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华北水利水电大学毕业论文目录摘 要IABSTRACT：II第一章 绪论11.1 问题的提出11.2 生产堤的介绍11.2.1 生产堤的作用 11.2.2 生产堤的由来及现状11.3 生产堤的积极作用及危害21.3.1 生产堤的积极作用21.3.2 生产堤的危害31.4 研究的意义51.5 研究思路6第二章 河段的基本情况7第三章 模型的建立与率定93.1 MIKE 21软件的介绍93.2 模型结构103.2.1 平面二维数学模型的建立103.2.2 控制方程103.2.3 模型结构143.3 MIKE21模型的建立153.3.1 地形文件的生成153.3.2 区域边界的生成及调整153.3.3 模拟区域的三角划分163.3.4 初始糙率的设定193.3.5 夹河滩高村河段平面二维数学模型的建立203.4 模型率定26第四章 计算方案及结果分析314.1 计算工况314.2 模拟结果分析思路314.3 成果分析324.3.1 来洪时主槽水面高程分析324.3.2 滩区淹没面积分析324.4 认识33第五章 结 语34参考文献35致 谢36附 录37黄河下游生产堤对滩区分滞洪的影响摘 要黄河下游滩区河道主槽两侧修建生产堤缩窄了洪水过流断面,对防洪造成了一定影响。留存还是废除,再一次成为黄河下游防洪与减灾决策的焦点。本文以夹河滩高村河段为研究区域,利用DHI公司开发的MIKE21软件，建立平面二维数值模型,对现状生产堤和废除生产堤两种工况条件进行典型频率洪水演进的模拟。全文主要的研究内容：1）针对研究课题，收集黄河下游河段的基本资料。经整理分析得到该课题题目的来源及研究的意义。2）整理夹河滩高村河段上现存的生产堤的资料，得到生产堤的来由、建造标准及其存在的利弊。3）学习MIKE软件，建立夹河滩高村河段的平面二维数值模型。模拟计算出现有生产堤和废除生产堤两种不同工况下“96.8”洪水的演进过程、河道流速、河道洪水水位。4）比较分析两种工况下，禅房、东坝头、石头庄、青庄和榆林五个测站的水面高程及洪峰流量下的淹没面积。进而综合分析生产堤存在的利弊，考虑生产生活的需要以及生产堤对防洪的影响等方面，对它进行统一规划。为了维持黄河河槽活力，协调人河关系，抑制二级悬河发展，黄河下游河道生产堤的治理方案是比较适宜的。 关键词：生产堤；防洪；洪水演进；数值模拟；MIKE21模型中图分类号：TV871INFLUENCE OF THE YELLOW RIVER DOWNSTREAM PRODUCTION OFBEACH DISTINGUISH FLOOD EMBANKMENTABSTRACT：The production dike which is built on the both sides of the lower reaches of the Yellow River main channel has some impact on the flood control. Retention or abolition, becomes the focal point of flood control and decision of the disaster reduction once again. In this paper, choosing Jiahetan to high village river as study area, a two-dimensional numerical model was established to simulate the evolution of the typical flood frequency on two conditions of production dykes and demolishing, using the DHI MIKE21 software. The main research contents: 1) According to the research,collecting the basic data of the Yellow River then getting the source and the significance of the research. 2) organizing the related material of production dykes between Jiahetan and high village, getting the production levee reason, standards of construction and its existing stakes.3) learning MIKE software, establishing a two-dimensional numerical model of Jiahetan to high village river. Simulating and calculating the 96.8 flood evolution process, river flow, river flood water level under the two different kinds of working conditions of the existing production dike and demolishing. 