2.5 浮山至洪泽湖出口段一维、二维耦合水动力数学模型
2.5.1 模型范围及资料选择
2.5.1.1 模型范围的选定
淮河干流浮山至洪泽湖出口段长约103km，区间集水面积34210km2。主要的入湖河道有7条，包括淮河干流以及南北区间的6条支流。淮北区间较大的支流有怀洪新河、新汴河、濉河、老濉河和徐洪河;淮南区间较大的支流有池河。主要的出湖河道有淮河入江水道、苏北灌溉总渠、淮河入海水道和分淮入沂工程。分布在本段2处行洪区(潘村洼、鲍集圩)和洪泽湖周边滞洪圩区自1956年后均未启用，所以验证阶段暂不考虑行洪区和滞洪圩区的影响[30-34]。
模型的计算范围包括浮山至洪泽湖出口段的淮河干流及南北区间6条支流，如图2.5-1所示。
图2.5-1 浮山至洪泽湖出口段模型范围
模型的结构如图2.5-1所示，对于淮河干流采用两种方法模拟，以A287断面为界，淮河干流浮山至A287断面河段采用一维非恒定河网模型计算;淮河干流A287断面至洪泽湖出口河段，考虑到计算区域的平面尺度及流速大小和流向随时空变化，采用平面二维模型计算。一维、二维模型的耦合计算通过在A287断面处采用MikeFlood标准连接实现。对于南北区间的6条支流的入汇，也采用两种方法模拟，考虑到池河女山湖闸以下七里湖调蓄作用，采用零维模型(水库型水量平衡法)计算，其他支流(怀洪新河、新汴河、濉河、老濉河和徐洪河)以集中旁侧入流方式作为二维模型的源项参与计算[35]。
从图2.5-1还可以看出，本段洪泽湖以西分布有淮河干流小柳巷水文站、池河女山湖闸、怀洪新河下草湾及双沟水文站、濉河泗洪水文站、老濉河泗洪水文站、新汴河团结闸、徐洪河金锁镇水文站可以控制入湖流量;洪泽湖的东侧分布有三河闸水文站、二河闸水文站、高良涧水文站可以控制出湖流量;此外，淮河干流和洪泽湖周边还分布有浮山、盱眙、老子山、临淮头、尚咀、蒋坝6个水位测站，可以满足模型验证计算的需要。
2.5.1.2 基础资料
(1)水文资料:浮山至洪泽湖出口段(包括淮河干流及区间6条支流)2003年、2007年汛期洪水要素资料[8-9]，详见表2.5-1。
表2.5-1 浮山至洪泽湖出口河段验证水文资料情况
(2)风场资料:2003年和2007年洪泽站的风速和风向资料。从典型年洪泽站风玫瑰图(图2.5-2、图2.5-3)可知，洪泽湖汛期盛行风为东南风。
图2.5-2 2003年6—9月洪泽站风玫瑰
图2.5-3 2007年6—9月洪泽站风玫瑰
(3)地形资料:淮河干流浮山至老子山河道横断面图(中水淮河规划设计研究有限公司，2001年);洪泽湖1：10000地形图(江苏省工程勘测设计院，1992年)。
一维模型地形采用浮山至A287河道横断面资料，断面间距约200m，共布设358个断面。二维模型地形考虑到洪泽湖周边圩区的影响，在通过调研和实地考察初步确定2003年、2007年洪水实际淹没范围后，对模型的地形进行了适当的修正，修正后的二维模型地形如图2.5-4所示。
2.5.2 模型的定解条件
(1)边界条件:模型拥有8个进口和3个出口。进口边界淮河干流浮山给定小柳巷实测流量过程，池河女山湖闸给定实测出流过程，其余洪泽湖周边支流(包括怀洪新河、濉河、老濉河、新汴河、徐洪河)作为源，给定各控制站的实测出流过程并加入到相应的二维模型网格单元中。出口边界三河闸给定实测水位过程线、二河闸和高良涧作为汇，给定实测出流过程并加入相应的二维模型网格单元中。模型边界条件详见表2.5-2。
图2.5-4 洪泽湖地形
表2.5-2 模型边界条件
(2)初始条件:首先以计算起始时前三天进出口边界条件的平均值计算出一维模型各断面的初始水位及二维模型各网格点的初始流速和水位，即模型以恒定流启动。
2.5.3 模型参数和特殊问题的处理
2.5.3.1 计算时间步长和空间步长
(1)空间步长:一维模型实测断面间距约200m，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。二维模型采用非结构三角网格，考虑到洪泽湖湖底地势平坦，网格空间步长取400～600m;淮河干流入湖河口段及三河闸附近等处，地形复杂，高程变化大，网格空间步长取100～200m。二维模型包括网格节点7069个，计算单元13537个，具体网格布置如图2.5-5所示。
