大田平原河网水动力和平面二维数学模型研究

童云英，李东风，聂　会

(1.绍兴市河道管理站，浙江 绍兴　312000；2.浙江水利水电学院，浙江 杭州　310018)



大田平原河网水动力和平面二维数学模型研究

童云英1，李东风2，聂会2

(1.绍兴市河道管理站，浙江 绍兴312000；2.浙江水利水电学院，浙江 杭州310018)

摘要：从大田平原地势低洼、调蓄控制性工程不足和灵江水位高阻水严重等方面分析了洪涝灾害形成的原因；对大田平原河网进行了水动力分析并建立平面二维模型，通过对地形水深修正、调整河床阻力糙率系数和涡粘系数的平面分布，对模型进行了验证计算，模型计算结果表明，模型所采用的水文分析成果、水利计算方法、验证的水动力计算参数、取得计算成果和参数可靠.

关键词：大田平原；河网水动力；二维数学模型

0引言

临海市城区位于大田平原腹地，是临海市政治、经济、文化中心.根据临海城市总体规划修编，城市范围和布局有了很大的变化，大田平原将成为临海规划发展的东部城区.CNKI全文检索灵江和大田平原，关于临海市水文和水资源的研究有但比较少[1-4]，关于临海市大田平原河网水动力及其二维数学模型的研究尚未见到.大田平原河网水文和水动力的研究是区域规划设计的基础，进行这方面的研究和探索对区域规划设计具有重要意义.

在临海大田平原河网规划、防洪排涝规划、流域规划、城市景观等规划中、在水利工程、城市建设的设计中，准确计算河网水流的水位、流速等水动力要素是最基础工作，在某些方面使用一维河流河网数学模型应用较多，但在涉及到临海大田平原的灵湖等湖泊、大田河等河流等复合断面、邵家渡河弯道河流、水位流量关系复杂等河网的水流运动、以及涉及到水流的流态等问题时，涉及到水工建筑物细部设计时，由于一维数学模型简化比较多，而二维模型与一维模型相比，由于考虑了水流的横向运动等多个因素，在分析水流的流动状态、提高计算精度和增加计算结果的可视化等方面更具有优越性，平面二维数学模型在规划设计中已经得到了广泛应用[5-8].考虑到本次计算的大田平原内河网水位影响因素复杂、河流流态对水位和流速的影响大等问题，为提高水流模拟精度，为大田平原河网水利规划设计、城市景观规划设计提供重要决策依据，建立大田平原河流河网平面二维数学模型，并进行水流运动的计算分析非常必要.

1大田平原洪涝灾害

临海老城区与大田平原是灵江流域最大的河谷平原，大田平原地形特点是三面环山，沿灵江江边地势较高，呈“锅底”形状，上游灵江洪水、下游又受椒江口潮水顶托，使临海市城区和大田平原极易遭受洪涝灾害，历来也是临海市洪涝灾害的最为严重的地区.其表现为：(1)大田平原流域上游山溪集雨面积达268 km2的洪水无水库和调蓄工程控制；(2)灵江上游出口洪水流量大，使大田港闸外江水位高；(3)洪水出路少.目前大田平原及以上游山区洪水只有大田港闸一个排涝出口；(4)大田港闸外江水位受灵江下游高水位的顶托.一方面，灵江上临海城区和大田平原下游有庙龙港峡谷地段，江面最狭窄处尚不足200 m，形成了临海市和大田平原一带的灵江高水位，另一方面潮水的顶托，也使大田港闸外江水位抬高；(5)临海大田平原，三面环山，地势低洼，地面高程一般在4.0～6.5 m之间，呈“锅底”形状，地势过低；(6)人类活动的影响，近年由于城区东扩，道路桥梁厂房的建设阻碍了行洪的通畅性.以上致使大田港闸外江持续的高水位，闸上水位长时段的高于闸下水位，平原河网洪水无法通过大田港闸排涝，大田平原内部洪涝难以自排，造成平原腹地淹没水深大、时间长.洪涝灾害直接制约着临海市国民经济的持续稳定发展和人民生活水平的提高.大田平原位置和水系图(见图1).

