2.3 正阳关至吴家渡段一维、二维耦合水动力数学模型
2.3.1 模型范围及资料选择
2.3.1.1 模型范围的选定
淮河干流正阳关至吴家渡河段全长约150km，区间集水面积(包括沙颍河水系)共7.2万km2。该段北岸为广阔的淮北平原，淮北大堤为其防洪屏障，主要入汇支流有沙颍河、西淝河、茨淮新河和涡河等。南岸为丘陵岗地，筑有淮南、蚌埠城市防洪圈堤，主要入汇支流有东淝河和窑河等。在淮北大堤与南岸岗地之间，沿程分布有寿西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、石姚段、汤渔湖、洛河洼和荆山湖等8处行洪区和瓦埠湖蓄洪区。此外，两岸河滩地上还分布有东淝闸右圩、靠山圩和老婆家圩等14个生产圩，高水位时，漫溢行洪，是淮河干流行洪通道的一部分。
模型的计算范围包括淮河干流正阳关至吴家渡河段和沿淮两侧的行洪区、生产圩以及区间的入汇支流。
模型的结构如图2.3-1所示，瓦埠湖蓄洪区、焦岗湖作为水量调蓄单元，采用零维模型进行计算;淮河干流正阳关至吴家渡150km河段、沙颍河阜阳闸至入淮河口123km河段，涡河蒙城闸至入淮河口85km河段，采用一维模型进行计算，其他支流(西淝河、窑河等)以集中旁侧入流的方式作为一维模型的源项参与计算;沿淮两侧的行洪区及河滩地上重点圩区(靠山圩、老婆家圩、魏郢子圩、灯草窝圩，程小湾圩、天河圩)采用二维模型计算，其他圩区(新城口圩、黄瞳窑圩等)根据其实际过流能力和调蓄能力进行概化，采用一维模型进行计算。行洪区、重点圩区的二维模型与淮河干流河道的一维模型之间的耦合分别采用MikeFlood标准连接及侧向连接实现。
图2.3-1 淮河干流正阳关至吴家渡河段模型概化图
模型进口有淮河干流鲁台子水文站、沙颍河阜阳闸水文站、茨淮新河上桥闸水文站、涡河蒙城闸水文站用以控制入淮流量;模型出口有淮河干流吴家渡水文站、怀洪新河何巷闸水文站用以控制出淮流量;此外本段沿程还分布有颍上闸、焦岗闸、东淝闸、峡山口、西淝闸、永幸闸、架河闸、田家庵、尹家沟闸、窑河闸、天河闸、上桥闸、蚌埠闸上和蚌埠闸下共14个水位测点，可满足模型率定与验证的需要。
2.3.1.2 基础资料
(1)水文资料:选择2003年、2005年、2007年和2008年共4年的水文资料对模型进行率定与验证。其中，2005年和2008年属中等洪水年，沿程各行蓄洪区均未启用，但洪水均已上滩，可用来进行平槽和漫滩洪水级的验证;2003年和2007年属大洪水年，沿程启用了上六坊堤和下六坊堤等5处行洪区，河滩地上的生产圩也全部参与行洪，可用来进行大洪水级的验证。上述年份已收集到的水文资料见表2.3-1。
表2.3-1 淮河干流正阳关至吴家渡河段水文资料表
续表
注 ●表示有水位、流量资料;○表示有水位资料。
(2)地形资料:考虑到验证洪水的年份均在2000年以后，因此，本次研究主要收集了1992—2010年间模型范围内所测淮河干流、行蓄洪区及支流的地形资料，见表2.3-2。
(3)工程资料:1992—2015年，正阳关至吴家渡河段已实施的河道整治及堤防加固工程共计9项，见表2.3-3。
表2.3-2 正阳关至吴家渡河段地形资料表
表2.3-3 正阳关至吴家渡河段工程资料
续表
表2.3-4 淮河干流正阳关至吴家渡段验证地形资料组合
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，各年份验证计算所选用的淮河干流正阳关至吴家渡段地形资料组合见表2.3-4;各年份验证计算所选用的行蓄洪区、涡河、沙颍河的地形资料依次为地形5、地形6和地形7。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。
(4)行洪区调度资料:2003年、2007年本段行洪区实际开启数量、顺序、时机主要参考主要参考文献[8-9]及文献[10-11]。
(5)实体模型资料:目前，淮河干流水文资料的观测还不够系统和全面，尤其是河道与行洪区口门的流量、行蓄洪区内水位和流速的观测，还十分缺乏，利用已开展的实体模型试验成果，可为数学模型提供所需的率定参数和水力连接条件，从而提高数学模型计算的精度。本次研究主要参考文献[15-23]，利用上述试验资料可以验证行洪区口门的过流量、行洪区区内流态和流速分布、蚌埠闸过闸落差及老闸、新闸、分洪道的分流比等。
2.3.2 模型的定解条件
边界条件:模型拥有4个进口和2个出口。进口边界淮河干流正阳关给定流量过程、沙颍河阜阳闸给定实测流量过程、涡河蒙城闸给定实测流量过程、茨淮新河上桥闸作为源，给定实测流量并加入到淮河干流相应的断面中。出口边界淮河干流吴家渡给定实测水位过程，怀洪新河何巷闸作为汇，给定实测出流过程并加入到涡河相应的断面中。
