HydroInfo數(shù)值模擬軟件在洪水影響評價中的應(yīng)用

侯 琳，王 勇

（水利部松遼水利委員會，吉林長春130021）

1 HydroInfo數(shù)值模擬軟件

1.1 軟件簡介

HydroInfo數(shù)值模擬軟件是由大連理工大學(xué)開發(fā)的計算復(fù)雜水流與輸運問題的大型數(shù)值模擬軟件。在理論研究、算法分析與工程應(yīng)用的過程中，HydroInfo進行了大量的解析數(shù)值驗證、試驗室測量數(shù)據(jù)驗證與原型觀測數(shù)據(jù)驗證，廣泛的實際工程應(yīng)用證明了該模型的可靠性、穩(wěn)定性與并行計算的高效性。HydroInfo配備了方便靈活的前后處理功能及與其他工具軟件的數(shù)據(jù)接口，便于數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，同時可提取豐富的計算數(shù)據(jù)與動畫展示。

1.2 HydroInfo的計算原理

1.2.1 二維淺水方程

其中：u，v分別是x，y向沿水深積分的平均流速；h是水深；Sx=Swx+Sfx+S0x+Scx，是源項x向分量；Sy=Swy+Sfy+S0y+Scy，是源項 y向分量；Swx，Swy分別是x，y向的風(fēng)載作用力；Sfx，Sfy分別是x，y向的底摩阻源項；S0x，S0y分別是x，y向的底坡源項；Scx，Scy分別是x，y向的地球自轉(zhuǎn)柯氏力；g是重力加速度。

忽略風(fēng)力和柯氏力的作用，二維淺水方程的守恒形式為：

1.2.2 數(shù)值離散

將計算區(qū)域劃分為若干非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，取任意三角形單元為控制體，并將變量定義在單元中心，使方程（4）在單元控制體上積分，得到：

其中A是單元控制體的面積，F(xiàn)=( )E，G ，是通過單元控制體邊界的通量函數(shù)。

假定Ui，Si分別為第i個單元控制體上U，S的平均值，且存儲于單元中心，則

再利用格林公式，方程（5）可以轉(zhuǎn)化為：

其中Γ是單元控制體的邊界；n_是Γ的單位外法向量。對方程（7）應(yīng)用高斯求積公式可得：

2 通讓鐵路改線洪水影響評價案例

2.1 項目概況

通遼至讓湖路鐵路位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部、吉林省西部、黑龍江省西南部，線路從通遼東站引出，終點位于濱洲線讓湖路西站，是哈大齊地區(qū)對外客貨運輸?shù)闹匾ǖ?，全長412.33 km。鐵路穿過胖頭泡蓄滯洪區(qū)，在蓄滯洪區(qū)內(nèi)鐵路全長32.91 km，當(dāng)胖頭泡蓄滯洪區(qū)啟用時，設(shè)計洪水位將達(dá)到131.67 m，鐵路部分路肩高程低于蓄滯洪區(qū)設(shè)計洪水位，導(dǎo)致鐵路無法正常運行，需增設(shè)橋梁滿足蓄滯洪區(qū)過水要求，并對樁號K301+400～K320+913段，共計19.513 km，進行改建。采用HydroInfo數(shù)值模擬軟件，模擬胖頭泡蓄滯洪區(qū)運用過程，對比分析鐵路改線前后蓄滯洪區(qū)的淹沒過程、計算鐵路前壅水高度，評估鐵路改建對蓄滯洪區(qū)的行洪安全影響。

2.2 HydroInfo模型建立

利用HydroInfo數(shù)值模擬軟件搭建模型，計算模擬范圍為胖頭泡蓄滯洪區(qū)。

2.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1）地形數(shù)據(jù)。采用2003年1∶10 000地形圖，蓄滯洪區(qū)內(nèi)交通道路按照實際測量路頂高程設(shè)置，嫩江干流堤防、松花江干流堤防、蓄滯洪區(qū)內(nèi)圍堤，按照應(yīng)急搶險工程建設(shè)以及批復(fù)的相關(guān)項目可行性研究報告確定的堤頂高程設(shè)置。研究范圍內(nèi)共建立828 760個地形數(shù)據(jù)高程點。

