（水力学及河流动力学专业论文）天津市北系河网中小洪水蓄水优化研究.pdf

中文摘要 天津市位于温带半湿润半干旱的季风气候区，降水量少，年际变化大，年内 降雨集中，空间分布不均。天津市历史上洪涝灾害频繁，而与此同时，天津市水 资源的严重短缺是亟待解决的资源环境问题。为了统筹解决这两个问题，提出天 津市洪水资源化。 基于模糊优选理论，考虑蓄滞洪区的淹没损失、防洪效益、供水效益、生态 效益和供水成本等指标，对蓄滞洪区进行蓄水方案优选，确定了大黄铺洼、黄庄 洼、西七里海、淀北的最优蓄水位。基于多层模糊优选理论，考虑蓄滞洪区容量、 淹没耕地面积、迁移人口、多年平均防洪效益、蓄滞洪区经济、诱发地震风险、 蓄滞洪区水质、抗灾能力和社会安定等指标，得到从优到劣的蓄滞洪区方案。 利用一维河网非恒定流模型对天津市北系河网中小洪水进行蓄水优化，模拟 了潮白新河、北运河、永定新河、青龙湾减河等四条河流，研究了不同频率洪水 下河道中正向闸门、分洪口门的运行情况以及各河道洪水演进过程，其中重点分 析了大黄铺洼、黄庄洼、西七里海、淀北四个蓄滞洪区的蓄水过程。蓄滞洪区的 蓄水过程考虑了河道上游边界的来水情况、下游潮位引起的海水上溯、河道的设 计流量、各蓄滞洪区方案的相对优属度以及最大允许蓄量等问题。该部分内容将 洪水资源化研究具体到了量化的层面。 关键词：洪水资源化蓄滞洪区非恒定流模糊优选理论蓄水优化 a b s t r a c t t i a n j i nh a sas e m i - h u m i dc o n t i n e n t a lm o n s o o nc l i m a t ei nt h ew a l mt e m p e r a t e z o n e h ep r e c i p i t a t i o ni ss c a r c ea n dh a sag r e a tv a r i e t yi ny e a r s ，a l s ot h er a i n f a l l c e n t r a l i z e sa n dt h es p a c ed i s t r i b u t i o ni su n e v e n t h ef l o o dc a l a m i t yi sf r e q u e n to n h i s t o r yi nt i a n j i n ，b u ta tt h es a m et i m e ，t h es e r i o u ss h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c ei st h e r e s o u r c ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e mt h a tn e e d st ob er e s o l v e du r g e n t l y t os o l v et h e s et w o p r o b l e m so v e r a l l ，f l o o dw a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o ni sp u tf o r w a r d i nt i a 巧i n b a s e do nt h ef u z z yo p t i m i z a t i o nt h e o r y , c o n c e r n i n ga b o u tf l o o dl o s s ，f l o o d p r e v e n t e db e n e f i t s ，w a t e rs u p p l y i n gb e n e f i t s ，e c o l o g yb e n e f i t sa n dw a t e rs u p p l yc o s t i ns t o r a g ea n dd e t e n t i o nf l o o da r e a s ，t h eo p t i m u ms t o r i n gw a t e rl e v e li sd e t e r m i n e d a b o u tt h ef o u rs t o r a g ea n dd e t e n t i o nf l o o da r e a si nt i a n j i l ln o r t hr i v e rn e t w o r k b a s e d o nt h em u l t i l e v e lf u z z yo p t i m i z a t i o nt h e o r y , c o n c e r n i n ga b o u tc a p a c i t y , i n u n d a t e d f a r m l a n da r g a ，m i g r a t i o np o p u l a t i o n ，m e , a l la n n u a lf l o o dp r e v e n t e db e n e f i t