图2.5-5 二维模型网格划分
(2)时间步长:MikeFlood标准连接采用显格式进行一、二维模型的耦合计算，时间步长受柯朗条件的限制，为满足稳定性及精度的要求，本次计算选取Δt=60s。
2.5.3.2 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2003年8月29日20时，2007年计算期为2007年6月29日8时至2007年8月28日8时。
2.5.3.3 糙率的取值
本段一、二维模型中糙率的取值以沿程各站实测水文资料为依据，采用试错法率定。率定的结果表明河道主槽糙率为0.020～0.023，河道滩地糙率为0.03～0.04，洪泽湖湖区糙率为0.020～0.022。各段糙率取值详见表2.5-3。
表2.5-3 浮山至洪泽湖出口各段糙率取值
2.5.3.4 风阻力系数的取值
风阻力系数可以被设定为一个常数或依风速设定。本次计算参考Wu[6]的经验公式:
上式中各参数的取值分别为:ca=1.255×10-3，cb=2.425×10-3，wa=7m/s，wb=25m/s。
2.5.3.5 无资料地区径流的处理
在研究范围内还有占洪泽湖出口(中渡)控制面积4.2%的滨湖区间尚无径流资料，如何得出该范围入湖流量的大小及过程对模型验证的精度起重要的作用。本次计算根据水量平衡原理(进入洪泽湖的净水量等于洪泽湖蓄量的变化)得出:
式中:∑Q入湖为入湖总流量过程，由入湖控制站淮河干流小柳巷Q淮干、池河女山湖闸Q池河、怀洪新河双沟及下草湾Q怀洪新河、濉河泗洪Q濉河、老濉河泗洪Q老濉河、新汴河团结闸Q新汴河、徐洪河金锁镇Q徐洪河和无资料未控区间Q区间流量过程叠加而成;Q出湖为出湖总流量过程，由出湖控制站三河闸Q三河闸、二河闸Q二河闸、高良涧Q高良涧流量过程叠加而成;V为洪泽湖的库容，可通过表2.5-4计算得出。
表2.5-4 洪泽湖库容特征参数表[32]
通过式(2.5-2)推求出无资料区间Q区间的入流过程后，为方便起见，本次计算按未控面积分配到各入湖控制站中。
2.5.4 模型的率定及验证
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。
2.5.4.1 2003年洪水过程复演
1.2003年洪水过程
2003年6月下旬到7月底的洪水，造成淮河干流和洪泽湖出现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现2003年最大洪水[8]。
入湖河道各控制站洪水过程:
(1)淮河干流:小柳巷站在本时段有三次明显的洪水过程，数据分析见2.4.4节。
(2)怀洪新河:双沟、下草湾站6月30日0时，流量从0开始起涨。7月7日10时出现2003年最大流量3160m3/s(双沟、下草湾流量分别为1860m3/s和1300m3/s，相应洪峰水位分别为15.83m和15.55m)，随后稍有起伏，21日14时流量减到1640m3/s后再次上涨。25日6时出现第二次洪峰，流量为2131m3/s(双沟、下草湾流量分别为1250m3/s和881m3/s)，双沟、下草湾相应洪峰水位分别为15.10m(7月23日14时)和14.93m(7月23日17时)。至8月9日洪水退尽流量为0。双沟、下草湾站实测流量过程如图2.5-6所示。
图2.5-6 2003年怀洪新河双沟、下草湾站流量过程线
(3)池河:女山湖闸7月4日8时，流量从0开始起涨。7月11日20时出现最大洪峰1246m3/s，之后受淮河干流水位顶托影响，致女山湖内水一度无法排出，7月14日流量再次回涨，7月15日0时出现第二次洪峰，洪峰流量1161m3/s。8月11日20时，流量降至200m3/s以下。女山湖闸实测出流过程如图2.5-7所示。
(4)新汴河:宿县闸大洪水主要出现在8月27日至9月15日之间。宿县闸实测出流过程如图2.5-8所示。
(5)濉河:濉河泗洪站6月30日开始起涨，7月5日2时出现最高水位16.92m，相应洪峰流量为757m3/s。7月11日洪水退尽后，13日又再次起涨，14日、18日和23日先后出现3次洪峰，其中23日0时最大洪峰流量497m3/s，到7月25日流量退至0。濉河泗洪站的实测流量过程如图2.5-9所示。