2）邊界條件。按照已批復(fù)的可行性研究報告成果，設(shè)置蓄滯洪區(qū)的起調(diào)庫容和相應(yīng)水位，蓄滯洪區(qū)啟用時進、出水口的地面高程、堰高、口門寬度及進水口流量過程線。

3）橋梁按照實際過水凈寬賦值，小橋涵概化為一處，按照總凈寬賦值到模型中。

2.2.2 模型搭建

模型網(wǎng)格尺度100～500 m。共生成33 752個單元，17 103個節(jié)點。將地形數(shù)據(jù)、初始水位、糙率數(shù)據(jù)插值到網(wǎng)格節(jié)點上，建立模型。

2.2.3 模型率定

通過模型計算蓄滯洪區(qū)內(nèi)水位，與蓄滯洪區(qū)內(nèi)24個觀測點的洪痕水位進行對比，實測洪痕水位與計算水位差值均在0.05 m以內(nèi)，對比結(jié)果見表1，說明模型計算結(jié)果較為可靠，可以用于蓄滯洪區(qū)內(nèi)壅水高度計算。

2.3 壅水分析計算結(jié)果

2.3.1 行洪面積變化

1）鐵路改線前：蓄滯洪區(qū)運用達(dá)到蓄滯洪區(qū)設(shè)計洪水位時，1座橋梁行洪面積46 m2，21座小橋涵行洪面積194 m2，路肩過水面積4 303.83 m2，現(xiàn)狀鐵路行洪總面積4 543.83 m2。

2）鐵路改線后：蓄滯洪區(qū)運用達(dá)到蓄滯洪區(qū)設(shè)計洪水位時，5座橋梁行洪面積3 936.94 m2，25座小橋涵行洪面積342 m2，改建方案行洪總面積4 278.9 m2。鐵路改建后較改建前行洪面積減少264.93 m2，占總行洪面積的5.8%。鐵路改線前后路肩高程對比見圖1。

圖1 現(xiàn)狀鐵路與改建鐵路路肩高程對比

2.3.2 壅水計算結(jié)果

依據(jù)HydroInfo模型計算在蓄滯洪區(qū)設(shè)計洪水條件下，鐵路前上、下兩端300 m、1 000 m和3 000 m處共6個特征斷面，在同一時刻、同一特征斷面鐵路改建前后的水位變化情況，水位變化差值見圖2。

表1 歷史洪痕水位與模型計算水位比較

圖2 鐵路改建前后各特征斷面水位變化差值

鐵路改建后路肩抬高，不再過水，鐵路上端通過建設(shè)橋梁、小橋涵代替現(xiàn)狀鐵路路肩過水，行洪面積減少，過流能力相應(yīng)減小，鐵路前水位在改建后最大壅高0.085 4 m。

鐵路下端通過建設(shè)橋梁、小橋涵代替現(xiàn)狀鐵路路肩過水，橋孔尺寸滿足行洪能力要求，洪水到達(dá)鐵路附近時，可使洪水迅速通過鐵路，鐵路前水位均小于改建前水位。

通遼至讓湖路鐵路改線后，壅水變化不大，對蓄滯洪區(qū)行洪安全影響較小。

3 結(jié)論

通過HydroInfo數(shù)值模擬軟件，建立胖頭泡蓄滯洪區(qū)洪水動力學(xué)二維模型，利用歷史洪痕水位率定模型參數(shù)，并針對通遼至讓湖路鐵路在蓄滯洪區(qū)內(nèi)改線前后2種情況進行洪水演進模擬，分析在蓄滯洪區(qū)啟用時，鐵路改建對蓄滯洪區(qū)行洪產(chǎn)生的影響。

HydroInfo模型需要輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)量較大，要求計算者要細(xì)心收集處理核對數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。為提高模型的計算精度，可以通過與其他方法進行對比，在有實測資料的情況下，可通過實測資料對模型進行參數(shù)率定，驗證模型計算的準(zhǔn)確程度，保證模型計算的精度。