s ，e c o n o m y , r i s ko fs e i s m i ci n d u c t i o n , w a t e rq u a l i t y , a n t i - c a l a m i t ya b i l i t ya n ds o c i a ls t a b i l i z a t i o n , t h eo r d e ro fq u a l i t yi sd e t e r m i n e da b o u tt h ef o u rs t o r a g ea n dd e t e n t i o nf l o o da r e a s o n ed i m e n s i o n a lr i v e rn e t w o r ku n s t e a d yf l o wn u m e r i c a lm o d e li su s e dt o s i m u l a t ew a t e rs t o r a g eo p t i m i z a t i o no fm e d i u ma n ds m a l lf l o o di nt i a n j i nn o r t hr i v e r n e t w o r k f o u rr i v e r sa l es i m u l a t e d , a l s ot h eo p e r a t i o no fg a t e sa n df l o o ds p r e a d i n g p r o c e s su n d e rd i f f e r e n tf l o o df r e q u e n c ya r ea n a l y z e d t h ew a t e rs t o r a g ei nf o u rs t o r a g e a n dd e t e n t i o nt i c i o da r e a si st h ef o c a lp o i n ti nt h es i m u l a t i o n t h ew a t e rs t o r i n g p r o c e s s e si ns t o r a g ea n dd e t e n t i o nf l o o da r e a sa r ec a l c u l a t e dc o n c e r n i n ga b o u t u p s t r e a mi n f l o wf l o o dc i n d i t i o n s ，s e a w a t e ri n t r u s i o nc a u s e db yd o w n s t r e a mt i d e ， d e s i g nf l o wo fs t r e a mc h a n n e l s ，o r d e ro fq u a l i t ya n ds t o r a g ec a p a c i t y t h eq u a n l i t yo f f l o o dt ob eu t i l i z e di si n v e s t i g a t e di nt h i sp a r t k e yw o r d s ：f l o o dw a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o n , s t o r a g ea n dd e t e n t i o nf l o o da r e a , u n s t e a d yf l o w , f u z z yo p t i m i z a t i o nt h e o r y , w a t e rs t o r a g eo p t i m i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤星叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多声乞 签字日期：渺，年五月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞苤鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：歹声灭一 导师签名：京i 章 签字日期：加啼乡年71 月w e l 签字日期：h 岖年lk 月一日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 在我国，水旱灾害是最严重的自然灾害，有四个主要特点：范围广。我国 有2 3 的国土面积可能产生各种类型、不同程度的洪水，其中大部分地区会形成 洪水灾害。特别是东部和南部地区有占全国8 的国土面积、半数以上的人口、 3 5 的耕地、2 3 的工农业总产值受到洪水的严重威胁；干旱在我国分布更为广 泛，绝大部分地区都面临不同程度的干旱威胁。发生频繁。