王學(xué)超，梁士奎，葉 飛

（華北水利水電學(xué)院，河南鄭州 450045）

河流系統(tǒng)模擬是預(yù)測河流或水庫在自然或人為條件下河床沖淤變化及水流、水沙、水環(huán)境等要素變化的重要手段．目前，用于河流系統(tǒng)模擬的較成熟的軟件主要有丹麥的Mike、荷蘭的Delft、美國的SMS等，但這些軟件的兼容性不是很好，通用化程度較低．InfoWorks RS是英國Wallingford公司開發(fā)的水力學(xué)模型專業(yè)應(yīng)用軟件，主要用于河網(wǎng)水動力學(xué)模型建模和計算．InfoWorks RS軟件包括基于事件和概念的兩種降雨－徑流水文模型，可對明渠河道、漫灘、堤防、水工構(gòu)筑物等進(jìn)行完全模擬．該軟件采用分布式結(jié)構(gòu)體系，并通過InfoWorks主數(shù)據(jù)庫來統(tǒng)一管理用戶數(shù)據(jù)，既支持單用戶應(yīng)用，也可支持工作組多用戶應(yīng)用，且具有比較直觀的圖形和用戶操作管理界面，可方便地建立河網(wǎng)模型的網(wǎng)絡(luò)、事件、邏輯控制等．鑒于此，筆者應(yīng)用InfoWorks RS軟件，對鄭州常莊水庫實現(xiàn)了完整的建模過程．

1 河流系統(tǒng)模擬相關(guān)基本方程

一維明渠非恒定流采用的方程為［1］式中：A，Q，h分別表示過水?dāng)嗝婷娣e、流量、斷面水位;u為斷面流速;Cs為謝才系數(shù)．

2 洪水演進(jìn)模擬

InfoWorks RS軟件包含了豐富的水流計算模型，可以很好地進(jìn)行洪水演進(jìn)計算．洪水演進(jìn)模擬計算時，重要的特征就是取水或入流，在模擬時可作為流量邊界．水流固有的連續(xù)性可以作為解決這一問題的基本方程，用微分的形式可以表示為［2－3］

式中：dS/dt表示蓄水變化量相對于時間的變化率;I為流入量;Q為流出量．

為了方便計算，通常用平均流量的函數(shù)來表示上述方程，即［4］

計算中，假設(shè)水文曲線在時段Δt內(nèi)是直線變化的．在選擇時間步長Δt時，要保證水文過程線的所有重要特征不受影響，特別是演進(jìn)計算的時間周期必須要小于河道內(nèi)洪水波的傳播時間．

3 建模基礎(chǔ)資料

采用InfoWorks RS軟件來建立河流系統(tǒng)的數(shù)字化仿真模型，需要以下基礎(chǔ)資料．

1）河流系統(tǒng)幾何資料．包括建立河流系統(tǒng)的地形圖、模擬計算的河段長度、各典型斷面的數(shù)據(jù)信息（如該斷面上任一點的三維坐標(biāo)）、典型斷面之間的間距、河床的糙率、河流的收縮或擴(kuò)散損失系數(shù)、河流系統(tǒng)的出流或入流信息、水工建筑物（如橋涵、溢洪道、堰）資料等．

2）河系恒定流資料．包括水流的流態(tài)、模擬河段的邊界條件、水流的峰流量等．①流態(tài)須在用戶管理界面上注明．急流水面線曲線從臨界水深以下進(jìn)行計算;緩流水面線曲線從臨界水深以上進(jìn)行計算;如流態(tài)從急流過渡到緩流，或從緩流過渡到急流，須按混合流模式進(jìn)行計算．②在模擬河系的終端（上游和下游）模擬推算急流，邊界條件僅用于河系上游端點;對于緩流流態(tài)而言，可在河系的下游末端斷面設(shè)置邊界條件;如模擬推算混合流，須在河系的上下游都設(shè)置邊界條件．要設(shè)置的邊界條件主要有：初始的水流流速、初始水位等．

3）河系非恒定流資料．包括河流系統(tǒng)內(nèi)部和外部的邊界條件、初始流量和水位等信息．河系所需的邊界條件有：渠首斷面的水位－流量關(guān)系曲線、水位－時間關(guān)系曲線、水位－流速關(guān)系曲線等．

