（农业工程专业论文）永定河滞洪水库水沙数值模拟及联合调度运用方案研究.pdf

摘要 永定河为全国四大重点防洪江河之一，是首都防洪的关键。为了控制官厅山峡洪水，使三家 店以下北京市境内永定河右岸的防洪标准由5 0 年一遇提高到1 0 0 年一遇，免除和减少右岸地区 的淹没损失，修建了永定河滞洪水库。本文建立了永定河滞洪水库平面二维数学模型，分析论证 了永定河滞洪水库工程设计方案的合理性和三库联合调度运用方案。确保设计河道水流平顺，洪 水不对中堤和左堤产生强烈顶冲的破坏，保证工程安全可靠。论文研究成果可为滞洪水库建筑物 设计和调度运用提供重要依据。 模型采用实测资料、调查洪痕数据以及永定河滞洪水库物理模型试验成果进行了调试与验 证。结果表明，河道计算洪水位与调查洪痕值拟合较好，河道主流走向与调查河势基本一致，汛 后河道地形实测值与计算值基本一致，所建立的数学模型能比较准确地模拟河道的水沙运动状况 和河床冲淤变化，模型具有一定的可靠度与实用性。 本文针对永定河滞洪水库现状河道和滞洪水库修建后的规划河道，按照百年、五十年一遇洪 水条件计算了滞洪水库及其主河道的冲淤演变和水面线。按照拟定的水库调度方案，分别模拟了 百年、五十年一遇水沙条件下滞洪水库的洪水演进过程、水流状态和河床冲淤变化。结果表明， 滞洪水库及其规划主河道的主流基本在规划的治导线内，规划河道水流比较平顺，水流不会对中 堤和左堤产生强烈顶冲破坏作用，说明滞洪水库的设计方案和本文推荐的三库联合调度运用方案 是合理的。值得注意的是，在河道右侧一些局部堤段，主流贴靠，流速较高，应采取相应的工程 防护措施。 关键词：滞洪水库，水沙数学模型，联合调度 a b s t r a c t y o n g d i n gr i v e ri so n eo ft h ef o u rm a i nn a t i o n a lf l o o d - c o n t r o lr i v e r sa n dt h ek e yo ff l o o dc o n t r o l f i v e rf o rt h ec a p i t a lc i t y , b e i j i n g ，c h i n a y o n g d i n gr i v e rf l o o d q e t e n t i o nr e s e r v o i rf m f g g ) i sb e i n g b u i l ta tt h er i g h tb a n ko ft h ed o w n s t r e a ma f t e rs a n j i a d i a ns l u i c e g a t eo fy o n g d i n gr i v e r w i t h i n t r o d u c i n gt h ef l o o dw a t e ri n t ot h ey d f r r ，t h ef l o o dc o n t r o ls t a n d a r do f b e i j i n gc i t yc a nb ei n c r e a s e d f r o mf l o o do c c u r a n c yo f2 t o1 i nb e i j m g a n dw i t ht h ey d f r r , t h ef l o o dl o s sa tt h ef i g h tb a n k w i l lb e c o n t r o l l e d i nt h i sp a p e ra2 - d i m e n s i o n a lm a t h e m a t i cm o d e li se s t a b l i s h e df o rw a t e ra n d s e d i m e n te v o l u t i o no fy o n g d i n gr i v e rf l o o d r e t e n t i o nr e s e r v o i r a n da l t e r n a t i v e sf o rt h ed e s i g no f y d f r ra n dt h ej o i n to p e r a t i o no ft h et h r e er e s e r v o i r sw e l ea n a l y z e d t h eo b j e c t i v ei s t oe n s u r et h e s e c u r i t yo ft h ep r o j e c tw i t hs m o o t hr i v e rf l o wa n dw i t h o u td a m a g eo nt h em i d d l ea n dl e f tb a n k sb yt h e f l o o d t h er e s e a r c hr e s u l tp r o v i d e ss o l i df o u n d a t i o nf o r t h e h