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摘要本文利用二维数值模型模拟分析在河流溃堤时洪水演进过程。这种模型对于预测洪水淹没水深、洪水到达时间以及历时有很大的帮助。
关键词数值模拟 溃堤 洪水淹没
中图分类号:TV22文献标识码:A
0 引言
我国地域辽阔,自然地理条件复杂,洪水灾害频繁发生,大约2 /3 的国土面积有着不同类型和不同危害程度的洪水灾害。 每年因洪水灾害造成的经济损失约占全部自然灾害损失的60% 以上,其直接经济损失达百亿元,严重影响了我国国民经济的发展和人民生命财产的安全。 特别是河流堤防溃口所带来的洪水给生活在洪水高发区的居民带来了很严重的灾难。由于河流的堤防溃口具有不确定性和不可预见性,因此研究和分析洪水预报对于减少洪水给当地居民带来的损失具有不可估量的必要性。
目前,国外针对堤坝决口和洪水演进的数值模拟研究已有不少成果,如美国国家气象局的溃坝洪水预测模型(DAMBREAK)和简化溃坝洪水预测模型(SMPDBK);美国土保局的简化溃坝演进模型(TR66);荷兰DELFT大学的洪水系统(DELFTFLS)等,这些模型都已广泛应用于工程实践中。在我国,系统研究溃坝数值模型始于20世纪70年代,以后针对我国一些堤坝的实际问题开展了一些模型研究,其中一维模型的研究成果较多,但这种方法不能给出整个流场,溃坝洪水的水深、流量、流速平面分布,难以满足溃坝洪水影响预测评价要求,影响洪水风险图的质量难以满足洪水风险图的精度。为此,采用二维模型进行溃坝洪水流场模拟,对溃坝的影响范围及程度进行预测评价,可以动态模拟洪水淹没路径,对应的特征区域的淹没范围、淹没水深、历时、流速等。在溃坝决堤的二维数值模拟计算中,目前所采用的离散方法主要有有限差分法(FDM)、有限元方法(FEM)和有限体积法(FVM)。近年来,基于无结构网格的有限体积法已用于溃堤数值模拟研究。计算单元是根据每一地理单元内部的地势高低进一步细划的单元,将地势高程基本相同的区域划为一个计算单元,作为洪水演进模拟中计算淹没水量的基本单元。现代化的溃堤计算可模拟溃堤现象以获得坝址流量过程线,也可模拟溃堤波在下游河谷内的传播,以获得每一点上的最高水位、溃堤波的最大波速及到达时间。数值求解方法和网格离散方法的改进使得二维水力学模拟模型得到更广泛的应用, 但高精度网格与模型运行速度存在着相互制约的关系。寻求高精度网格、快速运算速度、通用性强的二维洪水淹没模拟模型是将来的发展趋势。
1 水动力方程
二维非恒定流模型的基本方程有2个,一是连续方程,另一个是运动方程。
其中qx 和 qy 为X方向和Y方向单宽流量,H为水深,z为地面标高,[x, y, t]为X,Y坐标和时间项,B为Boussinesq 系数,G为重力加速度,N为曼宁阻力系数,为水的运动粘性系数。本模型利用格子中心式(cell-centered, CC)的有限体积法(FVM)对动态流的连续方程和动量守衡方程求解。格子中心式只在各个格子形心处布设一个节点,格子中心式的格子互不重叠。FVM将计算域划分分成若干规则或不规则形状的单元或控制体。在计算出通过每个控制体边界沿法向输入(出)的流量和动量通量后,对每个控制体分别进行水量和动量平衡计算,便得到计算时段末各控制体平均水深和流速。
2 实例
本文以长为4000米,宽为1200米的区域作为模拟区域。如下图所示。
本模型的溃口为大约200米长,上游水位与下游水位为1米水位差。图2、3分别是瞬时溃坝后30,120 S时刻的流场和水面线的模拟结果图。从模拟结果可以看出:坝体瞬时溃坏时,形成了正、负水波。正波向下游传播,负波向上游传播,而且受负波影响水域的水深下降。溃口下游两边的水深小于中部的水深。水流向两边扩散,并形成回流。
3 结论
本模型的计算结果较好地反映了溃口实际变化发展过程。通过溃坝计算及过程模拟的研究等,为溃坝失事的早期预警,人员疏散和抗洪救灾等提供重要的决策信息。
参考文献
[1]Morris M W,CADAM:A European Concerted Action Project on Dam Break Modelling[C].Biennial Conference Proceedings,British Dam Society.Thomas Telford,2000.
[2]MIKE21Flow Model FM, hydrodynamic module user guide.
[3]王万战,董利瑾.渤海流场基本特性的Mike21模拟研究.人民黄河,2007 (10):32-33.
[4]刘冀,李伟,张弛,宋绪美.碧流河水库下游河道行洪能力及洪水淹没模拟.中国农村水利水电,2008(2):22-25.
[5]王庆改,戴文楠,赵晓宏,丁峰,李时蓓,赵越.基于Mike21FM 的来宾电厂扩建工程温排水数值模拟研究.环境科学研究,2009(3):332-336.
[6]谭维炎.计算浅水动力学:有限体积法的应用[M].北京:清华大学出版社,1998.
[7]曲红玲.河道溃堤与溃堤波的一、二维耦合计算数值模拟.水利水运工程学报,2007(12):49-54.
