陳大為

(黑龍江省中部引嫩工程和江東灌澇區(qū)管護(hù)中心，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

0 引 言

該工程位于嫩江干流中游，位于阿倫河河口以下約11km處，音河河口以上約7.5km處，本次評(píng)價(jià)選取同盟水文站、富拉爾基水文站作為設(shè)計(jì)代表站，同盟水文站位于項(xiàng)目線路上游約65.2km處，富拉爾基水文站位于項(xiàng)目線路下游52.6km處。該工程的建設(shè)對(duì)嫩江防洪可能會(huì)有較大影響,因此本次洪水分析應(yīng)采用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析,即采用HydroInfo二維數(shù)值模型對(duì)取水工程建成后對(duì)工程所在河段行洪的影響進(jìn)行分析。

1 模型簡(jiǎn)介

HydroInfo水力信息系統(tǒng)是在理論研究、算法分析與工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)建立的模型，可應(yīng)用于流域系統(tǒng)的水面線計(jì)算與河道演變分析等問(wèn)題。該系統(tǒng)由計(jì)算分析、信息查詢(xún)、可視化演示等模塊構(gòu)成。計(jì)算模塊將庫(kù)群、河網(wǎng)、泄水建筑物、堤壩等作為大系統(tǒng)統(tǒng)一處理，根據(jù)實(shí)際問(wèn)題的特點(diǎn)及空間分辨率要求，可以采用分區(qū)動(dòng)態(tài)耦合算法以二維流動(dòng)微分方程組作為控制方程。利用系統(tǒng)的分解-協(xié)調(diào)算法，不僅有利于分析子系統(tǒng)的耦合影響與相互作用，而且能夠建立基于網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的系統(tǒng)。利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、可視化技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并結(jié)合現(xiàn)有的程序開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能為決策提供可靠、高效、可視化的科學(xué)依據(jù)[1]。

2 控制方程

HydroInfo軟件二維自由水面模型求解的是平面二維淺水方程，對(duì)于平面大范圍的自由表面流動(dòng)，垂向尺度一般遠(yuǎn)<平面尺度，在此條件下，可引入淺水假設(shè)來(lái)簡(jiǎn)化基本的守恒方程。假設(shè)沿水深方向的壓力遵循靜水壓力分布，同時(shí)對(duì)基本的質(zhì)量與動(dòng)量守恒方程在水深方向積分以便引入平均化處理，可以導(dǎo)出以下的淺水方程。

(1)

(2)

式中：U為自變量；F為x方向的通量；G為y方向的通量；S為源項(xiàng)，上標(biāo)I為對(duì)流通量；V為黏性通量；h為水深；u，v分別為x，y方向的流速；g為重力加速度；S0x，S0y分別為x，y方向的底坡源項(xiàng)；Sfx分別為x方向的底摩擦源項(xiàng)；Sfy為y方向的底摩擦源項(xiàng)，可以表示為：

(3)

式中：n為糙率；Zb為河底高程。水位函數(shù)z(x，y，t)可由水深h(x，y，t)和河底高程zb(x，y)確定。

3 計(jì)算范圍及資料選取

3.1 網(wǎng)格劃分

二維數(shù)學(xué)模型的計(jì)算區(qū)域?yàn)槟劢闪髂?8-嫩30斷面，全長(zhǎng)約8.1km，以嫩江干流左右兩岸的堤防作為邊界，寬度約7.46km-10.55km。

3.2 地形資料

本次計(jì)算的地形采用航測(cè)1∶5000地形圖，坐標(biāo)系為北京1954坐標(biāo)，高程系統(tǒng)為1956黃海系統(tǒng)。

3.3 邊界條件

嫩30斷面為二維模型計(jì)算起推斷面，該斷面流量采用富拉爾基設(shè)計(jì)洪峰流量，嫩28斷面采用富拉爾基水文站的設(shè)計(jì)洪峰流量。二維模型率定的參照成果見(jiàn)表1。

表1 二維模型率定的參照成果

4 模型驗(yàn)證

二維數(shù)學(xué)模型中，糙率是影響水流計(jì)算成果的主要參數(shù)，需要采用實(shí)測(cè)的不同流量級(jí)下水位、斷面流速等方面資料進(jìn)行參數(shù)的率定和驗(yàn)證。

二維模型計(jì)算中，上游給定流量、下游給定水位以確定模型計(jì)算的邊界條件。該工程嫩江穿越段防洪標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇，評(píng)價(jià)范圍內(nèi)嫩江干流左岸齊富堤防的規(guī)劃防洪標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇，右岸西臥牛吐堤防及雅爾塞堤防均為50a一遇，故本次評(píng)價(jià)分別對(duì)50a一遇、100a一遇設(shè)計(jì)洪水進(jìn)行二維數(shù)學(xué)計(jì)算。

2）精確定壓、外調(diào)簡(jiǎn)便。根據(jù)套壓表調(diào)節(jié)定壓桿，可以達(dá)到精確定壓，而且采用了外調(diào)式調(diào)節(jié)壓力。使定壓、調(diào)壓工作可以在線隨時(shí)調(diào)節(jié)。

