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工程師職稱論文二維水流模型在滹沱河高標準行洪區(qū)防洪評價中的應

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  依據(jù)《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國河道管理條例》、《河北省河道管理范圍內(nèi)建設項目防洪評價報告編制技術(shù)大綱》(試行)等有關(guān)法律、法規(guī)的要求,河道管理范圍內(nèi)的建設項目應進行防洪評價,建設項目實施前后的洪水位及流場計算是防洪評價的主要內(nèi)容之一。

  摘要:沿水深對三維雷諾方程進行萊布尼茲積分得到二維非恒定流運動方程,據(jù)此建立滹沱河洪水演進數(shù)學模型。根據(jù)研究區(qū)邊界條件及洪水標準,采用合適的水動力學方法,對河道行洪和實時洪水位進行了計算,并考慮了模型區(qū)內(nèi)微地形的影響。在動邊界處理時,采用數(shù)組跟蹤的方法,提高了計算效率。利用滹沱河“96·8”洪水資料對模型進行了驗證,模擬水位成果與實測資料吻合較好。在此基礎(chǔ)上,模擬了不同標準行洪條件下,滹沱河行洪區(qū)內(nèi)高爾夫球場建設前后的洪水形勢,較好地反映了建設項目對河道行洪的影響。模擬結(jié)果表明該模型設計合理,具有一定可靠性和實用性。

  關(guān)鍵詞:工程師職稱論文,滹沱河,高爾夫球場,數(shù)學模型,應用

  評價方法通常是根據(jù)實際情況,選用一維或二維數(shù)學模型進行計算。一維數(shù)學模型計算方法簡單、實用,在山區(qū)河道可獲得較高精度的計算結(jié)果,但在平原區(qū)河流超標準行洪區(qū),由于洪水具有明顯的二維流特點,因此利用一維數(shù)學模型很難取得良好的效果,此時應采用二維水流數(shù)學模型。二維模型可以較好地模擬平原區(qū)洪水的演進過程,準確地計算出不同地點的洪水位、淹沒水深、流速、流向等水力要素,為建設項目的行洪影響評價提供支撐。

  本文擬建立滹沱河二維水流數(shù)學模型,利用模型計算結(jié)果,對滹沱河行洪區(qū)內(nèi)高爾夫球場建設項目的河道行洪影響進行評價。

  1項目情況

  石家莊濱河生態(tài)園高爾夫練習場地處藁城市境內(nèi),位于機場路西側(cè)滹沱河規(guī)劃右堤以南的高標準洪水行洪灘地上,南距石黃高速1800m。石黃高速是石家莊市城市防洪堤,防洪標準為200年一遇。該工程建設規(guī)模為國際標準18洞高爾夫球場,總占地面積1213519m2,場區(qū)內(nèi)地形起伏較大。

  項目區(qū)附近現(xiàn)狀河道寬約6036m,其中主河槽寬700~800m,深3m左右。河道左岸現(xiàn)有堤防,高1.5~3m、頂寬4m左右,右岸以石黃高速公路為界。項目南側(cè)約300m為南堤埝,高2.0m左右。工程附近河底平均比降0.5‰,河道內(nèi)有沙坑分布,主槽偏向左岸,右灘地比較寬闊,河灘樹林及高桿作物密布,高灘地多墾為農(nóng)田,且分布有大小不一的臨時建筑物,秋季高桿作物及林木對漫灘洪水阻滯嚴重。

  2二維水流模型

  2.1基本控制方程

  項目區(qū)坡面流水深較小,水力要素沿水深分布變化不大,取水深平均的二維控制方程可以較好地反映這類水流的運動特征。本文所采用的二維水流運動方程是沿水深對三維雷諾方程進行萊布尼茲積分所得,并以混長紊流模型求解紊動切應力。該模型適合較大范圍洪泛區(qū)的洪水數(shù)值模擬,能較好地反映水深、水位、流速、流態(tài)、流勢在每一位置、每一時刻的變化情況,可較全面模擬計算區(qū)域內(nèi)水流運動過程。

