淮河干流正陽關至吳家渡段水動力數(shù)學模型及應用

賁 鵬,虞邦義,倪 晉,夏冬梅

(安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院水利水資源安徽省重點實驗室,安徽蚌埠 233000)

淮河干流正陽關至吳家渡段水動力數(shù)學模型及應用

賁 鵬,虞邦義,倪 晉,夏冬梅

(安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院水利水資源安徽省重點實驗室,安徽蚌埠 233000)

為了研究淮河干流正陽關至吳家渡段河道泄流能力、河道整治工程方案及洪水調(diào)度方式等,針對河段的特點,建立了該段河道水動力數(shù)學模型,模擬了2005年和2007年洪水過程。驗證計算結(jié)果表明,模型計算精度較高,可為正陽關至吳家渡段河道綜合治理和行洪區(qū)優(yōu)化調(diào)度等研究提供計算平臺。利用該模型分析了荊山湖行洪區(qū)在2007年洪水過程中的運用效果,計算結(jié)果表明,荊山湖行洪區(qū)運用可以降低田家庵站的水位,加快了所在河段洪水匯流速度。

淮河干流;荊山湖行洪區(qū);洪水演進;水動力數(shù)學模型

1 河道概況

淮河干流正陽關至吳家渡段河道長約141 km,區(qū)間集水面積約7.2萬km2,主要入?yún)R支流有沙潁河、東淝河、西淝河、窯河、茨淮新河、渦河等。在淮北大堤與南岸崗地之間有壽西湖、董峰湖、上六坊堤、下六坊堤、石姚段、湯漁湖、洛河洼、荊山湖等8處行洪區(qū)和瓦埠湖蓄洪區(qū)。此外,兩岸河灘地上還分布有靠山圩、魏郢子圩、天河圩等14個生產(chǎn)圩區(qū),洪水時漫溢與行洪區(qū)一起輔助行洪,是淮河干流行洪通道的一部分。正陽關至吳家渡段河勢見圖1。本段河道泄流能力不足,入?yún)R支流多,行洪區(qū)及生產(chǎn)圩區(qū)數(shù)量多,規(guī)劃整治工程方案涉及面廣,是淮河中游河道整治的重點和難點河段,也是洪水調(diào)度方案較為復雜的河段[1-2]。本文根據(jù)研究河段的特點及工程需要,建立淮河干流正陽關至吳家渡段水動力數(shù)學模型,為工程規(guī)劃設計和洪水調(diào)度等提供計算平臺。

2 模型簡介

根據(jù)河段不同區(qū)域的水流特征,建立淮河干流正陽關至吳家渡段水動力數(shù)學模型[3]。河道采用一維數(shù)學模型,模型控制方程為Saint-Venant方程組,采用Abbott六點隱格式進行離散求解;行洪區(qū)及生產(chǎn)圩區(qū)采用平面二維模型,模型控制方程為Navier-Stokes方程沿水深進行積分得到的平面二維淺水水流方程,采用有限體積法進行離散求解;一維模型、二維模型連接計算通過補充連接斷面處水位相等和流量相等關系實現(xiàn)[4-6]。

圖1 淮河干流正陽關至吳家渡段河勢

3 模型計算范圍及計算參數(shù)

3.1 計算范圍

模型的計算范圍包括正陽關至吳家渡段淮河干流、南北區(qū)間主要支流、董峰湖等8個行洪區(qū)及部分生產(chǎn)圩區(qū)。模型結(jié)構(gòu)概化如圖2所示,淮河干流、沙潁河和渦河等河道采用一維模型計算;董峰湖、壽西湖、上六坊堤、下六坊堤、石姚段、洛河洼、湯漁湖和荊山湖行洪區(qū)及部分生產(chǎn)圩區(qū)采用平面二維模型計算。模型入流邊界包括:淮河干流正陽關、沙潁河阜陽閘、渦河蒙城閘分別給定實測流量過程,其他支流給定其入淮河口流量過程;出流邊界包括:懷洪新河何巷閘給定實測出流過程,淮河干流吳家渡給定實測水位過程。

3.2 計算參數(shù)及特殊問題的處理

a.模型主要參數(shù)。為了滿足計算時間和精度的要求,一維模型空間步長取100～500m,二維模型空間步長取200～400m;時間步長為3s。河道主槽糙率為0.024～0.026,河道灘地糙率為0.032～0.040,行洪區(qū)及生產(chǎn)圩區(qū)糙率為0.04～0.05。渦黏系數(shù)根據(jù)Smagorinsky公式[7]確定,常數(shù)CS取0.28。

b.行洪區(qū)潰口計算。2007年洪水過程中,除荊山湖行洪區(qū)通過進、退洪閘進行控制外,其他行洪區(qū)均為破口行洪。由于破口后口門上下水頭差較大,所形成的水流強度也較大,在水流的沖刷作用下,口門不斷地沖刷和坍塌直至達到最終的寬度和底坎高程,由于沒有潰口過程變化資料和相關地質(zhì)資料,本文將潰口的寬度、底坎高程設為時間的函數(shù),按照堰流的公式進行計算,采用MikeFlood標準連接實現(xiàn)行洪區(qū)二維模型和淮河干流一維模型之間的連接計算。

