基于一維非恒定流淠河河道洪水演算及設(shè)計(jì)洪水流量確定

張 斌

（六安市裕安區(qū)水利局，安徽 六安 237000）

1 引言

設(shè)計(jì)洪水參數(shù)對(duì)河道防洪治理工程設(shè)計(jì)十分重要，參數(shù)選取的合理性對(duì)治理工程設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性有較大影響。目前，針對(duì)河道設(shè)計(jì)洪水的計(jì)算主要采用理論分析和數(shù)值模擬分析方法。賈鵬[1]利用相關(guān)水利軟件推求河道水位線，作為河道治理工程設(shè)計(jì)的依據(jù)；王旭瀅 等[2]選用IFMS一、二維水動(dòng)力模型研究河道洪水情況，為流域防洪工程設(shè)計(jì)提供參考；吳曉東 等[3]采用恒定非均勻流分析河道行洪能力，結(jié)果表明現(xiàn)狀行洪能力在淤積和人類活動(dòng)影響下小于原設(shè)計(jì)行洪能力。在重要流域，梯級(jí)水庫(kù)的修建對(duì)流域防洪調(diào)度有極大的影響，在洪水參數(shù)確定過程中需要考慮梯級(jí)水庫(kù)調(diào)度的影響，從而獲取更為精確的數(shù)據(jù)[4]。

2 淠河流域洪水概況

淠河屬于淮河支流，發(fā)源于大別山，河道全長(zhǎng)約為253 km，流域面積超過6.0×103km2。現(xiàn)狀淠河整體防洪能力較差，水利工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，排洪能力不足，無法滿足需求。工程綜合治理段全長(zhǎng)約174 km，根據(jù)不同區(qū)段，共劃分為3種防洪標(biāo)準(zhǔn)，淠河橫排頭以下六安城區(qū)段、淠河橫排頭以下其它河段、東淠河崔山段防洪標(biāo)準(zhǔn)分別為50年一遇、20年一遇、10年一遇。

淠河洪水由兩部分構(gòu)成，①佛子嶺水庫(kù)和響洪甸水庫(kù)下泄洪水，②水庫(kù)以下區(qū)間匯流。根據(jù)水文成果，設(shè)計(jì)洪水地區(qū)組成有如下兩種：①佛子嶺、響洪甸至橫排頭區(qū)間和響洪甸以上與橫排頭同頻率，該區(qū)間為主設(shè)計(jì)洪水，以2005年為典型年；②佛子嶺、響洪甸水庫(kù)以上與橫排頭同頻率(其中佛子嶺以上白蓮崖與佛子嶺同頻率)，佛子嶺水庫(kù)、響洪甸水庫(kù)至橫排頭區(qū)間，該區(qū)間為水庫(kù)主設(shè)計(jì)洪水，以1991年為典型年。根據(jù)水庫(kù)洪水調(diào)度原則，對(duì)水庫(kù)進(jìn)行洪水調(diào)算，其中響洪甸水庫(kù)進(jìn)行單獨(dú)調(diào)算，白蓮崖水庫(kù)、磨子潭水庫(kù)和佛子嶺水庫(kù)進(jìn)行三庫(kù)聯(lián)調(diào)，調(diào)算結(jié)果見圖1～圖3。

圖1 區(qū)間為主洪水佛子嶺水庫(kù)下泄流量過程

圖3 水庫(kù)為主洪水響洪甸水庫(kù)下泄流量過程

3 洪水過程演算

淠河是淮河南岸的重要支流，發(fā)源于大別山北麓，具有徑流大、集流快、洪峰高、傳播快的特點(diǎn)，同時(shí)淠河屬砂質(zhì)游蕩型河床，主河槽不穩(wěn)定，水流復(fù)雜，采用恒定流計(jì)算方法無法準(zhǔn)確分析洪水運(yùn)動(dòng)情況。為準(zhǔn)確分析淠河洪水運(yùn)動(dòng)情況，建立淠河河道水流運(yùn)動(dòng)的一維非恒定流數(shù)學(xué)模型，對(duì)淠河不同水情、不同工況條件進(jìn)行了洪水演進(jìn)分析。

