侯 琳，王 勇

（水利部松遼水利委員會(huì)，吉林長(zhǎng)春130021）

1 HydroInfo數(shù)值模擬軟件

1.1 軟件簡(jiǎn)介

HydroInfo數(shù)值模擬軟件是由大連理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的計(jì)算復(fù)雜水流與輸運(yùn)問(wèn)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(guò)程中，HydroInfo進(jìn)行了大量的解析數(shù)值驗(yàn)證、試驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證與原型觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，廣泛的實(shí)際工程應(yīng)用證明了該模型的可靠性、穩(wěn)定性與并行計(jì)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(shí)可提取豐富的計(jì)算數(shù)據(jù)與動(dòng)畫展示。

1.2 HydroInfo的計(jì)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(xiàng)x向分量；Sy=Swy+Sfy+S0y+Scy，是源項(xiàng) 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(xiàng)；S0x，S0y分別是x，y向的底坡源項(xiàng)；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(jì)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(guò)單元控制體邊界的通量函數(shù)。

假定Ui，Si分別為第i個(gè)單元控制體上U，S的平均值，且存儲(chǔ)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(duì)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(píng)價(jià)案例

2.1 項(xiàng)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(diǎn)位于濱洲線讓湖路西站，是哈大齊地區(qū)對(duì)外客貨運(yùn)輸?shù)闹匾ǖ溃L(zhǎng)412.33 km。鐵路穿過(guò)胖頭泡蓄滯洪區(qū)，在蓄滯洪區(qū)內(nèi)鐵路全長(zhǎng)32.91 km，當(dāng)胖頭泡蓄滯洪區(qū)啟用時(shí)，設(shè)計(jì)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(jì)洪水位，導(dǎo)致鐵路無(wú)法正常運(yùn)行，需增設(shè)橋梁滿足蓄滯洪區(qū)過(guò)水要求，并對(duì)樁號(hào)K301+400～K320+913段，共計(jì)19.513 km，進(jìn)行改建。采用HydroInfo數(shù)值模擬軟件，模擬胖頭泡蓄滯洪區(qū)運(yùn)用過(guò)程，對(duì)比分析鐵路改線前后蓄滯洪區(qū)的淹沒(méi)過(guò)程、計(jì)算鐵路前壅水高度，評(píng)估鐵路改建對(duì)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(jì)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(shí)際測(cè)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(xiǎn)工程建設(shè)以及批復(fù)的相關(guān)項(xiàng)目可行性研究報(bào)告確定的堤頂高程設(shè)置。研究范圍內(nèi)共建立828 760個(gè)地形數(shù)據(jù)高程點(diǎn)。

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

3）橋梁按照實(shí)際過(guò)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(gè)單元，17 103個(gè)節(jié)點(diǎn)。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(diǎn)上，建立模型。

2.2.3 模型率定

通過(guò)模型計(jì)算蓄滯洪區(qū)內(nèi)水位，與蓄滯洪區(qū)內(nèi)24個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的洪痕水位進(jìn)行對(duì)比，實(shí)測(cè)洪痕水位與計(jì)算水位差值均在0.05 m以內(nèi)，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1，說(shuō)明模型計(jì)算結(jié)果較為可靠，可以用于蓄滯洪區(qū)內(nèi)壅水高度計(jì)算。

2.3 壅水分析計(jì)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(yùn)用達(dá)到蓄滯洪區(qū)設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，1座橋梁行洪面積46 m2，21座小橋涵行洪面積194 m2，路肩過(guò)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(yùn)用達(dá)到蓄滯洪區(qū)設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，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(duì)比見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)狀鐵路與改建鐵路路肩高程對(duì)比

2.3.2 壅水計(jì)算結(jié)果

依據(jù)HydroInfo模型計(jì)算在蓄滯洪區(qū)設(shè)計(jì)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(gè)特征斷面，在同一時(shí)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(jiàn)圖2。

表1 歷史洪痕水位與模型計(jì)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(guò)水，鐵路上端通過(guò)建設(shè)橋梁、小橋涵代替現(xiàn)狀鐵路路肩過(guò)水，行洪面積減少，過(guò)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(guò)建設(shè)橋梁、小橋涵代替現(xiàn)狀鐵路路肩過(guò)水，橋孔尺寸滿足行洪能力要求，洪水到達(dá)鐵路附近時(shí)，可使洪水迅速通過(guò)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(duì)蓄滯洪區(qū)行洪安全影響較小。

3 結(jié)論

通過(guò)HydroInfo數(shù)值模擬軟件，建立胖頭泡蓄滯洪區(qū)洪水動(dòng)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(duì)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(jìn)行洪水演進(jìn)模擬，分析在蓄滯洪區(qū)啟用時(shí)，鐵路改建對(duì)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(jì)算者要細(xì)心收集處理核對(duì)數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。為提高模型的計(jì)算精度，可以通過(guò)與其他方法進(jìn)行對(duì)比，在有實(shí)測(cè)資料的情況下，可通過(guò)實(shí)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)率定，驗(yàn)證模型計(jì)算的準(zhǔn)確程度，保證模型計(jì)算的精度。