2.4　蚌埠至浮山段一维、二维耦合水动力数学模型

2.4.1　模型范围及资料选择

2.4.1.1　模型范围的选定

淮河干流蚌埠至浮山河段长约104km，1950年代实施五河内外水分流工程后，该段没有大的支流入汇，区间集水面积仅为2620km2。分布在本段的4处行洪区(方邱湖、临北段、花园湖、香浮段)1956年后均未启用，所以验证阶段暂不考虑行洪区的影响。模型的范围选定为蚌埠闸下至浮山(下边界根据验证的需要延至小柳巷)的淮河干流河段。

本段沿程分布有蚌埠闸下水位站、吴家渡水文站、临淮关水位站、五河水位站、浮山水位站和小柳巷水文站，如图2.4-1所示。图中使用1954北京平面坐标系(下同)。

2.4.1.2　基础资料选取

(1)水文资料:蚌埠闸下至小柳巷段2003年、2007年汛期洪水要素资料(包括蚌埠闸下水位过程线、吴家渡水位、流量过程线、临淮关水位过程线、五河水位过程线、浮山水位过程线、小柳巷水位、流量过程线)。

(2)地形资料:淮河干流蚌埠至小柳巷河道横断面图(中水淮河规划设计研究有限公司，2001年);淮河干流蚌埠至方邱湖进口河道横断面图(中水淮河规划设计研究有限公司，2008年);淮河干流方邱湖进口至香庙河道横断面图(中水淮河规划设计研究有限公司，2009年);淮河干流香庙至浮山河道横断面图(安徽省水利水电勘测设计院，2008年)。

(3)工程项目资料:1983年至今，蚌埠闸下至小柳巷河段已实施的河道整治及堤防加固工程项目共计7项，见表2.4-1。

模型验证需要地形资料与水文资料尽可能同步，结合本段工程项目资料，本次验证计算所选用的水文资料和地形资料见表2.4-2。

从表2.4-2可知:①采用2001年蚌埠闸至小柳巷测量断面成果结合宋家滩疏浚扩挖工程及吴家渡至方邱湖进口疏浚退堤工程资料作为2003年洪水的验证地形;②采用2008年蚌埠闸下至方邱湖进口测量断面、2009年方邱湖进口至香庙测量断面、2008年香庙至浮山测量断面及2001年浮山至小柳巷测量断面作为2007年洪水的验证地形。上述地形与水文资料基本同步，可作为模型验证计算的基础。

2.4.2　模型的定解条件

(1)边界条件:模型以蚌埠闸下为上边界，给定吴家渡实测流量过程，以小柳巷为下边界，给定小柳巷实测水位过程。

(2)初始条件:以计算起始时前三天吴家渡平均流量和小柳巷平均水位计算出各断面的初始流量和初始水位，即以恒定流启动。计算表明，计算启动经若干时段初始条件的影响即渐趋消失。

2.4.3　模型参数和特殊问题的处理

2.4.3.1　计算的时间步长和空间步长

(1)空间步长:本段实测断面间距为200～500m，为满足计算精度要求，对计算节点进行适当加密，空间最大步长选取Δs=100m。

(2)时间步长:如前所述，Mike11采用的Abbott格式虽然具有无条件稳定，在实际运用的情况下时间步长还是会受到一定的限制，考虑到水深变化和断面间距，为满足稳定性及精度的要求，本次计算选取Δt=600s。

2.4.3.2　计算时段的选取

选取2003年、2007年洪水从起涨至峰顶到回落的整个过程作为计算时段。2003年计算期为2003年6月28日8时至8月28日20时，2007年计算期为2007年6月29日8时至8月28日8时。

2.4.3.3　河道糙率的取值

淮河干流蚌埠闸下至小柳巷河道，一般主槽糙率n主=0.0215，滩地糙率n滩=0.0335。本次计算参考了这一研究成果，并以蚌埠闸下、吴家渡、临淮关、五河、浮山、小柳巷断面的实测水文资料为依据，做进一步的率定，结果表明主槽糙率为0.021～0.025，滩地糙率为0.030～0.042，与淮河中游干流河道多次率定的取值基本一致。各段糙率取值详见表2.4-3。

