工程师职称论文二维水流模型在滹沱河高标准行洪区防洪评价中的应

　　摘要：沿水深对三维雷诺方程进行莱布尼兹积分得到二维非恒定流运动方程，据此建立滹沱河洪水演进数学模型。根据研究区边界条件及洪水标准，采用合适的水动力学方法，对河道行洪和实时洪水位进行了计算，并考虑了模型区内微地形的影响。在动边界处理时，采用数组跟踪的方法，提高了计算效率。利用滹沱河“96·8”洪水资料对模型进行了验证，模拟水位成果与实测资料吻合较好。在此基础上，模拟了不同标准行洪条件下，滹沱河行洪区内高尔夫球场建设前后的洪水形势，较好地反映了建设项目对河道行洪的影响。模拟结果表明该模型设计合理，具有一定可靠性和实用性。

　　关键词：工程师职称论文,滹沱河,高尔夫球场,数学模型,应用

　　评价方法通常是根据实际情况，选用一维或二维数学模型进行计算。一维数学模型计算方法简单、实用，在山区河道可获得较高精度的计算结果，但在平原区河流超标准行洪区，由于洪水具有明显的二维流特点，因此利用一维数学模型很难取得良好的效果，此时应采用二维水流数学模型。二维模型可以较好地模拟平原区洪水的演进过程，准确地计算出不同地点的洪水位、淹没水深、流速、流向等水力要素，为建设项目的行洪影响评价提供支撑。

　　本文拟建立滹沱河二维水流数学模型，利用模型计算结果，对滹沱河行洪区内高尔夫球场建设项目的河道行洪影响进行评价。

　　1项目情况

　　石家庄滨河生态园高尔夫练习场地处藁城市境内，位于机场路西侧滹沱河规划右堤以南的高标准洪水行洪滩地上，南距石黄高速1800m。石黄高速是石家庄市城市防洪堤，防洪标准为200年一遇。该工程建设规模为国际标准18洞高尔夫球场，总占地面积1213519m2，场区内地形起伏较大。

　　项目区附近现状河道宽约6036m，其中主河槽宽700～800m，深3m左右。河道左岸现有堤防，高1.5～3m、顶宽4m左右，右岸以石黄高速公路为界。项目南侧约300m为南堤埝，高2.0m左右。工程附近河底平均比降0.5‰，河道内有沙坑分布，主槽偏向左岸，右滩地比较宽阔，河滩树林及高杆作物密布，高滩地多垦为农田，且分布有大小不一的临时建筑物，秋季高杆作物及林木对漫滩洪水阻滞严重。

　　2二维水流模型

　　2.1基本控制方程

　　项目区坡面流水深较小，水力要素沿水深分布变化不大，取水深平均的二维控制方程可以较好地反映这类水流的运动特征。本文所采用的二维水流运动方程是沿水深对三维雷诺方程进行莱布尼兹积分所得，并以混长紊流模型求解紊动切应力。该模型适合较大范围洪泛区的洪水数值模拟，能较好地反映水深、水位、流速、流态、流势在每一位置、每一时刻的变化情况，可较全面模拟计算区域内水流运动过程。

　　模型控制方程由水流连续方程与水流运动方程组成，简述如下。

　　（3）出口边界条件。出口开边界条件有两类，一类是自然开边界，主要是经下边界或侧边界出流的河流（或坡面），可按实测水文资料（水位～流量关系）确定。如无实测资料，则按附近河道纵坡，以均匀流（或坡面流）考虑。另一类是修建在下边界上的过水建筑物如公路桥、涵。这需要按相应的桥、涵泄流公式进行控制。

　　（4）动边界处理。在计算区域内随着水流运动，洪水的纵横向传播发展，水边界也在不断变化，因此需要进行动边界处理。常见的方法有窄缝法、时间分段法、水位分段法。本次模型采用了一种新的思想，采用水边界全区自动跟踪法。该方法首先将最大可能的淹没范围包纳在计算域内，设置一个跟踪指标数组Iwet（）。在计算过程中，由计算单元内的水深来判断该单元是否已淹没或露出，即Iwet（）应该赋0还是赋1（0表示露出，为陆地；1表示淹没，为应计算的水域），凡是陆地单元均不纳入计算范围。采用干湿边界法进行干湿单元的转换。这种动边界处理方法能为程序智能的实现创造条件，尤其适合淹没及出露现象频繁的水域，计算所得到的流场更为合理，并可提高计算效率。