圖2 模型結(jié)構(gòu)概化

c.生產(chǎn)圩區(qū)漫堤計算。沿淮的重點圩區(qū)與干流河道之間主要通過漫堤的方式進行水量交換,為了反映這種過流特性,本次研究將圩區(qū)堤防作為溢流構(gòu)筑物,將其概化為寬頂堰,采用MikeFlood側(cè)向連接實現(xiàn)重點圩區(qū)二維模型和淮河干流一維模型之間的連接計算。

d.蚌埠閘概化處理。蚌埠閘位于淮河干流渦河口以下蚌埠市西郊,是一座多種功能的大型水利樞紐工程,過流建筑物包括老節(jié)制閘、新節(jié)制閘和分洪道,過流狀態(tài)可分為自由堰流、淹沒堰流、自由孔流、淹沒孔流4種,不同流態(tài)采用不同的計算公式,模型概化見圖3。

4 模型驗證

模型使用的地形資料:河道采用2005年和2008年實測資料組合地形,行洪區(qū)和生產(chǎn)圩區(qū)采用1999年地形。驗證洪水年份為2005年和2007年,與地形資料基本同步。

4.1 蚌埠閘過流計算

采用蚌埠閘樞紐新閘、老閘聯(lián)合運用時的水工模型試驗成果[8]和2005年、2007年實測洪水過程,對蚌埠閘數(shù)學模型的概化方式及各堰閘流量系數(shù)的取值進行驗證,具體的邊界條件和兩種模擬方法成果比較見表1。

表1 蚌埠閘數(shù)學模型與水工模型模擬值對比

從表1中4個流量的模擬成果可以看出,水工模型與數(shù)學模型過閘落差的差值均不超過0.01 m,各泄水建筑物泄流流量差值在100m3/s以內(nèi)。2005年和2007年蚌埠閘實測洪水驗證結(jié)果見下文。

4.2 2005年洪水演算

2005是中小洪水年,沿程行蓄洪區(qū)均未啟用,可以進行平槽和漫灘級洪水驗證。部分測站計算洪水過程與實測洪水過程比較見圖4和圖5,洪峰計算值與實測值比較見表2。由圖4、圖5和表2可見,各測站計算水位過程、流量過程與實測資料一致性良好,沿程各站峰值水位計算值與實測值之間的誤差不超過10cm,吳家渡峰值流量誤差在4％以內(nèi),較好地模擬了2005年洪水過程。

圖3 蚌埠閘樞紐模型概化

圖4 2005年部分測站水位過程對比

圖5 2005年吳家渡流量過程對比

表2 2005年淮河干流主要測站洪峰計算值與實測值

4.3 2007年洪水演算

2007年是大洪水年,本河段上六坊堤、下六坊堤、石姚段、洛河洼和荊山湖行洪區(qū)均啟用,可以進行大流量級洪水驗證。部分測站計算洪水過程與實測洪水過程比較見圖6和圖7,洪峰計算值與實測值比較見表3,可見各測站計算水位過程、流量過程與實測資料一致性良好,沿程各站峰值水位計算值與實測值之間的誤差不超過10 cm,吳家渡峰值流量誤差在4％以內(nèi),較好地模擬了2007年洪水過程。

圖6 2007年部分測站水位過程對比

圖7 2007年吳家渡流量過程對比

表3 2007年淮河干流主要測站洪峰計算值與實測值

在2007年洪水過程中,各行洪區(qū)口門形態(tài)穩(wěn)定以后,模型計算行洪流量與文獻[9]分析行洪流量基本一致,見表4。行洪區(qū)的運用使所在河段行洪能力有所增加,由于行洪口門寬度及深度與規(guī)定運行指標相差較大,行洪區(qū)內(nèi)流速較小,實際行洪流量達不到規(guī)劃要求。

表4 行洪區(qū)行洪流量m3/s

5 荊山湖行洪區(qū)運用效果分析

在2007年洪水中,荊山湖行洪區(qū)作為蓄洪區(qū)使用,共蓄滯淮河洪水3.99億m3,對減輕淮南以下河段的防洪壓力發(fā)揮了重要的作用。本文采用上述模型模擬了荊山湖行洪區(qū)的實際分洪效果。模擬計算中,吳家渡給定水位流量關系作為下邊界,各流量邊界均給定2007年實測流量過程,其他行洪區(qū)過流能力按照實際口門計算。以荊山湖行洪區(qū)上游田家庵測站為例,模擬分洪對其洪水過程的影響,計算水位過程見圖8,流量過程見圖9。