表2.3-5中淮河干流正阳关作为模型的进口边界，并无实测流量资料，考虑到验证年份中寿西湖行洪区均未启用，正阳关流量过程可根据水量平衡条件得出:
式中:Q正阳关为淮河干流正阳关的计算流量;Q鲁台子为淮河干流鲁台子的实测流量;
阳闸为通过沙颍河一维模型得出的阜阳闸演算至入淮口沫河口的流量。
表2.3-5 模型的边界条件
(2)初始条件:对于淮河干流、沙颍河和涡河的一维模型，以计算起始时前三天进出口边界条件的平均值计算出模型各断面的初始水位;对于行洪区和重点圩区的二维模型，给定各网格点初始水位低于区域内河床的最低点，即作为干河床启动。
2.3.3 模型参数和特殊问题的处理
2.3.3.1 计算时间步长和空间步长
(1)空间步长:一维模型根据断面资料采用不等间距的节点布置，淮河干流平均计算步长为500m，沙颍河、涡河平均计算步长为800～1000m;二维模型采用非结构网格剖分计算区域，网格空间步长取300～500m，地形复杂处及建筑物附近适当加密。二维模型包括网格节点4847个，计算单元8617个，具体网格布置如图2.3-2所示。
图2.3-2 正阳关至吴家渡河段二维模型网格划分
(2)时间步长:MikeFlood标准连接和侧向连接均采用显格式进行一、二维模型的耦合计算，时间步长受柯朗条件的限制，为满足稳定性和精度要求，本次计算Δt=3s。
2.3.3.2 计算时段的选取
选取2003年、2005年、2007年和2008年洪水从起涨至峰顶到回落的整个过程作为计算时段，具体见表2.3-6。
表2.3-6 模型的计算时段
2.3.3.3 糙率的取值
本段一维、二维模型中糙率的取值以沿程各站实测水文资料为依据，采用试错法确定。率定的结果表明淮河干流河道主槽的糙率为0.025～0.027，滩地的糙率为0.038～0.042;沙颍河河道主槽糙率为0.025，滩地的糙率为0.038～0.040;涡河河道主槽糙率为0.026，滩地为0.04;行洪区及圩区糙率为0.05。各段糙率取值详见表2.3-7。
表2.3-7 正阳关至吴家渡河段糙率取值
2.3.3.4 蚌埠闸枢纽过流的计算
1.蚌埠闸枢纽概况
蚌埠闸枢纽位于淮河干流涡河口以下蚌埠市西郊，是一座具有防洪、蓄水灌溉、航运、发电、城市供水等多种功能的大型水利枢纽工程。蚌埠闸于1958年开工，1963年基本竣工，1970—1973年增建南岸分洪道，1984—1987年续建水电站二期工程，2000—2003年扩建12孔新节制闸，2007—2010年兴建复线船闸。目前，蚌埠闸枢纽工程沿闸轴线方向从左至右的主要建筑物依次为:12孔新节制闸、28孔老节制闸、水电站、老船闸、新船闸及分洪道，如图2.3-3所示。
2.蚌埠闸的河网概化
蚌埠闸枢纽的泄水建筑物主要由老节制闸、新节制闸和分洪道组成，其中老节制闸总宽度336m，共28孔，每孔净宽10m，扇弧形钢闸门、开敞式结构，驼峰堰型，堰顶高程11.89m;新闸总宽度142m，共12孔，每孔净宽10m，扇弧形钢闸门、开敞式结构，宽顶堰型，堰顶高程9.02m;分洪道进口高程19.0m，渠底高程17.5～18.0m，渠底宽330m，长约1500m，分洪道为自然漫滩溢洪式，当闸上水位超过19.0m，分洪道过水行洪。
图2.3-3 蚌埠闸枢纽工程布置图
根据蚌埠闸及上下游河段的实际情况，河网可以概化为:①7个子河段，分别为上游连接段、闸前过渡段、新闸河段、老闸河段、分洪道河段、闸后过渡段、下游连接段;②22个水位节点(计算断面布置在水位节点上)、14个流量节点;③4个汊点，用于各子河段之间水位和流量的传递;④2个节制闸和1个虚拟的宽顶堰，分别用于控制新闸、老闸和分洪道的过流量。蚌埠闸河网概化图如图2.3-4所示。
图2.3-4 蚌埠闸河网概化图
蚌埠闸枢纽的老节制闸，新节制闸的过流状态为自由孔流、淹没孔流和淹没堰流，分洪道过流状态为自由堰流和淹没堰流，分别计算过流流量[1-4]。
2.3.3.5 无资料地区径流处理
在本段模型的研究范围内，除了已考虑的有测站的主要支流外，还有一些无水文资料的小支流入汇，其总集水面积占淮河干流吴家渡控制面积的9.6%。统计分析验证年份中4场洪水的来水组成资料可知，本段无资料区间来水占吴家渡水量的10.4%～12.9%，比重较大，在计算中必须加以考虑。
设上游淮河干流鲁台子站来流量为Q鲁台子，茨淮新河上桥闸来流量为Q上桥闸，涡河蒙城闸来流量为Q蒙城闸，无资料未控区间来流量Q无资料，行洪区流量为Q行洪区(进为正，出为负)，下游怀洪新河何巷闸出流量Q何巷闸，淮河干流吴家渡出流量为Q吴家渡，W河道为淮河干流河道的槽蓄量，W行洪区为行洪区的库容。
对于2005年、2008年洪水，行洪区没有启用，根据水量平衡原理可得:
对于2003年、2007年洪水，行洪区和怀洪新河的运用改变了下游出口断面的流量组成，相应有:
上式中行洪区的库容W行洪区可根据行洪区水位与地形计算得出;河道槽蓄量W河道则可根据控制站的水位与断面计算得出。
由上述方法求出Q无资料后，再根据未控面积的大小，分配到东淝河、西淝河、窑河等区间支流中去。
2.3.4 模型率定与验证
在对实测资料进行分析的基础上，利用中等洪水2005年和2008年及大洪水2003年和2007年的洪水过程对模型的参数进行率定和验证，以检验模型的适用性、稳定性及计算的精度。
2.3.4.1 2005年洪水过程复演
1.2005年实测洪水过程
2005年是中等洪水年份，在7月9日至9月30日期间，吴家渡站总洪量为296.5亿m3。其中淮河干流鲁台子站来水量为235.6亿m3，占79.5%;涡河蒙城闸来水量10.6亿m3，占3.6%;茨淮新河上桥闸来水量为19.6亿m3，占6.6%;未控区间(没有测站控制的支流及沿淮排涝)来水量为30.7亿m3，占10.4%。详见表2.3-8。
表2.3-8 2005年吴家渡站洪量的来水组成
淮河干流鲁台子站有两次洪水过程，最大流量6680m3/s，最高水位25.37m;吴家渡站有两次洪水过程，最大流量6481m3/s，最高水位20.93m。主要支流沙颍河阜阳闸最大流量为1777m3/s，闸下最高水位27.97m;茨淮新河上桥闸最大流量为2611m3/s，闸下最高水位21.80m;涡河蒙城闸最大流量为1450m3/s，闸下最高水位24.94m。主要站实测水位—流量过程如图2.3-5～图2.3-9所示。
图2.3-5 2005年鲁台子站7月8日至9月30日实测水位—流量过程
图2.3-6 2005年吴家渡站7月8日至9月30日实测水位—流量过程
2.复演验证成果
2005年本河段沿程主要测站计算水位过程线与实测水位过程线如图2.3-7～图2.3-12所示;鲁台子站和吴家渡站计算流量过程线与实测流量过程线如图2.3-13～图2.3-14所示。
图2.3-7 2005年正阳关站水位计算值与实测值对比
图2.3-8 2005年鲁台子站水位计算值与实测值对比
图2.3-9 2005年峡山口站水位计算值与实测值对比
图2.3-10 2005年田家庵站水位计算值与实测值对比
图2.3-11 2005年蚌埠闸闸上水位计算值与实测值对比
图2.3-12 2005年蚌埠闸闸下水位计算值与实测值对比
图2.3-13 2005年鲁台子站流量计算值与实测值对比
图2.3-14 2005年吴家渡站流量计算值与实测值对比
从图2.3-7～图2.3-12中可以看出，各测站计算水位过程与实测水位过程一致性良好，峰值水位计算值与实测值之间的差值均在5.00～10.00cm;图2.3-13、图2.3-14中，鲁台子和吴家渡站峰值流量计算值与实测值相差均在5%以内。模型较好地重现了2005年洪水演进的过程。
3.生产圩区过流能力分析
2005年淮河干流正阳关至吴家渡段行蓄洪区均未启用，部分圩区漫堤行洪，其中行洪能力较强的3个圩区，自上游而下依次是靠山圩、魏郢子圩和天河圩。各圩区行洪流量见表2.3-9。
表2.3-9 2005年各生产圩区行洪流量表
靠山圩处淮河干流水位略高于靠山圩堤防高程，靠山圩局部溃堤，行洪流量为300～400m3/s;魏郢子圩处淮河干流水位高出魏郢子圩堤防高程1.10～1.60m，行洪流量为500～600m3/s;天河圩处淮河干流水位高出天河圩堤防高程0.30～1.30m，行洪流量为500～600m3/s;其他圩区行洪流量较小。2005年洪水过程中，大多数生产圩区进洪，但是行洪能力均较小。
2.3.4.2 2008年洪水过程复演
1.2008年实测洪水过程
2008年是中等洪水年份，在7月24日至8月28日期间，吴家渡站总洪量为101.6亿m3。其中淮河干流鲁台子站来水量为74.3亿m3，占73.1%;涡河蒙城闸来水量7.1亿m3，占7.0%;茨淮新河上桥闸来水量为7.1亿m3，占7.0%;未控区间来水量为13.1亿m3，占12.9%。详见表2.3-10。
表2.3-10 2008年吴家渡站洪量的来水组成
淮河干流鲁台子站有两次洪水过程，最大流量3740m3/s，最高水位21.71m;吴家渡站有两次洪水过程，最大流量4470m3/s，最高水位18.19m。主要支流沙颍河阜阳闸最大流量为1433m3/s，闸下最高水位26.50m;茨淮新河上桥闸最大流量为1101m3/s，闸下最高水位19.05m;涡河蒙城闸最大流量为1220m3/s，闸下最高水位24.30m。各站实测水位—流量过程如图2.3-15、图2.3-16所示。
图2.3-15 2008年鲁台子站7月24日至8月29日实测水位—流量过程