2.4.3.4　跨河建筑物的处理

淮河干流蚌埠闸下至小柳巷河段有六处跨河建筑，自上而下依次为:蚌埠市朝阳路公路桥、京沪铁路淮河双线桥、蚌埠市淮河公路桥、京沪铁路郑家渡桥、南洛高速淮河大桥、五河淮河公路大桥。沿用前人的做法，在桥梁上下游100m的范围内，按河道糙率的2倍取值[24]。

2.4.4　模型的验证

在对实测资料进行分析的基础上，利用典型年2003年、2007年洪水过程对模型的参数进行率定和验证，以检验模型的适应性、稳定性和模拟的精度。

2.4.4.1　2003年洪水过程复演

1.2003年洪水过程

2003年6月下旬至7月底的洪水，本段吴家渡站和小柳巷站有三次明显的洪水过程[8]，如图2.4-2及图2.4-3所示。

(1)第一次洪水。吴家渡站6月30日11时36分从水位16.28m(相应流量1920m3/s)起涨，7月3日下午超过警戒水位(20.14m)。7月4日10时30分水位涨至21.38m，相应流量8450m3/s。为减轻蚌埠以下的洪水压力，4日10时怀洪新河何巷闸首次开启分洪，6日10时最大分洪流量1590m3/s。受其影响，吴家渡站水位4日21时，回落至21.07m(相应流量7200m3/s)。其后吴家渡水位又涨;6日22时，出现2003年最高水位21.94m(超警戒水位1.80m，低于保证水位0.54m)，相应最大流量8620m3/s。6月19日荆山湖上口门漫堤行洪，吴家渡水位7月7日0时开始缓落，至7日21时水位落至20.67m。

小柳巷站从6月23日20时水位12.86m(相应流量为900m3/s)起涨，7月7日2时出现洪峰水位17.71m，相应洪峰流量为8600m3/s。

(2)第二次洪水。吴家渡站7月7日21时起涨时水位为20.67m。受怀洪新河何巷闸9日12时第二次分洪的影响，吴家渡站9日14时水位涨至21.60m后，曾有几次微小的起伏。9日8时出现最大流量7920m3/s，14日1时30分出现洪峰水位21.69m。

小柳巷站7月8日10时水位从17.29m(相应流量7860m3/s)回涨后，9日23时出现洪峰流量8440m3/s，11日11时45分出现2003年最高水位17.88m。

(3)第三次洪水。吴家渡站7月22日7时出现最高水位21.48m，22日2时出现洪峰流量7430m3/s。在此期间，怀洪新河何巷闸7月22日2时第三次开启分洪，23日14时30分最大分洪流量为1510m3/s，明显影响吴家渡站的洪水过程。

小柳巷站7月20日14时从水位17.46m(相应流量为6780m3/s)起涨后，22日10时出现洪峰水位17.61m，洪峰流量为7140m3/s。

2.复演验证成果

对2003年蚌埠闸下、吴家渡、临淮关、五河、浮山五个站瞬时计算水位过程线与实测水位过程线进行了对比，其中蚌埠闸下、吴家渡、浮山三个站水位过程线比较如图2.4-4～图2.4-6所示，小柳巷瞬时计算流量过程线与实测流量过程线比较如图2.4-7所示。

从图2.4-4～图2.4-7中可以看出，各测站计算水位、流量过程与实测过程一致性良好，沿程各站峰值水位计算值与实测值之间的差值均在5～10cm范围内，小柳巷站峰值流量计算值与实测值相差在5%以内。模型较好的重现了2003年本段洪水演进的过程。

2.4.4.2　2007年洪水过程复演

1.2007年洪水过程

2007年洪水，本段吴家渡站和小柳巷站出现一次水位高、持续时间长的洪水过程，受来水和工程运用的影响，在洪峰前后水位出现起伏[9]，如图2.4-8及图2.4-9所示。