y d r a u l i cc o n s t r u c t i o n s d e s i g na n d o p e m f l o no f y d f r r t h em o d e lw a sc a l i b r a t e da n dv e r i f i e dw i t hm e a s u r e dd a t a , i n v e s t i g a t e df l o o dt r a c kd a t aa n d p h y s i c a l m o d e lt e s tr e s u l t s r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ec a l c u l a t e df l o o dl e v e la g l e e sw e l lw i t ht h ei n v e s t i g a t e df l o o d t r a c k , t h em a i n s t r e a m 0 ni nt h er i v e rb a s i c a l l ya c c o r d sw i t ht h es u r v e y e dr i v e rf i g u r e m e a s u r e d t o p o g r a p h i c a ld a t ai nt h er i v e rb e di sm o s t l yt h es a m ew i t hc a l c u l a t e dd a t a t h e r e f o r e ，t h ee s t a b b s h e d m o d e lc a ns i m u l a t ew a t e ra n ds e d i m e n tf l o w ，a n dt h ee r o s i o n - d e p o s i t i o np r o c e s si nt h ef i v e rb e dw i t h m o d e r a t ea c c u r a c y t i f f st h e ni n d i c a t e dt h a tt h em o d e li sr e l i a b l ea n d c a p a b l eo f b e i n gu s e d t h e e r o s i o n - d e p o s i t i o ne v o l u t i o na n dw a t c rs b r f a c el e v e lo ft h ey d f r ra r ec a l c u l a t e dw i t ht w on o o d o c c u r a n c i e so f 2 a n d1 f o rt h ep r e s e n tf i v e ra n dt h er i v e ra f t e rt h ei r n p l e m e n t a t i e no f y d f r r t h ef 1 0 0 d r o u t i n gp r o c e s s ，f l o wp a t t e r na n dt h ec h a n g ep a t t e r no fe r o s i o n - d e p o s i t i o ni nt h ed v c r b e da s i m l 】a t e de ) r t w of l o o do c c u r a n e yo f 2 a n d1 w i t hp r e - a s s i g n e dr e s e r v o i r s o p e r a t i o m t e m a t i v e s r e s u l t s 血碰c a t e dt 1 a t t h em a i n s t r e a mi nt h ey d f r ra n di t sp l a n n e dm a i n r i v e r w a y w i l lb ew i t h i nt h ep l a n n e dg u i d e1 e a d s 啊衄 n o w 诵n o tp r o d u c ei n t e n s i v e d a m a g eo nt h em i d d l ea n dl e f tb a n k s s oi ti sd e m o n s t r a t e d 衄恤d e s i 蛆 o ft h eh o o d - r e t e n t i o nr e s e r v o i ra n dt h er e c o m m e n d e dt h r e er e s e r v o i r s j o i n to p e r a t i o n 舳n a 虹v e s a r e 0 n a b l e - ha d d i t i o n , i tm u s