HydroInfo数值模拟软件在洪水影响评价中的应用

侯 琳，王 勇

（水利部松辽水利委员会，吉林长春130021）

1 HydroInfo数值模拟软件

1.1 软件简介

HydroInfo数值模拟软件是由大连理工大学开发的计算复杂水流与输运问题的大型数值模拟软件。在理论研究、算法分析与工程应用的过程中，HydroInfo进行了大量的解析数值验证、试验室测量数据验证与原型观测数据验证，广泛的实际工程应用证明了该模型的可靠性、稳定性与并行计算的高效性。HydroInfo配备了方便灵活的前后处理功能及与其他工具软件的数据接口，便于数据准备，同时可提取丰富的计算数据与动画展示。

1.2 HydroInfo的计算原理

1.2.1 二维浅水方程

其中：u，v分别是x，y向沿水深积分的平均流速；h是水深；Sx=Swx+Sfx+S0x+Scx，是源项x向分量；Sy=Swy+Sfy+S0y+Scy，是源项 y向分量；Swx，Swy分别是x，y向的风载作用力；Sfx，Sfy分别是x，y向的底摩阻源项；S0x，S0y分别是x，y向的底坡源项；Scx，Scy分别是x，y向的地球自转柯氏力；g是重力加速度。

忽略风力和柯氏力的作用，二维浅水方程的守恒形式为：

1.2.2 数值离散

将计算区域划分为若干非结构三角形网格，取任意三角形单元为控制体，并将变量定义在单元中心，使方程（4）在单元控制体上积分，得到：

其中A是单元控制体的面积，F=( )E，G ，是通过单元控制体边界的通量函数。

假定Ui，Si分别为第i个单元控制体上U，S的平均值，且存储于单元中心，则

再利用格林公式，方程（5）可以转化为：

其中Γ是单元控制体的边界；n_是Γ的单位外法向量。对方程（7）应用高斯求积公式可得：

2 通让铁路改线洪水影响评价案例

2.1 项目概况

通辽至让湖路铁路位于内蒙古自治区东部、吉林省西部、黑龙江省西南部，线路从通辽东站引出，终点位于滨洲线让湖路西站，是哈大齐地区对外客货运输的重要通道，全长412.33 km。铁路穿过胖头泡蓄滞洪区，在蓄滞洪区内铁路全长32.91 km，当胖头泡蓄滞洪区启用时，设计洪水位将达到131.67 m，铁路部分路肩高程低于蓄滞洪区设计洪水位，导致铁路无法正常运行，需增设桥梁满足蓄滞洪区过水要求，并对桩号K301+400～K320+913段，共计19.513 km，进行改建。采用HydroInfo数值模拟软件，模拟胖头泡蓄滞洪区运用过程，对比分析铁路改线前后蓄滞洪区的淹没过程、计算铁路前壅水高度，评估铁路改建对蓄滞洪区的行洪安全影响。

2.2 HydroInfo模型建立

利用HydroInfo数值模拟软件搭建模型，计算模拟范围为胖头泡蓄滞洪区。

2.2.1 基础数据

1）地形数据。采用2003年1∶10 000地形图，蓄滞洪区内交通道路按照实际测量路顶高程设置，嫩江干流堤防、松花江干流堤防、蓄滞洪区内围堤，按照应急抢险工程建设以及批复的相关项目可行性研究报告确定的堤顶高程设置。研究范围内共建立828 760个地形数据高程点。

2）边界条件。按照已批复的可行性研究报告成果，设置蓄滞洪区的起调库容和相应水位，蓄滞洪区启用时进、出水口的地面高程、堰高、口门宽度及进水口流量过程线。

3）桥梁按照实际过水净宽赋值，小桥涵概化为一处，按照总净宽赋值到模型中。

2.2.2 模型搭建

模型网格尺度100～500 m。共生成33 752个单元，17 103个节点。将地形数据、初始水位、糙率数据插值到网格节点上，建立模型。

2.2.3 模型率定

通过模型计算蓄滞洪区内水位，与蓄滞洪区内24个观测点的洪痕水位进行对比，实测洪痕水位与计算水位差值均在0.05 m以内，对比结果见表1，说明模型计算结果较为可靠，可以用于蓄滞洪区内壅水高度计算。

2.3 壅水分析计算结果

2.3.1 行洪面积变化

1）铁路改线前：蓄滞洪区运用达到蓄滞洪区设计洪水位时，1座桥梁行洪面积46 m2，21座小桥涵行洪面积194 m2，路肩过水面积4 303.83 m2，现状铁路行洪总面积4 543.83 m2。

2）铁路改线后：蓄滞洪区运用达到蓄滞洪区设计洪水位时，5座桥梁行洪面积3 936.94 m2，25座小桥涵行洪面积342 m2，改建方案行洪总面积4 278.9 m2。铁路改建后较改建前行洪面积减少264.93 m2，占总行洪面积的5.8%。铁路改线前后路肩高程对比见图1。

图1 现状铁路与改建铁路路肩高程对比

2.3.2 壅水计算结果

依据HydroInfo模型计算在蓄滞洪区设计洪水条件下，铁路前上、下两端300 m、1 000 m和3 000 m处共6个特征断面，在同一时刻、同一特征断面铁路改建前后的水位变化情况，水位变化差值见图2。

表1 历史洪痕水位与模型计算水位比较

图2 铁路改建前后各特征断面水位变化差值

铁路改建后路肩抬高，不再过水，铁路上端通过建设桥梁、小桥涵代替现状铁路路肩过水，行洪面积减少，过流能力相应减小，铁路前水位在改建后最大壅高0.085 4 m。

铁路下端通过建设桥梁、小桥涵代替现状铁路路肩过水，桥孔尺寸满足行洪能力要求，洪水到达铁路附近时，可使洪水迅速通过铁路，铁路前水位均小于改建前水位。

通辽至让湖路铁路改线后，壅水变化不大，对蓄滞洪区行洪安全影响较小。

3 结论

通过HydroInfo数值模拟软件，建立胖头泡蓄滞洪区洪水动力学二维模型，利用历史洪痕水位率定模型参数，并针对通辽至让湖路铁路在蓄滞洪区内改线前后2种情况进行洪水演进模拟，分析在蓄滞洪区启用时，铁路改建对蓄滞洪区行洪产生的影响。

HydroInfo模型需要输入的基础数据量较大，要求计算者要细心收集处理核对数据，保证数据的准确。为提高模型的计算精度，可以通过与其他方法进行对比，在有实测资料的情况下，可通过实测资料对模型进行参数率定，验证模型计算的准确程度，保证模型计算的精度。