CN117034801A - 一种基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法。将河道与防洪保护区作为一个整体进行一体化二维非结构剖分，通过溃口连接器连接河道与防洪保护区，当河道洪水位触发了溃口连接器的溃决条件时，采用堰流公式计算溃口流量，该溃口流量在对应河道单元和防洪保护区单元内作为源项处理，从而实现河道洪水与防洪保护区洪水均采用二维水动力模型进行一体化模拟分析。该方法可以细致考虑堤防内外水动力变化过程对溃口出流的影响，克服现有一、二维模型耦合模拟时遇到的河道水面均化的缺陷，另外溃口连接器物理意义清晰，可方便实现各种溃决方式和溃决情形的计算。本方法为防洪保护区溃堤洪水风险分析提供了一种新的解决方案。

Description

一种基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法

技术领域

本发明涉及水利工程领域，尤其涉及防洪减灾领域，具体为一种基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法。

背景技术

堤防是防洪工程体系中的重要一环，受到堤防保护的区域称为防洪保护区。对于堤防岸线长、地质条件复杂的地区，堤防建设的防洪标准不够或者堤防质量不达标都有可能造成堤防的溃决问题。堤防一旦溃决，将会给防洪保护区内的人员生命和财产安全造成重大威胁。

目前，在进行溃堤洪水模拟时一般较多采用水动力模型的方法。在进行溃堤洪水演进模拟时，有两种常见的处理模式，一种是根据溃口出流经验公式提前估算出溃口的出流过程，然后再进行二维水动力模型的演进模拟，这种方法的好处是不需要河道断面数据，可以简化计算的流程，缺陷是根据经验公式估算的溃口出流过程不能准确反映溃口内外水动力的相互影响过程，存在一定的不确定性；第二种处理模式是河道水流采用一维水动力模型模拟，溃堤洪水采用二维水动力模型模拟，一、二维模型之间通过堰流公式进行连接，这种方法的好处是可以考虑溃口内外河道和防洪保护区水流的相互影响，缺点是河道水面本身具有一定的宽度，在溃口发生的河段，水面不在是一平面，横比降非常显著，而一维河道模型不能反映出河道横比降的影响，只能采用河道断面的平均水位值来计算溃口出流过程，会降低溃口出流结果的计算精度。

近几年，随着计算机数值计算技术和硬件技术的快速发展，二维水动力模型的计算效率有了量级的提升，在此基础上，研究河道和防洪保护区溃决洪水的一体化二维数值模拟方法有重要的学术价值和工程应用价值。

发明内容

本发明提供的一种基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法中，将河道和防洪保护区进行一体化的二维非结构非结构剖分，采用溃口连接器存储各种溃决属性信息，可实现河道洪水和防洪保护区溃决洪水的统一二维模拟，克服现有常规方法的缺陷。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法，将河道与防洪保护区作为一个整体进行统一二维非结构剖分，堤防顶部作为设置溃口连接器的区域不参与剖分，在可能溃决堤段，设置溃口连接器，溃口连接器上设置相关的溃决属性，当河道洪水位触发了溃口连接器内存储的溃决条件时，采用堰流公式计算溃口出流量，该溃口出流量在对应河道单元和防洪保护区单元内作为源项处理，从而实现河道洪水与防洪保护区溃决洪水均采用二维水动力模型进行一体化模拟分析，具体步骤如下：

1)获取基础数据资料：包括河道和防洪保护区地形高程数据、土地利用类型数据、堤防的空间分布数据、堤防险工险段数据、河道上游入流过程数据以及河道下游的水位流量关系数据；

2)计算区域网格离散：采用四边形非结构网格对河道和防洪保护区进行空间离散，其中堤防顶部的两条边线作为网格剖分的控制线，控制线离散后的线段称为离散单元的连接边，网格离散的长度控制在10～50m之间，两条控制线之间的区域不参与网格剖分；

3)溃口连接器设置：根据险工险段的数据在两条控制线之间设置不同数量的溃口连接器，每个溃口连接器属性包括对应的河道单元编号与防洪保护区单元编号、溃决触发水位阈值Z_c、溃口底高程信息Z_b、溃口发展历时T_b和溃口宽度L_b，溃口宽度L_b的长度与对应所有河道单元连接边总长度和所有防洪保护区单元的连接边的总长度相等；

