1江宁区水务局 江苏南京 211100；2南京市水利规划设计院股份有限公司 江苏南京 211100
摘要：秦淮河航道工程是芜申线航道重要组成部分，航道规划线路拟从三干河新开航道入一干河下游。新开航道建成后，汇水分区及相关水文过程均发生变化，如何量化其对水文过程的影响、分析其对河道堤防及防汛的影响成为工程建设的关键。本文基于mike11模型，对一干河、三干河设计洪水均进行分析计算，通过对汇水分区的调整分析航道对两河河道的设计洪水的影响，可为国内外相关条件下堤防及防汛研究提供参考。
关键词：mike11；洪水位；堤防；防汛
1 引言
城市的建设发展过程中新开河道，河流人工改造等人工干预比较普遍，对原有水系干预程度较高，会对河道的汇水分区、水位、流量等产生一定影响[1]，进而影响河道堤防及防汛安全。已有研究表明，河流水位流量等水文条件的变化可能会导致防洪工程内部排水不畅，引起工程失稳甚至滑塌，危及堤防安全[2－3]。新开航道后由于汇水分区的变化，可能造成原有河道水位增高或下降，其是否会影响河道堤防、原设计行洪排涝设计是否满足要求等问题已成为工程中亟待解决的课题[4]，开展新开航道对河道堤防及防汛影响的研究具有重要的现实意义。
在河道计算分析方面国内外学者开展了大量研究，其中mike11模型为目前应用较为普遍且理论成熟的软件之一[5]，应用较广。吕军选用mike11软件水动力模块建立一维河道洪水数值模型，推求盐城市黄河故道设计水面线、河道流速等，模拟成果与实测水位、流量整体吻合性较好[6]。张林使用mike11模型计算章水流域南康区河道防洪工程6个典型断面的特征水位，结果较为客观的反映了河道治理的真实状况[7]。因此，本文采用mike11模型研究新开航道对一干河河道堤防及防汛影响。
本文利用一干河与三干河水位、流量等资料，基于mike11软件统一建立一干河流域、三干河流域和秦淮河航道新开河段水动力学河网模型，对模型进行概化，模拟洪水位情况，对一干河现状堤防高程进行验算，并探讨新开航道对河道堤防及防汛的影响。
2 工程概况
一干河为秦淮河二级支流，为南京市重要市级河道，流域地处南京市西南郊，跨溧水和江宁两区。一干河在王家圩渡口与三干河交汇后形成溧水河。流域区内雨水向一干河汇集，内河常水位在5～12m左右。
天生桥河以天生桥闸为界分为南、北两段，干流总长约15.3km，其中北段（天生桥闸以北至沙口河）长约4.2km，与一干河相连，北段的现状汇流面积为9.36km2，以山丘区为主。天生桥套闸拟进行拆除、易地重建，新建船闸及节制闸位于洪蓝镇以南，洪蓝大桥南侧1km处，距石臼湖约5.94km。新闸建成后，天生桥河北段将增加14.64km2汇水面积。一干河总流域面积为189.70km2。
一干河河道干流（中山河口～入溧水河河口）总长13.8km，现状堤防总长27.35km（溧水区内堤防长度21.12km，江宁区境内堤防长度6.23km）。一干河流域面积为189.70km2。
根据《秦淮河航道整治工程可行性研究报告》，按秦淮河航道推荐线路，一干河干流分为2段，秦淮河航道段和溧水支线段，航道等级为四级。秦淮河新开河道在彭福村南侧接入一干河（见图1），新河道联通。秦淮河航道整治起自石臼湖与天生桥河入口处陈家桥，沿老航道至毛家村南侧向西新开航道，从施家庄东侧接入施家庄闸下的三干河，过方家村后折向东，从彭福村南侧平地开河接一干河。
当流域发生洪水时，新开航道将分流一部分三干河洪水入一干河下游，造成一干河下流流量增大，水位抬高，因此有必要分析秦淮河航道对一干河设计水位的影响。
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图1 一干河水系图
3 模型设计
3.1 模型简介
Mike11是丹麦水力研究所研制的一维河渠模拟程序软件包, 主要包括降雨径流模块、水动力学模块、水质模块等专业模型[8]，本研究主要利用mike11模型系统中的水动力学模块。Mike11水动力计算模型基于一维非恒定流 Saint-Venant动量以及物质守恒方程，来模拟河口或者河流的水流状况[9]，方程组如下所示：
式中：x、t 分别为计算点空间和时间的坐标，A 为过水断面面积，Q为过流流量，h为水位，q为旁侧入流流量，C为谢才系数，R为水力半径，α为动量校正系数，g为重力加速度。
求解方程组利用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分形式，该格式具有稳定性优良、计算精确度高的特点。离散后的线形方程组借助追赶法求得解答[10]。