中国自公元前2 0 6 年至1 9 4 9 年的2 1 5 5 年间，有1 0 9 2 年发生过较大的洪水灾害，平均2 年发生一 次；自公元前2 0 6 年到1 9 3 6 年间，有1 0 3 1 年发生旱灾，每1 0 0 年中就有4 9 年 发生旱灾。在1 9 5 1 年到1 9 9 0 年的4 0 年中，我国每年平均发生水旱灾害达2 0 次。 突发性强。暴雨发生的随机性决定乐洪涝灾害的突发性。一两天甚至几小时的 强降雨就可能形成大洪灾。一些地区还经常出现旱涝急转的现象。损失较大。 我国水早灾害直接经济损失占自然灾害直接经济总损失的6 0 左右。1 9 9 0 年以 来全国年均洪涝灾害损失在1 1 0 0 亿元左右，约占同期全国g d p 的2 。遇到发 生流域性大洪水的年份，如1 9 9 1 年、1 9 9 4 年、1 9 9 6 年和1 9 9 8 年，该比例可达 3 - 4 。按1 9 9 0 年不变价格计算，1 9 4 9 - - - 1 9 9 0 年全国因旱灾造成农业、工业 和牧业直接经济损失年均2 0 4 亿元，如考虑工业、建筑业等间接经济损失，保守 估计两项损失合计也超过了1 0 0 0 亿元【i 】。 随着我国社会经济的快速发展，水旱灾害的影响越来越大。旱灾影响已从过 去的农业扩展到城市、工业、生态等领域。改革开放之后，我国经济社会快速发 展，人们已经无法想像“7 5 8 大水时板桥、石漫滩水库垮坝重现的后果。不仅 如此，这种趋势仍然呈加重的态势。如1 9 4 9 - 1 9 9 0 年我国年均因洪涝成灾约1 7 亿亩、受旱灾3 亿亩。1 9 9 0 年后，年均成灾和受早面积分别增加到2 2 8 亿亩和 4 1 亿亩。此外，单位面积的经济损失也在增加。据分析，在发生同等量级洪水 的情况下，我国5 0 年代每平方公里的淹没损失为2 1 9 万元，到9 0 年代上升到 1 3 7 3 万元，增加了5 倍多。 1 1 课题提出的背景 海河流域位于温带半湿润半干旱的季风气候区，降水量少，年际变化大，年 内降雨集中，空间分布不均，面临着洪水威胁和水资源严重短缺的问题。历史上， 天津大学硕士学位论文第一章绪论 海河曾多次出现过大早大涝、连旱连涝、旱涝交替的现象，水旱灾害频繁严重。 从2 0 世纪5 0 年代起，海河流域经过几次大规模的开发治理，防洪工程建设有很 大发展，初步形成了以水库、堤防、蓄滞洪区组成的防洪工程体系，常遇洪水基 本得到控制。但随着经济发展与人口增加，用水量剧增，防洪工程带来的负作用 也逐渐突现：由于上游水库过量拦截径流，导致下游河道干涸，湿地、湖泊萎缩， 河道行洪能力降低；由于地表水源枯竭或污染，加重了地下水超采及地面沉陷、 海水入侵等问题【2 】。 天津市属于资源型严重缺水地区，全市人均水资源占有量仅有1 6 0 m 3 a ，全 市平均产水模数1 5 2 1 0 4 m 3 k m 2 。按资源承载力理论分析，远远低于世界资源 研究所确定的水资源“数量压力指数临界标准( 1 0 0 瞄a ) 和“空间压力指数 临界标准( 2 0 1 0 4m 3 k m 2 ) ，仅有临界标准的1 6 和7 6 。除了水资源总量不足 外，还有一些不利因素，如：天津市水资源的时空分布不均，各河系径流同丰同 枯以及水污染等，更加剧了水资源的紧缺局面。一旦遇到特枯年份或连续枯水年， 就严重影响人民生活和社会生产。为了抵抗干旱，就不得不牺牲环境用水、降低 生活质量、大量超采地下水、破坏生态环境。从而，致使地下水位降落漏斗不断 发育，水位埋深大于8 0 m 的面积已占天津市总面积的1 6 ，水位埋深大于4 0 m 的 面积已占1 2 。目前，天津市“有河旨干、有水皆臭 ，生态环境严重恶化。虽然 现在天津的入境水量已经完全不同于5 0 6 0 年代的水平，但在洪水治理与利用 方面仍受传统模式的影响，一旦遇到丰水年或偏丰年就弃掉数量可观的水量，实 在可惜【3 1 。 天津市严重缺水是亟待解决的资源环境问题，而与此同时，我们还要面对洪 水泛滥成灾的风险。这个矛盾提示我们对洪水资源合理安全的利用将是解决水资 源紧张的一个有效手段。 1 2 实现洪水资源化的途径 实现洪水资源化，应尽量利用山区水保工程、水库、拦河闸坝、自然洼地、 人工湖泊、地下水库等蓄水工程拦蓄洪水，以及延长洪水在河道、蓄滞洪区等的 滞留时间，恢复河流及湖泊、洼地的水面景观，改善人类居住环境，最大可能补 充地下水【4 】。其主要途径有： ( 1 ) 在保证安全的前提下，通过水库蓄水，将汛期洪水转化为非汛期供水。 水库是调节水资源分配的重要工程措施，适当抬高水库的汛限水位，可多蓄汛期 洪水增加水资源可调度量，可以用于下游城市供水和农田灌溉。 ( 2 ) 利用洪水输送水库和河道中的泥沙和污染物。将洪水作为调沙用水和 天津大学硕士学位论文第一章绪论 驱污用水，“大水带大沙。另外，在洪水发生时，还可以利用洪水冲刷河道污染 物，由于洪水的冲刷与稀释自净作用，受洪水影响的水系，水质普遍会得到明显 改善，洪水的环境效益显著。 ( 3 ) 完善和建设洪水利用工程体系，有控制地引洪水于田间( 或蓄滞洪区) 、 湿地，用来回补地下水。 ( 4 ) 利用超标准洪水发生时蓄滞洪区滞洪的机遇，有意识地延长洪水在适 合下渗回补地下水的蓄滞洪区内的滞留时间。 ( 5 ) 建设或完善流域间、水系间水流沟通系统，综合利用水库、河网、渠 系、湿地和蓄滞洪区，调洪互济，实现蓄洪或回补地下水。 ( 6 ) 建设和完善城市雨洪利用体系，兼收防洪、治涝和雨洪资源化等多项 功效【6 】。 一 1 3 国内外研究状况 海河流域“9 6 8 ”洪水过程中，部分蓄滞洪区与农田受淹后地下水得到明显 回补，农业反而丰收的事实，证明关键不在于如何确保不淹，而在于如何有效控 制受淹的范围、水深与淹没历时，减少淹没损失与不利的影响，同时促使地下水 得到较多的回补，产生滞水、冲淤、冲污、洗碱、淋盐和改善生态环境的综合效 益。另外2 0 0 3 年淮河流域启用了蒙洼等9 个行蓄洪区，长江滁河、澧水启用了 3 个蓄洪区，2 0 0 0 年淮河沙颍河启用了杨庄、泥河洼、老王坡蓄洪区，在发挥防 洪保安作用的同时，也起到了地下水回补、湿地保护等作用【_ 7 1 。 在2 0 0 3 年防洪调度中，各地改变“入海为安的思想，统筹解决水资源问 题。淮委在组织淮河防洪、排涝的同时，在洪水后期即提前考虑水资源问题，协 调江苏、安徽两省，将洪泽湖后汛期控制水位抬高0 5 m ，多调蓄洪水4 1 2 亿m 3 ， 还协商江苏、山东两省，提高南四湖汛末蓄水位0 5 m 。黄委在2 0 0 3 年黄河秋季 防洪中，统筹考虑防洪、泥沙、干旱缺水等因素，在确保防洪安全的前提下，尽 可能减少泥沙淤积、努力拦蓄洪水，对于支流骨干水库联合调度，将刘家峡水库 汛限水位抬高2 m ，两次调整抬高小浪底水库汛限水位，拦蓄洪水1 1 0 亿m 3 。此 外，宁夏、内蒙古还引洪水5 5 亿m j ，恢复湖泊、湿地。长委在2 0 0 3 年汉江秋汛 调度中，针对丹江口水库长期在死水位下运行的情况，在确保防洪安全的前提下， 后汛期即将水位蓄至正常高水位，蓄水1 7 4 亿m 3 7 。 在一些发达国家对蓄滞洪区和湿地的利用也早已引起了很大的重视。在美国， 随着人们对洪水及其环境及生态作用认识的不断加深，美国1 9 9 3 年大水之后，在 人烟稀少、资产密度较低的高风险区没有对水毁堤防加固或重建，让洪水迂回滞 天津大学硕士学位论文第一章绪论 留于曾经被堤防保护的土地中，既利用了洪水的生态环境功能，同时减轻了其它 重要地区的防洪压力。1 9 9 5 出台的全国洪泛区综合管理计划中更将恢复洪水高风 险区的生态环境功能作为未来3 0 年洪泛区管理的四大目标之一。在日本也有类似 的措施，自6 0 年代起，日本曾力图实现“安全确保”的防洪方略，经过3 0 多年的 经营，建立起了较高标准的防洪工程体系，而近来认识到通过防洪工程确保安全 既不可能也不经济，防洪观念转变为以一定防洪标准下的“风险选择”策略。在利 用洪水方面采取了雨洪就地消化，洪水资源化利用，在原渠道化的河道上人为造 滩、营造湿地、培育水生物种以求形成类似于自然状态的“多自然河川”等措施f 8 1 。 1 4 本文主要研究内容 基于模糊优选理论，考虑蓄滞洪区的淹没损失、防洪效益、供水效益、生态 效益和供水成本等指标，对蓄滞洪区进行蓄水方案优选，确定大黄铺洼、黄庄洼、 一西七里海、淀北的最优蓄水位。基于多层模糊优选理论，考虑蓄滞洪区容量、淹 没耕地面积、迁移人口、多年平均防洪效益、蓄滞洪区经济、诱发地震风险、蓄 滞洪区水质、抗灾能力和社会安定等指标，研究从优到劣的蓄滞洪区方案。 利用一维河网非恒定流模型对天津市北系河网中小洪水进行蓄水优化研究， 其中模拟的河流包括：潮白新河、北运河、青龙湾减河和永定新河，模拟的正向 闸门包括：吴村节制闸、庄窝闸、南里自沽节制闸和宁车沽防潮闸，模拟的分洪 口门包括：黄庄洼分洪闸、乐善庄闸、造甲船闸、永定新河2 8 + 0 8 2 分洪口和永定 新河7 + 1 0 0 分洪口，模拟的蓄滞洪区包括：大黄铺洼、黄庄洼、西七里海和淀北。 1 5 本章小结 本章首先阐明了天津市的水资源状况和实现洪水资源化的必要性：天津洪水 灾害频繁并且属于资源型严重缺水的城市，为了统筹解决以上两个问题，提出天 津市洪水资源化。然后介绍了洪水资源化的国内外研究现状和主要实现途径。最 后简要说明了本文的主要研究内容。 天津大学硕士学位论文第二章基本资料 2 1 自然地理 2 1 1 地理位置 第二章基本资料 天津市位于华北平原的东北部，北靠燕山，东临渤海。全市总面积 1 1 9 1 9 7 k m 2 ，其中山区面积7 2 7 o k r a 2 ，平原区面积1 1 1 9 2 7 k ：m 2 【9 】。 2 1 2 地形、地貌 地形北高南低，北部山区海拨一般在1 0 0 5 0 0 m ；平原地区地势平坦，高程 一般在3 5 m 。山区与平原之间无明显的丘陵过渡地带。平原区内多洼地，这些 洼地作为分滞洪区，部分洼地用以蓄水。滨海区地势低平，排水不畅【9 1 。 2 1 3 地质 北部山区属燕山纬向构造体系，南部平原属新华夏构造体系。平原区次级单 元有：唐山隆起和冀中拗陷，沧县隆起和黄骅拗陷。山区以泥灰岩、凝灰质砾岩 为主。平原区沉积复盖厚，为海陆交互沉积f 9 】。 2 2 气象 2 2 1 气候 天津市气候属温带季风型大陆性气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春季 干旱多风，秋季气候凉爽。