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大型复杂防洪系统蓄泄后效的数值模拟(胡四一 施勇)

[日期:2004-11-08] 来源:中国水资讯网:中国水利网  作者:胡四一 施勇 [字体: ]
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1 引言

为了有效地减少洪水灾害,必须深入地研究复杂防洪系统防洪规划和洪水调度问题,而防洪系统洪水行为的数值模拟则是解决这一问题的关键难题。具体而言,就是要在动态性复杂系统思维和系统分析的框架下,综合运用水文学、水动力学、泥沙输运和河床演变理论,数值模型及软件技术,建立表征江河防洪系统洪水运动规律的数值模型,据此整体地、系统地研究防洪系统中影响水情的一些关键性因素之间的系统互动和反馈效应,细密量化诸种因素变化引起的可能后果以及各种规划方案的蓄泄效果,分析识别那些由于延滞效应以及其它动态性复杂因素引起的难以察觉的渐进过程,从而达到对防洪系统水沙变化和防洪势态整体定量的深化认识和宏观把握。近年来,本文作者针对这一问题,开展了系统研究。整个研究工作围绕水沙模拟的核心算法和长江中下游河湖水沙仿真系统建模的主线展开,同时针对三峡建成后江湖关系变化对区域防洪形势的影响预测以及防洪对策措施及规划方案的后效评估,开展面向应用的研究,取得了预期的成果。本文以长江中下游防洪系统为对象,概述了作者近年来在防洪系统水沙运动数值模拟方面获得的主要进展。

2 水沙数值模拟的要求

随着计算机技术科学的发展,除理论和实验之外,科学计算已成为解决复杂科学和工程问题的第三种手段。研究和发展大型复杂防洪系统洪水模拟的数学模型,就是要实现洪水问题的研究平台和手段由水工模型试验部分、逐步转向计算机数值模拟。在科学计算向大规模和高性能发展的背景下,要求达到“全系统、物理化、多维化、高分辨、高逼真”的数值模拟。对应于大型复杂防洪系统的洪水模拟,这种趋势和要求具体反映在如下五个方面:

全系统:根据长江中下游防洪系统的空间分布结构,尽可能模拟防洪体系的实际范围和水文水力单元,将干流河道、河网、湖泊、分蓄洪区、堤垸、水库、涵闸等连接起来,进行整体模拟,以全面、综合、真实地反映系统各组成部分之间的相互作用和耦合关联。

物理化:在水沙算法的设计中,尽可能利用基于物理规律的数学方程进行求解,如溃堤决口动态扩展过程的模拟,荆江三口分流的物理衔接;即使对于泥沙输运和河床变形计算中的经验规律,也要注重其物理解释和理论升华。

多维化:由于防洪分析主要关注水位和流量及其特征,故模型宜采用一二维水沙动力学相结合的整体架构,以满足防洪分析要求;对于局部河段,如东洞庭湖出口与长江的交汇段,可考虑嵌入三维水动力学模型,以较好地反映局部水头损失和局部流场。

高分辨:采用一维显隐结合的分块三级河网隐式算法和二维有限体积高性能算法,要求模型既能灵敏地反映江湖水流的相互作用和分蓄洪运用的蓄泄效果,又能精确地重现堤垸洪水吐纳交替和河网双向流动的动态过程。

高逼真:充分利用计算机图形技术对模型结果进行可视化表达,结合地理信息系统技术,直观、形象地反映流场的时空分布和物理图像,以及洪水形成和发展的动态过程。

3 水沙运动数值模拟的核心算法

为了提高复杂河网洪水演进的模拟精度和计算效率,提出了一维显隐结合的分块三级河网差分算法,准确实现了河网汊点流量的自动分配和往复流动,并在水沙数值模拟的范围内,针对内外动边界处理、分蓄洪运用及阻力项计算等环节,提出了合理可行的数值处理方法[1]。针对感潮网河区建立了一维非恒定流水沙数学模型,着重对河网区动边界处理、挟沙力公式的分区选用、汊点水沙分配模式以及动床阻力计算等问题进行了探讨,成功地模拟了感潮河网区水沙运动的往复输运特征和河道冲淤的宏观效应[2]。为适应复杂几何形状流场和泥沙浓度场的计算要求,通过引入跨单元界面法向水沙数值通量的逆风分解,建立了无结构网格上二维水沙模拟的高性能有限体积算法,保证了逐单元以及计算域上水量、动量和沙量的平衡,实现了二维FVM算法与单元悬床沙交换以及分组挟沙力的计算模式的有机耦合[3]。为研究防洪系统河口段水沙变化对于河口段河堤安全、河道蓄泄能力以及防洪纳潮调度的影响,在上述一、二维水沙模型的基础上,侧重考虑长江口波浪掀沙和潮流输沙的物理机制,对河道水流挟沙力公式进行了波浪掀沙修正,形成了径流、潮流、波浪、泥沙等多元动力因素以及不同网格尺度耦合的长江河口水沙运动整体模拟模型。