图2.5-7 2003年池河女山湖闸流量过程线
图2.5-8 2003年新汴河宿县闸流量过程线
图2.5-9 2003年濉河泗洪站流量过程线
(6)老濉河:老濉河泗洪站从6月30日开始起涨到7月28日洪水退尽，共出现5次大于150m3/s的洪峰，其中7月4日、9日、22日的洪峰流量均超过200m3/s，7月5日2时，出现2003年最高水位16.57m。老濉河泗洪站的实测流量过程如图2.5-10所示。
图2.5-10 2003年老濉河泗洪站流量过程线
(7)徐洪河:徐洪河金锁镇站在此期间出现多个洪峰。6月29日20时起涨水位12.61m，相应流量71.2m3/s。7月3日8时出现2003年最高水位16.00m，相应的洪峰流量为815m3/s。7月8日流量落至82.6m3/s后，又在9日、13日、18日和22日依次出现流量为346m3/s、405m3/s、504m3/s和562m3/s的4次洪峰。徐洪河金锁镇实测流量过程如图2.5-11所示。
图2.5-11 2003年徐洪河金锁镇流量过程线
出湖河道各控制站:
(1)淮河入江水道:三河闸于6月28日6时开闸后，除在7月24日和7月27日控制下泄外，均为敞开泄洪，7月17日16时最大泄洪流量8940m3/s，如图2.5-12所示。
(2)淮河入海水道及分淮入沂:二河闸于7月4日23时48分开始分泄洪泽湖洪水(在此之前是为灌溉、供水开闸泄水)，7月11日17时48分最大泄洪流量达3250m3/s，超过设计流量250m3/s。二河闸以下二河新闸于7月4日23时48分首次开闸启用，7月16日14时最大泄洪流量为1870m3/s;淮沭河淮阴闸2003年是1991年以来第二次用于分泄淮河洪水，7月11日23时淮阴闸最大泄洪流量1440m3/s，如图2.5-13所示。
图2.5-12 2003年三河闸流量过程线
图2.5-13 2003年二河闸流量过程线
(3)苏北灌溉总渠:高良涧闸在7月5日开始分泄洪泽湖洪水，7月11日最大下泄流量为731m3/s，如图2.5-14所示。
图2.5-14 2003年高良涧闸流量过程
洪泽湖洪水过程:蒋坝站水位在洪泽湖多种工程调蓄的影响下基本呈现为一次洪水过程。蒋坝站水位7月2日8时从12.12m开始上涨，7月14日15时30分出现2003年的最高水位14.19m。到7月26日水位降至13.81m以下。蒋坝实测水位过程如图2.5-15所示。
图2.5-15 2003年洪泽湖蒋坝站水位过程
通过计算分析，2003年洪泽湖最大入湖流量(入湖各控制站及未控区间流量合成)为14500m3/s，出现在7月9日。洪泽湖最大出湖流量(三河闸、二河闸、高良涧闸合成)为12700m3/s，出现在7月12日，如图2.5-16所示。
图2.5-16 2003年洪泽湖入湖、出湖流量过程
2.复演验证成果
2003年浮山、小柳巷、盱眙、老子山、临淮头、尚嘴、蒋坝计算水位过程线与实测水位过程线如图2.5-17～图2.5-23所示;三河闸计算流量过程线与实测流量过程线如图2.5-24所示。
从图2.5-17～图2.5-24中可以看出，浮山、小柳巷洪峰水位较实测水位略高，经调研核实，2003年7月12日上午9时30分左右，江苏省盱眙县团结河东大堤被洪水冲破，近5000亩圩区被淹，这使得盱眙以上的实测洪峰水位有所降低。其余各测站计算水位、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以内，三河闸峰值流量计算值与实测值相差在5%以内。此外，从2003年洪泽湖二维计算的成果来看(图2.5-25～图2.5-29)，在沿淮河口绕老子山至三河闸一线形成以吞吐流为主的高流速带，在成子湖相对封闭的区域形成以风生环流为主的低流速带，溧河洼一带流速介于两者之间，上述流态基本反映了洪泽湖天然流场的特征。由此可见，模型较好的重现了2003年本段洪水演进的过程。
图2.5-17 2003年浮山水位实测值与计算值对比
图2.5-18 2003年小柳巷水位实测值与计算值对比
图2.5-19 2003年盱眙水位实测值与计算值对比
图2.5-20 2003年老子山水位实测值与计算值对比