tb em e n t i o n e dt h a tt h em a i n s t r e a mi sm u c hc l o s e rt os o n l e p a r t so fn l e 地h t b a r & f l o w s p e e d i s h i g h e r a n ds o m e p r o t e c t i o n m e a s u r e ss h o u l d b e t a k e 札 髓yw o r d 8 ：f l o o d - r e t e n t i o nr e s e r v o i r ，f l o wa n ds e d i m e n t m a t h e m a t i c a lm o d e l ，j o i n to p e 蹦0 1 1 中国农业大学硕士学位论文 苎! 璺曼曼毫! l i _ i,! i 曼! 曼! ! 曼蔓! ! 毫曼曼曼! 曼曼蔓曼鼍曼鼍皇皇曼璺! 曼曼蔓曼皇! 曼曼兰曼皇! 寰 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特n ：d i ：l 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它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。 碱懿名班秘 帆2 0 0 5 9 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 卺时间：z o o s 年4 月，曰 中唇农业大学硕士学位论文 绪论 ( 1 ) 课题的提出和研究意义 绪论 永定河为全国四大重点防洪江河之一，是首都防洪的关键。官厅水库以下至三家店河段称为 官厅山峡，流域面积1 6 0 0 k i n 2 ，为多发性暴雨区，永定河历史上发生的几次大洪水中约9 0 的洪 水产生于此。1 9 5 3 年修建官厅水库之后，上游洪水基本得到控制，而官厅山峡区间洪水还无有效 控制措旅。加之永定河右岸及下游防洪标准较低，官厅山峡洪水对永定河泛区及小清河分洪区的 防洪安全构成威胁。 随着首都社会经济的发展与卫星城镇的建设，永定河两岸日趋繁荣昌盛，一旦永定河向右岸 及小清河分洪，不仅会带来重大的经济损失，而且将造成不良政治影响。为此北京市有关部门提 出修建永定河滞洪水库的方案。以控制官厅山峡洪水，使三家店以下北京市境内永定河右岸的防 洪标准由5 0 年一遇提高到1 0 0 年一遇，免除和减少右岸地区的淹没损失。 永定河滞洪水库工程方案初步设计由水利部天津水利水电勘测设计研究院和北京市水利规 划设计研究院于1 9 9 9 年9 月共同编制完成，并于2 0 0 0 年2 月通过了水利部审查( 水总 2 0 0 0 5 3 号) 2 7 1 。2 0 0 2 年1 2 月对永定河滞洪水库工程修改设计报告进行了修订。2 0 0 1 年8 月3 1 日， 滞洪水库进水闸工程开工，至2 0 0 3 年永定河滞洪水库主体工程已经基本完工，目前正在组织工 程竣工验收( 附：永定河滞洪水库平面图) 。 本项研究具有重要的理论意义和生产实际价值，其研究成果，一是确保永定河滞洪水库与河 道水流平顺，水流不对中堤和左堤产生强烈顶冲的破坏，保证工程安全可靠；二是为了支持对滞 洪水库初步设计方案进行优化( 修改设计) ，充分论证永定河滞洪水库设计方案的合理性：其三 是提出三库联合调度运用方案，为今后滞洪水库的运用和管理提供指导。另外还具有研究周期短、 节省研究费用的作用。 ( 2 ) 本课题研究现状 i ) 水沙数学模型理论方法与研究现状 在水利工程规划和设计中，无论从工程设计角度还是从河道防洪安全考虑，都需要了解这些 ：量查些盔兰罂耋茎耋塞至二，。，。，。，。，。，。，。，：耋坠 河流工程与河流之间的相互影响关系，定量确定相互影响的程度和范围，这就需要解决水沙运动及 河床变形预报问题，而河流模拟是预测预报的重要研究手段。一般河流模拟有物理模拟与数学模拟 两种类型。物理模拟即比尺模拟：该方法以其直观性和物理概念明确一直受到水利工程界的重视， 但其模拟程度往往受模拟试验手段和比尺关系的限制，而且费用比较高昂，试验时间周期也相对 较长。本文采用的后一种方法：即河流工程的数值模拟方法。它具有省时、高效、无比尺影响等 优点，目前正以强劲的势头发展，在众多河流工程问题上被广泛应用，取得了良好的效果。河流 数值模拟是以挟沙水流运动与河床演变控制方程为基础，卧数值方法和计算机技术为手段，通过 对河流的数值模拟计算，解决河流工程所关心的问题。它是近代水力学、流体力学、泥沙运动力 学、数值计算方法和计算机科学相结合的产物。以动床为边界的挟沙水流运动是一个极其复杂的 问题，模拟其流动与河床变形在基本理论和计算技术方面都有很大难度。虽然早在2 0 世纪4 0 年 代初就有人提出了求解波动问题的双曲型偏微分方程的特征值理论【3 5 】，但首次使用一维数学模型 模拟大型水库淤积与坝下冲刷，却是在5 0 年代初由俄国人罗辛斯基和库兹明完成的。