  模型控制方程由水流連續(xù)方程與水流運動方程組成,簡述如下。

 。3)出口邊界條件。出口開邊界條件有兩類,一類是自然開邊界,主要是經(jīng)下邊界或側(cè)邊界出流的河流(或坡面),可按實測水文資料(水位~流量關(guān)系)確定。如無實測資料,則按附近河道縱坡,以均勻流(或坡面流)考慮。另一類是修建在下邊界上的過水建筑物如公路橋、涵。這需要按相應的橋、涵泄流公式進行控制。

 。4)動邊界處理。在計算區(qū)域內(nèi)隨著水流運動,洪水的縱橫向傳播發(fā)展,水邊界也在不斷變化,因此需要進行動邊界處理。常見的方法有窄縫法、時間分段法、水位分段法。本次模型采用了一種新的思想,采用水邊界全區(qū)自動跟蹤法。該方法首先將最大可能的淹沒范圍包納在計算域內(nèi),設置一個跟蹤指標數(shù)組Iwet()。在計算過程中,由計算單元內(nèi)的水深來判斷該單元是否已淹沒或露出,即Iwet()應該賦0還是賦1(0表示露出,為陸地;1表示淹沒,為應計算的水域),凡是陸地單元均不納入計算范圍。采用干濕邊界法進行干濕單元的轉(zhuǎn)換。這種動邊界處理方法能為程序智能的實現(xiàn)創(chuàng)造條件,尤其適合淹沒及出露現(xiàn)象頻繁的水域,計算所得到的流場更為合理,并可提高計算效率。

 。5)計算區(qū)域內(nèi)的過水建筑物。模型區(qū)域內(nèi)有高速公路、等級公路等穿過,將形成阻水建筑物,而公路設置的橋梁、通道等成為洪水向下游演進的通道。這些過水部分也可分為兩類,一類是跨越多個網(wǎng)格單元的大型橋梁,可以作為自然過流考慮;另一類是小橋、通道,過水斷面尺寸與網(wǎng)格單元相比相對較小,只能以嵌入的泄水建筑物考慮。其泄流能力以相應的水力學計算公式控制,將計算公式與模型水流方程聯(lián)立求解,進而達到建筑物上、下游流場耦合處理。

  根據(jù)本地區(qū)過水建筑物特征,采用下述計算方法。

  a.無壓臨界過流水力計算:

 。6)內(nèi)部邊界處理。根據(jù)模型區(qū)內(nèi)堤防、公路等高度及標準不同,內(nèi)部邊界分為三類,一是不透水邊界,在不考慮滲透的情況下,可以認為陸地邊界上法向速度為零,如高速公路,設計標準下的堤防;二是可漫水但不潰決的邊界等,此類邊界考慮其漫水,但不考慮其潰決;三是標準相對較低的堤防,當發(fā)生該堤防標準洪水時,按第一類不透水邊界考慮,當發(fā)生超標準洪水時,考慮其潰決,本次按瞬時潰堤處理。模型區(qū)域內(nèi)的其他阻水建筑物如村莊房屋、企事業(yè)單位,按當?shù)氐孛娓叱碳舆m當高度或增大糙率進行處理。項目區(qū)項目修建前地形采用河北省測繪局1999年調(diào)繪的萬分之一地形圖資料,項目修建后地形采用本次實測的兩千分之一地形圖資料。

