CN111177875B - 一种河道整治方案模拟与优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于应急防灾技术领域，尤其涉及一种河道整治方案模拟与优化方法，包括步骤：①河道整治措施与方案确定；②河道整治方案模拟模型构建与验证；③河道整治方案模拟与效果评估；④河道整治工程优化方案确定。本发明构建了集成多因素耦合的河道整治方案模拟优化方法，适用于具有复杂地形地貌与防洪工程体系的研究区域洪灾风险评估，能够快速准确地模拟不同整治方案下河道沿程水位、洪水演进过程、洪水传播时间、水位与流量变化、可能溃堤淹没风险等情况，而且根据不同河道整治方案，调整对应的地形条件与模型计算参数，通过对比分析不同工况条件下河道水文情势变化与防洪风险减灾效果，确定河道整治方案优化方向。
Description
技术领域
本发明属于应急防灾技术领域，尤其涉及一种河道整治方案模拟与优化方法。
背景技术
受气候变化和高强度人类活动影响，大江大河洪水发生时间、频率、量级、过程、组合遭遇等特征均将产生明显的变化，同时堤防、闸、坝、行蓄洪区等防洪工程体系对河道水动力特征产生了复杂的影响，洪涝灾害频繁发生、损失惨重且防治困难。为进一步防御大江大河水文情势异常突变造成灾害险情的发生，河流发展过程中均进行了不同程度的整治与控制，河道整治措施主要包括河床疏浚、河道清障、河道裁弯取直、拓宽堤距、修建丁坝、护坡护岸等，基本形成了较为完善的防洪工程体系，一定程度上扩大了河道泄洪排涝能力。河道整治工程建设需耗费大量的人力物力财力，整治方案能够取得多大的防洪排涝效应一直是工程设计与优化领域关注的重要焦点与难点，因此河道整治方案的模拟、评估与优化工作显得尤为重要。
关于河道整治方案模拟与优化方法，主要包括水文学法和水力学法。目前，河道整治方案模拟与优化方法存在的技术难题和应用局限性主要表现为：①研究河道长度较短，多是分析河道整治对局部河段的影响，未能充分评估整治工程对上下游较长距离河段洪水水情的干扰变化；②河道整治方案的模拟模型，多是建立河道一维或二维水动力数值模型或较为简单的一二维耦合水动力模型，对于同时考虑闸坝、行蓄洪区、支流等干扰因素影响的模型，研究成果较少、计算精度尚有待进一步提高；③河道整治效果的评估手段较为单一，多是对洪水演进过程、洪水传播时间、沿程水面线等一种或几种因素的变化进行分析，缺少对河道洪水传播变化规律全面系统地评估方法。
有鉴于此，确有必要提供一种河道整治方法模拟与优化方法，以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术的不足，而提供一种河道整治方案模拟与优化方法，准确模拟河道整治工程实施对洪水演进传播的影响，提出并辅助制定河道整治优化方案。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种河道整治方案模拟与优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)收集研究区域内的基础地形、线状地物、水文及洪水过程、构筑物与工程调度以及历史洪涝灾害资料，根据河道形态、可能洪水发生情况、历史洪灾状况以及河道整治目标，初步制定河道整治方案；
2)根据研究区域与计算河段的河流走向、河道断面、数字地形高程数据，设置模型计算参数与定解条件，建立河道与防洪保护区一二维耦合非恒定流水动力模型；
3)选取典型场次历史洪水对步骤2)所建模型进行率定验证，通过对比分析水位或流量的实测值与模拟值，合理调整计算参数，直至模拟结果满足精度要求；
4)根据制定的若干种河道整治方案，分析不同方案对应的河道地形变化情况，调整不同方案河道地形断面形态，改变河道整治方案模拟模型断面参数，重新构建对应于不同整治方案的数值模型，模拟各工况条件下的洪水演进传播过程；