圖8 田家庵站水位過程模擬結(jié)果

圖9 田家庵站流量過程模擬結(jié)果

在2007年洪水過程中,荊山湖行洪區(qū)按照實際調(diào)度方案計算,田家庵站計算洪峰水位23.61 m,若不運用荊山湖行洪區(qū),田家庵站計算洪峰水位23.67 m,水位增加0.06 m,此值較小的原因是荊山湖實際運用時,田家庵已臨近洪峰水位,開閘過程中洪峰峰值已過,因此對田家庵的峰值水位影響較小。此外,行洪區(qū)的運用加快了所在河段的洪水匯流速度,使田家庵站流量在短時間內(nèi)有所增加。

6 結(jié) 語

根據(jù)研究河段的特點,建立了正陽關至吳家渡段水動力數(shù)學模型,并通過2005年、2007年的實測洪水資料和水工模型試驗資料對模型進行了驗證。驗證計算結(jié)果表明,模型具有較高的計算精度,較好地模擬了河道及行洪區(qū)水流運動情況,可以用于本段河道治理與行洪區(qū)優(yōu)化調(diào)度研究。以荊山湖行洪區(qū)為例,分析了其在2007年洪水過程中的運用效果,行洪區(qū)的運用降低了田家庵站的水位,加快了所在河段的匯流速度。

[1]楊興菊,虞邦義.淮河中游河道近期演變分析[J].水利水電技術,2011(8):49-53.(YANG Xingju,YU Bangyi. Analysis on recent channel evolution of middle reach of Huaihe River[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2001(8):49-53.(in Chinese))

[2]虞邦義,郁玉鎖.淮河干流魯臺子至吳家渡河段輸沙平衡分析[J].南昌大學學報:工科版,2009,31(2):162-166.(YUBangyi,YUYusuo.Analysisonsediment transport balance of Huaihe River main stream from Lutaizi toWujiadu[J].JournalofNanchangUniversity: Engineering＆Technology,2009,31(2):162-166.(in Chinese))

[3]虞邦義,倪晉,楊興菊,等.淮河干流浮山至洪澤湖出口段水動力數(shù)學模型研究[J].水利水電技術,2011(8): 38-42.(YU Bangyi,NI Jin,YANG Xingju,et al.Research on hydrodynamic numerical model for main stream of Huaihe River from Fushan to outlet of Hongze Lake[J]. Water Resources and Hydropower Engineering,2011(8): 38-42.(in Chinese))

[4]MIKE11:amodellingsystemforriverandchannels reference manual[R].Copenhagen:DHI,2009.

[5]MIKE21:flow model FM hydrodynamic module user-guide manual[R].Copenhagen:DHI,2009.

[6]MIKEFLOOD1D-2Dmodellingusermanual[R]. Copenhagen:DHI,2009.

[7]SMAGORINSKY J.General circulation experiment with primitive equations[J].Monthly Weather Review,1963, 91:99-164.

[8]虞邦義,葛國興,左敦厚,等.蚌埠閘擴建工程水工模型試驗報告[R].蚌埠:安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院,1999.

[9]水利部水文局,水利部淮河水利委員會.2007年淮河暴雨洪水[M].北京:中國水利水電出版社,2010.

Development and application of hydrodynamic model in the main reach of Huaihe River from Zhengyangguan to Wujiadu

//BEN Peng,YU Bangyi,NI Jin,XIA Dongmei(Key Laboratory of Water Conservancy and Water Resources of Anhui Province,Anhui＆Huaihe River Institute of Hydraulic Research,Bengbu233000,China)

In order to investigate the flood discharge capacity,river regulation project and flood operation mode in the main reach of Huaihe River from Zhengyangguan to Wujiadu,a hydrodynamic numerical model was developed to simulate the flood routing based on the characteristics of this reach.This model is verified by the measured flood data in the year of 2005 and 2007.The verification results show that the model is accurate and provides a computing platform for the comprehensive treatment and optimal dispatching in flood detention areas of the main reach from Zhengyangguan to Wujiadu.The effect of the Jingshanhu flood detention area during the flood process in 2007 was analyzed by using this model.The computed results show that the use of the Jingshanhu flood detention area can reduce the water level at Tianjia'an station and increase the concentration velocity of the flood.

main stream of Huaihe River;Jingshanhu flood detention area;flood routing;hydrodynamic numerical model

10.3880/j.issn.10067647.2013.05.010

TV131

A

10067647(2013)05004205

20121212 編輯:熊水斌)

水利部公益性行業(yè)科研專項(200901024)

賁鵬(1985—),男,安徽滁州人,助理工程師,碩士,主要從事水力學及河流動力學研究。E-mail:benpeng11172219@126.com