4)模型参数赋值及初始化：根据地形高程数据给四边形非结构网格单元赋值高程信息，利用土地利用类型数据给四边形非结构网格单元赋值糙率值，给河道单元赋值初始水深值和流速值，给防洪保护区单元的初始水深值和流速值均赋值为0；

5)确定时间步长dt：模型计算采用显格式进行，稳定性受到CFL条件限制，根据当前t时刻各单元的水力要素值获取dt值；获取t时刻河道边界条件值；

6)洪水过程模拟：采用完整二维浅水方程组统一模拟河道与防洪保护区内洪水的运动，当没有触发溃口连接器的溃决条件时，洪水仅在河道内运动，计算更新河道水力要素值到t+1时刻；当溃口连接器对应的河道单元平均水位值达到了设置的溃决水位阈值时触发溃决，溃口的溃决模式默认为瞬时溃决，溃口为矩形，此时根据该溃口连接器对应的河道单元和防洪保护区单元水位的平均值采用堰流公式计算溃口出流量Q_b，然后根据溃口连接器对应的每个河道单元的连接边长占溃口宽度的权重计算各单元出流量Q_bi，公式如下：

式中，Q_bi为与溃口连接器对应的第i个河道单元的出流量，L_i为与溃口连接器对应的第i个河道单元的连接边长；

再根据溃口连接器对应的每个防洪保护区单元连接边长占溃口宽度的权重计算单元出流量Q_bj，具体公式如下：

式中，Q_bj为与溃口连接器对应的第j个防洪保护区单元的入流量，L_j为与溃口连接器对应的第j个防洪保护区单元的连接边长；

Q_bi和Q_bj在各自单元的连续方程求解中作为源项处理，溃决条件触发后，河道和防洪保护区均有洪水运动，计算更新河道和防洪保护区单元的水力要素值到t+1时刻；

7)更新t＝t+dt，重复步骤5)～6)直至计算结束。

进一步的优化，步骤3)中，溃口连接器可以通过设置的溃决触发水位阈值Z_c来模拟不同的溃决情形，如Z_c大于等于堤顶高程，则可以模拟漫顶溃决模式，如Z_c小于堤顶高程，则可以模拟管涌和白蚁破坏等溃决模式。

进一步的，步骤3)中如果T_b为0，则溃口为瞬时溃决，如果T_b大于0，则溃口为逐渐溃决。

进一步的，步骤6)中，采用的完整二维浅水方程组的守恒形式如下：

式中：

h为水深，u，v分别为x，y方向的流速，t为时间，分别x，y方向的坡度，Z_b为地面高程，g为重力加速度，

分别为x，y方向的摩阻项，其中n为Manning糙率系数，q为单位面积的入流量。

采用具有良好激波捕捉能力的Godunov格式离散该方程组构建二维水动力模型。

进一步的步骤6)中，当溃口连接器被触发时采用的堰流公式如下：

堰流公式的具体形式如下：

式中，h_up＝Z_up-Z_b；h_down＝Z_down-Z_b；Q_b为溃口出流量；Z_up，Z_down分别为溃口连接器对应河道单元的平均水位和防洪保护区单元的平均水位；Z_b为溃口底高程，L_b为溃口宽度。

本发明的优点和有益效果是：

本发明的方法将河道和保护区进行一体化的非结构网格剖分和统一的二维水流数值模拟，可以充分反映溃口内外水动力过程变化的相互影响，克服现有的一维河道模型与二维防洪保护区模型耦合模拟时遇到的溃口处河道水面均化导致的溃口出流过程精度损失的缺陷。另外本方法提出的溃口连接器物理意义清晰，设置方便，通过设置溃口连接器的属性，可以方便的实现瞬时溃决或逐渐溃决等模式的溃口模拟，还可以很方便的模拟堤防漫顶或管涌溃决等溃决情形，为防洪保护区溃决洪水风险分析提供了一种新的技术解决方案。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种基于河道与防洪保护区一体化的溃决洪水模拟方法流程图；