图2.3-16 2008年吴家渡站7月24日至8月29日实测水位—流量过程
2.模型验证成果
以正阳关站计算水位过程线与实测水位过程线比较，如图2.3-17所示;吴家渡站计算流量过程与实测流量过程线比较，如图2.3-18所示，计算过程与实测过程一致性较好。
图2.3-17 2008年正阳关站水位计算值与实测值对比
图2.3-18 2008年吴家渡站流量计算值与实测值对比
2.3.4.3 2003年洪水过程复演
1.2003年实测洪水过程
2003年淮河流域暴雨过程多、间隔时间短、强度大、范围广，形成流域性大洪水。洪水出现时间主要在6月下旬至10月上旬，洪水范围广，干支流洪水并发;洪水水位高、量级大、持续时间长[8]。
在6月28日至8月30日期间，吴家渡站(包括何巷闸出流)总洪量为305亿m3。其中淮河干流鲁台子站来水量为222.5亿m3，占73%;涡河蒙城闸来水量14.7亿m3，占4.8%;茨淮新河上桥闸来水量为31.2亿m3，占10.2%;未控区间来水量为36.6亿m3，占12%。详见表2.3-11。
表2.3-11 2003年吴家渡站洪量的来水组成
淮河干流正阳关至吴家渡段有三次较大的洪水过程，如图2.3-19、图2.3-20所示。
(1)第一次洪水过程，持续时间为6月21日至7月7日。
正阳关6月21日8时起涨水位为17.97m，鲁台子相应为315m3/s。在淮河上游润河集及支流颍河、淠河来水的共同影响下，7月2日22时正阳关水位涨至24.01m(超警戒水位0.12m)，鲁台子相应流量5380m3/s。在2日20时36分沙颍河启用茨淮新河分洪，4—5日洛河洼、上下六坊堤、石姚段行洪区先后启用，4日18时正阳关水位涨至26.06m后，涨幅减缓并出现小的起伏。6日4时，正阳关水位达到保证水位26.39m，6日15时出现洪峰水位26.45m，超过保证水位0.05m，受唐垛湖分洪影响，正阳关水位迅速下降，6日17时降至保证水位以下，7日2时降至25.31m。
鲁台子站7月5日14时出现年洪峰流量7890m3/s，7月6日15时水位升至26.17m。
淮南(田家庵)水位站本次洪水过程中受洛河洼、上下六坊堤、石姚段行洪区的影响，水位出现几次起伏，7月6日19时出现年最高水位24.27m。
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，吴家渡站水位从4日21时回落至21.12m(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20.72m。
(2)第二次洪水过程，持续时间为7月8—15日。
正阳关水位7月9日18时从25.78开始起涨，11日8时达到26.42m，超过保证水位0.03m，鲁台子相应流量为7120m3/s。在邱家湖行洪区和城东湖蓄洪区的影响下，正阳关站11日18时水位涨至26.67m后回落，鲁台子流量7620m3/s。正阳关12日18时出现年最高水位26.70m。14日14时落至保证水位以下。
鲁台子站11日18时出现洪峰流量7620m3/s，12日18时出现年最高水位26.38m。淮南水位站本次洪水过程中7月13日20时出现洪峰水位24.08m。
吴家渡站7月7日21时起涨时水位为20.72m。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21.65m后，曾有几次微小的起伏。9日8时出现最大流量7920m3/s，14日2时出现洪峰水位21.74m。
(3)第三次洪水过程，持续时间为7月19—25日。
正阳关站7月21日8时起涨水位为24.89m，25日10时出现洪峰水位25.67m;鲁台子站24日20时出现洪峰流量6060m3/s，25日8时出现洪峰水位25.38m;淮南(田家庵)7月22日21时出现洪峰水位23.21m。
吴家渡站7月22日7时出现最高水位21.53m，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。
图2.3-19 2003年鲁台子站6月28日至8月30日实测水位—流量过程
图2.3-20 2003年吴家渡站6月28日至8月30日实测水位—流量过程
本段河道主要支流及分洪河道2003年水位—流量过程，如图2.3-21～图2.3-24所示。
图2.3-21 2003年阜阳闸闸下6月28日至8月30日实测水位—流量过程
图2.3-22 2003年上桥闸闸下6月28日至8月30日实测水位—流量过程
图2.3-23 2003年蒙城闸闸下6月28日至8月30日实测水位—流量过程