欧美一些 学者也相继开展了水库、河口海岸一维和二维的数值模拟研究3 q 【3 1 f ，我国在5 0 年代后期也开 始用一维数学模型进行水库与河道的变形计算。但是河流模拟的迅速发展崛起，却是在7 0 年代 末，随着计算机科学的迅猛发展而被带动起来的。作为一门能与具体工程紧密结合的新型实用科 学，它以其自身优势，已形成河流模拟领域一个不可分割替代的科学分支。特别是进入9 0 年代 以后，国内外许多研究者进行了许多卓有成效的研究并取得了丰硕的成果，林秉南” 、窦国仁 田 3 】、李浩麟、赵士清嘲等都曾在河口海岸工程泥沙问题的数学模型研究中进行了富有开创性的 工作；孙东坡，彭文启，刘培斌【2 2 】吲对南水北调总干渠与河流交叉工程进行了洪水与河床变形的 平面二维数值模拟；周建军“3 建立了用于三峡坝区泥沙冲淤计算的二维泥沙数学模型：为预测 三峡水库变动回水区及下游荆江典型河段河床的平面变形，韩其为、黄煜龄、李义天、陆永 军”9 3 等分别建立了各具特色的二维模型。董壮、陆永军2 1 则采用v i s 1b a s i c5 0 进行了 流场动态可视化研究。现在二维和局部问题三维数学模型正在迅速发展并在河流工程建设中被越 来越多的运用。然而河流水沙数值模拟结合水库调度的综合模型研究尚属少见。 2 ) 永定河滞洪水库工程水沙研究现状 为配合永定河滞洪水库工程设计，北京市水科所杨淑慧 2 q 等1 9 9 9 年完成了永定河滞洪水 库整体模型试验研究报告，报告中主要针对滞洪水库的泄水建筑物进行了研究，研究工况较少。 中国农业大学硕士学位论文 绪论 另外采用物理模型模拟滞洪水库水沙条件有很大的局限性，一是由于河道宽浅，二是水流关系复 杂，物理模型模拟精度较低。为了确保设计河道水流平顺，洪水不对中堤和左堤产生强烈顶冲的 破坏，保证工程安全可靠，为了给滞洪水库建筑物设计和三库联合调度运用提供依据，采用数学 模型进行永定河滞洪水库三库多方案联合调度运用研究是非常必要的。 ( 3 ) 主要研究内容 永定河滞洪水库工程的主要作用是防洪。为了要确保在设计洪水条件下的工程安全和调度运 用的可靠性，必须了解水库修建后永定河主河道、滞洪水库在上游来五十年、百年一遇洪水条件 下的冲淤演变规律及流态、流势变化特点。研究的主要目的是确定中堤、横堤、建筑物布置的合 理性，分析提出三水库联合调度运用方案，并对不利因素提出改进措施。 主要研究内容包括以下几方面： 不同重现期洪水，永定河的河势、冲淤变化规律及对水库左堤( 即中堤) 的影响。 三水库淤积形态、库区流态及对水库左堤( 即中堤) 、水库横堤的影响。 中堤位置对永定河及滞洪水库的影响。 不同重现期洪水，永定河及滞洪水库的水面线。 三水库联合调度运用方案研究。 中国农业大学硕士学位论文 第一章永定河滞洪水库基本情况 第一章永定河滞洪水库基本情况 1 1 自然地理条件 1 1 1 气象条件 永定河滞洪水库位于欧亚大陆东部中纬度地带，大陆性气候明显。冬季较长，干燥寒冷，盛 行西北风，春秋多风沙。 该地区降雨量少，且多集中在汛期6 9 月份，特别是7 、8 月份，个别环流异常年份，在9 月份也有较大暴雨出现。降雨多以暴雨形式出现，且以局部暴雨为主。官厅以上多年平均降水量 在4 0 0 r a m 左右。官厅山峡地区由于地处迎风山区，降雨强度及过程降雨一般都比官厅以上大， 多年平均降水量为5 6 0 r a m 。 据门头沟( 气象站) 1 9 5 9 1 9 8 0 年资料统计，该地区多年平均气温为1 1 7 ；冬季的1 月份 平均气温为零下4 3 c ；夏季7 月份平均气温为2 5 8 。c 。绝对最低气温为零下2 2 9 * c 。 1 1 2 水文和泥沙 1 1 2 1 设计洪水 滞洪水库1 0 0 年一遇洪水：考虑官厅水库下泄( 最大下泄流量不超过6 0 0 m 3 s ) 及山峡区间 的洪水组合； 5 0 年、2 0 年、1 0 年一遇洪水只考虑官厅山峡区间的洪水；各频率的洪水均不考虑斋堂水库 的调蓄作用。 通过水文分析确定，水文计算成果为： 1 0 0 年一遇洪峰流量6 2 3 0 m 3 s ，3 日洪量4 6 4 亿m 3 ； 5 0 年一遇洪峰流量4 3 3 0 m 3 s ，3 日洪量2 4 5 亿m 3 ： 2 0 年一遇洪峰流量2 7 4 0 m 3 s ，3 日洪量1 6 1 亿m 3 ； 1 0 年一遇洪峰流量1 6 8 0 m 3 s ，3 日洪量1 0 3 亿1 1 1 3 。 4 中国农业大学硕士学位论文第一章永定河滞洪水壁基本情况 1 1 2 2 泥沙 永定河属多沙河流，泥沙绝大部分产白官厅水库以上，输沙量主要来自洪水期。永定河滞洪 水库河段位于芦沟桥拦河闸到滞洪水库退水闸之间的河段长1 45 k m 范围内，主河道河槽宽浅， 滩涂广阔，属游荡性河道，汛期悬移质最高可达2 0 0 k g m 。沙质河床善冲善淤，使主流经常迁徙 摆动，河床演变规律十分复杂。滞洪水库洪水期输沙量采用陈家庄水库入库洪水输沙量成果。 1 0 0 年一遇洪水考虑官厅水库下泄沙量及山峡区间沙量两部分，5 0 年、2 0 年、1 0 年一遇洪 水只考虑官厅山峡区间沙量。