图2为本发明实施例1河道和防洪区非结构网格离散的示意图；

图3为本发明实施例1验证算例，(a)河道与防洪保护区平面示意图；(b)河道入流边界；(c)溃口处局部流场计算结果。

具体实施方式

实施例1：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

一种基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法。该方法将河道与防洪保护区作为一个整体进行统一二维非结构剖分，堤防顶部作为设置溃口连接器的区域不参与剖分，在可能溃决堤段，设置溃口连接器，溃口连接器上设置相关的溃决属性，当河道洪水位触发了溃口连接器内存储的溃决条件时，采用堰流公式计算溃口出流量，该溃口出流量在对应河道单元和防洪保护区单元内作为源项处理，从而实现河道洪水与防洪保护区溃决洪水均采用二维水动力模型进行一体化模拟分析。该方法包括如下具体步骤：

1)获取基础数据资料：包括河道和防洪保护区地形高程数据、土地利用类型数据、堤防的空间分布数据、堤防险工险段数据、河道上游入流过程数据以及河道下游的水位流量关系数据；其中，河道水面以上以及防洪保护区地形高程数据和堤防空间分布数据可以采用无人机加载LiDAR传感器测量获取，河道水面下的地形数据可以采取无人船加ADCP测量设备进行量取，获取的水下地形数据需要跟水面上的地形高程数据进行融合，融合后整体的地形高程数据的分辨率不低于10m；土地利用类型数据可以采取无人机航拍获取正摄影像，采用图像解译的方式获取；堤防险工险段数据主要指的是历史上曾发生过溃决或其它险情的堤防薄弱环节位置数据，堤防险工险段数据以及河道上游入流数据和和河道下游的水位流量关系数据可以从当地水利部门获取。

2)计算区域网格离散：采用四边形非结构网格对河道和防洪保护区进行空间离散，其中堤防顶部的两条边线作为网格剖分的控制线，控制线离散后的线段称为离散单元的连接边，网格离散的长度控制在10m-50m之间，两条控制线之间的区域不参与网格剖分，具体的示意图可参加附图2。

3)溃口连接器设置：根据险工险段的数据在两条控制线之间设置不同数量的溃口连接器，每个溃口连接器属性包括对应的河道单元编号与防洪保护区单元编号、溃决触发水位阈值Z_c、溃口底高程信息Z_b、溃口发展历时T_b和溃口宽度L_b，溃口连接器可以通过设置的溃决触发水位阈值Z_c来模拟不同的溃决情形，如Z_c大于等于堤顶高程，则可以模拟漫顶溃决模式，如Z_c小于堤顶高程，则可以模拟管涌和白蚁破坏等溃决模式；溃口宽度L_b的长度与对应所有河道单元连接边总长度和所有防洪保护区单元的连接边的总长度相等，如果T_b为0，则溃口为瞬时溃决，如果T_b大于0，则溃口为逐渐溃决，具体应用时，逐渐溃决可以设置为溃口随时间均匀展宽的溃决模式，也可以是考虑堤防溃口泥沙冲刷过程的逐渐溃决模式，对于考虑泥沙冲刷过程的较复杂的溃决模式，可以引入新的溃口连接器属性值。

4)模型参数赋值及初始化：根据地形高程数据给四边形非结构网格单元赋值高程信息，利用土地利用类型数据给四边形非结构网格单元赋值糙率值，给河道单元赋值初始水深值和流速值，给防洪保护区单元的初始水深值和流速值均赋值为0。

5)确定时间步长dt：模型计算采用显格式进行，稳定性受到CFL条件限制，根据当前t时刻各单元的水力要素值获取dt值，计算dt的具体表达式可以参考如下文献(张大伟，基于Godunov格式的堤坝溃决水流数值模拟[M].中国水利水电出版社,北京,2014,12)；获取t时刻河道边界条件值。