1)沙颍河:第一次洪水持续时间为6月19日至7月13日，阜阳闸7月3日21时全开泄洪，7月3日最大泄量为2480m3/s，为2003年最大流量，阜阳闸下7月6日17时出现最高水位29.31m，11日7时关闭。第二次洪水持续时间为7月19—25日，阜阳闸7月20日17时开闸泄洪，22日9时，下泄流量为2170m3/s，阜阳闸下22日18时出现洪峰水位28.77m。
2)茨淮新河:茨河铺闸三次分洪，最大分洪流量1580m3/s;上桥闸6月30日9时开闸泄洪，7月5日17时出现2003年最大流量2700m3/s，6日22时闸下出现2003年最高水位23.06m。
图2.3-24 2003年何巷闸6月28日至8月30日实测流量过程
3)涡河:出现两次洪水过程。第一次洪水过程中，蒙城闸7月2日全部提出水面，4日18时，闸下出现最高水位25.81m，相应洪峰流量2030m3/s;第二次洪水过程中，22日5时蒙城闸下水位24.48m，22日2时最大洪峰流量1300m3/s。
4)怀洪新河:何巷闸三次分洪，最大分洪流量分别为1590m3/s、1670m3/s、1510m3/s。
2.复演验证成果
2003年本河段沿程主要站点计算水位过程线与实测水位过程线如图2.3-25～图2.3-28所示;吴家渡站计算流量过程线与实测流量过程线如图2.3-29所示。
图2.3-25 2003年正阳关站水位计算值与实测值对比
图2.3-26 2003年峡山口站水位计算值与实测值对比
图2.3-27 2003年蚌埠闸闸上水位计算值与实测值对比
从图2.3-25～图2.3-29中可以看出，各测站计算水位过程与实测水位过程一致性良好，峰值水位计算值与实测值之间的差值均在5.00～10.00cm以内;吴家渡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年洪水演进的过程。
3.2003年行洪区及生产圩区运用情况
2003年洪水过程中，本段河道共启用行洪区5处，按上、下游顺序依次是上六坊堤、下六坊堤、石姚段、洛河洼和荆山湖行洪区。此外，沿程分布14个生产圩全部漫堤行洪。
图2.3-28 2003年蚌埠闸闸下水位计算值与实测值对比
图2.3-29 2003年吴家渡站流量计算值与实测值对比
根据文献[8，10]等资料，整理各行洪区的口门位置如图2.3-30和图2.3-31所示，运用情况及口门特征见表2.3-12。
(1)上六坊堤行洪区于7月4日12时破堤进行，上口门一处，下口门两处。行洪后上口门宽度120m，最大冲坑深度约11.43m;下口门两处宽度分别为40m和93m，最大冲坑深度分别为5.0m和5.1m;其他零星破口28处。
(2)下六坊堤行洪区7月4日12时破堤进行，行洪口门上、下各一处。行洪过后上口门宽度215m，最大冲坑深度为13.98m;下口门宽度190m，最大冲坑深度为3.89m;其他零星破口41处。
图2.3-30 2003年六坊堤、石姚段行洪区口门位置图
图2.3-31 2003年洛河洼、荆山湖行洪区口门位置图
表2.3-12 2003年各行洪区口门运用情况及口门特征资料
(3)石姚段行洪区于7月4日13时破堤进行，上口门一处，下口门两处。行洪后上口门宽度246m，最大冲坑深度约12.1m;下口门两处宽度分别为140m和77m，最大冲坑深度分别为8.2m和8.5m;其他零星破口9处。
(4)洛河洼行洪区7月4日8时30分破堤进行，破口较多，概化为上口门一处宽度33m，中口门一处宽度380m，下口门一处宽度298m，其他零星破口32处。
(5)荆山湖行洪区上口门漫决时间为7月6日19时，行洪过后的口门宽度为364m，最大冲坑深度为12.79m;下口门7月7日11时26分爆破，宽度330m，最大冲坑深度为8.52m。
4.2003年行洪区及生产圩区计算分析
(1)各行洪区行洪流量分析。行洪区的作用体现在槽蓄洪水和扩大河道过水断面面积，提高河道行洪能力。受多种因素的影响，行洪区行洪能力计算比较复杂。在行洪初期，洪水通过口门迅速涌入行洪区，短时间内进洪流量较大，随着行洪区蓄水量增加和口门形态逐渐稳定，行洪区作为河道的过水面积的一部分，相应增加河道下泄流量。
文献[8]假定行洪稳定时口门流速接近主槽流速，采用控制站点实测最大流速1.24～1.58m/s作为行洪口门平均流速。经推算，各行洪区行洪流量在500～2300m3/s之间，占河道流量的5%～30%。
文献[23]对2003年7556m3/s流量级洪水进行验证，模型实测上六坊堤行洪流量为670m3/s、下六坊堤行洪流量为750m3/s、石姚段行洪流量为900m3/s。
在2003年洪水过程中，各行洪区口门形态稳定以后，数学模型计算各行洪区最大行洪流量为上六坊堤640m3/s、下六坊堤800m3/s、石姚段1200m3/s、洛河洼1200m3/s、荆山湖2100m3/s，详见表2.3-13。