水文分析结果：1 0 0 年一遇洪水7 天输沙量为7 2 8 2 万t ，5 0 年、2 0 年、1 0 年一遇洪水7 天输沙量分别为2 0 9 0 、1 1 1 0 、5 8 0 万t 。另据统计，三家店拦河闸1 9 5 6 年建 闸以来，多年平均年输沙量仅为6 7 万m 3 。 1 ，1 3 工程地质 滞洪水库库区为第四系冲洪积层所覆盖，下伏第三系含砾泥岩、砾岩、泥质砂岩。第四系全 新统冲洪积层自上而下共分3 层： ( 1 ) 细砂层；分布于现永定河两岸漫滩顶部，厚度l n 。 ( 2 ) 中砂夹壤土层：中砂厚度5 - 1 4 m ；壤土呈透镜体状，断续分布于库区内，可塑，最大厚 度7 8 m 。 ( 3 ) 卵砾石层：磨圆较好，粒径2 5 c m ，充填有中细砂，局部夹粗砂及砂壤土薄层。 本区地下水含水层为第四系砂卵石、卵砾和砂层，具有强透水性，平均渗透系数约5 0 l o o m d , 地下水均为潜水，水位埋深由库区右岸的5 7 m 加深至左岸的1 2 1 6 m ；地下水流向 由西北至东南。地下水补给源主要是降雨及官厅水库放水。 1 2 工程概况及计算资料 1 2 1 工程概况 永定河滞洪水库位于卢沟桥以下永定河稻田及马厂河段内，距三家店约2 0 k m 。水库的主要 任务是防洪，使永定河1 0 0 年遇洪水刘庄子口门不分洪同时减少大宁水库向小清河分洪区的 分洪水量，解决永定河右岸长辛店地区及小清河分洪区近4 2 万人的防洪避险问题，减少该地区 5 中国农业大学硕士学位论文 第一章永定河滞洪水库基本情况 的淹没损失。 永定河滞洪水库布置在永定河稻田和马厂河段的右滩地上，沿永定河右治导线修建中堤，在 中堤和河道右堤之间开挖滩地形成稻田、马厂两个滞洪水库。两库与原大宁水库串联，形成一个 滞洪水库系统，见永定河滞洪水库平面示意图1 1 。大宁水库接小清河分洪闸，在大宁水库与稻 田水库之间修建有6 孔进水闸，单孔净宽l o r e 。在稻田水库与马厂水库间修建有5 孔连通闸，单 孔净宽1 2 m 。在马厂水库尾部建有7 孔退水闸，单孔净宽8 m 。稻田、马厂、大宁三水库的总库 容8 0 7 1 万m 3 ，有关水库特性见表1 1 。 图1 1 滞洪水库平面布置示意图单位：m 表1 1滞洪水库水库特性 名称 库底高程( m )最高水位( m )库容( 万一) 大宁水库4 8 o6 12 1 3 6 1 0 稻田水库 4 7o 一7 5 5 353 0 8 0 马厂水库4 5 8 4 615 0 5 1 3 8 1 修建滞洪水库后，小清河分洪闸过流能力可由2 7 6 0 m 3 s 增至3 7 3 0 m 3 s 。为了提高过洪能力， 原分洪闸闸室右侧扩建4 孔，单孔净宽1 2 m 。并对小清河河道进行疏挖和局部展宽：小清河分洪 闸至大宁水库河道全线下挖，对沿线桥梁采取护砌措施。 1 2 2 工程调度运用方式 永定河泄洪闸的运用方式为：永定河遭遇百年、五十年一遇洪水时，芦沟桥拦河闸最大下泄 流量2 5 0 0 m ，大于2 5 0 0 m 3 s 流量由小清河分洪闸下泄。 水库联合调度初步设计运用方案：自小清河分洪闸下泄的洪水首先进入大宁水库，当大宁水 6 删咖枷言三删舌三伽咖删 4 3 3 己已1 1 中国农业大学硕士学位论文 第一章永定河滞洪水库基本情况 库分洪水位蓄至4 9 o m 时，稻田水库开启进水闸泄洪，同时连接稻田与马厂水库的连通闸也打开。 当马厂水库水位蓄至5 0 ，5 m 时，连通闸关闭，仅有大宁、稻田两水库分洪；当稻田水库水位蓄至 5 3 5 m 时，进水闸关闭，稻田水库也停止蓄水。当大宁水库水位蓄至6 1 2 1 m 时，大宁水库泄洪闸 开启，控制下泄流量不超过2 1 4i t l 3 s ，泄往小清河分洪区。 在永定河洪水过后，马厂水库退水闸开启退水，退水流量控制在4 0 0 岔s 以下。 1 2 3 计算资料及其来源 ( 1 ) 地形资料 永定河现状河道地形：1 9 9 8 年1 1 月实测地形，其中，中堤以右部分改为水库规划地形，由 水电部天津勘测设计研究院提供。 永定河规划河道地形：指水库规划地形及永定河河道的中堤与左治导线之间的规划河道地 形，左治导线以左至左堤为1 9 9 8 年实测地形，由北京市水利规划设计研究院提供。 永定河1 9 5 6 年汛前后河道实测大断面资料。 ( 2 ) 河道工程资料 小清河规划河道中京广铁路桥、老京周公路桥、新京周公路桥、京石公路桥基础及大宁水库 跌水处采取基础护砌措施。 永定河主河道部分：卢沟石桥下游有一橡胶坝，为水泥护底。左岸有l 牡6 # 土石丁坝；右岸 有一土石丁坝。京广铁路桥、卢沟石桥、京周公路桥、京石公路桥、永立桥、黄良铁路桥基础不 衬砌。 以上资料及规划河道纵断高程、主要建筑物尺寸等由北京市水利规划设计研究院提供。 ( 3 ) 河道水、沙资料 洪水与泥沙过程：1 9 5 6 年实测洪水水沙过程。 滞洪水库水沙条件考虑官厅水库与官厅山峡区间的水沙组合。1 0 0 年一遇洪水同时考虑官厅 水库下泄水沙及山峡区间水沙；5 0 年一遇洪水只考虑官厅山峡区间的水沙。