图1　大田平原位置和水系图

2大田平原河网水动力分析

大田平原河网水流运动的水动力受上游灵江洪水、三面山区暴雨洪水、灵江下游潮水的顶托等因素的制约，汇入大田港的水系主要有洛河、白石溪、两头门溪、东溪，汇入邵家渡港的水系有洋心河、琅坑溪以及牛头山水库下泄水流，横穿区内主要河流为邵家度港和大田港(统称为大田港)，其河网水动力示意图(见图2).

图2　河网动力示意图

(1)灵江上游洪水水动力.临海大田平原河网受上游灵江洪水的制约.始丰溪和永安溪汇入灵江的洪水，致使灵江洪水水位高流量大.灵江临海以上流域面积4 344 km2，山区占88%；上游河道坡陡河急，主流永安溪平均坡降2.44‰，始丰溪平均坡降1.72‰，洪水暴涨暴落.加上永安溪、始丰溪来水相近，洪峰相汇重叠，水动力增加.

(2)西部山溪性河流水动力.西部山溪和山塘水库汇流主要形成大庆河、羊头河、大寨河、洛河等河流从南至北汇入东大河.

(3)西北部山溪性河流水动力.西北部山溪如横溪和山塘水库河流汇入白石溪后汇入大田河.

(4)东北部山溪性河流水动力.东北部山溪性河流一部分由北部的两头门溪形成、另一部分由东北部的东溪和后湖溪汇流后形成上沙溪，然后两部分水流汇合后流入大田河.

(5)东部山溪性河流水动力.东部山溪性河流一部分由北部的琅坑溪形成、另一部分由东部的逆东溪和牛头山水库下泄水流组成，汇流后流入邵家渡河流.牛头山水库运行方式为：根据《浙江省大型及重要中型水库汛期调度运用计划》和牛头山水库近年控制运行调度计划.水库洪水调度原则如下：水库正常蓄水位46.5 m(即梅汛期限制水位46.5 m)，台汛期限制水位45 m；当库水位低于20年一遇洪水位(53.12 m)时，仅由发电洞泄放发电流量(22 m3/s)；当库水位高于20年一遇洪水位(53.12 m)时，开启溢洪道中孔闸门进行泄洪，随着库水位上涨，逐渐增开两边对称闸门，直至全开；当溢洪道五扇闸门全部开启，水库水位继续上涨到55.3 m时，则全开泄洪洞闸门，以保大坝安全；洪水过后，根据气象情况和下游河道安全泄量，尽快将库水位降至汛限水位以下.

(6)大田港闸运行方式水动力.大田港闸运行方式直接控制临海城区和大田平原水动力.大田港闸是一座以挡潮、排涝为主，兼蓄淡灌溉的中型水闸，现状大田港闸1991年建成并投入使用，排涝标准为5年一遇，排涝流量为541 m3/s.大田港闸原设计挡潮标准按不考虑灵江洪水影响的20年一遇高潮位4.1 m设计，以历史最高潮位4.7 m校核.当闸上水位高于外江水位时开闸放水，当外江水位高于闸上水位时闭闸.

3大田平原河网水动力平面二维数学模型

河网水动力建模理论包括水流运动基本方程和定解条件.

3.1水流运动基本方程

水流连续方程：

(1)

水流运动方程：

(2)

式中：u、v—分别为横向及纵向水流速度；

h—水深；n—满宁糙率；νt—涡流系数；

3.2定解条件

定解条件包括初始条件和边界条件.

3.2.1初始条件

数学模型的初始值一般被定设定为常数，本次给定流速为0，初始条件对计算的最终结果没有影响.

3.2.2边界条件

在数学模型中，对于河道边界，给定陆地边界条件为边界流速设定为0的无滑动陆地边界.水位边界条件水位沿边界上不变，随时间变化边界条件；流量边界条件.流量边界条件中的流量值为总流量不随时间变化的流量为常数边界条件；因模拟河网的范围小，默认状态下模型中不包含科氏力和风的影响.对于压力校正，当边界条件为水深边界，且同时包含随空间变化的风场资料时，可以通过边界水位进行调整，以考虑压力的影响.默认状态下模型中没有包含压力的影响.模型对堰、坝、闸、泵等水工建筑物对河道水流的影响等特殊问题都进行相应处理.

4模型验证计算

模型验证按照“苏迪罗”暴雨产汇流，计算白石溪、两头门溪和琅坑溪等山溪洪水.流出河网的水域调整前后按照大田港闸和大庆河灵江入口水位和运行方式控制.

