二維數(shù)學(xué)模型在防洪影響評價中的運用分析

李建創(chuàng) 文建聰 陳龍飛

1.三亞市大隆水利工程管理局 海南 三亞 572000;2.海南省地質(zhì)調(diào)查院 海南 ?？?570206

防洪影響評價作為防洪設(shè)計重要內(nèi)容，可采用經(jīng)驗公式與數(shù)學(xué)模型來計算模擬。但由于不同工程項目有很大的區(qū)別，所以要做到具體問題具體分析，用好二維數(shù)學(xué)模型對保證防洪影響評價結(jié)果的真實性與可靠性有重要意義。

1 工程概況

某城段改建工程局部涉河，路基占用一定過水面積導(dǎo)致阻水，使路基附近水流實際狀況被改變，導(dǎo)致上游水位偏高且灘槽沖淤，對河道洪水宣泄及兩岸堤防安全都造成一定程度的影響。對此，需借助二維數(shù)學(xué)模型對工程實施前后洪水位發(fā)生的變化及具體影響范圍予以計算，旨在為日后的防治工作提供可靠參考依據(jù)。

2 計算范圍與邊界條件

根據(jù)工程實施影響范圍，將計算河段總長確定為8.5km。網(wǎng)格為四邊形，共4482個單元，4783個節(jié)點和34個邊界單元。該網(wǎng)格的總尺寸大小為50m×50m，在既有工程附近對網(wǎng)格進行加密。

3 模型率定及驗證

計算開始前，應(yīng)先驗證模型，為阻力參數(shù)率定奠定基礎(chǔ)，并檢驗確定河道概化是否正確，確保方案所處模型的可靠性與可信性。在本次計算中采用歷史地形資料，經(jīng)驗證可知，計算水位和實測與調(diào)查水位之間的差值在0.05m以內(nèi)，可以真實反映出河道內(nèi)大洪水實際演進過程?；诖?，無論是模型選擇還是參數(shù)率定均合理可行，可良好滿足方案計算提出的要求[1]。

4 數(shù)學(xué)模型概化

對于涉河路段，其網(wǎng)格邊界為原公路線，在工程實施后的計算工況當(dāng)中可將改建工程與原公路線路范圍內(nèi)的網(wǎng)格視作實體來進行處理。對于高速公路，與該工程線路相緊貼。對其模擬進行簡化，采用加糙的方法來處理，橋樁阻力參數(shù)采用水工模型來確定。

從模型計算成果可知，高速公路所在位置流速保持在2.0―2.5m/s范圍內(nèi)。根據(jù)上述試驗成果，借助伯努利方程對糙率系數(shù)進行求解，再將其倒入至數(shù)學(xué)模型當(dāng)中。經(jīng)過以上處理可得橋樁范圍內(nèi)的平均糙率等于0.085[2]。

5 工程計算方案

以該工程的各項特點為依據(jù)，計算當(dāng)洪水頻率為2%與當(dāng)洪水頻率為5%時對應(yīng)的沿程水位及流速變化，通過對這些變化進行的分析能明確可能對河勢及堤岸沖淤等造成的影響，具體可以分成四個組次，具體如表1所示。

表1 計算方案

6 計算成果與分析

6.1 壅水計算 公路改建導(dǎo)致的水流變化程度并不大，占河段末端周圍水位小幅下降；占河段中部以上與外側(cè)周圍水位小幅壅高，具體的數(shù)值在0.01―0.03m范圍內(nèi)。洪水位壅高及降低都小于河道寬度1/2，不會對對岸公路造成影響；河道下游的影響范圍在200m以內(nèi)，到達(dá)下游斷面以后，水位及流速都能恢復(fù)至原始的狀態(tài)；占河段上游的壅水會對河道的整個斷面造成影響，但影響持續(xù)到窄斷面以后消失[3]。

6.2 流速計算和沖淤變化 根據(jù)流速計算結(jié)果可知，工程所在區(qū)域流速相對較慢，越靠近河道中央，實際流速有所增加，最大和最小流速的差值為0.12m/s；流向沒有太大的變化，不超過1°，與占河內(nèi)側(cè)相靠近的局部點位，其流向變化可以達(dá)到6.4°，在工程區(qū)的末端下部，實施前后的流速并沒有太大變化，不超過0.02m/s。

在工程實施開始后，對床面沖淤變化進行的預(yù)測將床面自動調(diào)整基本原理作為基礎(chǔ)，采用定床計算方法確定水流要素，然后借助半經(jīng)驗半理論計算公式完成估算與預(yù)測。因河段范圍內(nèi)的懸移質(zhì)與推移質(zhì)在粒徑上有很大的差別，而工程實施后導(dǎo)致淤積的主要因素是懸移質(zhì)，所以需要對淤積區(qū)與沖刷區(qū)實施分別計算[4]。

根據(jù)模型計算結(jié)果，采用專門的沖刷及淤積公式能計算確定占河段周圍水域的沖淤實際分布情況。占河區(qū)中，沖淤幅度不超過0.3m，與公路相靠近的部分的河道淤積相對較重，而河道中央則以沖刷為主。

7 結(jié)語

綜上所述，對防洪影響評價而言，二位數(shù)學(xué)模型具有十分重要的作用與意義，目前它已經(jīng)達(dá)到了比較成熟的程度，通過驗證可知其結(jié)果真實可信，能為實際的防洪評價工作提供可靠理論依據(jù)。針對實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題，需要通過對模型的持續(xù)完善，保證它的合理性與實用性，在實際工作中還應(yīng)不斷改進和創(chuàng)新工作方法，借鑒更完整、更新的資料，保證網(wǎng)格劃分及模型概化成果的科學(xué)性及合理性，以此確保二維數(shù)學(xué)模型在整個防洪評價工作中發(fā)揮出應(yīng)有的作用效果。