6)洪水过程模拟：采用完整二维浅水方程组统一模拟河道与防洪保护区内洪水的运动，采用的完整二维浅水方程组的守恒形式如下：

式中：

h为水深，u，v分别为x，y方向的流速，t为时间，分别x，y方向的坡度，Z_b为地面高程，g为重力加速度，

分别为x，y方向的摩阻项，其中n为Manning糙率系数，q为单位面积的入流量。

采用具有良好激波捕捉能力的Godunov格式离散该方程组构建二维水动力模型，具体的模型原理可参考如下文献(张大伟，基于Godunov格式的堤坝溃决水流数值模拟[M].中国水利水电出版社,北京,2014,12)。

当没有触发溃口连接器的溃决条件时，洪水仅在河道内运动，计算更新河道水力要素值到t+1时刻；当溃口连接器对应的河道单元平均水位值达到了设置的溃决水位阈值时触发溃决，不失一般性，溃口的溃决模式默认为瞬时溃决，溃口为矩形，此时根据该溃口连接器对应的河道单元和防洪保护区单元水位的平均值采用堰流公式计算溃口出流量Q_b，采用的堰流公式如下：

堰流公式的具体形式如下：

式中，h_up＝Z_up-Z_b；h_down＝Z_down-Z_b；Q_b为溃口出流量；Z_up，Z_down分别为溃口连接器对应河道单元的平均水位和防洪保护区单元的平均水位；Z_b为溃口底高程，L_b为溃口宽度。

然后根据溃口连接器对应的每个河道单元的连接边长占溃口宽度的权重计算各单元出流量Q_bi，公式如下：

式中，Q_bi为与溃口连接器对应的第i个河道单元的出流量，L_i为与溃口连接器对应的第i个河道单元的连接边长。

再根据溃口连接器对应的每个防洪保护区单元连接边长占溃口宽的权重计算单元出流量Q_bj，具体公式如下：

式中，Q_bj为与溃口连接器对应的第j个防洪保护区单元的入流量，L_j为与溃口连接器对应的第j个防洪保护区单元的连接边长。

Q_bi和Q_bj在各自单元的连续方程求解中作为源项处理，溃决条件触发后，河道和防洪保护区均有洪水运动，计算更新河道和防洪保护区单元的水力要素值到t+1时刻。

7)更新t＝t+dt，重复步骤5)～6)直至计算结束。

图3为一河道与防洪保护区一体化验证算例，本算例中，河道由主槽和滩地组成，其中图3(a)为该算例平面示意图，具体情况如下：河道和防洪保护区长4200m，河道主槽底高程5m，河道滩地宽590m，滩地底高程为12m，防洪保护区宽度为1480m，底高程为12m，堤防高度为5m，堤顶宽度为10m，堤防顶部高程17m，溃口宽度为50m，河道入口处的入流过程如图3(b)所示，当溃口处平均水位达到15m时发生瞬时溃决，图3(c)为溃口连接器被触发后的瞬时局部流场图，可以看出，河道水流通过溃口连接器顺利进入防洪保护区，成功实现了河道与防洪保护区一体化溃堤洪水模拟，说明本方法是可行的。

上述的实施例仅是本发明的部分体现，并不能涵盖本发明的全部，在上述实施例以及附图的基础上，本领域技术人员在不付出创造性劳动的前提下可获得更多的实施方式，因此这些不付出创造性劳动的前提下获得的实施方式均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法，其特征在于：将河道与防洪保护区作为一个整体进行统一二维非结构剖分，堤防顶部作为设置溃口连接器的区域不参与剖分，在可能溃决堤段，设置溃口连接器，溃口连接器上设置相关的溃决属性，当河道洪水位触发了溃口连接器内存储的溃决条件时，采用堰流公式计算溃口出流量，所述溃口出流量在对应河道单元和防洪保护区单元内作为源项处理，实现河道洪水与防洪保护区溃决洪水均采用二维水动力模型进行一体化模拟分析，具体步骤如下：

1)获取基础数据资料：包括河道和防洪保护区地形高程数据、土地利用类型数据、堤防的空间分布数据、堤防险工险段数据、河道上游入流过程数据以及河道下游的水位流量关系数据；

