CN104933268B - 一种基于一维非恒定流数值模型的洪水分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于一维非恒定流数值模型的洪水分析方法，在建立待分析的河流区域的一维非恒定流数值模型时，将河网模型概化为主槽和引航道两条平行河道，并将两条平行河道中间的纵向施工围堰概化为连接两个平行河道的一排连接渠道，进而在一维非恒定流数值模型中根据入流条件得到河流区域内各影响对象附近的洪水位，从而可分析河流区域船闸施工期的施工围堰溃决对坝下水位的影响。

Description

一种基于一维非恒定流数值模型的洪水分析方法

技术领域

本发明涉及一种洪水分析方法，特别是一种基于一维非恒定流数值模型的洪水分析方法。

背景技术

目前，利用河道模型计算洪水的方法已广泛应用于防洪工程、水环境治理、电站梯级规划、涉水建筑物防洪影响评价等工程的设计和相关专题论证。

但现有技术中的河道模型计算方法存在以下缺陷：

一维河网模型采用环状和枝状混合河网统一求解模式，但未考虑河网中存在水工结构物，河道中有堰坝、桥梁、围堰、水闸等情况下该方法无法准确模拟水工建筑对河道水位的影响，在实际工程应用中有较大局限性。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于一维非恒定流数值模型的洪水分析方法。本发明的方法可以准确、科学地确定不同入流条件下的洪水位，以及船闸施工期围堰溃决对水位的影响。

本发明的技术方案：一种基于一维非恒定流数值模型的洪水分析方法，其特征在于；在建立待分析的河流区域的一维非恒定流数值模型时，将河网模型概化为主槽和引航道两条平行河道，并将两条平行河道中间的纵向施工围堰概化为连接两个平行河道的一排连接渠道，进而在一维非恒定流数值模型中根据入流条件得到河流区域内各影响对象附近的洪水位，从而可分析河流区域船闸施工期的施工围堰溃决对坝下水位的影响。连接渠道不需要断面，因此比正常的河道而言更简单。在建模过程中，连接渠道可以看做是一个带有建筑物的河流或有摩擦损失的、有一定长度的溢流堰。高水漫过堰，低水则沿主槽流动。

上述的基于一维非恒定流数值模型的洪水分析方法中，其特征在于，具体包括以下步骤：

①确定模拟区域；

②模拟区域数据化；

③建立一维非恒定流数值模型；

④通过历史洪水数据对一维非恒定流数值模型进行验证及参数修正；

⑤通过设计洪水模拟，得到河流区域内各影响对象附近的洪水位。

前述的基于一维非恒定流数值模型的洪水分析方法中，所述步骤②的具体方法是：(通过勘察及搜集资料)获取模拟区域的地形、地物条件，将模拟区域内地形、地貌、地物、水体和水利条件数据化，生成包含模拟区域内地形和水工结构物的地形散点；再(通过工程软件工具包)将散点地形转换成MIKE11支持的断面文件。MIKE11是水力工程领域常用的一个综合河网模拟系统，还可以进行水权、水环境和地下水研究。它基于ARCVIEW平台，应用数学模型解决流域的地表水产汇计算，地下水资源的计算与评价，流域水环境状况分析等具体问题；还可以进行水库的优化调度(单库、多库)和水电站发电调度，对农业灌溉用水、城市工业、生活供水进行计划调配等。

前述的基于一维非恒定流数值模型的洪水分析方法中，所述步骤③的具体方法是：在MIKE11中导入步骤②建立的断面文件，生成模拟区域的基本数值模型，对模拟区域的基本数值模型建立河网文件，再在河网模型中设置水工结构物(围堰)、水位流量边界、底部阻力参数、初始参数以及求解格式，得出模拟区域的一维非恒定流数值模型，其中河网模型概化采用主槽和引航道两条平行河道，中间的纵向施工围堰利用一排连接渠道(link-channel)连接；

前述的基于一维非恒定流数值模型的洪水分析方法中，所述步骤④的具体方法是：将步骤③中建立的一维非恒定流数值模型中的断面条件修改为历史洪水条件下的断面条件；将历史资料中记载的入流流量、出流水位输入修改后的一维非恒定流数值模型中，得出在历史资料记载的条件下的模拟洪水位，将模拟洪水位与历史资料记载的实际洪水位进行对比，若模拟洪水位与历史资料记载的实际洪水位相比，不满足精度要求，则对一维非恒定流数值模型内的参数进行修正，直到模拟结果满足精度要求。

前述的基于一维非恒定流数值模型的洪水分析方法中，所述步骤⑤的具体方法是：将经过步骤④验证及参数修正后的一维非恒定流数值模型中的断面条件修改回所述步骤②中确定的断面；设计不同的入流条件，并输入到MIKE11中，MIKE11在验证及参数修正后的一维非恒定流数值模型下，得到相应的各影响对象附近的洪水位。

