基于MIKE21 的霍邱县新店至左王35kV 输电线路杆塔流态分析

庄鹏程，孙成坤

（安徽安兆工程技术咨询服务有限公司，安徽 蚌埠 233000）

根据《洪水影响评价报告编制导则》（SL520-2014）的相关要求，输电线路工程在进行洪水影响评价时须进行水文分析计算，传统的一维经验公式解决不了行（蓄）洪区的水情参数问题，本文采用MIKE21 模型进行二维流场的模拟，针对霍邱县新店至左王35kV 输电线路杆塔流态进行分析，得到了水位、流量时空变化的信息。

1 工程概况

霍邱县隶属于安徽省六安市，地处安徽省西部边缘，东与寿县毗邻，西与河南省固始县接壤，南与裕安区、叶集区相连，北与阜南、颍上两县隔淮相望。现六安霍邱县新店—左王35kV 线路年限较长，线径较小，输电能力不足，并且多处居住区仅满足35kV 架空线路安全运行最低要求。本工程线路自霍左354 新店支线B7 杆起向东走线，沿规划道路南侧至霍邱现代产业园东侧，后平行现状西湖—左王35kV 线路向东北方向走线，途径王家圩子、王家老园、伊楼村，接着左转向东北方向架线跨越310 省道，右转向东南方向走线，至城东湖闸附近，利用西山—霍邱110kV 线路路径向东走线，途径李岗村、康家庄、汪冲村，后右转至周家圩子西侧，接着右转向新安方向走线至35kV 左王。新建线路路径总长度约16.55km，共布设杆塔60 个。根据工程线路路径，本次工程实施线路自西向东依次跨越城东湖蓄洪大堤、汲河等区域。

2 数值模型的建立

霍邱县新店至左王35kV 输电线路工程位于汲河与淮河交汇处滩地，城东湖蓄洪区进退洪闸下。为了分析输电线路的修建对城东湖蓄洪区进洪、退洪的影响，利用平面二维水流数值模型对输电线路修建前后城东湖闸附近滩区的水流运动流态进行数值模拟对比分析。

本次数模计算采用丹麦水力研究所开发的MIKE21 软件进行分析计算。MIKE21 软件模拟二维洪水演进的技术比较成熟，已在国内外得到广泛应用。本次研究区域城东湖闸下游汲河滩区计算边界不规则，结构化网格难以满足精度要求，所以选用非结构化网格模型来进行进退洪过程模拟。采用非结构化网格可以解决计算区域边界不规则的问题，而且精度和计算效率也较好。

2.1 计算方法

MIKE21 水流模拟基于的控制方程是不可压缩流体三维雷诺纳维-斯托克斯方程沿水深积分的连续方程和动量方程。MIKE21 非结构化网格模型采用非结构有限体积法离散控制方程。为了准确拟合圩区曲折的岸边界，本次数值模型采用三角形网格进行计算。

2.2 模型的建立

2.2.1 计算范围

模型计算采用实测的城东湖闸下游汲河滩区地形资料，计算范围为城东湖闸下游整个汲河滩区，总长7km，下接淮河滩地。

2.2.2 糙率

城东湖闸下游汲河滩区在进行洪水模拟的过程中，根据现场调研资料、相关项目经验及书籍资料，模型中糙率选用0.035。

2.2.3 网格

由于城东湖闸下游汲河滩区整体面积不大，而且计算区域内地形没有急剧变化的特点，故采用边长约60m 的三角形作为计算网格，并对塔基局部网格进行加密，总共划分了14099 个网格。

2.2.4 时间步长

利用有限体积法计算三角网格的水流模拟时，采用120s 作为最大时间步长，0.01s 作为最小时间步长。

2.2.5 边界条件

城东湖闸下游汲河滩区在洪水演进模拟时，以闸门口处相应淮河水位作为边界条件，闸门口处的出流情况是以动量的形式进行计算。由二维浅水方程组可知，在进行动量计算时，水位是影响计算的主要因素。城东湖闸下游汲河滩区在闸门口处的网格水深设定时要大于湿水深，保证在此单元上的水流正常计算，既要计算流量通量，也要计算动量通量；而城东湖闸闸门以外地区的网格初始水深设定为干水深与湿水深之间。计算区域和工程路线示意图见图1。

