及淮陰區(qū)一部分，宿遷市宿豫區(qū)、泗陽縣、沭陽縣等四市七縣(區(qū))。武障河是沂南地區(qū)行洪排澇的骨干河道，也是江蘇省“兩縱五橫”干線航道網(wǎng)中淮河出海航道和連申線航道的重要組成部分，河道西起鹽河，東至灌河?xùn)|三岔，全長12.4 km，與義澤河、龍溝河、北六塘河合并承泄沂南地區(qū)上游來水入灌河，是一條具有防洪、排澇、供水、航運等綜合功能的河道[6]。

武障河閘位于武障河上游與鹽河交匯處，與鹽灌船閘共同控制武障河與鹽河，為鹽東控制4閘之一。鹽東控制4閘(武障河閘、義澤河閘、龍溝河閘、北六塘河閘)是沂南以西地區(qū)排水入灌河的唯一控制口門、灌河流域的末級控制工程，4閘現(xiàn)狀總設(shè)計流量2 565 m3/s(武障河閘841 m3/s，義澤河閘291 m3/s，龍溝河閘874 m3/s，北六塘河閘559 m3/s)，主要承泄上游的沂南河、柴米河、柴南河、北六塘河、南六塘河等5條高低河道來水以及鹽河的區(qū)間來水，匯水面積約3 650 km2。武障河閘建于1976年，共14孔，閘孔總凈寬88 m，閘底板高程-2.17 m，設(shè)計最大流量841 m3/s，建成后在擋潮、排澇、蓄水灌溉、保證通航等方面發(fā)揮了顯著的效益。由于武障河閘建設(shè)年代較早且多年來未進行加固，其實際外排能力不足、閘下游河道規(guī)模不足、閘門擋潮高度不足、閘底板防滲長度不足等問題日益凸顯，不能滿足區(qū)域防洪排澇的要求。

2015年，武障河閘經(jīng)安全鑒定被評定為三類閘。為消除工程安全隱患、滿足區(qū)域防洪排澇要求，相關(guān)部門于2020年對武障河閘拆除擴建：在老閘下游約960 m處新建，擴建后的水閘共13孔、單孔凈寬10.0 m，總凈寬130 m，10 a一遇設(shè)計排澇流量849 m3/s，工程于2022年底前完工。

2 存在問題

武障河閘建于1976年，建成后其功能主要為擋潮、排澇、灌溉。隨著區(qū)域水情、工情的不斷變化和社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，尤其是2010年以后連云港疏港航道(涉及武障河閘上游鹽河航道)、鹽灌船閘、連申線航道(涉及武障河閘下游武障河航道)相繼建成通航以來，武障河閘的功能已由原來的擋潮、排澇、灌溉，轉(zhuǎn)變?yōu)閾醭?、排澇、供水、保證通航。近年來，武障河閘在洪澇期間全力開閘排水、平時關(guān)閘蓄水的調(diào)度運行方式與保證通航這一需求之間的矛盾較為突出，無法兼顧水利部門排澇、供水和交通部門航運需求，主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

(1) 開閘泄洪對航道水流條件影響較大。武障河是沂南地區(qū)行洪排澇骨干河道，武障河閘開閘泄洪期間，由于設(shè)計流量較大，閘上游鹽河航道橫向流速和閘下游武障河航道縱向、橫向流速均較大，影響通航安全；尤其武障河為感潮河道，通航水位工況復(fù)雜且河道規(guī)模較小，武障河閘泄洪對其影響尤為突出。近年來，由于武障河閘存在重大安全隱患，除洪澇期間外基本不開閘，即使開閘也是小流量控制行洪(控泄流量基本不超過300 m3/s)，其對航道水流條件影響相對較小。武障河閘下移擴建恢復(fù)正常運行后，其開閘泄洪流量加大對航道水流條件的影響勢必擴大，水閘下游泄流量須統(tǒng)籌防洪排澇和通航水流要求。

(2) 關(guān)閘蓄水對閘下游航道沖淤影響較大。武障河位于武障河閘下游，為感潮河道，易沖易淤，基本呈枯淤洪沖的變化規(guī)律，其沖淤平衡受上游來水流量及開關(guān)閘時間影響較大：上游徑流越小、關(guān)閘時間越短，則閘下游淤積越嚴重；上游徑流越大、開閘時間越長，則閘下游沖刷越強。近年來，由于武障河閘僅洪澇期間開閘、其他時段關(guān)閘，不具備放水沖淤條件，導(dǎo)致閘下游武障河航道淤積嚴重，已嚴重影響航道通航安全[7]。武障河閘下移擴建恢復(fù)正常運行后，具備放水沖淤條件。為保障武障河航道和鹽灌船閘正常運行，除洪澇期間外，武障河閘亦須放水沖淤，水閘泄流量須兼顧武障河航道沖淤保通航需求。