本次計(jì)算采用糙率成果見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算區(qū)域糙率成果表

本次模型驗(yàn)證將二維水位計(jì)算成果(現(xiàn)狀狀態(tài))與批復(fù)的水面線成果進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)二維模型計(jì)算結(jié)果與一維水面線成果對(duì)比，斷面水位差值在0.01m以?xún)?nèi)，能較好的模擬本河段的水位情況，可選用本模型進(jìn)行嫩江穿越段的洪水影響評(píng)價(jià)計(jì)算。二維數(shù)學(xué)模型參數(shù)率定成果見(jiàn)表3。

表3 二維數(shù)學(xué)模型參數(shù)率定成果表

5 計(jì)算成果

根據(jù)本次計(jì)算成果，分析嫩江穿越段對(duì)本河段水位、流場(chǎng)的影響。

5.1 天然狀態(tài)水流條件分析

根據(jù)本工程建設(shè)前50a一遇和100a一遇洪水時(shí)的水深及流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，分析評(píng)價(jià)范圍內(nèi)河道的水流條件。

5.1.1 50a一遇洪水

1)計(jì)算區(qū)域內(nèi)水流較為復(fù)雜，洪水漫灘。取水建筑物所在位置處水深最大，為8.465m；取水泵站處水深1.745m。

2)從流態(tài)上看，計(jì)算區(qū)域流態(tài)較平緩，取水建筑物、取水泵站及輸水管線所在位置處無(wú)漩渦等不良流態(tài)，其中取水建筑物取水頭部流速為0.391 m/s，取水泵站位置流速為0.362 m/s。

1)計(jì)算區(qū)域內(nèi)水流較為復(fù)雜，洪水漫灘。取水建筑物所在位置處水深最大，為8.887m；取水泵站處水深2.157m。。

2)從流態(tài)上看，計(jì)算區(qū)域流態(tài)較平緩，取水建筑物、取水泵站及輸水管線所在位置處無(wú)漩渦等不良流態(tài)，其中取水頭部流速為0.477 m/s，取水泵站位置流速為0.474 m/s。

5.2 泵站建成后水流條件變化分析

在計(jì)算區(qū)域嫩江河道泵站建設(shè)完成之后，對(duì)該河段進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。結(jié)合現(xiàn)狀情況下水流條件，分析擬建工程對(duì)水位、流場(chǎng)等方面的影響。

5.2.1 50a一遇洪水

1)工程建設(shè)對(duì)水位的影響。

引水工程建設(shè)前后各處水深對(duì)比計(jì)算表明，取水建筑物前局部最大壅水高度0.01m，泵站前局部最大壅水高度0.012m。壅水受到新建取水建筑物及泵站的影響，壅水在新建泵站上游約0.2km處結(jié)束。

2)工程建設(shè)對(duì)流場(chǎng)的影響。通過(guò)計(jì)算可知，由于泵站尺寸相對(duì)于河道寬度較小，故工程建設(shè)對(duì)河段流速影響很小。按照泵站在嫩29斷面的投影面積計(jì)算，泵站阻水面積占總過(guò)水?dāng)嗝婷娣e的0.6%。

5.2.2 100a一遇洪水

1)工程建設(shè)對(duì)水位的影響。嫩江穿越段建設(shè)前后各處水深對(duì)比計(jì)算表明，取水建筑物前局部最大壅水高度0.016m，泵站前局部最大壅水高度0.023m。壅水受到新建泵站的影響，壅水在新建泵站上游約0.2km處結(jié)束。

2)工程建設(shè)對(duì)流場(chǎng)的影響。通過(guò)計(jì)算可知，由于泵站尺寸相對(duì)于河道寬度較小，故工程建設(shè)對(duì)河段流速影響很小。按照泵站在嫩29斷面的投影面積計(jì)算，泵站阻水面積占總過(guò)水?dāng)嗝婷娣e的0.6%。泵站所在位置處流速有所減小，局部有繞流。

6 結(jié) 語(yǔ)

自嫩江引水至工業(yè)區(qū)及使用后的尾水排放，在不同運(yùn)行狀態(tài)下產(chǎn)生不同水流條件，水流斷面面積變化，水的流速增減，很容易對(duì)工程形成沖刷，因此為了建設(shè)項(xiàng)目的工程安全，以及減小對(duì)原有自然環(huán)境的影響，有必要通過(guò)軟件模擬來(lái)確定工程措施的運(yùn)行效果。通過(guò)本次模擬工程的取水及排水運(yùn)行工況可知，取水泵站設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足技術(shù)要求，對(duì)原始徑流影響在規(guī)定范圍內(nèi)。本項(xiàng)目的運(yùn)行模擬過(guò)程及對(duì)不同標(biāo)準(zhǔn)下的模擬結(jié)果的分析，可以給今后建設(shè)的其它同類(lèi)工程安全分析方面提供參考。