淺談基於水動力模型的臨淮崗工程蓄水可行性研究論文
淺談基於水動力模型的臨淮崗工程蓄水可行性研究論文
安徽省沿淮地區地處華東腹地，該地區位於我國南北氣候變化過渡帶，氣候變化劇烈，降水時空分佈極不均衡，年內65% 的降水集中在汛期，連續豐枯水年交替出現。淮河流域地表水資源的特點是年際變幅大、年內分配十分不均，洪水資源在水資源中所佔的比重很大。在大量洪水資源被排洩入海的同時，該地域又面臨著水資源短缺的問題。本文采用SMS 軟體建立RMA2 水動力模型，在保證淮河干流上的臨淮崗洪水控制工程防洪安全的情況下研究其在主汛期抬高蓄水位的可行性，從而實現洪水資源化利用的目的。
1 研究區概況
臨淮崗洪水控制工程是控制淮河干流洪水的關鍵工程和提高淮河中游防洪標準的戰略工程。工程位於正陽關以上28km 的霍邱縣與潁上縣交界處，集水面積42160km2，幾乎控制了上游山區的全部來水。工程的建成，將淮河中游正陽關以下地區的防洪標準由不足50 年一遇提高到100 年一遇，同時改變了淮幹洪水長驅直下，直接威脅淮北地區1146 萬畝耕地、708 萬人口和沿淮淮南、蚌埠等城市以及煤礦、電廠、交通等重要設施的被動局面，關係到淮河中游地區的整體防洪安全。
臨淮崗洪水控制工程為一等大(1)型工程，正常運用洪水標準為100 年一遇，非常運用洪水標準為1000 年一遇。100年一遇壩前設計洪水位為28.41m(1985 國家基準面，下同)，壩上滯洪面積約1500km2，滯洪庫容為85.6 億m3，增加攔蓄庫容31.5 億m3，滯洪削峰作用顯著。1000 年一遇壩前校核洪水位29.49m，相應庫容121.3 億m3。
2 模型建立及引數率定
水動力模型是基於系統動力學理論以及方法進行建模，並藉助計算機的數值模擬，用來定性與定量地研究有關問題。1973 年，美國陸軍工程兵團河道試驗站釋出RMA2 模組。後經過不斷改進，可用於計算島嶼、河道、河口、水庫以及溼地等水體的水位和流場，水電站以及熱電廠抽排水等。
2.1 RMA2 模型基本控制方程
RMA2 模型的基本方程主要包括平面x 和y 方向上的水流運動方程以及連續性方程.
2.2 模型的構建
(1)網格生成
根據現有地型資料和大斷面地形資料，在Scatter 模組中匯入座標，得出模型散點圖。根據輸入的散點圖，在map 模組下描繪出研究區域的邊界。由於河段較長，材料較多，需要將研究河段劃分為多個多邊形。網格透過對多個多邊形的材料進行定義並選擇填充網格的方式生成。生成網格時，在河道順直地區基本上採用四邊形網格，並且使得網格儘量與流線互相平行;在較為湍急的河段採用三角型網格，以便於生成質量較高的網格。
(2)邊界條件與引數的設定
本模型邊界條件採用流量水位邊界條件，採用2003 年枯水期1 月30 日-2 月5 日流量水位進行模擬，水溫設計為40C，時間步長為24 小時。具體邊界條件如下：上邊界為臨淮崗控制工程，採用連續流量邊界;下邊界為蚌埠閘，採用連續水位邊界。對淮河干流的大量研究結果，本文選取紊動交換系數E 的取值區域為250 ～ 10000kg/( m·s)。糙率係數則根據研究區域河道的地面型別進行選取。
2.3 模型率定與驗證
(1)引數率定與模型校準
模型的引數需要進行多次取值、計算，使模擬結果儘量與實際測量值接近。透過對模型的多次調解計算，本次RMA2 模型糙率在0.024~0.026 之間，紊流交換系數在2000~2200 kg/(m·s) 之間變化。
(2)水位驗證
模型建立後，需對模型模擬結果與實測值進行對比，以確定模型的精確程度。由於所研究區域流域較長，本次模型主要採用魯臺,子斷面、淮南斷面以及蚌埠閘斷面三個典型位置斷面的水位值進行驗證。根據對比圖可知，只有個別的模擬值與實測值相差較大，大部分數值均與實測值接近，在允許誤差範圍內，模型基本可靠，可運用於計算。
3 蓄水模擬計算
根據臨淮崗實測徑流資料，本次模擬計算分別在頻率為80%，90%，95%，97% 的年份和最枯年份的'條件下進行，具體上游臨淮崗流量邊界條件和下游蚌埠閘水位邊界條件見表1。在魯臺子、淮南、蚌埠閘建立3 個觀測斷面，對比蓄水21.5m 和20.5m 前後觀測斷面的水位變化情況，得到執行結果。
4 結論
本文以臨淮崗洪水控制工程為例研究了利用SMS 軟體模擬RMA2 二維水動力的建模過程、引數率定及模擬計算過程，分析計算了兩種蓄水方案下的臨淮崗工程抬高水位後流量的減小對下游各斷面水位的影響。模擬計算結果表明在洪水來臨時，臨淮崗適當抬高蓄水位，減小一定的流量，對下游的各觀測斷面水位沒有較大的影響。透過預留最低生態水位(臨淮崗20.0m、蚌埠閘16.5m)以下的蓄水作為城鎮生活、工業和生態應急庫容，限制枯水時段農業用水，兩方案中臨淮崗壩上城鎮生活及工業用水保證率均可以達到90% 以上，蚌埠閘上城市生活及工業用水保證率也有所提高，蓄水方案可行。本文的研究工作對於臨淮崗蓄水工程洪水資源化利用具有一定的參考意義。