年平均气温1 1 1 1 2 3 。c ，1 月份平均气温3 9 - - 5 7 。c ，7 月份平均气温2 5 6 2 6 4 。c t 9 1 。 2 2 2 降水量 降水量由北向南递减，多年平均降水量北部山区7 5 0 - 8 0 0 r a m ，北部平原区 6 0 0 7 0 0 m m ，南部平原区5 5 0 6 0 0 m m l g j 。 天津大学硕士学位论文 第二章基本资料 2 2 3 蒸发量 蒸发量由北向南递增，多年平均水面蒸发量，北部山区1 0 0 0 m m t 平原区 1 l l m n a i i 。 2 3 河流水系 天津市位于海河流域下游，河流分南、北两太水系。天津市主要水系、蓄滞 洪区见图2 1 所示。 f 一- - ：。，r 一一萋i 荽釜拳 ，? i 苜 ：t 二；，。 圈2 - 1 天律市水幕雷 6 天津大学硕士学位论文第二章基本资料 本文数值模拟中包括的北系河流有：潮白新河、北运河、青龙湾减河、永定 新河，现简要介绍如下。 2 3 1 潮白新河 潮白河吴村闸以下河道经1 9 7 2 年调直、扩宽，至河口宁车沽防潮闸称潮白 新河。潮白新河自吴村闸下至郭庄( 2 2 + 8 0 0 ) 段，河道设计流量2 8 5 0 m 3 s ，纳 引洵入潮后，至柴家铺分洪闸( 4 9 + 4 0 0 ) 段，河道设计流量为3 2 2 0 m 3 s ，经黄 庄洼蓄滞洪区分洪后，至大刘坡( 5 9 + 2 0 0 ) 段，河道设计流量为1 9 2 0 m 3 s ，纳 蓄滞洪区退水后，至宁车沽闸( 9 9 + 2 0 2 ) 段，河道设计流量为2 1 0 0 m 3 s 1 0 】。本 文计算潮白新河从吴村闸至宁车沽防潮闸处，记吴村闸至郭庄河段为潮白新河 一1 ，郭庄至柴家铺分洪闸河段潮白新河- 2 ，柴家铺分洪闸至大刘坡河段为潮白新 河3 ，大刘坡至宁车沽防潮闸河段为潮白新河_ 4 。 2 3 2 北运河 北运河发源于燕山，上游为温榆河，流经昌平，至通县北关闸以下始称北运 河，在土门楼流入天津市。土门楼以下分为两支：一支经青龙湾减河入潮自新河， 是北运河的主要入海尾闾；另一支经北运河至屈家店与永定河汇流入永定新河， 于天津市区耳闸入海河干流。在根治海河“北运河干流治理”中，北运河庄窝闸 以上防洪标准采用二十年一遇设计，五十年一遇校核。二十年一遇洪水为 1 3 3 0 m 3 s ，全部由青龙湾减河下泄；五十年一遇洪水为1 8 4 5 m 3 s ，其中青龙湾减 河分洪1 6 2 0 m 3 s ，北运河最大分泄不超过2 2 5 m 3 s t l 0 1 。本文计算北运河从土门楼 闸至入永定新河处，记北运河土门楼闸以上河段为北运河1 ，土门楼闸至屈家店 枢纽河段为北运河2 。 2 3 3 青龙湾减河 青龙湾减河( 土门楼入潮白新河口) 为清雍正9 年( 1 7 3 1 年) 开辟，是 分泄北运河洪水的一条减河，原入宁河县七里海，后经重新整治，八道沽以下原 河段废弃，改道折向东，于大刘坡附近汇入潮白新河，全长5 2 k m 。1 9 7 1 年自土 门楼至七里海河段，经整治疏浚后，上段设计流量为13 3 0 m 3 s ，标准达到2 0 年 一遇；下段设计流量为9 0 0m 3 s ，标准达到5 年一遇。当上段来水量超过下段泄 量时，利用狼儿窝分洪闸向大黄铺洼分洪。另外，因潮白新河里自沽闸拦河蓄水， 造成河道淤积，据1 9 9 3 年观测资料分析，青龙湾减河共淤积6 0 0 多万m 3 。根据 1 9 9 8 年实测断面资料，按原设计超高控制，过流能力降低3 3 - - 2 3 f l o 。本文 天津大学硕士学位论文第二章基本资料 计算青龙湾减河从土门楼闸至入潮白新河处，以狼儿窝分洪闸为界，前后两段分 别记为青龙湾减河1 、青龙湾减河2 。 2 3 4 永定新河 永定新河自屈家店至北塘镇长约6 2 k m ，开挖于1 9 7 1 年，左岸有机场排水河、 北京排污河、潮白新河、蓟运河汇入，右岸有金钟河、北塘排污河、黑猪河等排 沥河道汇入，各河流汇入口均设有挡潮闸以防海潮倒灌。永定新河河道按5 0 年 一遇洪水设计，1 0 0 年一遇洪水校核。2 8 + 1 9 2 挡潮埝以上河道己于近年按设计主 槽断面进行了清淤，在设计和校核水位情况下，河道行洪能力分别达到1 4 0 0 m s s 和18 0 0 m 3 s 。2 8 + 19 2 挡潮埝至5 3 + 0 0 0 段河道清淤工程也已经完成，在清淤末端 5 3 + 0 0 0 修建临时挡潮埝。河道水位按校核洪水位控制，挡潮埝以上过流能力已 达到9 0 0 m 3 s 。同时，由于5 3 + 0 0 0 挡潮埝的修建，加速了埝下河道的淤积，使埝 下河道的过流能力下降至6 0 0 m s 左右。当上游来水超过河道下泄能力时，需打 开七里海分洪口门向七里海临时滞洪区分洪【旧】。本文计算永定新河从屈家店枢纽 至北塘镇，记屈家店枢纽至2 8 + 1 9 2 河段为永定新河1 ，2 8 + 1 9 2 到5 3 + 1 0 0 河段 为永定新河2 ，5 3 + 1 0 0 至6 4 + 0 0 0 河段为永定新河3 。 