图1 计算区域和工程路线示意图

3 蓄洪（进洪）工况计算结果分析

为了分析工程前后相关影响，模型模拟分析了城东湖蓄洪（进洪）工况的洪水演进过程。根据模型初步试算结果，在城东湖蓄洪区启用的6h 后，城东湖闸下游汲河滩区基本形成稳定流态。因此，本次二维水流数值模型的计算时间定为6h，重点分析输电线路修建前后对城东湖分蓄洪（进洪）过程中汲河滩地总体流场流态、塔基处水位和流速、城东湖进洪闸过洪能力等方面的影响。

3.1 对塔基局部水位和水流流场的影响

为了分析线塔对局部水位和流量的影响，模型分析了工程前35#～43#线塔处水位和流量，工程后35#～43#线塔北侧10m、南侧10m 处的水位和流量。

根据二维水流数值模型计算结果分析，各杆塔处水位的最大抬高值不超过0.004m，最大降低0.016m。各杆塔处流速最大增加0.0049m/s，最大减少0.226m/s。可见输电线路的修建对城东湖闸下游汲河滩区局部的水位、流速的影响均很小。

为分析工程修建对城东湖闸下游汲河滩区水流流场的影响，选取城东湖闸附近35#～40#塔为代表，图2 和图3 为同一时刻工程前后杆塔处流场图。从图中可以看出，工程修建后，塔基附近出现明显的绕流。但总体来说，输电线路的修建对水流流场的影响很小，仅在塔基局部网格处的流速大小和流向有稍微明显的改变，其他网格处的流速大小和方向并无明显的变化。

图2 城东湖闸进洪工况流速分布图（工程前）

图3 城东湖闸进洪工况流速分布图（工程后）

根据计算分析结果，输电线路的修建，引起线路上游水位略有壅高，从而一定程度上减小了城东湖闸闸门的进洪流量。但由于输电线路距离进洪城东湖闸闸门较远，在同一时刻的进洪流量较输电线路建成前的最大减少值仅为0.06m3/s，相对于进洪流量来说非常小。

3.2 退洪工况计算结果分析

为了分析在城西湖退洪工况下工程前后相关影响，模型模拟了城东湖退洪工况的洪水演进过程。模拟结果仍然显示，工程建设对整个城东湖闸下游汲河滩区的流场和流速以及城东湖闸的过流能力几乎不产生影响。

不同之处在于闸下游泄水导致36#塔、37#塔附近产生了明显的回流区。回流区工程前后均存在，与本工程无关。经分析，回流区内的线塔流速影响也较小。城东湖闸退洪工程前后工况流速分布图见图4、图5。

图4 城东湖闸退洪工况流速分布图（工程前）

图5 城东湖闸退洪工况流速分布图（工程后）

模型还计算了回流区对塔基局部影响。根据二维水流数值模型计算结果分析，在存在回流区的情况下，各杆塔处水位没有产生壅高（理论上应该有壅高，考虑因模型精度条件限制），最大降低0.011m。各杆塔处流速最大增加0.0055m/s，最大减少0.226m/s。可见输电线路的修建对城东湖闸下游汲河滩区局部的水位、流速的影响均很小。回流区的存在对输电线路影响也较小。

4 结论

MIKE21 计算杆塔处水位、流速分布与实测水文水情参数一致性较高，因此对输电工程杆塔附近流场的模拟结果是可信的。本模型得出的水文水情参数计算结果，为洪水影响评价水文水利计算提供了可靠数据支撑，也可以作为审批单位审查涉河建设方案的决策依据■