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浅谈基于水动力模型的临淮岗工程蓄水可行性研究

作者:2015-07-15 11:26文章来源:未知

  安徽省沿淮地区地处华东腹地,该地区位于我国南北气候变化过渡带,气候变化剧烈,降水时空分布极不均衡,年内65% 的降水集中在汛期,连续丰枯水年交替出现。淮河流域地表水资源的特点是年际变幅大、年内分配十分不均,洪水资源在水资源中所占的比重很大。在大量洪水资源被排泄入海的同时,该地域又面临着水资源短缺的问题。本文采用SMS 软件建立RMA2 水动力模型,在保证淮河干流上的临淮岗洪水控制工程防洪安全的情况下研究其在主汛期抬高蓄水位的可行性,从而实现洪水资源化利用的目的。

  1 研究区概况

  临淮岗洪水控制工程是控制淮河干流洪水的关键工程和提高淮河中游防洪标准的战略工程。工程位于正阳关以上28km 的霍邱县与颍上县交界处,集水面积42160km2,几乎控制了上游山区的全部来水。工程的建成,将淮河中游正阳关以下地区的防洪标准由不足50 年一遇提高到100 年一遇,同时改变了淮干洪水长驱直下,直接威胁淮北地区1146 万亩耕地、708 万人口和沿淮淮南、蚌埠等城市以及煤矿、电厂、交通等重要设施的被动局面,关系到淮河中游地区的整体防洪安全。

  临淮岗洪水控制工程为一等大(1)型工程,正常运用洪水标准为100 年一遇,非常运用洪水标准为1000 年一遇。100年一遇坝前设计洪水位为28.41m(1985 国家基准面,下同),坝上滞洪面积约1500km2,滞洪库容为85.6 亿m3,增加拦蓄库容31.5 亿m3,滞洪削峰作用显著。1000 年一遇坝前校核洪水位29.49m,相应库容121.3 亿m3。

  2 模型建立及参数率定

  水动力模型是基于系统动力学理论以及方法进行建模,并借助计算机的数值模拟,用来定性与定量地研究有关问题。1973 年,美国陆军工程兵团河道试验站发布RMA2 模块。后经过不断改进,可用于计算岛屿、河道、河口、水库以及湿地等水体的水位和流场,水电站以及热电厂抽排水等。

  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 方向上的水流运动方程以及连续性方程.

  2.2 模型的构建

  (1)网格生成

  根据现有地型资料和大断面地形数据,在Scatter 模块中导入坐标,得出模型散点图。根据输入的散点图,在map 模块下描绘出研究区域的边界。由于河段较长,材料较多,需要将研究河段划分为多个多边形。网格通过对多个多边形的材料进行定义并选择填充网格的方式生成。生成网格时,在河道顺直地区基本上采用四边形网格,并且使得网格尽量与流线互相平行;在较为湍急的河段采用三角型网格,以便于生成质量较高的网格。

  (2)边界条件与参数的设定

  本模型边界条件采用流量水位边界条件,采用2003 年枯水期1 月30 日-2 月5 日流量水位进行模拟,水温设计为40C,时间步长为24 小时。具体边界条件如下:上边界为临淮岗控制工程,采用连续流量边界;下边界为蚌埠闸,采用连续水位边界。对淮河干流的大量研究结果,本文选取紊动交换系数E 的取值区域为250 ~ 10000kg/( m·s)。糙率系数则根据研究区域河道的地面类型进行选取。

  2。3 模型率定与验证

  (1)参数率定与模型校准

  模型的参数需要进行多次取值、计算,使模拟结果尽量与实际测量值接近。通过对模型的多次调解计算,本次RMA2 模型糙率在0.024~0.026 之间,紊流交换系数在2000~2200 kg/(m·s) 之间变化。

  (2)水位验证

  模型建立后,需对模型模拟结果与实测值进行对比,以确定模型的精确程度。由于所研究区域流域较长,本次模型主要采用鲁台,子断面、淮南断面以及蚌埠闸断面三个典型位置断面的水位值进行验证。根据对比图可知,只有个别的模拟值与实测值相差较大,大部分数值均与实测值接近,在允许误差范围内,模型基本可靠,可运用于计算。

  3 蓄水模拟计算

  根据临淮岗实测径流资料,本次模拟计算分别在频率为80%,90%,95%,97% 的年份和最枯年份的条件下进行,具体上游临淮岗流量边界条件和下游蚌埠闸水位边界条件见表1。在鲁台子、淮南、蚌埠闸建立3 个观测断面,对比蓄水21。5m 和20。5m 前后观测断面的水位变化情况,得到运行结果。

  4 结论

  本文以临淮岗洪水控制工程为例研究了利用SMS 软件模拟RMA2 二维水动力的建模过程、参数率定及模拟计算过程,分析计算了两种蓄水方案下的临淮岗工程抬高水位后流量的减小对下游各断面水位的影响。模拟计算结果表明在洪水来临时,临淮岗适当抬高蓄水位,减小一定的流量,对下游的各观测断面水位没有较大的影响。通过预留最低生态水位(临淮岗20.0m、蚌埠闸16.5m)以下的蓄水作为城镇生活、工业和生态应急库容,限制枯水时段农业用水,两方案中临淮岗坝上城镇生活及工业用水保证率均可以达到90% 以上,蚌埠闸上城市生活及工业用水保证率也有所提高,蓄水方案可行。本文的研究工作对于临淮岗蓄水工程洪水资源化利用具有一定的参考意义。

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