5)提取模型计算结果中河道水位与流量沿程变化过程以及防洪保护区洪水淹没水深信息，对不同方案河道整治效果进行综合评价；
6)根据不同整治方案效果评估结果，确定河道整治优选方案。
作为本发明所述的河道整治方案模拟与优化方法的一种改进，所述河道与防洪保护区一二维耦合非恒定流水动力模型内考虑河中闸坝过流能力、大洪水期间行洪区行洪能力、蓄洪区蓄水分洪过程、支流和区间洪水汇入、防洪保护区线状地物阻水作用以及堤防溃决分流过程。
作为本发明所述的河道整治方案模拟与优化方法的一种改进，所述河道与防洪保护区一二维耦合非恒定流水动力模型由河道一维非恒定流水动力模型和防洪保护区二维非恒定流水动力模型耦合得到。构建研究河段一维非恒定流水动力模型时，通过建立重要闸坝过流量与上下游水位之间的关系反映其泄流能力与过程，采用将行洪区扩展为河道大断面的方法充分反映大洪水期间其与河道的联合行洪过程，根据蓄洪区启用闸控流量过程以及支流出入流情况在河网相应位置添加源汇项，以添加分布源的方式计算区间径流或降雨对河道洪水演进的影响，从而建立能够反映复杂区域河流洪水演进特征的河道一维非恒定流水动力模型。为准确模拟不同整治方案下河道溃堤洪水对防洪保护区的淹没影响，构建防洪保护区二维非恒定流水动力模型，考虑公路、铁路等线状地物的阻水绕流影响，将其作为模型内边界进行处理，并通过实际地形插值、网格平滑及局部加密等措施对模型进行优化。通过溃堤分流的侧向建筑物耦合方式实现河道一维水动力模型与防洪保护区二维水动力模型的衔接耦合，充分反映河道与防洪保护区在溃堤位置处的水流连接和水量交换。
作为本发明所述的河道整治方案模拟与优化方法的一种改进，所述河道一维非恒定流水动力模型其控制方程组如下：
连续性方程：
动量方程：
式中：A为过水断面面积；Q为流量；Z为水位；C为谢才系数；R为水力半径；q为旁侧入流流量；g为重力加速度；α为动量修正系数；t为时间坐标，x为空间坐标。
作为本发明所述的河道整治方案模拟与优化方法的一种改进，所述防洪保护区二维非恒定流水动力模型其控制方程组如下：
连续性方程：
沿x轴方向动量方程：
沿y轴方向动量方程：
式中：u，v分别为x、y方向的速度分量；
表示平均水深下的流速；η表示河床底高程；d表示静水深；sxx，sxy，syx，syy表示辐射应力分量；S表示点源流量大小；us、vs表示源汇项水流流速；Txx表示粘滞摩擦，Txy表示湍流摩擦，Tyy表示差异平流；ρ表示水的密度，ρo表示水的相对密度；pa表示大气压强；g表示重力加速度；t表示时间；x，y，z表示笛卡尔坐标。
作为本发明所述的河道整治方案模拟与优化方法的一种改进，所述的溃堤分流过程采用宽顶堰流进行计算，公式如下：
Q＝μb(h1-Zc)(h1-h2)1/2
式中：Q为溃口过堰流量；b为溃口宽度；μ为流量系数；h1和h2分别为溃口内外两侧水位；Zc为溃口顶部高程。
作为本发明所述的河道整治方案模拟与优化方法的一种改进，所述的河中闸坝过流能力计算方法为以下三种中的任意一种：
Q＝f(hU/S,hD/S)或HU/S＝f(hD/S,Q)或HD/S＝f(hU/S,Q)，
式中：Q为闸坝过流流量，HU/S或hU/S为闸坝上游水位，HD/S或hD/S为闸坝下游水位。
作为本发明所述的河道整治方案模拟与优化方法的一种改进，所述河道整治方案中包括以下整治措施的至少一种：河床疏浚、河道清障、河道裁弯取直、拓宽堤距、修建丁坝、护坡护岸。
作为本发明所述的河道整治方案模拟与优化方法的一种改进，在步骤5)中，从河道沿程水位、洪水演进过程、洪水传播时间、水位与流量变化、可能溃堤淹没风险若干方面对不同方案的河道整治效果进行综合评价。
作为本发明所述的河道整治方案模拟与优化方法的一种改进，在步骤6)中，结合不同措施实施对河道水文情势、河势稳定、水利工程运行、防汛抢险、沿河居民生活若干方面的综合影响，优选整治工程最佳方案。
相比于现有技术，本发明至少具有以下有益效果：