表2.3-13 2003年各行洪区行洪流量对比表 单位:m3/s
由表2.3-13可以看出，数学模型计算上六坊堤行洪流量与河工模型试验接近，略低于文献[8]分析流量;下六坊堤行洪流量与模型试验接近，略高于文献[8]分析流量;石姚段行洪流量介于模型试验和文献[8]分析流量之间;洛河洼行洪流量高于分析流量;荆山湖略低于分析流量。总体来说，三种计算方法结果较接近。
(2)各行洪区流态及流速分布。行洪区口门稳定后，行洪区内流速均较小，见表2.3-14。主流区流速在0.05～0.25m/s之间，以荆山湖行洪区流速最大，最大流速为0.25m/s。
表2.3-14 2003年各行洪区流速表
7月12日9时，上六坊堤行洪流量640m3/s，下六坊堤行洪流量820m3/s，石姚段行洪流量为1200m3/s，洛河洼行洪流量1050m3/s，流态如图2.3-32和图2.3-33所示。
图2.3-32 上、下六坊堤行洪区流态图
图2.3-33 石姚段和洛河洼行洪区流态图
(3)荆山湖行洪区泄洪过程分析。2003年荆山湖行洪区上口门于7月6日19时开始漫堤行洪，刚开始漫堤时流量较小，随着行洪口门宽度和深度的增加，进洪流量迅速增加，最大流量约2790m3/s，之后进洪流量开始减少。下口门于7月7日11时爆破，开始方向进洪，反向进洪最大流量约为1140m3/s，之后方向进洪流量逐渐减少。7月10日20日后，荆山湖行洪区上、下口门行洪流量基本平衡，稳定后最大行洪流量约为2100m3/s。进出流过程如图2.3-34所示。
图2.3-34 2003年荆山湖行洪区行洪流量过程线
注:上口门正流量表示从淮干流进行洪区，下口门正流量表示从行洪区流进淮干。
2003年荆山湖行洪区洪水波从上口门传播至下口门约需要15h，上口门行洪时间为7月6日19时，下口门爆破时间为7日11时，下口门比上口门迟16h，即上口门洪水到达下口门位置时，下口门开始爆破。荆山湖行洪区开启后不同时刻流态图如图2.3-35～图2.3-37所示。
行洪区内张家沟附近湖面最窄，流速最大，流速约为0.25m/s。
图2.3-35 上口门开启5h后流态图
图2.3-36 上口门开启16h后流态图
(4)生产圩区过流能力分析。2003年洪水过程中行洪能力较强5个生产圩区，自上游而下依次是靠山圩、魏郢子圩、灯草窝圩、陈小湾圩和天河圩。数学模型计算出的各生产圩区行洪流量见表2.3-15。
魏郢子圩和天河圩处河道水位高出圩区堤顶高程较多，且均在河道急弯处，由于弯曲河道“小水坐弯，大水趋直”的过流特性，所以行洪能力较强。
图2.3-37 上、下口门均稳定时刻流态图
表2.3-15 2003年各生产圩区行洪流量表
2.3.4.4 2007年洪水过程复演
1.2007年实测洪水过程
2007年淮河流域暴雨过程多、间隔时间短、降雨历时长、强度大、笼罩范围广，空间分布有利于形成流域性大洪水。洪水出现时间主要在6月下旬至10月上旬，干支流洪水并发，洪水组合遭遇恶劣;淮河干流洪水来势凶猛、高水位持续时间长[9]。
在6月29日至8月29日期间，吴家渡站(包括何巷闸出流)总洪量为267.1亿m3。其中淮河干流鲁台子站来水量为198亿m3，占75.7%;涡河蒙城闸来水量15.2亿m3，占5.8%;茨淮新河上桥闸来水量为16.3亿m3，占6.2%;未控区间来水量为32.2亿m3，占12.3%。详见表2.3-16。
表2.3-16 2007年吴家渡站洪量的来水组成
淮河干流正阳关至吴家渡段各站水位—流量过程，如图2.3-38、图2.3-39所示。
正阳关站2007年出现两次洪峰。6月28日20时正阳关起涨水位为17.76m，相应鲁台子流量为595m3/s，7月9日5时正阳关水位涨至23.90m(超警戒水位0.01m)，鲁台子流量相应为4790m3/s。11日15时正阳关出现2007年最大洪峰，水位26.29m(距保证水位0.10m)，相应鲁台子流量为7970m3/s，15日15时姜唐湖蓄洪区开闸进洪，16时邱家湖行洪区破堤行洪，正阳关水位有所回落。16日正阳关水位从25.37m再次起涨，18时23分出现第二次洪峰，水位25.94m，相应鲁台子流量为6830m3/s。随后正阳关水位缓慢回落，8月下旬末才退尽。
淮南站出现一次洪峰，7月19日11时出现2007年最高水位23.612m，受来水和行洪区运用影响，在洪峰前后水位出现起伏。
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。
图2.3-38 2007年鲁台子站6月28日至8月28日实测水位—流量过程