潮白新河、北运河、青龙湾减河、永定新河主要河道基本情况r i 0 1 见表2 1 。 表2 - 1 潮白新河、北运河、青龙湾减河、永定新河主要河道基本情况表 天津大学硕士学位论文第二章基本资料 2 4 蓄滞洪区 本文计算中考虑了四个蓄滞洪区：大黄铺洼、黄庄洼、西七里海、淀北分洪 区，见图2 1 ，现简要介绍如下。如没有特别说明，本文中的高程系统均为黄海 高程。 2 4 1 大黄铺洼 大黄铺洼在宝坻、武清、宁河三县境内，青龙湾减河以西，总面积2 7 7k m 2 ， 设计滞洪水位3 0 m ，设计蓄洪量3 1 3 7 亿m 3 。共涉及1 0 个乡镇、6 7 个村庄、4 6 5 万人、1 9 9 7 6 万亩耕地，工业固定资产1 6 5 2 亿元，年产值8 9 7 1 亿元，总财产和 产值共2 8 7 2 6 亿元，在设计滞洪水位下洪水灾害损失为9 2 6 2 亿元，设计水位下 单位蓄量损失为2 9 5 3 元m 3 【1 2 】。 大黄铺洼蓄滞洪区水位、蓄量、淹没面积关系1 1 3 见表2 - 2 。 2 4 2 黄庄洼 表2 2 大黄铺洼水位、蓄量、淹没面积表 黄庄洼在我市宝坻、宁河两县境内，它位于潮白新河以东，总面积3 3 9 k m 2 ， 设计滞洪水位3 0 m ，设计蓄洪量5 8 7 3 亿m 3 。全区共涉及9 个乡镇、1 3 1 个村庄、 7 7 4 6 万人、2 6 0 9 万亩耕地，工业固定资产1 6 5 2 亿元，年产值1 0 7 5 2 亿元，总 财产和产值共3 5 5 3 7 亿元，在设计滞洪水位下洪水灾害损失为1 4 0 7 8 亿元，设 计滞洪水位下单位蓄量损失为2 3 9 7 元m 3 1 2 】。 黄庄洼蓄滞洪区水位、蓄量、淹没面积关系【”】见表2 3 。 天津大学硕士学位论文第二章基本资料 表2 - 3 黄庄洼水位、蓄量、淹没面积表 2 4 3 西七里海 西七里海是永定新河的临时滞洪区，在宁河县、塘沽区和北京清河农场境内， 它位于永定新河左堤以东、津榆公路和青龙湾故道右堤以南、潮白新河右堤以西， 总面积1 9 2 2 5 k i n 2 ，设计滞洪水位3 o m ，设计蓄洪量3 4 3 1 亿m 3 。全区共涉及6 个乡镇、2 1 个村庄、5 4 0 0 万人、1 4 0 0 5 万亩耕地，工业固定资产3 7 6 9 亿元， 年产值1 3 9 8 2 亿元，总财产和产值共4 1 5 6 1 亿元，在设计滞洪水位下洪水灾害损 失为1 7 7 6 4 亿元，设计水位下单位蓄量损失为5 1 7 7 元m 3 【1 1 1 。 西七里海蓄滞洪区水位、蓄量、淹没面积关系【1 3 】见表2 - 4 。 表2 - 4 西七里海水位、蓄量、淹没面积表 2 4 4 淀北分洪区 淀北分洪区在我市北辰区、武清县境内，它位于北运河以东、杨北公路以南、 北京排污河以西、永定新河以北，总面积2 1 5k m 2 ，设计滞洪水位4 1 5 m ，设计 蓄洪量4 3 4 7 亿i l l 3 。共涉及8 个乡镇、8 1 个村庄、7 4 8 4 万人、1 9 5 7 5 万亩耕地， 天津大学硕士学位论文 第二章基本资料 工业固定资产6 2 2 1 4 亿元，年产值4 0 6 3 4 亿元，总财产和产值共1 4 6 9 8 2 亿元。 区内有北辰开发区、京山、津蓟、京九铁路、京津高速、津围公路、引滦输水明 渠、暗渠从区内通过，另有3 0 万、1 l 万伏变电站，一旦分洪，损失惨重。在设 计滞洪水位下洪水灾害损失为6 8 1 7 9 亿元，设计水位下单位蓄量损失为1 5 6 8 4 元1 3 1 3 【l l 】。 淀北分洪区水位、蓄量、淹没面积关系【1 3 】见表2 5 。 2 5 正向闸门 表2 5 淀北分洪区水位、蓄量、淹没面积表 本文计算中为调节河道流量考虑了几个正向闸门【l l 】：吴村节制闸、庄窝闸、 南里自沽节制闸、宁车沽防潮闸。简要介绍如表2 - 6 ，其尺寸见图2 2 。 表2 - 6 河道中的正向闸门基本情况表 天津大学硕士学位论文第二章基本资料 ，- 、 邑 剥 恒 ，_ 、 e 嘲 艋 01 0 02 0 03 0 04 0 0 位置( m ) ( 1 ) 吴村节制闸 1 01 0 0 2 0 03 0 04 0 0 位置( m ) ( 3 ) 宁车沽防潮闸 2 6 分洪口门 - 2 一 e 黜吣： 恒b - 4 - 2 - o - - 2 一 脚 恒 位置( m ) ( 2 ) 南里自沽节制闸 4 5 0 05 2 05 4 05 6 05 8 06 0 0 6 2 0 位置( m ) ( 4 ) 庄窝闸 图2 2 正向闸门尺寸 本文考虑的分洪口f - jr 1 1 1 有黄庄洼分洪闸、乐善庄闸、造甲船闸、永定新河 2 8 + 0 8 2 分洪口、永定新河7 + 1 0 0 分洪口，简要介绍如表2 7 ，其尺寸见图2 - 3 。 表2 7 分洪口门基本情况 1 2 2 o 8 6 天津大学硕士学位论文 第二章基本资料 ，。、 s 8 测 惺6 4 2 o 。2 - 4 ( 1 ) 黄庄洼分洪闸 位置c m ) f ，；磊 ，；溺 j 3 4 i l 1 l 3 ； i j 月 j。