[8]张秋霞,王义成.二维非恒定流洪水演进模拟模型开发及应用.水利水电技术,2009.40(3):62-65.
关键词数值模拟 溃堤 洪水淹没
中图分类号:TV22文献标识码:A
0 引言
我国地域辽阔,自然地理条件复杂,洪水灾害频繁发生,大约2 /3 的国土面积有着不同类型和不同危害程度的洪水灾害。 每年因洪水灾害造成的经济损失约占全部自然灾害损失的60% 以上,其直接经济损失达百亿元,严重影响了我国国民经济的发展和人民生命财产的安全。 特别是河流堤防溃口所带来的洪水给生活在洪水高发区的居民带来了很严重的灾难。由于河流的堤防溃口具有不确定性和不可预见性,因此研究和分析洪水预报对于减少洪水给当地居民带来的损失具有不可估量的必要性。
目前,国外针对堤坝决口和洪水演进的数值模拟研究已有不少成果,如美国国家气象局的溃坝洪水预测模型(DAMBREAK)和简化溃坝洪水预测模型(SMPDBK);美国土保局的简化溃坝演进模型(TR66);荷兰DELFT大学的洪水系统(DELFTFLS)等,这些模型都已广泛应用于工程实践中。在我国,系统研究溃坝数值模型始于20世纪70年代,以后针对我国一些堤坝的实际问题开展了一些模型研究,其中一维模型的研究成果较多,但这种方法不能给出整个流场,溃坝洪水的水深、流量、流速平面分布,难以满足溃坝洪水影响预测评价要求,影响洪水风险图的质量难以满足洪水风险图的精度。为此,采用二维模型进行溃坝洪水流场模拟,对溃坝的影响范围及程度进行预测评价,可以动态模拟洪水淹没路径,对应的特征区域的淹没范围、淹没水深、历时、流速等。在溃坝决堤的二维数值模拟计算中,目前所采用的离散方法主要有有限差分法(FDM)、有限元方法(FEM)和有限体积法(FVM)。近年来,基于无结构网格的有限体积法已用于溃堤数值模拟研究。计算单元是根据每一地理单元内部的地势高低进一步细划的单元,将地势高程基本相同的区域划为一个计算单元,作为洪水演进模拟中计算淹没水量的基本单元。现代化的溃堤计算可模拟溃堤现象以获得坝址流量过程线,也可模拟溃堤波在下游河谷内的传播,以获得每一点上的最高水位、溃堤波的最大波速及到达时间。数值求解方法和网格离散方法的改进使得二维水力学模拟模型得到更广泛的应用, 但高精度网格与模型运行速度存在着相互制约的关系。寻求高精度网格、快速运算速度、通用性强的二维洪水淹没模拟模型是将来的发展趋势。
1 水动力方程
二维非恒定流模型的基本方程有2个,一是连续方程,另一个是运动方程。
其中qx 和 qy 为X方向和Y方向单宽流量,H为水深,z为地面标高,[x, y, t]为X,Y坐标和时间项,B为Boussinesq 系数,G为重力加速度,N为曼宁阻力系数,为水的运动粘性系数。本模型利用格子中心式(cell-centered, CC)的有限体积法(FVM)对动态流的连续方程和动量守衡方程求解。格子中心式只在各个格子形心处布设一个节点,格子中心式的格子互不重叠。FVM将计算域划分分成若干规则或不规则形状的单元或控制体。在计算出通过每个控制体边界沿法向输入(出)的流量和动量通量后,对每个控制体分别进行水量和动量平衡计算,便得到计算时段末各控制体平均水深和流速。
2 实例
本文以长为4000米,宽为1200米的区域作为模拟区域。如下图所示。
本模型的溃口为大约200米长,上游水位与下游水位为1米水位差。图2、3分别是瞬时溃坝后30,120 S时刻的流场和水面线的模拟结果图。从模拟结果可以看出:坝体瞬时溃坏时,形成了正、负水波。正波向下游传播,负波向上游传播,而且受负波影响水域的水深下降。溃口下游两边的水深小于中部的水深。水流向两边扩散,并形成回流。
3 结论
本模型的计算结果较好地反映了溃口实际变化发展过程。通过溃坝计算及过程模拟的研究等,为溃坝失事的早期预警,人员疏散和抗洪救灾等提供重要的决策信息。
参考文献
[1]Morris M W,CADAM:A European Concerted Action Project on Dam Break Modelling[C].Biennial Conference Proceedings,British Dam Society.Thomas Telford,2000.
[2]MIKE21Flow Model FM, hydrodynamic module user guide.
[3]王万战,董利瑾.渤海流场基本特性的Mike21模拟研究.人民黄河,2007 (10):32-33.
[4]刘冀,李伟,张弛,宋绪美.碧流河水库下游河道行洪能力及洪水淹没模拟.中国农村水利水电,2008(2):22-25.
[5]王庆改,戴文楠,赵晓宏,丁峰,李时蓓,赵越.基于Mike21FM 的来宾电厂扩建工程温排水数值模拟研究.环境科学研究,2009(3):332-336.
[6]谭维炎.计算浅水动力学:有限体积法的应用[M].北京:清华大学出版社,1998.
[7]曲红玲.河道溃堤与溃堤波的一、二维耦合计算数值模拟.水利水运工程学报,2007(12):49-54.
[8]张秋霞,王义成.二维非恒定流洪水演进模拟模型开发及应用.水利水电技术,2009.40(3):62-65.