图2.3-39 2007年吴家渡站6月28日至8月28日实测水位—流量过程
本段河道主要支流及分洪河道2007年水位—流量过程，如图2.3-40～图2.3-43所示。
(1)沙颍河:第一次洪水持续时间为6月29日至7月15日，阜阳闸7月11日2时出现洪峰流量为1430m3/s，23时出现洪峰水位为27.27m;第二次洪水持续时间为7月16—20日，阜阳闸7月17日14时出现洪峰流量为1890m3/s，23时出现洪峰水位为29.35m(超警戒水位0.91m);第三次洪水持续时间为7月20—25日，阜阳闸7月23日2时出现洪峰流量为2120m3/s，14时出现洪峰水位为30.11m(超警戒水位1.63m)。
(2)茨淮新河:茨河铺闸未分洪;上桥闸7月4日11时开闸泄洪，9日1时出现第一次洪峰1226m3/s，相应闸下水位20.66m，21日20时出现第二次洪峰1370m3/s，相应闸下水位21.91m。
(3)涡河:蒙城闸7月3日9时开闸，6日9时出现2007年最大流量1150m3/s，7日11时蒙城闸下出现2007年最高水位24.05m。
(4)怀洪新河:何巷闸7月29日12时15分开启，8月1日7时54分关闸，最大分洪流量1130m3/s。
图2.3-40 2007年阜阳闸闸下6月28日至8月28日实测水位—流量过程
图2.3-41 2007年上桥闸闸下6月28日至8月28日实测水位—流量过程
图2.3-42 2007年蒙城闸下6月28日至8月28日实测水位—流量过程
图2.3-43 2007年何巷闸6月28日至8月28日实测流量过程
图2.3-44 2007年正阳关站水位计算值与实测值对比
2.复演验证成果
以正阳关站和吴家渡站为例，如图2.3-44、图2.3-45，各测站计算水位过程与实测水位过程一致性良好，峰值水位计算值与实测值之间的差值在5～10cm以内;峰值流量计算值与实测值相差均在5%以内。模型较好的重现了2007年洪水演进的过程。
图2.3-45 2007年吴家渡站流量计算值与实测值对比
3.2007年行洪区及生产圩区运用情况
2007年洪水过程中，本段河道共启用行洪区5处，按上、下游顺序依次是上六坊堤、下六坊堤、石姚段、洛河洼和荆山湖行洪区。此外，沿程分布的14处生产圩全部漫堤行洪。
根据文献[9，11]等资料，整理各行洪区的口门位置如图2.3-46和图2.3-47所示，运用情况及口门特征见表2.3-17。
图2.3-46 2007年六坊堤、石姚段、洛河洼行洪区口门位置图
图2.3-47 荆山湖行洪区进、退洪闸位置图
表2.3-17 2007年各行洪区口门运用情况及口门特征资料统计
(1)上六坊堤行洪区于7月11日12时人工扒口行洪，上口门一处，下口门两处。行洪后上口门宽度270m，最大冲坑深度约10.36m;下口门两处宽度分别为8m和32m，最大冲坑深度分别为2m。
(2)下六坊堤行洪区7月11日12时人工扒口行洪，上口门两处、下口门一处。行洪过后上口门宽度分别为110m、70m，最大冲坑深度7.0m、13.35m;下口门宽度145m，最大冲坑深度为6.08m。
(3)石姚段行洪区7月12日19时30分人工扒口行洪，上、下口门各一处。行洪后上口门宽度263m，最大冲坑深度约6.39m;下口门宽度114m，最大冲坑深度5.92m。
(4)洛河洼行洪区7月15日16时破人工扒口行洪，上、下口门各一处。上口门宽度196m，最大冲坑深度6.82m;下口门宽度41m，最大冲坑深度5.69m。
(5)荆山湖行洪区已经建成进、退洪闸，行洪区有闸控制，未采用破堤行洪。
4.2007年行洪区及生产圩区计算分析
(1)各行洪区行洪流量分析。文献[9]中假定行洪稳定时口门流速接近主槽流速，采用控制站点实测最大流速1.50～1.79m/s作为行洪口门平均流速。经推算，各行洪区行洪能力在170～660m3/s，占河道流量的2.7%～9.5%。
在2007年洪水过程中，各行洪区口门形态稳定以后，各行洪区最大行洪流量见表2.3-18。
表2.3-18 2007年各行洪区行洪流量表 单位:m3/s
上六坊堤行洪区为240m3/s、下六坊堤行洪区为800m3/s、石姚段行洪区为540m3/s、洛河洼行洪区为280m3/s，荆山湖行洪区没有起到行洪作用。
模型计算结果可以看出，两种计算方法，下六坊堤行洪流量差距较大，其他行洪区行洪流量相差较小。上六坊堤和洛河洼行洪区行洪流量较小，因为其上、下口门宽度差距较大，上六坊堤下口门两处宽度仅为32m和8m，洛河洼下口门宽度仅41m，行洪流量受较小口门制约。2007年各行洪区行洪流量均小于2003年行洪流量，是由于相应行洪区口门宽度和深度均比2003年小，且该段淮河干流2007年沿程水位低于2003年沿程水位。荆山湖行洪区在2003年洪水过程，稳定状态最大行洪流量2100m3/s;在2007年洪水过程中，受进、退洪闸调度控制，只有蓄洪削峰作用，没有实质行洪作用。