  3數(shù)學模型的建立

  3.1模型的范圍及地形剖分

 。1)模型的范圍。根據(jù)項目區(qū)附近滹沱河的河勢特點及附近工程條件,確定模型范圍。模型上邊界取在京珠高速公路;為了提高計算精度,模型下邊界取在項目區(qū)下游約12.5km的藁城縣城東;北邊界選在正無公路;南邊界為石黃高速公路。模型計算區(qū)域東西長度約25km,寬度13.7km左右,模型區(qū)面積約343km2。(2)模型的網(wǎng)格剖分。為了較好的反映計算區(qū)域內(nèi)地形情況,滿足行洪區(qū)計算精度的要求,模型計算網(wǎng)格采用非均勻網(wǎng)格,對于滹沱河北堤至石黃高速公路之間的河道范圍網(wǎng)格間距為50m×50m(包括項目區(qū)),北埝以北區(qū)域網(wǎng)格間距為50m×200m,其I方向網(wǎng)格數(shù)Imax=501,J方向網(wǎng)格數(shù)Jmax=224,計算單元總數(shù)112224。

  3.2模型的上、下邊界條件及初始條件

 。1)上游邊界條件。模型區(qū)上游邊界位于京珠高速公路,流量邊界條件分別為滹沱河50年一遇和100年一遇洪水過程。

 。2)模型下游邊界條件。模型下游邊界位于藁城縣城東,為自然開邊界條件,由于沒有實測水位流量關(guān)系資料,本次根據(jù)河道縱坡按均勻流公式計算。

 。3)中邊界。中邊界為模型區(qū)內(nèi)的現(xiàn)狀、規(guī)劃堤防及公路,根據(jù)其設計標準及現(xiàn)狀情況的不同,按如下方式處理:高速公路和設計標準為100年一遇的堤防,按不透水邊界考慮;規(guī)劃50年一遇的堤防,遇標準內(nèi)洪水時按不透水邊界考慮,為充分分析項目修建后對河道行洪及周邊的影響,遇超標準洪水時按超50年水位后其全部潰決考慮;為充分反應項目區(qū)對河道的影響,現(xiàn)狀北堤和南埝和模型區(qū)內(nèi)公路按可漫水但不潰決條件考慮。

  3.3糙率確定

  滹沱河屬于砂質(zhì)河床,行洪時河床斷面沖淤變化較大。本次根據(jù)滹沱河河道斷面形態(tài)、河床質(zhì)組成確定不同區(qū)域的河床糙率。

  滹沱河歷史洪水資料驗證的河道糙率,主河槽為0.020,灘地0.05~0.06,F(xiàn)狀滹沱河主槽內(nèi)挖沙嚴重,河道內(nèi)沙丘和樹木較多,灘地上種有大量農(nóng)作物及林木,因此本次計算主槽糙率采用0.025,灘地采用0.055,計算單元全部為村莊時,取0.12。

  3.4模型驗證

  在有實測資料的地區(qū),可以利用實測水文資料對模型進行率定,然后進行洪水模擬分析。如果沒有實測資料,也可以利用調(diào)查洪水資料,對模型進行率定。

  滹沱河是一條洪水頻發(fā)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月發(fā)生的洪水(以下簡稱“96·8”洪水)是最近的一次,實測資料比較完整,本次采用“96·8”洪水資料對模型進行率定。

  根據(jù)前述的地形剖分資料,以及選定的糙率,對“96·8”洪水進行了反演,驗證成果見表1。由表可知:在20個計算值中,除掉計算起始段的1號點誤差較大,剩余19個計算點中,模型水位成果與實測成果差值小于等于0.2m以內(nèi)的有11個,差值小于等于0.5m的有18個,模擬成果與實測成果吻合度較高,說明模型參數(shù)選擇比較合理,成果可信度較高,可以用來對設計方案進行模擬計算。