水沙过程资料由北京 市水利规划设计研究院提供。 泥沙级配；悬沙级配利用规划设计部门提供的百年一遇及五十年一遇悬移质级配拟合而成， 见图1 2 ；中值粒径a 5 0 = o 0 3 4 m m 。底沙级配为现场沙样的颗粒分析成果，见图1 3 。上游( 芦沟 7 主星銮、业查耋至圭兰竺兰兰，。，。，。，茎= 茎。耋耋墨童薹查鏖i ! ：垦圣 桥拦河闸以下约2 5 k m 河段) 为卵石夹沙推移质，中值粒径d s o = 2 28 m m ，下游为沙质推移质，中 值粒径d s o = o 2 7 m m 。 、 l 、 、 t 、 原型l | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 。 lii【0000 0 00。 n _ l l 一上l - 一一一1 、 、 一。_ 7 - 9日石原型沙一 涉质原型沙 、c 一一生、 、i m | 1 中国农业大学硕士学位论文 第一章永定河滞洪水库基本情况 ( 4 ) 泄水建筑物资料 芦沟桥拦河闸及小清河分洪闸的水位流量关系； 大宁水库泄洪闸泄流能力关系曲线； 稻田水库进水闸与连通闸泄流能力关系曲线； 马厂水库退水闸泄流能力关系曲线。 以上资料均由北京市水利规划设计研究院提供。 ( 5 ) 糙率 按原规划设计提供的河槽糙率约o 0 2 5 0 0 3 。由于现状河道采石坑众多，实际河槽糙率应较 规划值大。滞洪库库区糙率按人工开挖河道考虑。 ( 6 ) 北京市水利科学研究所进行的多个相关的物理模型试验研究成果8 6 1 0 ”。 中国农业大学硕士学位论文第二章平面= 维水沙数学模型 2 1 模型建立 第二章平面二维水沙数学模型 宽浅型河流及水库库区的水力要素沿水深分布较均匀，采用平面二维水沙数学模型可以准确 反映这类流场中的挟沙水流运动，解决一些实际工程问题。 2 1 1 控制方程 水流连续方程： 丝+ 一o u h + 塑：o 新巩 勿 ( 2 1 ) 水流运动方程： 警+ 警+ 卢等1 孕一妒罢瑚e + 尹a 2 1 , l 像：， 警+ 警+ 等叫挈一孑+ + 护c a 2 1 2 沼。， 悬移质输移扩散方程： 警+ 警+ c g v 巩h s = 瓦【删 瓦a s ) + 面a 【删 争0 s + 。a 苏 巩融、苏7 却一却7 一p 咒= 一醐s s b ) 河床变形方程： ，r 孕：州s 一鼠) a f 、 水流挟沙力方程( 张瑞瑾公式) 1 1 1 耻七c 南“ ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 床面稳定条件的辅助方程，对于散粒体沙质床面区域稳定的基本控制条件为 7 c 7 。 或 “c 矗。1 ( 2 - 8 ) 式中的无量纲s h i e l d s 临界切应力l 。 土曼奎些銮薹至耋耋篓耋圣。，。，。，。，。，。，耋三耋套耋耋三兰垒耋：i ! 茎：坠 q 2 i 歹南玎眇i c d ( 2 - 9 ) 无量纲床面水流切应力o ： f证v 2 商2 而 ( 2 1 0 ) 南靥量守佰、流动i 车续条件约束，可将( 2 ，8 ) 式转化为流场任一网格节点的床面稳定控制条 件为： q f a d t h 7 “ ( 2 1 1 ) 式中： z 水位；h - 一总水深；z 河床床面高程： “，v x ，y 向水深平均流速； c 谢才系数，c ：ir v 6 ，”为曼宁糙率； 以 g 重力加速度 a 水深平均涡粘系数，；= a u , h ，丑；1 0 0 ； “摩阻流速，“：立壁 ； 声水深平均对流项修壶，疗：1 o ； s 固相介质浓度( 这里指泥沙的重量含沙量) ； d 泥沙扩散系数，西= m 。詹； a 泥沙恢复饱和系数；泥沙沉速； 且饱和挟沙率；露挟沙能力系数；r n 挟沙能力指数 ，淤积物干容重； 乱b 床面无量纲水流切应力： 7 c 床面无量纲s 1 1 i e l d s 临界切应力； q i 、 c 任一网格节点处的单宽流量与水深； d 任一网格节点处床面分层代表粒径 a 与粒径和冲刷深度有关的抗冲系数 m 、，l 分别为与流速有关的系数。 中国农业大学硕士学位论文 第二章平面二维水沙数学模型 2 1 2 数值计算格式 ( 1 ) 离散格式 这里采用有限差分中的交替隐式差分格式，即a d i 法。其实质是将二维水流问题处理成一组 两个交互作用的一维问题，而每一个一维问题则按隐式差分格式求解。具体作法： 将一个时间步长分成前后两个半步。在前半个时间步长，将连续方程与z 方向动量方程联立， 隐式求解u ，z ，得到水流条件以后，隐式求解悬移质输移扩散方程和河床变形方程；在后半个时 间步长，将连续方程与y 方向动量方程联立，隐式求解v ，z ，得到水流条件以后，隐式求解悬移 质输移扩散方程和河床变形方程，如此交替进行口2 】口3 】 2 4 。 ( 2 ) 离散网格及变量分布 本数学模型采用非均匀网格，在关心的区域和变量变化梯度较大的局部区域设置较细密的网 格单元，在物理量变化较平缓或非主要区域设置较稀疏的网格。