前述的基于一维非恒定流数值模型的洪水分析方法中，所述的一维非恒定流数值模型的一维非恒定流方程组如下：

前述的基于一维非恒定流数值模型的洪水分析方法中，所述船闸施工期的施工围堰包括分隔主槽和引航道的纵向施工围堰，纵向施工围堰前端设有顶冲围堰，引航道内还设有横向围堰。

各步骤中未具体说明的方法均为本领域中的常规方法，因此不在本文中过多赘述。

与现有技术相比，本发明通过采用一维非恒定流模型，能够连续快速模拟多种工况下影响对象附近的洪水位。而且本发明在一维非恒定流数值模型中以地形散点的方式引入水工结构物，并将河网模型概化采用主槽和引航道两条平行河道，中间纵向施工围堰利用一排连接渠道(link-channel)连接，实现高水由主槽漫堰过水进入引航道，低水不过水沿主槽流动，从而可以方便地将不同地形和水工结构物情况引入到一维非恒定流数值模型中，并对洪水位产生影响。因此，本发明在设计不同流量时，可准确模拟出各影响对象附近的洪水位。进而可以分析出船闸施工期围堰对于洪水的影响。

附图说明

图1是本发明实施例的船闸施工期围堰结构示意图。

附图中的标记：1-顶冲围堰，2-纵向围堰，3-横向围堰，4-主槽，5-引航道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。以富春江的富春江水电站坝址下游区域的洪水为分析对象。其船闸施工期围堰如图1所示。本发明的基于一维非恒定流数值模型的洪水分析方法包括以下步骤：

1、确定模拟区域：

在项目所在地区内考虑到工程施工期围堰对富春江水电站坝址下游水位、水流情势以及河床演变的影响，确定主要模拟范围为富春江坝址～桐庐分水江口富春江河道区域。区域范围内主要防洪影响对象为电站大坝、电厂、河道下游堤防以及相应下游区域内的防洪对象。计算面积约为10km²。

2、模拟区域数据化：

在实测该区域1:1000地形图的基础上，对模拟区域的范围进行详细勘查，全面掌握现场条件，广泛搜集有关水文水利资料，并针对模拟区域上下边界、桥梁等主要影响因素进行深入调查研究。对模拟区域内近期实施切滩工程的可以采用船闸改造工程施工单位提供的1:500地形图。

然后通过CAD将模拟区域内的地形、地貌、地物、水体、水利条件等参数转化成包含模拟区域内地形、地貌、地物、水体、水利条件信息的矢量地形图。

然后将上述得到的矢量地形图输出为MIKE11工程软件工具包支持的.xyz格式的数据文件，再通过自编数据处理表格将.xyz格式的数据文件转换成可在MIKE11中运行的断面数据文件。综合考虑断面变化情况及计算稳定性，断面间距取为100m。

模拟区域的边界为：上边界起于富春江水电站坝下，下边界至分水江汇入口。

在高标准洪水条件下，研究区域内的施工围堰将漫溢行洪，主槽和引航道洪水相互串流，洪水流态比较复杂。

3、建立一维非恒定流数值模型

在MIKE11中生成模拟区域范围内的河网模型，导入步骤2)生成的断面文件，再在模型中设置link-channel连接，得出模拟区域的一维非恒定流数值模型。具体方法包括如下步骤：

3.1、河网模型

因施工期围堰为过水围堰，洪水期水位超出围堰堰顶高程，洪水进入基坑，施工区域参与行洪。故本次一维模型采用主槽和引航道两条平行河道。中间纵向施工围堰采用一排link channel连接，link chanel即连接渠道，就是一条短河流用于连接主槽和引航道，连接渠道不需要断面，因此比正常的河道而言更简单。在模拟过程中，连接渠道可以看做是一个带有建筑物的河流或有摩擦损失的、有一定长度的溢流堰。高水漫过堰，低水则沿主槽流动。横向施工围堰在引航道设置宽顶堰。

通过GIS软件将1:1000地形图的河道边线、中心线存成shp文件格式。打开MIKE11，导入shp文件作为背景，沿河道中心线描绘主槽和引航道，形成初步河网文件。然后在主槽和引航道之间的施工围堰定义link-channel连接关系，保存成河网文件。将步骤2)建立的断面文件导入MIKE11中，形成模拟区域的一维水动力模型。

3.2、边界定义

本次一维模拟的范围为坝址下游～航道疏浚末端桐庐分水江口的河道，计算范围河道总长度约11km，计算范围内包括4座桥梁(杭新景高速公路富春江大桥、渡济大桥、富春江大桥以及富春江二桥)。上边界为富春江坝下，采用流量边界；下边界为桐庐分水江口，采用水位边界。