  4.1分析計算方案

  計算區(qū)域規(guī)劃防洪標準左堤100年一遇,右堤50年一遇。

  本次對規(guī)劃防洪工程條件下100年一遇,50年一遇兩個標準項目修建前和項目修建后兩種工況下,共計4種方案進行了模擬分析。

  4.2項目建設后影響分析

  以規(guī)劃工程實施后為邊界條件,并將項目區(qū)的地形高程按實測地形資料重新剖分,其他條件不變,分別對50年和100年兩個標準的洪水進行了模擬計算。

  模擬結(jié)果顯示:當發(fā)生50年一遇洪水時,由于規(guī)劃南堤的保護作用,項目區(qū)未上水,因此項目修建后對洪水流勢流態(tài)及行洪范圍均沒有影響,對其它工程也未產(chǎn)生影響。當發(fā)生100年一遇洪水時,為了充分分析建設項目的影響,規(guī)劃南堤按全部潰決處理,大的洪水流勢流態(tài)與項目修建前相比未發(fā)生明顯變化,但由于項目區(qū)局部微地形的影響,使局部水流散亂,但影響區(qū)域不大。

 。1)水位變化分析。規(guī)劃右堤修建后,項目區(qū)在右堤以外,發(fā)生50年一遇洪水時,洪水控制在兩堤之間,因此項目區(qū)建設不會對河道行洪和其他工程產(chǎn)生影響。

  項目修建后:當發(fā)生100年一遇洪水時,項目區(qū)大部分區(qū)域過水,項目修建后最大壅水高度0.15m,位于項目區(qū)上游西北側(cè),背水側(cè)水位有所降低。由于規(guī)劃北堤實施后,北堤以外灘地不參與行洪,南側(cè)灘地行洪壓力加大,灘地水深及流速均有增加,距離項目區(qū)南側(cè)300m的滹沱河南埝壅水影響范圍約為4600m,壅水高度在0.01~0.09m之間;項目修建后對洪水主流線位置有一定的影響,壅水高度在0.03~0.04m之間;同時對規(guī)劃北堤位置也產(chǎn)生影響,但影響較小,壅水高度為0.01~0.02m之間,壅水影響范圍約為3400m。由于周圍村莊位于南堤埝以外或距離項目區(qū)較遠,未受到影響。

  (2)流速變化分析。規(guī)劃防洪工程實施條件下,50年一遇洪水時,南堤埝沿線未上水。100年一遇洪水時,南堤埝沿線流速大部分流速在0.5~0.9m/s之間,項目建設后,項目區(qū)南側(cè)流速較項目修建前有所增加,但增加值不大,最大增加0.12m/s,影響長度1500m。另外,由于項目的阻水作用,在項目區(qū)上游存在不同大小的流速降低區(qū)域。

  100年一遇洪水時,機場路特大橋南北橋頭附近流速稍有增加,南橋頭流速增加0.13m/s,北橋頭流速增加0.02m/s,對橋梁影響不大。規(guī)劃北堤位置流速增加0.01~0.02m/s,影響長度1000m。

  4.3建設項目防洪安全分析

  規(guī)劃情況下50年一遇標準洪水控制在規(guī)劃兩堤間,對項目區(qū)沒有影響,項目區(qū)防洪標準可達到50年一遇。

  當發(fā)生100年一遇洪水時,規(guī)劃水利工程條件下項目區(qū)附近淹沒水深2.0m左右,項目區(qū)大部分上水,草地最大淹沒水深4.24m,建筑區(qū)內(nèi)水深2.23m。

  5結(jié)語

  高標準行洪區(qū)內(nèi)廠房、村落等建筑物較多,洪水流勢比較復雜,采用常規(guī)的水面線法進行行洪分析,不能完全反映行洪區(qū)洪水真實的的流勢流態(tài),計算結(jié)果誤差較大。

  二維水流流數(shù)學模型是把河流地貌、洪水演進模型化,用模型模擬水流基本能夠反映真實水流的運動過程,比較客觀地反映了這類區(qū)域水流運動的規(guī)律。雖然模擬結(jié)果仍受模型概化網(wǎng)格的大小、河槽糙率等多種因素影響,但計算結(jié)果更接近實際情況。

  采用數(shù)學模型進行洪水模擬時,對地形圖依賴程度很高,對計算區(qū)域內(nèi)變化較大的地形、地物要進行必要的補充測繪。為了提高模擬精度,盡量對模型進行應用驗證。

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