3 控制泄流方案分析

除防洪排澇外，武障河閘下游泄流量對航道水流條件和閘下游航道沖淤影響亦較大，開閘排澇期間，宜在保障區(qū)域防洪排澇安全的前提下控制減小泄流以減小對上下游航道水流條件的影響；放水沖淤期間，應(yīng)控制加大泄流以滿足航道沖淤保通航需求。

武障河閘擴建后，由于閘址下移、上游引河疏浚、老河槽抽槽新開引河，擴大了武障河閘上游過流斷面。各工況相同流量下，水閘上游鹽河橫向流速均減小，新閘較老閘對鹽河航道的不利影響減小。閘址下移擴建及下游引河疏浚后，由于下泄流量加大，且武障河河道規(guī)模偏小、與閘規(guī)模不匹配，新閘較老閘對武障河航道水流條件的不利影響和對沖淤的有利影響均增大。

本次研究將武障河閘對航道水流條件的影響和對閘下游航道沖淤的影響作為兩種工況，根據(jù)各工況特點分別分析武障河閘控制下泄流量。

3.1 模型構(gòu)建

武障河閘上游為平原河網(wǎng)地區(qū)、水位變化較平穩(wěn)，閘下游排水入海(灌河)河道為典型的感潮排水河道、水位周期變動較大，為了計算武障河閘泄流對航道通航等的影響，本文分別構(gòu)建了武障河閘上游與下游河道二維水動力數(shù)學(xué)模型，將閘上游與下游河道進行概化，形成如圖1～2所示的武障河閘上游、下游二維水動力河網(wǎng)模型。

圖1 武障河閘上游二維河網(wǎng)模型

3.2 計算條件

3.2.1 計算工況

武障河閘10 a一遇排澇工況和最低通航水位工況為本文計算工況。

3.2.2 邊界條件

武障河閘上游模型：模型上游鹽河(南)、武障河西邊界采用流量邊界，10 a一遇排澇流量分別為239 m3/s，610 m3/s，鹽河(北)采用閉邊界；模型下游閘址采用水位邊界，10 a一遇水閘上游排澇設(shè)計水位3.6 m，鹽河最低通航水位1.61 m。

圖2 武障河閘下游二維河網(wǎng)模型

武障河閘下游模型：上游閘址邊界采用流量邊界、流量取10 a一遇排澇流量849 m3/s，鹽灌船閘采用閉邊界；下游武障河閘下游采用水位邊界，10 a一遇閘下游排澇設(shè)計水位3.5 m，武障河閘大流量放水期間閘下游低水位1.0 m。

3.2.3 水閘調(diào)度規(guī)則

武障河閘以汛限水位進行控制運行，當(dāng)閘上游水位超過汛限水位且高于閘下游潮位時開閘排澇，低于控制水位或低于潮位時關(guān)閘擋潮。當(dāng)需要控制下泄流量時，通過調(diào)節(jié)水閘開啟度控制其泄流量。

3.3 方案擬定

3.3.1 對航道水流條件影響

根據(jù)GB50139-2004《內(nèi)河通航標準》等相關(guān)規(guī)定，航道范圍內(nèi)水域縱向流速宜不大于1.0 m/s、橫向流速應(yīng)不大于0.3 m/s。當(dāng)武障河閘上游鹽河和下游武障河航道范圍內(nèi)橫向、縱向流速超過規(guī)范允許值時，通過模型試算流速滿足通航水流要求的武障河閘最大下泄流量。

根據(jù)模型計算成果，武障河閘10 a一遇排澇工況和最低通航水位工況下，由于未進行控泄(武障河閘泄流量849 m3/s)，閘上游鹽河航道和閘下游武障河航道流速均不滿足規(guī)范要求。鹽河航道以橫向流速超標為主，在10 a一遇排澇工況下橫向流速最大值約0.52 m/s、最低通航水位工況下橫向流速最大值約0.71 m/s；武障河由于河道規(guī)模較小，航道內(nèi)橫向、縱向流速均超標，10 a一遇排澇工況下橫向流速最大值約0.32 m/s、縱向流速最大約1.07 m/s，低水位工況下橫向流速最大值約0.50 m/s、縱向流速最大約1.72 m/s。