图2.5-21 2003年临淮头水位实测值与计算值对比
图2.5-22 2003年尚嘴水位实测值与计算值对比
图2.5-23 2003年蒋坝水位实测值与计算值对比
图2.5-24 2003年三河闸流量实测值与计算值对比
2.5.4.2 2007年洪水过程复演
1.典型年2007年本段洪水过程
2007年6月底到9月中旬的多次暴雨，在本段形成一场复式大洪水过程[9]。
入湖河道各控制站洪水过程如下:
图2.5-25 洪泽湖2003年7月17日20时瞬时计算水位场
图2.5-26 洪泽湖2003年7月17日20时瞬时计算流速场
图2.5-27 老子山至三河闸2003年7月17日20时瞬时计算流速矢量场
图2.5-28 成子湖2003年7月17日20时瞬时计算流速矢量场
(1)淮河干流:小柳巷站出现一次水位高、持续时间长的洪水过程，数据分析见2.4.4节。
(2)怀洪新河:由于何巷闸和区间来水，2007年双沟及下草湾出现两次较为明显的洪水过程。双沟站7月1日6时30分开始起涨，起涨流量为0。10日14时出现年最大流量2980m3/s(双沟、下草湾流量分别为1700m3/s和1280m3/s)，随后缓慢回落至17日6时31分的1276m3/s后再次起涨。23日14时出现第二次洪峰，流量为1935m3/s(双沟、下草湾流量分别为1080m3/s和855m3/s)，至8月6日5时30分流量退尽，如图2.5-30所示。
图2.5-29 溧河洼2003年7月17日20时瞬时计算流速矢量场
图2.5-30 2007年怀洪新河双沟、下草湾站流量过程线
(3)池河:女山湖闸7月9日8时，流量从0开始起涨，7月14日出现洪峰流量170m3/s，至8月10日，流量一直维持在160m3/s上下。女山湖闸实测出流过程如图2.5-31所示。
(4)新汴河:新汴河团结闸7月5日开闸，至7月底基本上都开闸泄洪。7月7日12时最大下泄流量为714m3/s，团结闸实测出流过程如图2.5-32所示。
(5)濉河:濉河泗洪站出现4次较为明显的洪水过程，其中第2次、第3次过程为复式峰。7月3日8时40分开始起涨，起涨流量为0。7日16时出现第一次也是2007年最大洪峰，水位为16.75m，相应洪峰流量930m3/s，为历史最大流量。第2次、第3次、第4次洪峰流量分别为690m3/s、735m3/s和561m3/s，分别出现在7月16时10时、8月9日8时和9月1日16时30分。濉河泗洪实测出流过程如图2.5-33所示。
图2.5-31 2007年池河女山湖闸流量过程线
图2.5-32 2007年新汴河团结闸实测流量过程线
图2.5-33 2007年濉河泗洪站实测流量过程线
(6)老濉河:老濉河泗洪站出现3次洪水过程，其中第1次过程较小。第2次过程于7月3日8时开始起涨，起涨流量为0，7日16时20分出现洪峰，水位为16.59m，相应洪峰流量为183m3/s，为2007年最大。第3次洪峰水位15.59m出现于21日2时，相应洪峰流量109m3/s，如图2.5-34所示。
图2.5-34 2007年老濉河泗洪站实测流量过程线
(7)徐洪河:金锁镇站7月3日12时起涨水位12.38m，相应流量47.5m3/s，6日15时出现第一次洪峰，流量为1040m3/s，19时出现最高水位16.10m。随后又出现多次洪水，其中7月16日5时、8月8日20时、9月1日9时30分和20日20时的洪峰流量分别为640m3/s、794m3/s、452m3/s和795m3/s。金锁镇实测出流过程见图2.5-35。
图2.5-35 2007年徐洪河金锁镇实测流量过程线
出湖河道各控制站洪水过程如下:
(1)淮河入江水道:三河闸于7月4日开闸泄洪，7月11日14时最大泄洪流量8500m3/s，如图2.5-36所示。
(2)淮河入海水道及分淮入沂:二河闸于7月9日开闸泄洪，7月11日20时最大泄洪流量2510m3/s，如图2.5-37所示。
图2.5-36 2007年三河闸实测流量过程线
图2.5-37 2007年二河闸实测流量过程线
(3)苏北灌溉总渠:高良涧在7月2日开闸泄洪，7月29日10时最大下泄流量为607m3/s，如图2.5-38所示。
图2.5-38 2007年高良涧实测流量过程线