吴家渡站6月30日8时起涨水位为12.36m，至7月9日20时水位达20.20m，超过警戒水位0.06m，相应流量6680m3/s，11日21时30分水位涨至20.76m，受上游行洪区运用影响，水位小幅回落0.10m，12日4时水位落至20.66m后回涨并出现起伏。13日4时水位上涨到20.91m后，再次缓慢起伏回落。16日8时水位退至20.76m后开始回涨，20日9时42分出现2007年最高水位21.22m(超警戒水位1.08m)，相应洪峰流量为7520m3/s。随后洪水缓慢下落，30日20时水位退至警戒水位以下。

小柳巷站6月29日20时起涨水位12.13m，相应流量为800m3/s，至7月20日16时出现洪峰水位17.61m，相应洪峰流量8000m3/s，也是2007年最高水位和最大流量。

2.复演验证成果

对2007年蚌埠闸下、吴家渡、临淮关、五河、浮山等五个站瞬时计算水位过程线与实测水位过程线比较，其中蚌埠闸下、吴家渡、浮山等三个站水位过程线比较如图2.4-10～图2.4-12所示，小柳巷瞬时计算流量过程线与实测流量过程线比较如图2.4-13所示。

从图2.4-10～图2.4-13中可以看出，各测站计算水位、流量过程与实测过程一致性良好，峰值水位计算值与实测值之间的差值均在5cm以内，小柳巷站峰值流量计算值与实测值相差在5%以内。模型较好的重现了2007年本段洪水演进的过程。

此外，对比两个典型年的验证成果可以看出，2003年计算水位较实测水位偏高，相对误差大于2007年。经初步分析，可能是2001—2003年之间河道违禁采砂，使得实际断面较2001年测量断面大，从而导致验证断面较实际断面偏小，验证水位偏高。

2.4.4.3　1991年洪水过程复演

采用1992年实测河道地形建立蚌埠闸至老子山段一维水动力数学模型，并利用1991年洪水资料对模型进行验证。

1.资料选取

(1)地形资料:中水淮河规划设计研究有限公司1992年实测蚌埠闸至洪山头河道横断面图(C180～C464)及洪山头至老子山河道横断面图(D0～D86)。

(2)水文资料:蚌埠闸至老子山段1991年汛期洪水实测资料(包括蚌埠闸下水位过程线、吴家渡水位与流量过程线、临淮关水位过程线、五河水位过程线、浮山水位过程线、小柳巷水位线、盱眙水位过程线、老子山水位过程线)。

2.定解条件

(1)边界条件:模型以蚌埠闸下为上边界，给定吴家渡实测流量过程线，以老子山为下边界，给定老子山实测水位过程线。支流池河作为旁侧入流，给定明光站的入流过程。

(2)初始条件:首先以计算起始时前三天吴家渡、明光平均流量和老子山平均水位计算出各断面的初始流量和初始水位，即以恒定流启动。

3.模型参数

空间最大步长:Δs=100m;时间步长:Δt=600s;计算时段:选取1991年洪水从起涨至峰顶到回落的整个过程作为计算时段，计算期为1991年6月11日8时至9月17日8时;河段糙率:模型糙率的取值见表2.4-4，其中蚌埠闸至老子山段取值与前文一致。

4.验证成果

比较了1991年蚌埠闸下、吴家渡、临淮关、五河、浮山、小柳巷和盱眙等7个站点计算水位过程线与实测水位过程线，其中蚌埠闸下、吴家渡、浮山、盱眙等站如图2.4-14～图2.4-18所示。

从图2.4-14～图2.4-18中可以看出，盱眙计算水位较实测水位偏高，这可能与盱眙至老子山段河道左岸存在与洪泽湖连通的狭窄水道，沿程水量并不守衡有关。除此之外，其他各测站计算水位过程与实测过程一致性良好，峰值水位计算值与实测值之间的差值一般在5.00～10.00cm。模型较好的重现了1991年本段洪水演进的过程。