日 ； ! ： j 三1 。 嚣e 6 4 2 o t e 篷s 互 l - l - l ( 2 ) 狼儿窝分洪闸 5 0 位置c m ) 5 0 d蟹 位置(m)位置(m) 与e 三了 2 7 本章小结 ( 4 ) 造甲船闸 图2 3 分洪口门尺寸 ( 6 ) 永定新河7 + 1 0 0 分洪口 本章简述了天津市的地理位置及地形、地质和气象特点，详细介绍了天津市 北系河网中小洪水蓄水优化中模拟的河流水系、蓄滞洪区、正向闸门以及分洪口 门。 天津大学硕士学位论文第三章维河网非恒定流模型 第三章一维河网非恒定流模型 河网是由河道和分汊点组成的系统，每个分汊点至少由三条河道与其相连或 与上下游边界相联通。河网可以分为树状河网及环状河网两种：树状河网包括一 系列的分汊点，其中可能包括一级或多级分汊，但内部不形成环状；而环状河网 就是内部成环状的一类河网4 1 。 对任何复杂河网水力数值计算的问题，最终都要归结为单一河道的水力数值 计算，计算的基本方程为适用于单一河道的描述一维明渠非恒定流的 s a i n t - v e n a n t 方程组。 3 1 基本方程与离散 3 1 1s a i n t - v e n a n t 方程组 一维明渠非恒定流的s a i n t - v e n a n t 方程组由质量和动量守恒方程组构成： 丝牟上a _ q q ：0 ( 3 - 1 ) a tb0 x 百a a + 旦a x f ，t , 壁a 、i j + 鲥罢+ 弘鲥f o l u l _ 0 i ( 3 - 2 ) 式中，a 为过水断面面积；b 为河道7 k i $ 宽q 为流量；k 为流量模数；z 为水 位：g 为重力加速度：f 为时间；x 为断面位置坐标。 3 1 2s a i n t v e n a n t 方程组的离散 s a i n t - v e n a n t 方程组属于二元一阶双曲型拟线性方程组，现阶段尚无法直接 求出其解析解，通常用有限差分法求其数值解。在求解区域x t 平面内，按 p r e i s s m a n n 加权四点隐式格式离散s a i n t v e n a n t 方程组，其离散的网格如图3 1 所示。 天津大学硕士学位论文 第三章一维河网非恒定流模型 图3 - 1p r e i s s m a n n 隐格式离散网格 在该网格下，函数厂及其对时间和空间的导数按下面的公式进行禹散： 儿，f ) - 昙嘛- + ) + 半坛。+ ) ( 3 - 3 ) 善= 毒嘛1 一) + 詈坛。一) ( 3 4 ) 笪：丝! 笠：! ! 二鲤! 笪!( 3 - 5 ) 式中，上脚标表示时间坐标，下脚标表示空间坐标；缸为第，单元河段长；& 为时段长；刀为时段序号；秒为权重系数( o s0 1 0 ) ，为使差分方程保持无条件 稳定，必须秒0 5 。 将式( 3 - 3 ) 、( 3 - 4 ) 、( 3 - 5 i 代入式( 3 一i ) 、( 3 - 2 ) 中，得s a i n t - v e n a n t 方程 组按p r e i s s m 啪加权四点隐式差分格式： j 4 ，q j + e ，z ，+ c l j g + l 十d 1 ，a z 州= 五j ( 3 6 ) a 2 j 厶q j + b 2 j 毖j + c 2 j q j “+ d 2 j z j n = e 2 j ( 3 _ ) 式中， 4 铋f 4 ，一硬两 。，4 8 a t i q ；+ l _ 0 7j 掣 岛，叫一五研再万。虿 40m q ，2 硬丽 d - ，：1 一4 8 a t 亡( q j ”+ , - 丁q ；) d b j l l u 缸妲? + b x lja z ；+ l 天津大学硕士学位论文第三章一维河网非恒定流模型 e ，一确味，一g ) 如小警酐2 脚智 耻芸骼砒叫h 嘛嘲卜锄铡卜翻a n d n 小等铊船口铡 = 罢 符+ g k 训+ g 坛一刁磅 一一 + 础意q i 爿q if 啄- 一瓦2 a j + l 鬲d k j + 1 = 尝 - 掣掣确纠舨叫) 一驰腊+ 静 3 2 定解条件 3 2 1 边界条件 边界条件包括上游边界条件、下游边界条件和内部边界条件。 3 2 1 1 上游边界条件 上游边界条件可以给定流量过程，也可以给定水位过程，即 研= q ( t 。) ， 刀= o ，l ，2 ，刀一 或 w = h ( t 。) ， 船= 0 ，1 ，2 ，刀一 3 212 下游边界条件 ( 3 8 ) ( 3 9 ) 下游边界条件包括下列六种形式之一：单值流量水位关系、流量过程、水位 过程、水位流量绳套曲线、动力单值水位流量关系及临界流。 ( 1 ) 单值流量水位关系 天津大学硕士学位论文 第三章一维河网非恒定流模型 蝶= q ( 九) ，刀= 0 , 1 ，2 ，? m x ( 3 1 0 ) ( 2 ) 流量过程 娥= q ( t 。) ，r t = o ，1 ，2 ，玎眦 ( 3 1 1 ) ( 3 ) 水位过程 = h ( t 。) ， 刀= 0 ，l ，2 ， m i x ( 3 - 1 2 ) ( 4 ) 水位流量绳套曲线【1 6 】 利用曼宁公式和能量坡度s ，计算出下游边界流量值。