4 长江防洪系统水沙输运和河床演变数学模型的建立

针对长江中下游防洪系统的各组成部分,分别建立了长江干流宜昌至螺山、螺山至大通一维非恒定水沙输运和河床变形模拟模型;洞庭湖河网一维非恒定流水沙输运及河床变形模拟数学模型和二维湖泊非恒定流水沙模型。以及由大通至徐六泾感潮河段、江阴至河口段和东中国海(二维海域)耦合的长江口水沙模拟模型。

考虑到长江干流水沙分合(如洞庭湖)、吐纳交替(如鄱阳湖)等相互作用的复杂性及长距离河道冲刷和河网水沙计算中一些物理量确定的困难,如动床阻力计算、河床可动层厚度的划分、床沙级配概化和床沙粗化等,采用了泥沙理论分析、成熟的主流算法以及水沙经验关系相结合的方法,提高了水沙分配和河床冲淤变化模拟的可靠性和精度。采用11年水文实测资料和3个时期代表年的河道湖盆地形资料对所建模型进行率定和检验。率定结果表明,模型算法能适应长江干流丰、平、枯不同时期的流动特征,与主要控制站枝城、沙市、新厂、监利等的实测水位流量过程相比,水位流量的计算结果较好地反映了各站点的水位流量关系,峰谷对应、涨落一致、洪峰水位吻合较好。含沙量的计算结果再现了冲泻质随水流下泄、悬沙质与床沙不断交换的动态过程,与主要控制站新厂和监利的实测含沙量过程相比,表现出较好的峰谷对应关系和泥沙的冲淤分布特征。河床冲淤变化验证主要有1981年至1984年荆江河段河床冲淤变化的计算结果与实测结果的对比,模拟结果能够较好反映荆江河段泥沙冲淤量和沿程冲淤厚度分布规律,模拟精度较好。从湖泊二维水沙模型和长江口水沙模拟模型的验证结果来看,模型较好地重现了湖泊和河口水沙输运的分布特征,各单元含沙量的计算值与实测资料的量级相当。水沙模拟的部分结果见图5-图10。在完成核心算法和系统建模以及率定检验后,利用所建模型,重点研究了荆江河段泥沙冲淤变化及其对三口分流分沙变化规律的影响,长江水沙以及洞庭湖四水水沙变化对洞庭湖冲淤量及其分布的影响,以及城陵矶河段长江水沙与洞庭湖水沙相互作用关系,得出了一批令人鼓舞的数值模拟结果,为长江江湖关系、洪水调度和防洪规划的研究提供了先进的基本分析工具。

5 长江防洪系统洪水演进模拟模型的应用

采用描述江湖洪水运动的数学模型,对长江中游1998年洪水进行了实况复演和还原计算,定量分析了三口分流变化、洞庭湖湖容扩大、分蓄洪运用对荆江河段、洞庭湖区以及城陵矶至汉口河段水情的相对影响,结合定性的物理解释,深入探讨了1998洪水高洪水位的形成原因及其与江湖水情的相互作用规律,并对退田还湖和三峡水库的防洪作用进行了论证[4]。利用所建模型,针对沱江治理方案的实施效果及其对藕池水系水情以及藕池口分流能力的影响进行了研究,为近期治理措施的制定提供了定量的设计依据。通过长江中下游防洪总体布局和分蓄洪运用、三口建闸、牌洲裁弯、洞庭湖南北分洪道南线方案的模拟实例,较好地解决了防洪规划中防洪工程与江湖水情的相互作用、工程蓄泄后效评估、工程优化调控模式等关键难题,从而使防洪规划和洪水调度的研究推进到一个实用、定量、可操作的水平。上述主要研究成果均已被长江中下游防规划采纳,充分发挥了基础研究对生产实践的理论指导和技术支持作用。为了实现上述模拟模型在实时洪水预报与调度中的运用,在长江中下游洪水演进整体模型的基础上,加入洪水实时调度和分蓄洪调度模块,实现了长江防洪系统的水情仿真和各种防洪调度预案的后果预断,以及评价各种可能水雨情变化对汛情发展的影响。这一实时洪水预报调度系统目前已在长江中下游防洪指挥部投入试运行,期待明年汛期洪水的实际检验。

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