标量( 如水位、含沙量) 被安排 在单元中央，矢量( 如速度分量u ，v ) 安排在单元的四周。 ( 3 ) 离散网格上网格函数坐标系 交错网格上物理变量的位置相互错开，应分别确定各个变量的坐标。如图2 1 所示，共设置 四个一维数组x u ( ) ，y v ( ) ，x h ( ) ，咖( ) ，其中 x h ( i ) = ( x u ( i ) + x u ( i 一1 ) ) 2 ，咖( ，) = ( y v ( j ) - i - y v ( j 一1 ) ) 2a 选择其中的两个数组即可 确定物理量的坐标，如u ( i ，j ) 的坐标为， “( f ) y h ( ，) ) v ( i ，j )的坐标为 ( 砌( f ) ，y v ( j ) ) 的坐标为z ( i ，j ) ( x h ( q ，y h ( 脚 y v ( j ) ( ，一1 ) 图2 1 网格函数坐标系表示图 ( 州 土星查些盔兰翌圭耋! ：尘耋。，。，。，。，。茎三耋，耋茎三耋查型鎏：兰：坠 2 1 3 定解条件 或 ( 1 ) 初始条件 对于给定的计算区域，在时间时t = 0 ，令 z l 2z o ( x ，y ) “l 。= “。( 工，y ) v l ，：“5v 。( z ，_ y ) ( 2 ) 边界条件 开边界 z ( x ，y ，t ) = z 哪( x ，y ，t ) u ( x ，y ，t ) = “咖y ，t ) v ( x ，y ，f ) = v 哪( 工，y ，t ) 及 s ( x ，y ，t ) = j 咖( 工，y ，t ) 其中z 神，“哪，v 神，s 啦分别为开边界上相应的已知量。 2 2 模型的调试与验证 2 2 1 模型范围与网格剖分 模型范围：上自卢沟桥分洪枢纽，即芦沟桥拦河闸及小清河分洪闸，下至滞洪水库退水闸下 游l k m ，约在黄良铁路桥附近。总长1 6 k m ，包括永定河主河道及大宁、稻田、马厂三个滞洪水 库。河道及库区3 d 立体地形图见图2 2 。 模型剖分采用非等长矩形网格剖分。对于非重点区域，网格尺寸为5 0 r e l o o m ；对于桥梁、 闸及其上下游附近的重点计算区域，精度要求较高，加密网格尺寸为5 0 r e x 5 0 m ，全部节点计1 7 3 9 6 个。网格剖分布置如图2 3 。 1 3 中国农业大学硕士学位论文 第二章平面二维水沙数学模型 图2 2库区3 - d 地形图 1 l b o己m d3 向o4 如o5 如o6z o o7 l b o8 1 o o 9 1 o o1 d 口口i r i l 已j o o1 3 i 口o1 4j 0 0 图2 3 滞洪水库水沙数模计算网格( 1 8 1 9 们 1 4 m咖啪咖枷咖枷言三枷 4 3 3己己， 2 2 2 上、下游边界及计算区域内过流建筑物的水力计算条件 上游：上游开边界由芦沟桥拦河闸及小清河分洪闸的水位流量关系确定，永定河五十年、 百年一遇洪水水沙过程见图2 4 及图2 5 。永定河遭遇百年、五十年一遇洪水，卢沟桥拦河闸最大 下泄流量2 5 0 0 m 3 s ，大于2 5 0 0m 3 1 s 流量由小清河分洪闸下泄。 中游：采用稻田水库进水闸、连通闸水位流量关系，大宁水库泄洪闸水位流量关系。 下游：采用河道水位流量关系，马厂水库退水闸水位流量关系。 皇 v 由i 壤 入库流量( 百年一遇) 入库流量( 五十年一遇) 河道流量( 百年一遇) 河道流量( 五十年遇) 1 i l 几 酞 i 1 _ ! 。i 1 f 二慕! 一。氓vjr 一0 一 “f 、 v y ” ，乙一i - 、j 一- 、一_-_ o2 04 0 6 0b o1 0 01 2 d1 4 01 5 01 8 d 时间( h ) 图2 4 百年及五十年一遇洪水流量过程 ! 含沙量( 百年一遇) 奎o f 、，芏 扛一0 卫、 i a 。v i i 、 n - ， 勿 。吨f 一 7 = k 、 广r 、 一 y ”_ _ 02 04 06 08 01 0 01 2 d1 4 91 6 01 8 0 时间( h ) 图2 5 百年及五十年一遇洪水含沙量( 悬移质) 过程 1 5 o o 0 0 o 0 0 o 0 蝴 蚕； 嘞 湖 啪 啪 姗 l 瞢 咖 m m 。 中国农业大学硕士学位论文第二章平面二维水沙数学模型 2 2 3 模型的调试与验证 2 2 31 模型验证依据 ( 1 ) 1 9 5 6 年汛前、汛后，永定河河道大断面实测资料与河势调查资料。 ( 2 ) 1 9 5 6 年洪水( 卢沟桥站) 水沙过程，见图2 6 。 ( 3 ) 1 9 5 6 年洪水河道调查洪痕，见表2 1 。 ( 4 ) 永定河滞洪水库物理模型 2 6 【2 9 ，库区淤积分布资料。 0 v 删 琚 厂 j l l l 广一 o2 04 0 8 08 01 0 0 时间 图2 6 ( a ) 1 9 5 6 年数值计算概化流量过程 i 2 04 06 08 0 l o o 时间0 1 ) 图2 6 ( b ) 1 9 5 6 年数值计算概化含沙量过程 6 o 0 0 o 0 0 咖 枷 啪 如如如0 患者趟蠖套赠 表2 1 1 9 5 6 年洪水实测洪水位与计算洪水位对比 2 2 3 2 参数率定与模型调试结果 根据现有资料，模型调试以河道洪水流场( 水位、河势) 相似与滞洪水库库区冲淤( 淤积分 布) 相似为原则。 