(2)各行洪区流态及流速分布。行洪区口门稳定后，行洪区内流速均较小，主过流区域流速在0.05～0.18m/s之间，见表2.3-19。
表2.3-19 2007年各行洪区行洪流速表
7月19日20时，上六坊堤行洪流量200m3/s，下六坊堤行洪流量790m3/s，石姚段行洪流量500m3/s，洛河洼行洪流量260m3/s。流态如图2.3-48和图2.3-49所示。
(3)荆山湖行洪区。2007年洪水过程中，新建成的荆山湖进洪闸、退洪闸首次使用。进洪闸首次启用时间为7月19日22时20分，21日15时35分关闸，22日20时5分再次启用，至23日8时关闸，期间最大进洪流量为1867m3/s;退洪闸首次启用为反向进洪，开启时间为20日13时14分，23日0时50分关闸停止进洪，期间最大进洪流量为1060m3/s;退洪闸于7月30日16时40分开始退洪，退洪期间最大退洪流量为611m3/s。2007年荆山湖行洪区的使用，有效地降低了淮河干流水位，但是行洪区没有发挥行洪作用，只有蓄洪作用，共调蓄淮河干流洪水约3.5亿m3。荆山湖进洪闸、退洪闸泄流过程如图2.3-50所示。
图2.3-48 上下六坊堤行洪区流态图
图2.3-49 石姚段和洛河洼行洪区流态图
图2.3-50 荆山湖行洪区进、退洪闸流量过程
注:“+”表示洪水从淮干进入行洪区;“-”表示洪水从行洪区进入淮干。
2007年荆山湖行洪区洪水波从上口门传播至下口门约需要16h，2007年进洪闸启用时间为7月19日22时20分，退洪闸启用时间为20日13时14分，退洪闸启用时间比进洪闸迟15h，进洪闸洪水传播至退洪闸上游时，退洪闸开始启用。荆山湖行洪区在使用过程中经过进洪闸单独进洪，进、退洪闸共同进洪，退洪闸单独进洪、退洪闸单独退洪四个阶段。荆山湖行洪区开启后不同时刻流态图如图2.3-51～图2.3-54所示。
图2.3-51 荆山湖进洪闸开启5h后
图2.3-52 荆山湖进洪闸开启16h后
图2.3-53 退洪闸单独进洪
7月23日0时50分至7月30日16时40分荆山湖行洪区进、退洪闸均关闭，期间湖内水位约22.77m，水深1.0～6.5m。
图2.3-54 退洪闸单独退洪
(4)生产圩区过流能力分析。2007年洪水过程中行洪能力较强的5个圩区，自上游而下依次是靠山圩、魏郢子圩、灯草窝圩、陈小湾圩和天河圩，行洪流量见表2.3-20。
表2.3-20 2007年各生产圩区行洪流量表
魏郢子圩和天河圩处河道水位高出圩区堤顶高程较多，且均在河道急弯处，由于弯曲河道“小水坐弯，大水趋直”的过流特性，所以行洪能力较强;陈小湾圩过流能力最小。
2.3.5 数学模型计算与河工模型试验成果对比分析
利用文献[15，23]等河工模型试验实测资料，对所建数学模型计算结果进行补充验证。
为方便对比，数学模型中所采用的地形、边界条件均与河工模型的现状试验条件保持一致。具体条件如下:
(1)地形条件:采用2005年实测地形资料，其中寿西湖行洪堤已退建(工程于1998年完成)，峡山口已拓宽(工程于1996年完成)，靠山圩维持现状。
(2)边界条件:上边界涧沟口给定不同流量级(3000m3/s、5000m3/s、7000m3/s、8000m3/s、10000m3/s)，下边界峡山口给定整治工程实施后的规划水位，见表2.3-21。
表2.3-21 河工模型试验条件
由表2.3-21可见，当来流量小于5000m3/s时，采用堤内行水的方式;当来流量在5000～8000m3/s之间时，东淝闸右圩和靠山圩破圩行洪，具体破圩尺寸可参考历年实际情况概化模拟;当来流量大于8000m3/s时，董峰湖与寿西湖行洪区分别通过设计行洪流量2500m3/s和2000m3/s。
现状试验条件下两种模拟方法的成果对比见表2.3-22，从表中可以看出，各流量级沿程节点水位相差均在0.05m以内，数学模型的计算精度与河工模型(物模)的试验精度基本相当。
表2.3-22 现状试验条件下数学模型计算与河工模型试验沿程水位对比
2.3.6 数学模型计算与蚌埠闸水工模型的试验成果对比分析
采用蚌埠闸枢纽新闸、老闸联合运用时的水工模型(物模)试验成果[20]，对蚌埠闸数学模型的概化方式及各堰闸流量系数的取值进行进一步验证。具体的边界条件和两种模拟方法成果比较见表2.3-23。
表2.3-23 蚌埠闸数学模型与水工模型对比表
对比四个流量级的模拟成果可以看出，水工模型与数学模型过闸落差的差值均在1cm以内，各泄水建筑物分流比差别一般在5%以内。两种模拟方法得出的成果基本一致。