富裕工業(yè)園區(qū)基礎配套工程水文二維模型計算分析

陳大為

(黑龍江省中部引嫩工程和江東灌澇區(qū)管護中心，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，本次評價選取同盟水文站、富拉爾基水文站作為設計代表站，同盟水文站位于項目線路上游約65.2km處，富拉爾基水文站位于項目線路下游52.6km處。該工程的建設對嫩江防洪可能會有較大影響,因此本次洪水分析應采用數(shù)學模型進行分析,即采用HydroInfo二維數(shù)值模型對取水工程建成后對工程所在河段行洪的影響進行分析。

1 模型簡介

HydroInfo水力信息系統(tǒng)是在理論研究、算法分析與工程應用的基礎上開發(fā)建立的模型，可應用于流域系統(tǒng)的水面線計算與河道演變分析等問題。該系統(tǒng)由計算分析、信息查詢、可視化演示等模塊構成。計算模塊將庫群、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)實際問題的特點及空間分辨率要求，可以采用分區(qū)動態(tài)耦合算法以二維流動微分方程組作為控制方程。利用系統(tǒng)的分解-協(xié)調算法，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)絡計算的系統(tǒng)。利用數(shù)據(jù)庫技術、可視化技術與虛擬現(xiàn)實技術，并結合現(xiàn)有的程序開發(fā)平臺，能為決策提供可靠、高效、可視化的科學依據(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，對于平面大范圍的自由表面流動，垂向尺度一般遠<平面尺度，在此條件下，可引入淺水假設來簡化基本的守恒方程。假設沿水深方向的壓力遵循靜水壓力分布，同時對基本的質量與動量守恒方程在水深方向積分以便引入平均化處理，可以導出以下的淺水方程。

(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，上標I為對流通量；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；Sfx分別為x方向的底摩擦源項；Sfy為y方向的底摩擦源項，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 計算范圍及資料選取

3.1 網(wǎng)格劃分

二維數(shù)學模型的計算區(qū)域為嫩江干流嫩28-嫩30斷面，全長約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

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

3.3 邊界條件

嫩30斷面為二維模型計算起推斷面，該斷面流量采用富拉爾基設計洪峰流量，嫩28斷面采用富拉爾基水文站的設計洪峰流量。二維模型率定的參照成果見表1。

表1 二維模型率定的參照成果

4 模型驗證

二維數(shù)學模型中，糙率是影響水流計算成果的主要參數(shù)，需要采用實測的不同流量級下水位、斷面流速等方面資料進行參數(shù)的率定和驗證。

二維模型計算中，上游給定流量、下游給定水位以確定模型計算的邊界條件。該工程嫩江穿越段防洪標準為100a一遇，評價范圍內嫩江干流左岸齊富堤防的規(guī)劃防洪標準為100a一遇，右岸西臥牛吐堤防及雅爾塞堤防均為50a一遇，故本次評價分別對50a一遇、100a一遇設計洪水進行二維數(shù)學計算。

2）精確定壓、外調簡便。根據(jù)套壓表調節(jié)定壓桿，可以達到精確定壓，而且采用了外調式調節(jié)壓力。使定壓、調壓工作可以在線隨時調節(jié)。

本次計算采用糙率成果見表2。

表2 計算區(qū)域糙率成果表

本次模型驗證將二維水位計算成果(現(xiàn)狀狀態(tài))與批復的水面線成果進行對比。根據(jù)二維模型計算結果與一維水面線成果對比，斷面水位差值在0.01m以內，能較好的模擬本河段的水位情況，可選用本模型進行嫩江穿越段的洪水影響評價計算。二維數(shù)學模型參數(shù)率定成果見表3。

表3 二維數(shù)學模型參數(shù)率定成果表

5 計算成果

根據(jù)本次計算成果，分析嫩江穿越段對本河段水位、流場的影響。

5.1 天然狀態(tài)水流條件分析

根據(jù)本工程建設前50a一遇和100a一遇洪水時的水深及流場計算結果，分析評價范圍內河道的水流條件。

5.1.1 50a一遇洪水

1)計算區(qū)域內水流較為復雜，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)計算區(qū)域內水流較為復雜，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

在計算區(qū)域嫩江河道泵站建設完成之后，對該河段進行數(shù)值模擬計算。結合現(xiàn)狀情況下水流條件，分析擬建工程對水位、流場等方面的影響。

5.2.1 50a一遇洪水

1)工程建設對水位的影響。

引水工程建設前后各處水深對比計算表明，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處結束。

2)工程建設對流場的影響。通過計算可知，由于泵站尺寸相對于河道寬度較小，故工程建設對河段流速影響很小。按照泵站在嫩29斷面的投影面積計算，泵站阻水面積占總過水斷面面積的0.6%。

5.2.2 100a一遇洪水

1)工程建設對水位的影響。嫩江穿越段建設前后各處水深對比計算表明，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處結束。

2)工程建設對流場的影響。通過計算可知，由于泵站尺寸相對于河道寬度較小，故工程建設對河段流速影響很小。按照泵站在嫩29斷面的投影面積計算，泵站阻水面積占總過水斷面面積的0.6%。泵站所在位置處流速有所減小，局部有繞流。

6 結 語

自嫩江引水至工業(yè)區(qū)及使用后的尾水排放，在不同運行狀態(tài)下產生不同水流條件，水流斷面面積變化，水的流速增減，很容易對工程形成沖刷，因此為了建設項目的工程安全，以及減小對原有自然環(huán)境的影響，有必要通過軟件模擬來確定工程措施的運行效果。通過本次模擬工程的取水及排水運行工況可知，取水泵站設計結構滿足技術要求，對原始徑流影響在規(guī)定范圍內。本項目的運行模擬過程及對不同標準下的模擬結果的分析，可以給今后建設的其它同類工程安全分析方面提供參考。