计算范围(见图2)，本区域共离散为99 753单元和59 356节点.选取大田港闸4.76 m潮位控制条件，大庆河闸控制水位6.12 m，在上述条件下，通过对地形水深修正、调整河床阻力糙率系数分布和涡粘系数平面分布，对模型进行了验证计算，计算内河河网水位和流速，其分布图(见图3).从图可以看出，临海市政府、水利局和台州学院计算水位分别为6.38 m、6.39 m和6.33 m，而浙江省水利勘测设计院调查水位分别为6.35 m、6.33 m和6.29 m，计算与调查水位分别为0.03 m、0.06 m和0.04 m.上述验证计算表明，模型计算结果基本反映河网水流运动，模型所采用的水文分析成果、水利计算方法、验证的水动力计算参数、取得计算成果和参数可靠.上述成果可以应用于大田平原相关区域的规划设计的水力计算，其主要参数大田平原内部河道糙率取0.019～0.035.

图3　河网水位分布图

5结论

从大田平原地势低洼、流域调蓄控制性工程水库、水闸和泵站不足，灵江水位高阻水严重等方面分析了洪涝灾害形成的原因；平原河网水动力主要来自于大田河的白石溪、两头门溪、东溪，汇入邵家渡港的水系有洋心河、琅坑溪以及牛头山水库下泄水流和灵江水位以及河网排出灵江的挡潮排涝闸控制，在上述分析的基础上，根据河网情况建立了大田平原河网平面二维模型，通过对地形水深修正、调整河床阻力糙率系数和涡粘系数的平面分布，通过对模型进行了验证计算，模型计算结果表明，模型所采用的水文分析成果、水利计算方法、验证的水动力计算参数、取得计算成果和参数可靠.上述成果可以应用于大田平原相关区域的规划设计的水力计算.

参考文献：

[1]李萍.浙江省临海市水资源优化配置研究[D].江苏：河海大学,2006.

[2]俞昌都,卢金利.台州市灵江流域暴雨洪水分析[J].浙江水利科技,2001(2):25-28.

[3]卢国亮,罗仕波,周文军.临海市水资源的现状及对策[J].浙江水利科技,2007(2):51-54.

[4]李萍,张娜,袁杰,等.区域生态需水量研究[J].水利科技与经济,2004(6):347-348.

[5]杨伏香,张培佳,陈卫金,等.柯桥主城区清水工程河网湖泊水动力二维数值模型分析[J].浙江水利水电学院学报,2015(3):18-21.

[6]梁佰军,李东风,张红武.瓜渚湖直江引水对通航影响的数值计算和分析[J].浙江水利水电专科学校学报,2013(4):1-3.

[7]陈卫金,李东风,张红武.绍兴平原河网防洪排涝水动力模型控制条件分析[J].浙江水利水电学院学报,2014(3):38-41.

[8]梁佰军,杨伏香,李东风,等.绍兴柯桥主城区清水工程水动力分析[J].浙江水利水电学院学报,2015(1):16-20.

On River Water Power and Plane 2D Mathematic Model for Datian Plain

TONG Yun-ying1, LI Dong-feng2, NIE Hui2

(1.River Management Station of Shaoxing Government, Shaoxing 312000, China;2.Zhengjiang University of Water Resources and Electric Power, Hangzhou 310018, China)

Abstract:The causes of flood disaster are analyzed in the aspects of low-lying position of Datian Plain, insufficient storage controlling engineering and serious high resistance water in Lingjiang River. The hydrodynamic analysis on river network of Datian Plain is also conducted in this paper and two-dimensional model is established, which is verified based on the topography and water depth correction, and the adjustment of plane distribution of bed resistance roughness coefficient and eddy viscosity coefficient. The calculation results of the model show that the adopted hydrological analysis and water conservancy calculation, the verified hydrodynamic parameters and calculation results are reliable.

Key words:Datian Plain; river water power; two dimension mathematic model

中图分类号：TV123

文献标志码：A

文章编号：1008-536X(2016)02-0014-04

作者简介：童云英(1982-)，女，浙江绍兴人，工程师，主要从事水利工程管理和咨询工作.

基金项目：浙江省自然科学基金项目( M503254)；浙江省教育厅科技计划项目 (Z200909405)；浙江省水利科技计划项目( RC11092011)；国家自然科学基金(51479081)

收稿日期：2015-09-25