2)计算区域网格离散：采用四边形非结构网格对河道和防洪保护区进行空间离散，其中堤防顶部的两条边线作为网格剖分的控制线，控制线离散后的线段称为离散单元的连接边，网格离散的长度控制在10～50m之间，两条控制线之间的区域不参与网格剖分；

3)溃口连接器设置：根据险工险段的数据在两条控制线之间设置不同数量的溃口连接器，每个溃口连接器属性包括对应的河道单元编号与防洪保护区单元编号、溃决触发水位阈值Z_c、溃口底高程信息Z_b、溃口发展历时T_b和溃口宽度L_b，溃口宽度L_b的长度与对应所有河道单元连接边总长度和所有防洪保护区单元的连接边的总长度相等；

4)模型参数赋值及初始化：根据地形高程数据给四边形非结构网格单元赋值高程信息，利用土地利用类型数据给四边形非结构网格单元赋值糙率值，给河道四边形非结构网格单元赋值初始水深值和流速值，给防洪保护区四边形非结构网格单元的初始水深值和流速值均赋值为0；

5)确定时间步长dt：模型计算采用显格式进行，稳定性受到CFL条件限制，根据当前t时刻各单元的水力要素值获取dt值；获取t时刻河道边界条件值；

6)洪水过程模拟：采用完整二维浅水方程组统一模拟河道与防洪保护区内洪水的运动，当没有触发溃口连接器的溃决条件时，洪水仅在河道内运动，计算更新河道水力要素值到t+1时刻；当溃口连接器对应的河道单元平均水位值达到了设置的溃决水位阈值时触发溃决，溃口的溃决模式默认为瞬时溃决，溃口为矩形，此时根据该溃口连接器对应的河道单元和防洪保护区单元水位的平均值采用堰流公式计算溃口出流量Q_b，然后根据溃口连接器对应的每个河道单元的连接边长占溃口宽度的权重计算各单元出流量Q_bi，公式如下：

式中，Q_bi为与溃口连接器对应的第i个河道单元的出流量，L_i为与溃口连接器对应的第i个河道单元的连接边长；

再根据溃口连接器对应的每个防洪保护区单元连接边长占溃口宽度的权重计算单元出流量Q_bj，具体公式如下：

式中，Q_bj为与溃口连接器对应的第j个防洪保护区单元的入流量，L_j为与溃口连接器对应的第j个防洪保护区单元的连接边长；

Q_bi和Q_bj在各自单元的连续方程求解中作为源项处理，溃决条件触发后，河道和防洪保护区均有洪水运动，计算更新河道和防洪保护区单元的水力要素值到t+1时刻；

7)更新t＝t+dt，重复步骤5)～6)直至计算结束。

2.根据权利要求1所述的基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法，其特征在于：步骤3)中，溃口连接器通过设置的溃决触发水位阈值Z_c来模拟不同的溃决情形，如Z_c大于或等于堤顶高程，则可以模拟漫顶溃决模式；如Z_c小于堤顶高程，则可以模拟管涌和白蚁破坏溃决模式。

3.根据权利要求1所述的基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法，其特征在于：步骤3)中，如果T_b为0，则溃口为瞬时溃决，如果T_b大于0，则溃口为逐渐溃决。

4.根据权利要求1所述的基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法，其特征在于：步骤6)中，采用的完整二维浅水方程组的守恒形式如下：

式中：

h为水深，u，v分别为x，y方向的流速，t为时间，分别x，y方向的坡度，Z_b为地面高程，g为重力加速度，/>分别为x，y方向的摩阻项，其中n为Manning糙率系数，q为单位面积的入流量；采用Godunov格式离散该方程组构建二维水动力模型。

5.根据权利要求1所述的基于河道与防洪保护区一体化的溃堤洪水模拟方法，其特征在于：步骤6)中，当溃口连接器被触发时采用的堰流公式如下：

式中，h_up＝Z_up-Z_b；h_down＝Z_down-Z_b；Q_b为溃口出流量；Z_up，Z_down分别为溃口连接器对应河道单元的平均水位和防洪保护区单元的平均水位；Z_b为溃口底高程，L_b为溃口宽度。