洪泽湖洪水过程:蒋坝站水位自6月30日开始起涨。7月3日超过汛限水位，7月9日达到警戒水位13.31m，15日13时6分出现2007年最高水位13.71m，此后水位有涨有落，29日退至警戒水位以下。2007年洪水蒋坝站超警戒水位历时21d。蒋坝实测水位过程如图2.5-39所示。
图2.5-39 2007年蒋坝实测水位过程线
通过计算分析，洪泽湖最大入湖日流量(入湖各控制站及未控区间流量合成)为14200m3/s，出现在7月9日。洪泽湖最大出湖日流量(三河闸、二河闸、高良涧闸合成)为11300m3/s，出现在7月12日，详见图2.5-40。
图2.5-40 2007年洪泽湖入湖、出湖流量过程
2.复演验证成果
2007年浮山、小柳巷、盱眙、老子山、临淮头、尚嘴和蒋坝计算水位过程线与实测水位过程线如图2.5-41～图2.5-47所示，三河闸计算流量过程线与实测流量过程线比较如图2.5-48所示。
从图2.5-41～图2.5-48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5cm左右，三河闸站峰值流量计算值与实测值相差在5%以内。二维计算的流态也基本反映了洪泽湖天然流场的特征，如图2.5-49～图2.5-52所示。由此可见，模型较好的重现了2007年本段洪水演进的过程。
图2.5-41 2007年浮山水位实测值与计算值对比
图2.5-42 2007年小柳巷水位实测值与计算值对比
图2.5-43 2007年盱眙水位实测值与计算值对比
图2.5-44 2007年老子山水位实测值与计算值对比
图2.5-45 2007年临淮头水位实测值与计算值对比
图2.5-46 2007年尚嘴水位实测值与计算值对比
图2.5-47 2007年蒋坝水位实测值与计算值对比
图2.5-48 2007年三河闸流量实测与计算对比
2.5.5 入湖河段二维水动力数学模型
入湖河段(浮山至A287断面)河道分汊，洲滩棋布。由于一维模型无法得到各汊的分流比及局部流态等水力要素，因此，本节尝试建立本段二维水动力数学模型。
2.5.5.1 模型的建立
图2.5-49 洪泽湖2007年7月17日16时瞬时计算水位场
图2.5-50 洪泽湖2007年7月17日16时瞬时计算流速场
图2.5-51 老子山至三河闸2007年7月17日16时瞬时计算流速矢量图
图2.5-52 溧河洼2007年7月17日16时瞬时计算流速矢量图
二维模型地形采用2001年河道实测资料，与一维模型相同。网格划分根据河道地形的复杂程度选择不同的网格尺寸，其中，浮山至洪山头河道段，网格长度为80～120m;洪山头至A287段分汊河道主槽网格长度为50～120m，河心洲滩地网格长度为200～300m;池河七里湖网格长度为400～600m。模型共计有13528个计算节点，25547个网格单元，具体的网格布置如图2.5-53所示。模型的上边界浮山给定小柳巷实测流量过程，女山湖闸给定实测出流过程，模型的下边界A287断面给定水位过程，其值由浮山至洪泽湖出口段一、二维耦合模型计算得出。
图2.5-53 浮山至A287断面计算网格示意图
2.5.5.2 模型参数
浮山至A287断面二维模型主要参数糙率的取值见表2.5-5。
表2.5-5 浮山至A287断面二维模型各段糙率取值
2.5.5.3 二维模型与一维模型计算结果的比较
利用所建二维模型计算2003年和2007年洪水，图2.5-54～图2.5-59给出本段沿程主要测站浮山、小柳巷、盱眙的二维模型的水位计算结果。通过与实测值及一维模型的计算值对比可以看出:①二维模型各站的水位计算过程与实测过程基本上是吻合的;②两种模型计算精度相当，但在峰值水位的计算成果上，二维模型的计算精度略低于一维模型，原因可能与河道两岸附近干湿边界处理方法的精度不高有关。
图2.5-54 2003年浮山水位计算值与实测值对比
图2.5-55 2003年小柳巷水位计算值与实测值对比
图2.5-56 2003年盱眙水位计算值与实测值对比
图2.5-57 2007年浮山水位计算值与实测值对比
图2.5-58 2007年小柳巷水位计算值与实测值对比
图2.5-59 2007年盱眙水位计算值与实测值对比