其计算公式如下： 簖1 = 彳。( r 芦咿 啪= k t s 器 ( 3 1 3 ) 玎 蝶一；瑶 xn o s g ( , a n + a n d ) a t+ 兰盟刍l ，或0 5 9 ( a + a _ 1 ) 缸- l 。一 s q ：訾，这里瓯是k 。时刻的流量，其他所有量均是采用乙时刻的数值。 彳尺 下标是下游断面编号，a ，r ，q 分别是过水断面、水力半径及流量在最后 一个计算微断的平均值。 ( 5 ) 动力单值水位流量关系i t 6 即在( 3 1 3 ) 式中用河道下游断面处的河床底坡s 计算q 。 ( 6 ) 临界流( 1 6 j q u + t ：g 黯 ( 3 - 1 4 ) p 1 ， 式中，b 1 为水面宽度。 3 2 1 3 内部边界条件 若在河道上存在坝、闸、桥梁、泵站等水工或交通建筑物及有旁测入流( 出 流) ，则必须按建筑物的特点，给出相应的内部边界条件。内部边界条件的相容 条件是： q f = q 卅 ( 3 1 5 ) q = q + q ( 3 1 6 ) 式中，i 、f + 1 是内部边界条件的上下游两个断面，q 是通过坝、闸、桥梁、泵 站等的流量，幺是旁测入流( 出流) 。 1 水闸 ( 1 ) 自由出流计算公式： 天津大学硕士学位论文第三章一维河网非恒定流模型 q = c 肋2 弘 ( 3 - 1 7 ) 式中，h 为上游水头，日= z v z 二；c 为流量系数，一般取为o 5 到0 7 ；w 为 溢流宽度，b 为闸门开度。 ( 2 ) 当下游水头与上游水头之比小于0 6 7 时发生淹没出流，采用的计算公 式为： q = c w b 止g h ( 3 - 1 8 ) 式中，胃为上下游水头差，h7 = z 0 一乙。 ( 3 ) 当下游水位上升到一定高度，影响到闸的过流量但还没有发生淹没出 流，这个时期处于自由出流处淹没出流的过度段，采用的计算公式为： q s = c w b 4 2 9 ( 3 h ) ( 3 1 9 ) 2 堰 如果过流为堰流，则流量q w 用下式计算： qw=cwh372(3-20) 式中，c 为与堰的形状有关的系数，取值一般在2 6 与4 0 之间。 3 泵站 泵站的流量q 。可以保持不变，也可以按时间过程给定。 4 桥涵 跨河的桥梁一般会束窄河道过水断面，过流流量鲸用下式计算： 鲰= c 厨打( h i - t t i + i + 2 v 2 9 _ 一嘶) l ，2 ( 3 - 2 1 ) 式中，c 是流量系数，厶是桥孔下游端( i + 1 断面) 的过水断面面积，日，是桥 孔上游断面水位高程，只+ 。是桥孔下游断面水位高程，形= q j a i ，幽，是通过 桥孔的局部水头损失。 3 2 2 初始条件 在非恒定流计算中，初始条件对计算初始阶段的影响是比较明显的，但随着 计算时间的延长，影响将会逐渐减小，最后影响程度可以忽略。初始条件通常按 以下三种方式给出： ( 1 ) 首先进行该河段恒定非均匀流水面线计算，即以某初始的典型流量计 算出各个断面在恒定非均匀流时的水位，并以此作为各个计算断面的初始水位 值，然后进行非恒定流计算。本文河网非恒定流计算初始条件的给出即采用此种 方法。 ( 2 ) 通过明渠恒定均匀流的计算公式( 即谢才公式) 计算各断面的水位， 天津大学硕士学位论文第三章一维河网非恒定流模型 并以此作为计算初值。 ( 3 ) 静水启动条件，也称冷启动条件， 按0 给定。 3 2 3 汉点连接条件 汉点连接条件通常包含两个相容条件， ( 1 ) 流量平衡条件 即给定某一水位，初始流速( 流量) 即流量平衡条件和能量守恒条件。 汉点可以分为调节汊点和无调节汉点。若汊点汇合区蓄量在河段计算中可以 忽略，则称为无调节汉点，否则成为调节汊点。 流量平衡条件也称质量守恒条件，根据进出某一汊点的流量与该汊点蓄量相 平衡的原理有： 静= 鲁 协2 2 ， 式中，k 为汊点编号；刀为流入流出汊点的单河道数；为汊点蓄量；q 为第f 条河道流入汉点的流量，一般规定流入汉点为正，流出为负。 对无调节汉点，方程( 3 2 2 ) 可简化为： q ，= 0 ( 3 2 3 ) ( 2 ) 能量守恒条件 能量守恒条件也称动力连接条件，若不计汊点汇合处的局部能量损失，邻接 汊点处断面的能头相等，即： z t + 芝= z f + i + 粤( 3 - 2 4 ) 二g二g 式中，z i 、玑为第i 条河道与汉点相邻处断面的水位和流速。 3 3 河网非，匾定流计算的求解方法 河网非恒定流计算是水利、航运等部门经常需要进行的工作。其计算问题归 结为一维圣维南方程组的求解。由于隐式差分格式具有稳定性好、可加大时间步 长提高计算速度等优点，得到广泛的应用，但河网非恒定流计算中，由于各河流 的不规则纵横交叉连接，所形成的系数矩阵是一种排列不规则的大型稀疏矩阵， 具有大量的零元素，而非零元素却很少，降低了消元速度。这样的矩阵系数如全 部储存需要大量的存储单元，计算过程中零元素变为非零元素参加运算使计算次 数增加，计算次数越多，引入的舍入误差越大，计算精度难于保证，因而降低了 隐格式的使用价值。 天津大学硕士学位论