在调试中，通过调查分析、并借鉴物理模型成果选定模型区阻力参数与冲淤强度控制参数。 如根据河道与库区地形特点，糙率取n = o 0 2 5 - 4 ) 0 3 之间，根据库区淤积分布，调整水流挟沙力系 数与指数。 调试结果表明：1 9 5 6 年洪水河道计算洪水位与调查洪痕值拟合很好，见表2 1 ；河道主流走 向与调查河势也基本一致，见图2 7 ，这表明河道阻力特性及洪水流场流势的模拟是可靠的。1 9 5 6 年洪水持续时间较长，实际计算时采用最具代表性的一段洪峰过程0 2 0 h ) 。图2 , 8 列出几组典型 断面汛后河道地形对比，由图也可以看到实测值与计算值基本一致，吻合较好，表明决定河床冲 淤强度的水流挟沙力的参数确定是合适的。 由以上调试成果可知，所建模型比较准确地模拟了河道的水沙运动、河床冲淤变化。模型具 有一定的可靠度与实用性，可做为下一步预报工程问题的基础。 l l b oe l ： o o3 ) b o4 1 o os 1 o o6 l o o7 1 2 0 0e l o o 如ol o l o oi i f o o1 2 1 0 01 3 1 0 0 1 , t o o 图2 71 9 5 6 年洪水流场单位：m 1 7 = 戮篙= m 中国农业大学硕士学位论文 第二章平面二维水沙数学模型 冲淤地形对比，断蹯3 轺黧篓 l i 玉 r 譬。倒 k ：舅j 02 0 0 4 0 06 0 0b 0 01 0 0 0 1 2 0 01 4 0 01 6 0 0 断面距离( ) 冲淤地形对比断面5 l _ e p 一5 6 年汛前实铡 j 一数模计算值 可 - l 肺鲰 v y 1l 脚”。1 w 冒h 两管 05 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 0 断面距离抽) 冲淤地形对比断面7 i 一一。一一5 6 年汛前实测l 叫一数模计算值 l - - - 5 6 年汛后实测l 0 f 一吣 k瞳瞳脚日皇d- f 。界 酽厂 。w”1 啊 熙甲 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 03 5 0 04 0 0 04 5 0 0 断面距离( m ) 图2 8 ( a ) 1 9 5 6 年洪水断面冲淤对比 1 8 加曲融让弱h。 一3 群挺 艇铭。：；h耽 一占吾 拖 眈 船 骟 驰 跎 一。畔恒 中国农业大学硕士学位论文第二章平面二维水沙数学模型 5 5 5 4 5 3 35 2 黧 抽宦5 l 5 0 4 9 4 8 冲淤地形对比，断面l o 卜一5 6 年汛前实觌| l 一数模计算值 ， b 5 6 年汛后宴 舅| | 懿j z 溉口盒9 国概群u 爹甯胡哆嚷瞄妒扩 ；、| ”谨、7 n 0 5 0 01 0 0 01 5 0 0 断面距离如) 冲淤地形对比，断面l l c p 一5 6 年汛亩苜实测 一数模计算值一5 6 年汛后实测 0 5 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 0 断面距离( ) 冲淤地形对比断面1 2 【一! 。 一数模计算值l | 5 6 年汛后实测 一一k j 鹣彩b 扣酬蝉o 叫b 净c r 目蕾确、_露 ? l 矿 v o 5 0 01 0 0 0 1 5 0 02 0 0 0 2 5 0 0 断面距离( ) 图2 8 ( b ) 1 9 5 6 年洪水断面冲淤对比 1 9 弘 弛 肌曲 妇 媳 盯 蚰 ( 可) 群恒 。 n 5 柏 蜘 盯 婚 一占醛建 中国农业大学硕士学位论文 第三章计算成果与分析 3 1 设计研究工况 第三章计算成果与分析 根据永定河滞洪水库水沙数值模拟及联合调度运用方案研究的研究目的，拟进行以下几组工 况的研究计算： 滞洪水库及现状主河道：分别计算百年、五十年一遇水沙条件下及百年一遇清水条件下 主河道冲淤演变及水面线。 滞洪水库及规划主河道：分别计算百年、五十年一遇水沙条件下及百年一遇清水条件下 主河道冲淤演变及水面线。 根据设计水库调度方案，分别计算百年、五十年一遇水沙条件下滞洪水库淤积形态、水 流流态及对水库左堤( 即中堤) 、水库横堤的影响，提供建筑物改进布置方案：小清河河道的冲淤 演变。 根据滞洪水库库区计算结果，提出水库联合调度的改进方案。 3 2 水库计算成果与分析 3 2 1 计算成果 在现状河道条件下，对二种重现期洪水进行了计算河段的数值模拟，得到不同情况洪水演进 过程中流场水位、流速分布及河床变形的的数据。通过数据后处理，这里作出了反映洪水流场状 况的特征时刻流场水力要素图，主要有关计算成果图如下： ( 1 ) 五十年一通洪水，滞洪库区洪峰过程流场矢量图( 闰3 ，1 ) 、冲淤等值线图( 图3 2 ) 、 局部流场图( 图3 3 ) 。 ( 2 ) 百