4 應(yīng)用實例

常莊水庫地處淮河流域沙潁河水系的賈魯河支河賈峪河下游，壩址位于鄭州市西南中原區(qū)須水鎮(zhèn)王垌村東．水庫距河南省省會鄭州市城區(qū)西環(huán)路僅2 km．水庫下游有京廣和隴海鐵路樞紐、310國道、鄭洛高速公路、熱電廠、柿園水廠及部分重要工礦企業(yè)等，防洪位置十分重要．常莊水庫設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為百年一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為萬年一遇．其控制流域面積825 km2，總庫容1 740萬 m3，興利庫容714萬 m3．水庫大壩壩頂高程135．74 m，校核洪水位135．34 m，歷史最高洪水位128．85 m，興利水位128．50 m，遷賠高程為130．54 m，死水位119．04 m．

目前，常莊水庫觀測設(shè)施較為陳舊，缺少必要的自動化監(jiān)控系統(tǒng)．同時，水庫管理人員缺乏搶險救災(zāi)的經(jīng)驗．因此，對該水庫進(jìn)行校核標(biāo)準(zhǔn)下的洪水下泄過程模擬，建立相應(yīng)的防洪預(yù)案非常必要．通過對常莊水庫地形及斷面等基礎(chǔ)資料的提取，構(gòu)建了常莊水庫洪水演進(jìn)數(shù)字化管理網(wǎng)絡(luò)模型，如圖1所示．

圖1 河流系統(tǒng)數(shù)字化模型圖

對常莊水庫校核標(biāo)準(zhǔn)下的洪水下泄過程進(jìn)行模擬，結(jié)果見表1及如圖2所示．還可得到水庫在校核標(biāo)準(zhǔn)洪水下泄工況下，下游典型斷面處出現(xiàn)的潰堤情況、水位高出河堤的分布情況及淹沒范圍．

表1 各斷面最大流量時水力參數(shù)（節(jié)選）

圖2 2000－01－01某斷面流量與流速隨時間變化曲線

利用這些數(shù)據(jù)，可以便利地確定工程蓄泄對策及進(jìn)行堤防、分蓄洪工程決策，可以快捷、有效地管理區(qū)域洪水．對減少洪澇災(zāi)害的損失、制定防洪預(yù)案、及時轉(zhuǎn)移必要的生命財產(chǎn)等都具有十分重要的意義．

5 結(jié)語

以常莊水庫為研究區(qū)域，構(gòu)建了洪水演進(jìn)模型，并以此作為應(yīng)用實例，建立了較為先進(jìn)的洪水演進(jìn)管理數(shù)字化模型系統(tǒng)．系統(tǒng)演示結(jié)果表明，該洪水演進(jìn)數(shù)字化模型系統(tǒng)具有實用性、先進(jìn)性與靈活性的特點，為河流系統(tǒng)的管理提供了方便的信息化平臺．

InfoWorks RS軟件功能全面，界面友好，模型運(yùn)行穩(wěn)定，在防洪調(diào)度決策和河道規(guī)劃設(shè)計中具有廣闊的應(yīng)用前景．而且其完整的解決方案、獨特的模型數(shù)據(jù)組織方式以及支持工作組應(yīng)用等特點，對類似軟件的研發(fā)和應(yīng)用具有良好的借鑒作用，可為復(fù)雜條件下的河流系統(tǒng)防洪信息管理、制定相應(yīng)防洪預(yù)案提供信息化的平臺．隨著我國水利信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化流域的建設(shè)水平也將不斷提高，InfoWorks RS軟件也必將發(fā)揮更大的作用．

［1］芮孝芳，陳界仁．河流水文學(xué)［M］．南京：河海大學(xué)出版社，2003．

［2］David R Maidment．水文學(xué)手冊［M］．張建云，李紀(jì)生，譯．北京：科學(xué)出版社，2001．

［3］劉士和，羅秋實，黃偉．用改進(jìn)的Delaunay三角化方法生成二維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格［J］．武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2005，38（6）：56 －62．

［4］周成成，李紅，羅秋實，等．基于曲線網(wǎng)格的溫排水運(yùn)動數(shù)值模擬［J］．武漢大學(xué)學(xué)報：工學(xué)版，2008，41（3）：9 －12．