基于一维非恒定流淠河河道洪水演算及设计洪水流量确定

2022-02-10张斌

水电站机电技术 2022年1期

张斌

（六安市裕安区水利局，安徽六安 237000）

1 引言

设计洪水参数对河道防洪治理工程设计十分重要，参数选取的合理性对治理工程设计的安全性和经济性有较大影响。目前，针对河道设计洪水的计算主要采用理论分析和数值模拟分析方法。贾鹏[1]利用相关水利软件推求河道水位线，作为河道治理工程设计的依据；王旭滢等[2]选用IFMS一、二维水动力模型研究河道洪水情况，为流域防洪工程设计提供参考；吴晓东等[3]采用恒定非均匀流分析河道行洪能力，结果表明现状行洪能力在淤积和人类活动影响下小于原设计行洪能力。在重要流域，梯级水库的修建对流域防洪调度有极大的影响，在洪水参数确定过程中需要考虑梯级水库调度的影响，从而获取更为精确的数据[4]。

2 淠河流域洪水概况

淠河属于淮河支流，发源于大别山，河道全长约为253 km，流域面积超过6.0×103km2。现状淠河整体防洪能力较差，水利工程建设标准较低，排洪能力不足，无法满足需求。工程综合治理段全长约174 km，根据不同区段，共划分为3种防洪标准，淠河横排头以下六安城区段、淠河横排头以下其它河段、东淠河崔山段防洪标准分别为50年一遇、20年一遇、10年一遇。

淠河洪水由两部分构成，①佛子岭水库和响洪甸水库下泄洪水，②水库以下区间汇流。根据水文成果，设计洪水地区组成有如下两种：①佛子岭、响洪甸至横排头区间和响洪甸以上与横排头同频率，该区间为主设计洪水，以2005年为典型年；②佛子岭、响洪甸水库以上与横排头同频率(其中佛子岭以上白莲崖与佛子岭同频率)，佛子岭水库、响洪甸水库至横排头区间，该区间为水库主设计洪水，以1991年为典型年。根据水库洪水调度原则，对水库进行洪水调算，其中响洪甸水库进行单独调算，白莲崖水库、磨子潭水库和佛子岭水库进行三库联调，调算结果见图1～图3。

图1 区间为主洪水佛子岭水库下泄流量过程

图3 水库为主洪水响洪甸水库下泄流量过程

3 洪水过程演算

淠河是淮河南岸的重要支流，发源于大别山北麓，具有径流大、集流快、洪峰高、传播快的特点，同时淠河属砂质游荡型河床，主河槽不稳定，水流复杂，采用恒定流计算方法无法准确分析洪水运动情况。为准确分析淠河洪水运动情况，建立淠河河道水流运动的一维非恒定流数学模型，对淠河不同水情、不同工况条件进行了洪水演进分析。

（1）数学模型

采用一维非恒定流运动数学模型计算淠河洪水演变的控制方程如下：

式中：x为沿流向的坐标；t为时间；Q为流量；Z为水位；A为过水断面面积；B为河宽；q1为沿程单位河长流量变化；n为糙率。

（2）数值计算

为了提高计算效率，加快工作进度，选取数值计算方法快速获取洪水演变过程曲线。以计算的河段作为控制体，使用有限体积法对上述的水流运动方程进行离散处理，之后基于SIMPLE算法对洪水流量以及水位进行耦合分析，从而获取所需的数据。采用数值分析计算原理如下：

1）水流运动方程

将水流运动方程沿控制体积分，离散形式如下：

式中:Φ为通用控制变量；Fw、Fe为界面质量流量;Δx为控制体长度;Δt为计算步长；上标0表示上一时间计算结果。

为了提高计算的稳定性，在计算求解过程中引入松弛因子a0，将a0代入式(3)中可得最终离散的水流运动方程：

式中：Ap为运动方程主对角元系数；上标P为水位修正方程系数。

将求解动量方程所得的流速初始值和上一层次的水位初始值代入上式即可得到界面流量将代入连续方程即可得到水位修正方程如下：

（3）数模验证为了检验数学模型与计算方法的正确性，选择典型年份的实测水文资料对数学模型进行率定与验证，并检验其精度。在本次计算过程中，主要对非恒定流的水位和流量过程进行了验证。验证计算的地形资料采用淠河佛子岭水库下游东淠河、响洪甸水库以下西淠河及两河口至入淮口淠河干流带状地形图，佛子岭水库下游东淠河、响洪甸水库以下西淠河及两河口至入淮口淠河干流河道横断面采用2005年9月2日08：00点～9月15日08：00点河集和正阳关的实测水位资料及横排头和迎河集的实测流量资料进行验证计算数学模型计算设计工况下流量和水位过程，与实测值比较，各测站水位过程的计算值和实测值基本一致，其误差一般在2 cm之内，个别点达到10 cm左右。模型计算的水位、流量过程与实测成果吻合较好，表明本报告所采用的一维数学模型能够较好地模拟本河段水流运动特性，相应的数学模型和计算方法是正确的，模型中相关参数的取值是合理的。