1)本发明构建了多因素耦合的河道整治方案模拟优化方法，适用于具有复杂地形地貌与防洪工程体系的研究区域洪灾风险评估，能够快速准确的模拟不同整治方案下河道沿程水位、洪水演进过程、洪水传播时间、水位与流量变化、可能溃堤淹没风险等情况。
2)本发明根据不同河道整治方案，调整对应的地形条件与模型计算参数，通过对比分析不同工况条件下河道水文情势变化与防洪风险减灾效果，确定河道整治方案优化方向与策略，实现河道整治措施的优选与方案优化。
附图说明
图1是本发明实施例的研究区域地理位置示意图。
图2是本发明实施例中鲁台子站2003年洪水流量验证图。
图3是本发明实施例中淮南站2003年洪水水位验证图。
图4是本发明实施例的河道整治对沿程水位线的影响效应分析图，图中实测值为2003年实际洪水水面线。
图5是本发明实施例的河道整治对水位流量关系的影响效应分析图
图6是本发明实施例的河道整治对洪水演进过程的影响效应分析图
图7是本发明实施例的河道整治对溃堤淹没风险的影响效应分析图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和说明书附图，对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
以淮河干流中游河段为研究对象，地理位置如图1所示。
一种河道整治方案模拟与优化方法主要包括以下步骤：
1、研究区域确定与数据资料分析：
本实施例以淮河干流中下游(王家坝～小柳巷)河段和茨南淝左片防洪保护区作为研究对象，整治工程实施河段为正阳关至吴家渡河段，该河段具有弯曲、狭窄、分汊、河道比降平缓、洪水排泄不畅等特点，自1954年淮河全流域大水后，先后实施过多处整治工程，河段长约130km，河道堤距为0.45～3.20km，深泓高程值为-11.22～9.20m，地形起伏变化较大，区域内具有行蓄洪区、支流、闸坝等众多工程设施。通过调研勘察，收集河道断面、行洪区与防洪保护区地形、历史典型洪水过程与灾害情况、构筑物与工程调度运行规则等各类资料，并进行分类整编、数据化与格式化处理。
2、河道整治措施与分析方案确定：
研究区域整治工程实施河段形态主要包括微弯型、弯曲型和分叉型三种，多年来径流量较为稳定，含沙量和输沙量呈现递减趋势，利于河道主槽冲刷和边坡稳定。根据《淮河流域防洪规划》和《淮河干流行蓄洪区调整规划(修订)》，要求通过河道拓浚和行蓄洪区调整，减少行蓄洪区的启用几率，增加中等洪水的行洪能力。因此，本实施例重点考虑疏浚工程和行蓄洪区调整两种河道整治工程措施，设定3种分析方案。
淮河干流正阳关至吴家渡河段河道整治方案列表：
3、河道整治方案模拟模型构建与验证：
为评估分析淮河干流正阳关至吴家渡河段不同整治方案对河道洪水演进传播影响及潜在溃堤淹没风险减弱程度，构建淮河干流王家坝至小柳巷河段以及茨南淝左片防洪保护区一二维耦合水动力河道整治方案模拟模型。
首先，根据淮河干流河网矢量信息，制作一维河网文件。考虑临淮岗和蚌埠闸两座河中重要闸坝调度运行情况，建立闸控过流流量与上下游水位之间的关联关系，以此设置闸坝运行调度规则；根据河段区间支流与蓄洪区分布位置，设置源汇项，其中考虑的主要支流包括史灌河、淠河、颍河和涡河；根据历史洪灾发生情况，选择城北湖为溃口，堤防溃决时机为河道水位达到溃口位置防洪保证水位25.46m时，溃决方式为瞬间全溃，溃口宽度为200m，在河网文件中将溃口概化为侧向建筑物并设置参数。
然后，根据淮河干流(王家坝～小柳巷)河段2003年实测断面资料，整编处理成起点距～高程对应关系值，构建断面数据文件。同时根据方案1～方案3对应的河道断面变化情况对断面文件进行调整，制作不同整治方案对应的断面文件。