一维模型边界情况表

4、通过历史洪水数据对一维非恒定流数值模型进行验证及参数修正

本次模型验证从三个方面进行的。第一个方面是洪水过程验证，根据富春江2013年和2014年的两场洪水进行洪水过程验证；第二个方面是对恒定流坝下水位进行验证，本次计算关注的重点为富春江坝下，对坝下水位的验证也是十分有必要的。第三个方面是现状的率定，根据《富春江船闸扩建改造工程防洪影响评价报告》的现状成果进行验证。

因本次计算针对不同流量级，对应不同水深，所以要拟合一条糙率-水深关系线。其函数为m＝a×D^b，本次糙率a与b。根据恒定流实测水位验证分析，低水采用糙率要大于高水。故b值为负值。率定结果a＝0.06，b＝-0.206，糙率n的取值范围n<0.048。

本实施例中的上边界条件为流量条件，包括了发电流量和泄洪流量过程。

本实施例中的下边界条件为水位条件，即桐庐水位过程。

5、设计洪水模拟

经过步骤4)验证获得一维非恒定流数值模型，将设计要求的入流条件输入MIKE11中，MIKE11通过计算模拟出设计要求的水流特性。本实施例分析不同频率下施工期围堰对富春江水电站坝下水位的影响。

在进行坝下水位分析时，船闸施工期围堰建成并对唐家洲边滩进行疏浚后，在发电流量工况下，坝下水位比围堰前高0.3～0.5m；在流量为2年、5年、10年和20年一遇工况下，坝下水位比围堰前高0.57～0.6m；当纵向围堰溃决，可使坝下水位降低0.15～0.16m；当横、纵向围堰同时溃决，可使坝下水位降低0.29～0.34m。采用一维水动力模型，准确、科学地确定坝下洪水位及横纵围堰溃决对坝下水位的影响，对电厂发电量预测及减少施工期发电损失上有较大的经济价值。

Claims (1)

1.一种基于一维非恒定流数值模型的洪水分析方法，其特征在于；在建立待分析的河流区域的一维非恒定流数值模型时，将河网模型概化为主槽和引航道两条平行河道，并将两条平行河道中间的纵向施工围堰概化为连接两个平行河道的一排连接渠道，进而在一维非恒定流数值模型中根据入流条件得到河流区域内各影响对象附近的洪水位，从而可分析河流区域船闸施工期的施工围堰溃决对坝下水位的影响；具体包括以下步骤：

①确定模拟区域；

②模拟区域数据化；

③建立一维非恒定流数值模型；

④通过历史洪水数据对一维非恒定流数值模型进行验证及参数修正；

⑤通过设计洪水模拟，得到河流区域内各影响对象附近的洪水位；

所述步骤②的具体方法是：获取模拟区域的地形、地物条件，将模拟区域内地形、地貌、地物、水体和水利条件数据化，生成包含模拟区域内地形和水工结构物的地形散点；再将散点地形转换成MIKE11支持的断面文件；

所述步骤③的具体方法是：在MIKE11中导入步骤②建立的断面文件，生成模拟区域的基本数值模型，对模拟区域的基本数值模型建立河网文件，再在河网模型中设置水工结构物、水位流量边界、底部阻力参数、初始参数以及求解格式，得出模拟区域的一维非恒定流数值模型，其中河网模型概化采用主槽和引航道两条平行河道，中间的纵向施工围堰利用一排连接渠道连接；

所述步骤④的具体方法是：将步骤③中建立的一维非恒定流数值模型中的断面条件修改为历史洪水条件下的断面条件；将历史资料中记载的入流流量、出流水位输入修改后的一维非恒定流数值模型中，得出在历史资料记载的条件下的模拟洪水位，将模拟洪水位与历史资料记载的实际洪水位进行对比，若模拟洪水位与历史资料记载的实际洪水位相比，不满足精度要求，则对一维非恒定流数值模型内的参数进行修正，直到模拟结果满足精度要求；

所述步骤⑤的具体方法是：将经过步骤④验证及参数修正后的一维非恒定流数值模型中的断面条件修改回所述步骤②中确定的断面；设计不同的入流条件，并输入到MIKE11中，MIKE11在验证及参数修正后的一维非恒定流数值模型下，得到相应的各影响对象附近的洪水位；

所述的一维非恒定流数值模型的一维非恒定流方程组如下：

式中：B为水面宽，Z为水位，Q为流量，q为旁侧入流，v为断面平均流速，g为重力加速度，A为过水断面面积，K为过水断面的流量模数；

所述船闸施工期的施工围堰包括分隔主槽和引航道的纵向施工围堰，纵向施工围堰前端设有顶冲围堰，引航道内还设有横向围堰。