通過對比武障河閘移址拆建前后10 a一遇排澇工況下鹽河橫向流速，發(fā)現(xiàn)在相同工況下，武障河閘移閘后，鹽河航道最大橫向流速較移閘前減少0.11 m/s，更有利于改善鹽河航道通航條件。

10 a一遇排澇工況下武障河閘以防洪保安為主，可全力泄流不控泄；但在河道水位相對較低、防洪排澇壓力不大時應(yīng)兼顧航道通航，武障河閘應(yīng)適當(dāng)控泄以滿足鹽河、武障河航道橫向、縱向流速要求。通過模型試算可知，當(dāng)鹽河、武障河處于最低通航水位時，武障河閘下游泄流量分別控制不超過350 m3/s，505 m3/s，能保證航道內(nèi)最大縱向流速不超過1.0 m/s、最大橫向流速不超過0.30 m/s。基于此，分別確定武障河閘上游鹽河和下游武障河航道處于不同通航水位時，航道流速滿足規(guī)范要求對應(yīng)的武障河閘最大下泄流量，其水位、流量成果見表1。

表1 鹽河、武障河不同水位工況下最大通航流量計算成果

根據(jù)武障河閘功能定位，當(dāng)出現(xiàn)洪澇時，全力排除澇水，以防汛為主；其他時段根據(jù)旱澇情況而定，服務(wù)防汛抗旱的同時兼顧沖淤保通航。為避免洪澇期間武障河閘泄流導(dǎo)致鹽河、武障河航道橫向、縱向流速超標造成船舶事故，武障河閘下泄流量若大于表1中鹽河、武障河各通航水位要求的下泄流量，武障河閘管理部門需提前通知航道主管部門，在鹽河(上游引河、老河槽與鹽河交叉口)、武障河(鹽灌船閘下游引航道口門段)采取短期限航措施。

3.3.2 對閘下游航道沖淤影響

武障河閘下游航道沖淤期間，宜控制縱向流速不小于1.0 m/s，以此為沖刷啟動條件。當(dāng)武障河航道范圍內(nèi)縱向流速達到?jīng)_刷啟動條件時，通過模型試算流速滿足航道沖淤要求的武障河閘最小下泄流量。

根據(jù)模型試算成果，確定武障河閘下游航道處于不同通航水位時，航道流速滿足沖淤要求所對應(yīng)的各水位下武障河閘最小下泄流量，其成果見表1。由于沖刷啟動流速(1.0 m/s)與滿足水流條件的航道最大縱向流速相同，因此閘下游航道沖淤工況下的武障河閘最小控制流量成果與對航道水流條件影響工況下的武障河閘最大控制流量成果相同。

為最大限度提高武障河閘下游沖淤保通航效果，武障河閘放水沖淤期間，可結(jié)合以清頂渾、高水增速等措施，完善沖淤調(diào)度運行管理方案，優(yōu)化開閘沖淤時機選擇及水閘上游下游水位、流量組合，進一步提升放水沖淤效果。

4 結(jié) 論

本文以江蘇省沂南地區(qū)武障河閘為例，由于其下泄流量關(guān)系地區(qū)防洪排澇、供水和航運安全，須統(tǒng)籌各功能需求合理確定。通過構(gòu)建二維水動力模型進行試算，在確保防洪排澇和供水安全的前提下，按照水閘泄流對航道水流條件和閘下游沖淤的影響分別確定下泄流量是合理的。為減小對上下游航道水流條件的影響，保證航道內(nèi)最大橫向、縱向流速滿足通航要求，當(dāng)鹽河、武障河處于最低通航水位時，武障河閘下游泄流量應(yīng)分別不超過350 m3/s，505 m3/s；為滿足沖淤保通航需求，確保武障河航道達到?jīng)_刷啟動條件(縱向流速不小于1.0 m/s)，沖淤期間武障河閘下游泄流量應(yīng)控制不小于300～505 m3/s(對應(yīng)閘下游武障河水位-0.77～1.0 m)。本次計算得到的武障河閘各工況控制下泄流量成果，在保障地區(qū)防洪排澇安全的同時，可避免洪澇期間武障河閘泄流導(dǎo)致航道橫向、縱向流速超標造成船舶事故，并最大限度提高武障河閘下游沖淤保通航效果。