其次，为了评估城北湖处淮河干堤溃决洪水在茨南淝左片防洪保护区内的淹没风险，根据防洪保护区数字地形高程(栅格分辨率为30m)、内部公路和铁路路顶高程、沿路过水桥洞，构建茨南淝左片防洪保护区二维水动力模型，模型内将公路和铁路作为线性内边界进行概化，在过水桥洞处按实际尺寸自然断开，并对沿线网格进行加密光滑处理。
最后，通过城北湖溃口侧向建筑物连接方式实现淮河干流一维水动力模型与茨南淝左片防洪保护区二维水动力模型的动态耦合，设置耦合模型入流条件为王家坝站流量过程(本实施例采用2003年典型洪水)、出流条件为小柳巷河道断面水位～流量关系，河段综合糙率为0.03(模型验证时再调整)。由以上步骤，完成河道整治方案模拟模型构建。
基于2003年典型洪水实测资料，分析对利用2003年实测断面数据所构建的河道整治方案模拟模型进行率定验证，选取不同测站水位和流量的模拟值与实测值进行对比分析，如图2～3所示。由此可见，各测站水位或流量过程拟合度很高，相对误差均可控制在3％以内，河段综合糙率值为0.029～0.032，所建模型可为河道整治方案模拟评估提供计算平台。
4、河道整治方案模拟与效果评估：
基于步骤3所构建的河道整治方案模拟模型，以2003年实测洪水作为入流边界条件，计算2003实际地形条件以及方案1～方案3不同工况条件下的河道洪水演进传播情况，从沿程水面线、不同方案在2003年条件下的水位和流量变化关系、洪水演进过程等角度分析不同河道整治方案下河流水文情势变化，分析结果如图4至图6所示。
以100年一遇洪水作为入流边界条件，计算2003实际地形条件以及方案1～方案3不同工况条件下城北湖溃堤洪水在茨南淝左片防洪保护内的淹没水深情况，对比分析不同方案可能的减灾效果，分析结果如图7所示。
由图4至图7分析可知，不同整治方案均可达到降低洪水位、增大排洪能力、减小溃堤淹没风险的效果，但明显方案2整治效果最佳，说明以疏浚工程为主是计算河段整治的主要工程措施。
5、河道整治工程优化设计方案确定：
在步骤4河道整治方案模拟与效果评估基础上，初步确定了以疏浚工程为主、以行洪区调整为辅的整治方案。下面从整治措施对水文情势、河势稳定、水利工程安全运行、防汛抢险及沿河居民生活等方面的综合影响，确定整治工程优化设计方案。
从对河道水文情势影响角度分析。根据图4至图7分析结果，同等条件下方案2对应的水面比降降幅最大，计算得到的水位-流量关系曲线右移程度最大，即在同级别流量下水位最低，同级别水位下流量最大，河道泄流能力最大，其次是方案3和方案1。
从对河势稳定影响角度分析。河道疏浚工程有利于保持河势稳定，塑造良好的行洪通道。行洪区堤防退建或铲除扩大了河道过水断面、增加了汛期水域面积，使得断面形态趋于宽浅化，并不利于河势更为稳定的发展。
从对水利工程安全运行影响角度分析。根据步骤4分析结果，不同整治方案条件下河道沿程水面线均呈现显著降低趋势，整治工程实施并不影响河道堤防、已建闸坝、泵站的安全与正常运行。
从对防汛抢险影响角度分析。整治工程规模一般较大、工期较长，可能跨越汛期，造成防汛抢险更加困难。河道疏浚工程应尽量在非汛期完成施工，同时确保施工期间河道泄洪能力与流域防洪安全。行洪区堤防退建，将影响原区域内的防汛抢险设施、车辆通行道路等，一定程度上也会影响防汛抢险工作的开展。
从对沿河居民生活影响角度分析。疏浚工程主要是对河道内部进行整治，基本不影响堤外居民生活。行洪区堤防退建，可能会涉及移民问题，将对沿河居民生活、农耕用地等造成一定影响
综合以上各方面因素的影响分析，淮河干流以疏浚工程为主、行洪区调整为辅是最优的河道整治方案。关于整治方案的具体规模与优化参数，需在河道整治方案模拟模型基础上，结合河道整治目标与工程实施可行性进行确定。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上所作出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。
Claims (7)