　　（5）计算区域内的过水建筑物。模型区域内有高速公路、等级公路等穿过，将形成阻水建筑物，而公路设置的桥梁、通道等成为洪水向下游演进的通道。这些过水部分也可分为两类，一类是跨越多个网格单元的大型桥梁，可以作为自然过流考虑；另一类是小桥、通道，过水断面尺寸与网格单元相比相对较小，只能以嵌入的泄水建筑物考虑。其泄流能力以相应的水力学计算公式控制，将计算公式与模型水流方程联立求解，进而达到建筑物上、下游流场耦合处理。

　　根据本地区过水建筑物特征，采用下述计算方法。

　　a.无压临界过流水力计算：

　　（6）内部边界处理。根据模型区内堤防、公路等高度及标准不同，内部边界分为三类，一是不透水边界，在不考虑渗透的情况下，可以认为陆地边界上法向速度为零，如高速公路，设计标准下的堤防；二是可漫水但不溃决的边界等，此类边界考虑其漫水，但不考虑其溃决；三是标准相对较低的堤防，当发生该堤防标准洪水时，按第一类不透水边界考虑，当发生超标准洪水时，考虑其溃决，本次按瞬时溃堤处理。模型区域内的其他阻水建筑物如村庄房屋、企事业单位，按当地地面高程加适当高度或增大糙率进行处理。项目区项目修建前地形采用河北省测绘局1999年调绘的万分之一地形图资料，项目修建后地形采用本次实测的两千分之一地形图资料。

　　3数学模型的建立

　　3.1模型的范围及地形剖分

　　（1）模型的范围。根据项目区附近滹沱河的河势特点及附近工程条件，确定模型范围。模型上边界取在京珠高速公路；为了提高计算精度，模型下边界取在项目区下游约12.5km的藁城县城东；北边界选在正无公路；南边界为石黄高速公路。模型计算区域东西长度约25km，宽度13.7km左右，模型区面积约343km2。（2）模型的网格剖分。为了较好的反映计算区域内地形情况，满足行洪区计算精度的要求，模型计算网格采用非均匀网格，对于滹沱河北堤至石黄高速公路之间的河道范围网格间距为50m×50m（包括项目区），北埝以北区域网格间距为50m×200m，其I方向网格数Imax=501，J方向网格数Jmax=224，计算单元总数112224。

　　3.2模型的上、下边界条件及初始条件

　　（1）上游边界条件。模型区上游边界位于京珠高速公路，流量边界条件分别为滹沱河50年一遇和100年一遇洪水过程。

　　（2）模型下游边界条件。模型下游边界位于藁城县城东，为自然开边界条件，由于没有实测水位流量关系资料，本次根据河道纵坡按均匀流公式计算。

　　（3）中边界。中边界为模型区内的现状、规划堤防及公路，根据其设计标准及现状情况的不同，按如下方式处理：高速公路和设计标准为100年一遇的堤防，按不透水边界考虑；规划50年一遇的堤防，遇标准内洪水时按不透水边界考虑，为充分分析项目修建后对河道行洪及周边的影响，遇超标准洪水时按超50年水位后其全部溃决考虑；为充分反应项目区对河道的影响，现状北堤和南埝和模型区内公路按可漫水但不溃决条件考虑。

　　3.3糙率确定

　　滹沱河属于砂质河床，行洪时河床断面冲淤变化较大。本次根据滹沱河河道断面形态、河床质组成确定不同区域的河床糙率。

　　滹沱河历史洪水资料验证的河道糙率，主河槽为0.020，滩地0.05～0.06。现状滹沱河主槽内挖沙严重，河道内沙丘和树木较多，滩地上种有大量农作物及林木，因此本次计算主槽糙率采用0.025，滩地采用0.055，计算单元全部为村庄时，取0.12。

　　3.4模型验证

　　在有实测资料的地区，可以利用实测水文资料对模型进行率定，然后进行洪水模拟分析。如果没有实测资料，也可以利用调查洪水资料，对模型进行率定。

　　滹沱河是一条洪水频发的河流，著名的大洪水年份有1794年、1853年、1917年、1939年、1956年、1963年和1996年，其中1996年8月发生的洪水（以下简称“96·8”洪水）是最近的一次，实测资料比较完整，本次采用“96·8”洪水资料对模型进行率定。