（1）數(shù)學(xué)模型

采用一維非恒定流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算淠河洪水演變的控制方程如下：

式中：x為沿流向的坐標(biāo)；t為時(shí)間；Q為流量；Z為水位；A為過水?dāng)嗝婷娣e；B為河寬；q1為沿程單位河長(zhǎng)流量變化；n為糙率。

（2）數(shù)值計(jì)算

為了提高計(jì)算效率，加快工作進(jìn)度，選取數(shù)值計(jì)算方法快速獲取洪水演變過程曲線。以計(jì)算的河段作為控制體，使用有限體積法對(duì)上述的水流運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行離散處理，之后基于SIMPLE算法對(duì)洪水流量以及水位進(jìn)行耦合分析，從而獲取所需的數(shù)據(jù)。采用數(shù)值分析計(jì)算原理如下：

1）水流運(yùn)動(dòng)方程

將水流運(yùn)動(dòng)方程沿控制體積分，離散形式如下：

式中:Φ為通用控制變量；Fw、Fe為界面質(zhì)量流量;Δx為控制體長(zhǎng)度;Δt為計(jì)算步長(zhǎng)；上標(biāo)0表示上一時(shí)間計(jì)算結(jié)果。

為了提高計(jì)算的穩(wěn)定性，在計(jì)算求解過程中引入松弛因子a0，將a0代入式(3)中可得最終離散的水流運(yùn)動(dòng)方程：

式中：Ap為運(yùn)動(dòng)方程主對(duì)角元系數(shù)；上標(biāo)P為水位修正方程系數(shù)。

將求解動(dòng)量方程所得的流速初始值和上一層次的水位初始值代入上式即可得到界面流量將代入連續(xù)方程即可得到水位修正方程如下：

（3）數(shù)模驗(yàn)證為了檢驗(yàn)數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法的正確性，選擇典型年份的實(shí)測(cè)水文資料對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行率定與驗(yàn)證，并檢驗(yàn)其精度。在本次計(jì)算過程中，主要對(duì)非恒定流的水位和流量過程進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證計(jì)算的地形資料采用淠河佛子嶺水庫(kù)下游東淠河、響洪甸水庫(kù)以下西淠河及兩河口至入淮口淠河干流帶狀地形圖，佛子嶺水庫(kù)下游東淠河、響洪甸水庫(kù)以下西淠河及兩河口至入淮口淠河干流河道橫斷面采用2005年9月2日08：00點(diǎn)～9月15日08：00點(diǎn)河集和正陽關(guān)的實(shí)測(cè)水位資料及橫排頭和迎河集的實(shí)測(cè)流量資料進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算數(shù)學(xué)模型計(jì)算設(shè)計(jì)工況下流量和水位過程，與實(shí)測(cè)值比較，各測(cè)站水位過程的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值基本一致，其誤差一般在2 cm之內(nèi)，個(gè)別點(diǎn)達(dá)到10 cm左右。模型計(jì)算的水位、流量過程與實(shí)測(cè)成果吻合較好，表明本報(bào)告所采用的一維數(shù)學(xué)模型能夠較好地模擬本河段水流運(yùn)動(dòng)特性，相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法是正確的，模型中相關(guān)參數(shù)的取值是合理的。

4 設(shè)計(jì)洪水流量

采用一維非恒定水流運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行洪水的演進(jìn)計(jì)算，根據(jù)模型計(jì)算成果，按照對(duì)防洪最不利的原則擬定淠河各河段設(shè)計(jì)流量，成果見表1。

表1 淠河設(shè)計(jì)流量成果表單位：m3/s

5 結(jié)論

為了獲取淠河治理工程設(shè)計(jì)洪水參數(shù)，在充分考慮流域梯級(jí)水庫(kù)防洪調(diào)度作用的基礎(chǔ)上，采用一維非恒定流計(jì)算河道設(shè)計(jì)流量，通過對(duì)比計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，兩者之間幾乎一致，差距較小可以忽略，采用該方法獲取的設(shè)計(jì)洪水參數(shù)可用于河道綜合治理工程設(shè)計(jì)。