1.一种河道整治方案模拟与优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)收集研究区域内的基础地形、线状地物、水文及洪水过程、构筑物与工程调度以及历史洪涝灾害资料，根据河道形态、可能洪水发生情况、历史洪灾状况以及河道整治目标，初步制定河道整治方案；
2)根据研究区域与计算河段的河流走向、河道断面、数字地形高程数据，设置模型计算参数与定解条件，建立河道与防洪保护区一二维耦合非恒定流水动力模型；
其中，所述河道与防洪保护区一二维耦合非恒定流水动力模型内考虑河中闸坝过流能力、大洪水期间行洪区行洪能力、蓄洪区蓄水分洪过程、支流和区间洪水汇入、防洪保护区线状地物阻水作用以及堤防溃决分流过程；
所述的溃堤分流过程采用宽顶堰流进行计算，公式如下：
Q＝μb(h1-Zc)(h1-h2)1/2
式中：Q为溃口过堰流量；b为溃口宽度；μ为流量系数；h1和h2分别为溃口内外两侧水位；Zc为溃口顶部高程；
所述的河中闸坝过流能力计算方法为以下三种中的任意一种：
Q＝f(hU/S,hD/S)或HU/S＝f(hD/S,Q)或HD/S＝f(hU/S,Q)，
式中：Q为闸坝过流流量，HU/S或hU/S为闸坝上游水位，HD/S或hD/S为闸坝下游水位；
3)选取典型场次历史洪水对步骤2)所建模型进行率定验证，通过对比分析水位或流量的实测值与模拟值，合理调整计算参数，直至模拟结果满足精度要求；
4)根据制定的若干种河道整治方案，分析不同方案对应的河道地形变化情况，调整不同方案河道地形断面形态，改变河道整治方案模拟模型断面参数，重新构建对应于不同整治方案的数值模型，模拟各工况条件下的洪水演进传播过程；
5)提取模型计算结果中河道水位与流量沿程变化过程以及防洪保护区洪水淹没水深信息，对不同方案河道整治效果进行综合评价；
6)根据不同整治方案效果评估结果，确定河道整治优选方案。
2.根据权利要求1所述的河道整治方案模拟与优化方法，其特征在于，所述河道与防洪保护区一二维耦合非恒定流水动力模型由河道一维非恒定流水动力模型和防洪保护区二维非恒定流水动力模型耦合得到。
3.根据权利要求2所述的河道整治方案模拟与优化方法，其特征在于，所述河道一维非恒定流水动力模型其控制方程组如下：
连续性方程：
动量方程：
式中：A为过水断面面积；Q为流量；Z为水位；C为谢才系数；R为水力半径；q为旁侧入流流量；g为重力加速度；α为动量修正系数；t为时间坐标，x为空间坐标。
4.根据权利要求3所述的河道整治方案模拟与优化方法，其特征在于，所述防洪保护区二维非恒定流水动力模型其控制方程组如下：
连续性方程：
沿x轴方向动量方程：
沿y轴方向动量方程：
式中：u，v分别为x、y方向的速度分量；
表示平均水深下的流速；η表示河床底高程；d表示静水深；sxx，sxy，syx，syy表示辐射应力分量；S表示点源流量大小；us、vs表示源汇项水流流速；Txx表示粘滞摩擦，Txy表示湍流摩擦，Tyy表示差异平流；ρ表示水的密度，ρo表示水的相对密度；pa表示大气压强；g表示重力加速度；t表示时间；x，y，z表示笛卡尔坐标。
5.根据权利要求1所述的河道整治方案模拟与优化方法，其特征在于，所述河道整治方案中包括以下整治措施的至少一种：河床疏浚、河道清障、河道裁弯取直、拓宽堤距、修建丁坝、护坡护岸。
6.根据权利要求1所述的河道整治方案模拟与优化方法，其特征在于，在步骤5)中，从河道沿程水位、洪水演进过程、洪水传播时间、水位与流量变化、可能溃堤淹没风险若干方面对不同方案的河道整治效果进行综合评价。
7.根据权利要求1所述的河道整治方案模拟与优化方法，其特征在于，在步骤6)中，结合不同措施实施对河道水文情势、河势稳定、水利工程运行、防汛抢险、沿河居民生活若干方面的综合影响，优选整治工程最佳方案。
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