淺談基于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(qū)地處華東腹地，該地區(qū)位于我國南北氣候變化過渡帶，氣候變化劇烈，降水時空分布極不均衡，年內(nèi)65% 的降水集中在汛期，連續(xù)豐枯水年交替出現(xiàn)。淮河流域地表水資源的特點是年際變幅大、年內(nèi)分配十分不均，洪水資源在水資源中所占的比重很大。在大量洪水資源被排泄入海的同時，該地域又面臨著水資源短缺的問題。本文采用SMS 軟件建立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(xiàn)洪水資源化利用的目的。
1 研究區(qū)概況
臨淮崗洪水控制工程是控制淮河干流洪水的關(guān)鍵工程和提高淮河中游防洪標(biāo)準(zhǔn)的戰(zhàn)略工程。工程位于正陽關(guān)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(qū)的全部來水。工程的建成，將淮河中游正陽關(guān)以下地區(qū)的防洪標(biāo)準(zhǔn)由不足50 年一遇提高到100 年一遇，同時改變了淮干洪水長驅(qū)直下，直接威脅淮北地區(qū)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(shè)施的被動局面，關(guān)系到淮河中游地區(qū)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(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，非常運(yùn)用洪水標(biāo)準(zhǔn)為1000 年一遇。100年一遇壩前設(shè)計洪水位為28.41m(1985 國家基準(zhǔn)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(yīng)庫容121.3 億m3。
2 模型建立及參數(shù)率定
水動力模型是基于系統(tǒng)動力學(xué)理論以及方法進(jìn)行建模，并借助計算機(jī)的數(shù)值模擬，用來定性與定量地研究有關(guān)問題。1973 年，美國陸軍工程兵團(tuán)河道試驗站發(fā)布RMA2 模塊。后經(jīng)過不斷改進(jìn)，可用于計算島嶼、河道、河口、水庫以及濕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(yùn)動方程以及連續(xù)性方程.
2.2 模型的構(gòu)建
(1)網(wǎng)格生成
根據(jù)現(xiàn)有地型資料和大斷面地形數(shù)據(jù)，在Scatter 模塊中導(dǎo)入坐標(biāo)，得出模型散點圖。根據(jù)輸入的散點圖，在map 模塊下描繪出研究區(qū)域的邊界。由于河段較長，材料較多，需要將研究河段劃分為多個多邊形。網(wǎng)格通過對多個多邊形的材料進(jìn)行定義并選擇填充網(wǎng)格的方式生成。生成網(wǎng)格時，在河道順直地區(qū)基本上采用四邊形網(wǎng)格，并且使得網(wǎng)格盡量與流線互相平行;在較為湍急的河段采用三角型網(wǎng)格，以便于生成質(zhì)量較高的網(wǎng)格。
(2)邊界條件與參數(shù)的設(shè)定
本模型邊界條件采用流量水位邊界條件，采用2003 年枯水期1 月30 日-2 月5 日流量水位進(jìn)行模擬，水溫設(shè)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，采用連續(xù)流量邊界;下邊界為蚌埠閘，采用連續(xù)水位邊界。對淮河干流的大量研究結(jié)果，本文選取紊動交換系數(shù)E 的取值區(qū)域為250 ～ 10000kg/( m·s)。糙率系數(shù)則根據(jù)研究區(qū)域河道的地面類型進(jìn)行選取。
2.3 模型率定與驗證
(1)參數(shù)率定與模型校準(zhǔn)
模型的參數(shù)需要進(jìn)行多次取值、計算，使模擬結(jié)果盡量與實際測量值接近。通過對模型的多次調(diào)解計算，本次RMA2 模型糙率在0.024~0.026 之間，紊流交換系數(shù)在2000~2200 kg/(m·s) 之間變化。
(2)水位驗證
模型建立后，需對模型模擬結(jié)果與實測值進(jìn)行對比，以確定模型的精確程度。由于所研究區(qū)域流域較長，本次模型主要采用魯臺,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(jìn)行驗證。根據(jù)對比圖可知，只有個別的模擬值與實測值相差較大，大部分?jǐn)?shù)值均與實測值接近，在允許誤差范圍內(nèi)，模型基本可靠，可運(yùn)用于計算。
3 蓄水模擬計算
根據(jù)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(jìn)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 前后觀測斷面的水位變化情況，得到運(yùn)行結(jié)果。
4 結(jié)論
本文以臨淮崗洪水控制工程為例研究了利用SMS 軟件模擬RMA2 二維水動力的建模過程、參數(shù)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后流量的減小對下游各斷面水位的影響。模擬計算結(jié)果表明在洪水來臨時，臨淮崗適當(dāng)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。通過預(yù)留最低生態(tài)水位(臨淮崗20.0m、蚌埠閘16.5m)以下的蓄水作為城鎮(zhèn)生活、工業(yè)和生態(tài)應(yīng)急庫容，限制枯水時段農(nóng)業(yè)用水，兩方案中臨淮崗壩上城鎮(zhèn)生活及工業(yè)用水保證率均可以達(dá)到90% 以上，蚌埠閘上城市生活及工業(yè)用水保證率也有所提高，蓄水方案可行。本文的研究工作對于臨淮崗蓄水工程洪水資源化利用具有一定的參考意義。
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