本工程对一干河流域、三干河流域和秦淮河航道新开河段统一建立一维河网非恒定流水动力模型（见图2.1-1），计算一干河设计洪水位。
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图2.1-1一干河、三干河水动力模型示意图
3.2 河网概化
河网概化是为了反映河流自然的水力特征，使得概化后的河网在调蓄及输水的能力上与实际河网相一致，包括河道概化与控制建筑物概化[11－12]。
河道概化遵循突出主干道，保留重点研究的非主干道原则。本工程对一干河、三干河、秦淮河航道新开河段及相连次要河道进行概化，见图2.1-1。根据河道长度分析断面设置的位置和数量，河道断面采用河边距—河底高程形式，依据河海大学出版社出版的《水力学》（第二版），本工程河道糙率取0.025。
控制建筑物概化的核心是拟定建筑物的控制运行方式。本工程概化水工建筑物包含闸站3个，泵站25座。概化后控制建筑物规模及调度情况与实际相一致。
3.3 计算条件
对秦淮河干流洪水进行分析计算，确定一干河口设计洪水位（见表2.3-1）。
表2.3-1 秦淮河干流设计洪水成果表（规划工情）
本工程20年一遇设计洪水计算考虑以下组合：
一干河流域20年一遇降雨遭遇秦淮河干流较低水位（秦淮河流域20年一遇降雨遭遇长江20年一遇潮位，即一干河口水位11.79m），作为一干河流域20年一遇设计洪水。
本工程50年一遇设计洪水计算考虑两种组合：
组合一：一干河流域50年一遇降雨遭遇秦淮河干流较低水位(秦淮河流域20年一遇降雨遭遇长江20年一遇潮位，即一干河口水位11.79m)，作为一干河流域50年一遇泄洪工况设计洪水；
组合二：秦淮河50年一遇设计水位回水(秦淮河流域50年一遇降雨遭遇长江20年一遇潮位，即一干河口水位12.20m)。
两种组合计算结果取外包线作为一干河50年一遇防洪设计水位。
3 结果分析
通过采用一维水动力学模型mike11，计算河道水位和流量等的变化过程，得到一干河流域20年一遇及50年一遇设计洪水位计算成果，具体计算结果详见表3-1。由于本航道工程与天生桥闸南移同步进行，因此计算中也同步考虑了天生桥闸南移因素。
由表3-1中可知，根据mike11模拟结果，工程实施后，各断面水位从中山河口到一干河河口水位逐渐降低，一干河流域20年一遇设计洪水条件下，水位由12.44m降至11.79m；一干河50年一遇防洪设计水位由12.73m降至12.20m，计算结果规律与2020年汛期观测水位具有良好的一致性。
表3-1 一干河流域河道设计洪水位计算结果表（设计断面，考虑航道及天生桥闸南移）
堤顶高程是由设计洪水位推求的，根据mike11模拟计算的洪水位（表3-1）推求堤顶高程。根据规范要求和模拟结果，计算水位对应的设计堤顶高程。通过对现状堤顶高程和设计堤顶高程的对比，复核现状堤顶高程是否满足要求。一干河江宁段堤顶现状、设计高程统计表详见表3-2。
通过表3-2可知，根据水位推求的设计堤顶高程为12.98~13.21m，现状堤顶高程为13.40m~14.20m，现状堤顶高程已基本满足设计要求。经校核，一干河现有的堤顶高程已满足新开航道所要求的堤顶高程，新开航道对一干河堤防无不良影响。本次设计原则上不降低原堤顶高程，为使堤顶防汛道路平顺以及与新开航道堤顶（14.20m）相衔接，故堤顶整治高程在14.00m~14.20m（见表3-2）。
表3-2一干河江宁段堤顶现状、设计高程统计简表
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一干河江宁段迎水坡大多无防护，考虑新开航道与一干河衔接处船行波对堤防的影响，受船行波影响常水位附近岸坡冲刷较严重，故增加素砼挡墙护岸，桩号范围（K5+820～K5+890），共70m。挡墙顶高程为8.5m，底板顶高程为6.50m。迎水坡8.5m～9.5m范围新建联锁块护坡，高程9.5m～堤顶范围仅撒草籽、花籽防护；背水坡坡比1:2.5。
5 结论
通过对一干河流域、三干河流域和秦淮河航道新开河段建立一维河网非恒定流水动力模型，对一干河20年一遇和50年一遇暴雨条件下的河道洪水位进行了模拟计算。基于mike11模型的洪水位计算结果，得到设计堤顶高程，经校核，现状堤防已满足设计要求，故新开航道对一干河堤防与防汛无影响。为与新开河道堤顶相衔接，堤顶整治高程在14.00m~14.20m；为减少船行波对岸坡的冲刷影响，增加素砼挡墙护岸。
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