　　根据前述的地形剖分资料，以及选定的糙率，对“96·8”洪水进行了反演，验证成果见表1。由表可知：在20个计算值中，除掉计算起始段的1号点误差较大，剩余19个计算点中，模型水位成果与实测成果差值小于等于0.2m以内的有11个，差值小于等于0.5m的有18个，模拟成果与实测成果吻合度较高，说明模型参数选择比较合理，成果可信度较高，可以用来对设计方案进行模拟计算。

　　4.1分析计算方案

　　计算区域规划防洪标准左堤100年一遇，右堤50年一遇。

　　本次对规划防洪工程条件下100年一遇，50年一遇两个标准项目修建前和项目修建后两种工况下，共计4种方案进行了模拟分析。

　　4.2项目建设后影响分析

　　以规划工程实施后为边界条件，并将项目区的地形高程按实测地形资料重新剖分，其他条件不变，分别对50年和100年两个标准的洪水进行了模拟计算。

　　模拟结果显示：当发生50年一遇洪水时，由于规划南堤的保护作用，项目区未上水，因此项目修建后对洪水流势流态及行洪范围均没有影响，对其它工程也未产生影响。当发生100年一遇洪水时，为了充分分析建设项目的影响，规划南堤按全部溃决处理，大的洪水流势流态与项目修建前相比未发生明显变化，但由于项目区局部微地形的影响，使局部水流散乱，但影响区域不大。

　　（1）水位变化分析。规划右堤修建后，项目区在右堤以外，发生50年一遇洪水时，洪水控制在两堤之间，因此项目区建设不会对河道行洪和其他工程产生影响。

　　项目修建后：当发生100年一遇洪水时，项目区大部分区域过水，项目修建后最大壅水高度0.15m，位于项目区上游西北侧，背水侧水位有所降低。由于规划北堤实施后，北堤以外滩地不参与行洪，南侧滩地行洪压力加大，滩地水深及流速均有增加，距离项目区南侧300m的滹沱河南埝壅水影响范围约为4600m，壅水高度在0.01～0.09m之间；项目修建后对洪水主流线位置有一定的影响，壅水高度在0.03～0.04m之间；同时对规划北堤位置也产生影响，但影响较小，壅水高度为0.01～0.02m之间，壅水影响范围约为3400m。由于周围村庄位于南堤埝以外或距离项目区较远，未受到影响。

　　（2）流速变化分析。规划防洪工程实施条件下，50年一遇洪水时，南堤埝沿线未上水。100年一遇洪水时，南堤埝沿线流速大部分流速在0.5～0.9m/s之间，项目建设后，项目区南侧流速较项目修建前有所增加，但增加值不大，最大增加0.12m/s，影响长度1500m。另外，由于项目的阻水作用，在项目区上游存在不同大小的流速降低区域。

　　100年一遇洪水时，机场路特大桥南北桥头附近流速稍有增加，南桥头流速增加0.13m/s，北桥头流速增加0.02m/s，对桥梁影响不大。规划北堤位置流速增加0.01～0.02m/s，影响长度1000m。

　　4.3建设项目防洪安全分析

　　规划情况下50年一遇标准洪水控制在规划两堤间，对项目区没有影响，项目区防洪标准可达到50年一遇。

　　当发生100年一遇洪水时，规划水利工程条件下项目区附近淹没水深2.0m左右，项目区大部分上水，草地最大淹没水深4.24m，建筑区内水深2.23m。

　　5结语

　　高标准行洪区内厂房、村落等建筑物较多，洪水流势比较复杂，采用常规的水面线法进行行洪分析，不能完全反映行洪区洪水真实的的流势流态，计算结果误差较大。

　　二维水流流数学模型是把河流地貌、洪水演进模型化，用模型模拟水流基本能够反映真实水流的运动过程，比较客观地反映了这类区域水流运动的规律。虽然模拟结果仍受模型概化网格的大小、河槽糙率等多种因素影响，但计算结果更接近实际情况。

　　采用数学模型进行洪水模拟时，对地形图依赖程度很高，对计算区域内变化较大的地形、地物要进行必要的补充测绘。为了提高模拟精度，尽量对模型进行应用验证。

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