4) analysis the water surface elevation, the flow field and the flooded area of the peak flow on Buddhist temple, Dongba head, the stone village, Qing Zhuang and Yulin .Comprehensive analysis of the advantages and disadvantages of the production dykes, considering the need of production and life, besides the effect of the production of embankment on the flood control, unified planning for it .In order to maintain the vitality of the Yellow River channel, coordinator, inhibition of two levels of elevated development, the control plan of the production dykes in the lower reaches of the Yellow River is feasible.Key Words: Production dykes; flood protection; advance of freshet; numerical simulation; Mike21 model70第一章 绪论1.1 问题的提出 沿黄群众早期为了保护农田和滩区，逼近黄河自修自守了土堤，一般顶宽为23m,高度为24m，它们一般为单个村或镇所建，一般为独立的、封闭的村堤、村堰，没有连成长堤。随着生产的发展和需要，他们在黄河两岸大量修建了生产堤。从而束窄河道并妨碍行洪，制约了槽滩的水沙交换，导致“二级悬河”加剧。生产堤的存在一方面保护了耕地、村庄和滩区，另一方面也在特定的来水来沙条件下，提高水流挟沙能力。但是它也提高了河道水面高程，增加了黄河下游的防洪难度。所以本文就对生产堤存在的利弊，研究它对防洪的影响，在确保群众利益的同时，减小防洪难度。 1.2 生产堤的介绍1.2.1 生产堤的作用 黄河的生产堤是为了减少洪水淹没滩地的一种措施，滩地群众在黄河滩内顺着河槽修筑了大量的生产堤。用来保护农田和居住地，生产堤的修建的确给滩区的群众在生产及生活方面带来了一定的益处，使原本每年都要遭受淹没之苦，变为只有遇到多年一遇的较大洪水时才能漫滩。1.2.2 生产堤的由来及现状 黄河下游滩区涉及河南、山东两省15个市、43个县(区)，居住着180万人口，有250000hm2( 375万亩)耕地1。20世纪8090年代，黄河下游洪水漫滩流量一般在5000m3/s左右，而90年代以后，漫滩流量逐年变小。2002年开始调水调沙后，河道有所冲刷，但部分河段漫滩流量仍不足3500m3/s。沿黄两岸保护滩地的生产堤，早些年一般顶宽为23m,高度为24m。近年来受经济利益的驱动，滩区生产堤不断向主河槽外延，其区域扩大、防御标准提高，大部分高达2.55m，甚至有些地方修筑的生产堤可以防御5000m3/s以上的洪水。 黄河滩内最早的生产堤是沿黄群众为保护耕地、村庄，自修自守的土堤，它一般逼近黄河，为单个村或镇所建，一般为独立的、封闭的村堤、村堰，没有连成长堤。1958年在“大跃进”形势下，基于错误估计了防洪形势，为保护两岸良田、村庄，在黄河两岸大修生产堤，从而束窄河道并妨碍行洪，制约了槽滩的水沙交换，导致“二级悬河”加剧。1974年国务院制定了“从全局和长远考虑，黄河滩区应迅速废除生产堤，修筑避水台，实行一水一麦2，一季留足群众全年口粮”的政策，在黄河主管部门和各级政府的共同努力下，生产堤破开了进水口门，到1993年，破口门长度已达生产堤长度的半数。1993年后，由于黄河来水减少，滩区内群众防汛意识淡化，受短期经济利益的驱使，沿黄生产堤又重新修筑起来。1.3 生产堤的积极作用及危害1.3.1 生产堤的积极作用1）保护了滩区群众生产和生活 黄河下游滩区是群众赖以生产和生活的重要场所，也是群众最直接最根本的利益所在。生产堤对稳定滩区群众生产、生活有一定积极作用3。(1)减轻了中小洪水漫滩对群众生活的影响。生产堤能够防止中小洪水漫滩，减少较大洪水漫滩几率，避免了群众的田地、房屋、道路、渠道等生产生活设施被淹，不但减轻了群众的灾害损失，而且避免了洪水围困村庄对群众的吃、住、行及就医、孩子上学等造成的不利影响，稳定了群众的生产生活，有利于滩区经济的发展。(2)增加了大水来临前群众外迁的时间。若没有生产堤，大洪水到来前，水流将从低洼处串水，洪水进入堤沟河后，阻断撤退道路，影响群众搬迁。有了生产堤，将延缓洪水进入滩区的时间，增加群众外迁的时间。2）在特定的来水来沙条件下对冲刷河道、输送泥沙的积极作用 对含沙量较低的中小洪水，若没有生产堤，可能造成漫滩。减小河道流量，相应降低了水流挟沙能力，不利于冲刷河道与输沙入海。而且由于洪水含沙量低，漫滩后达不到淤滩的目的。有了生产堤，能够防止中小洪水漫滩，有效地冲刷河道，即束水攻沙。对于高含沙中常洪水情况较为复杂，一般情况下不漫滩虽有利于输沙入海，但易加重主槽淤积。近几年调水调沙清水下泄，防止了漫滩分水，取得了良好的冲刷效果。1.3.2 生产堤的危害1)生产堤是“二级悬河”加剧的一个主要因素 据了解，黄河“二级悬河”最早出现于上个世纪70年代。上个世纪90年代以来，由于气候干旱、来水减少及人类对黄河水资源的过度利用，黄河河道输沙用水被大量挤占，进入黄河下游的水量急剧减少，加剧了黄河水沙的不平衡；同时，黄河下游滩区群众在河道内普遍修筑生产堤，人为缩窄了行洪河道，影响了滩槽水沙交换，致使泥沙大部分淤积在生产堤内的主河槽里，加剧了“二级悬河”的发展。黄河水利委员会调查表明，上个世纪50年代，黄河下游河道中的泥沙77淤在滩里，23淤在主河槽中，而目前，80的泥沙淤在主河槽中。 在“二级悬河”形态下，河槽外高于滩面4米6米，内呈“浅碟状”，即使发生中小洪水，主槽也难以容纳，必然造成重大河势变化，易出现横河、斜河，增大了“冲决”和“溃决”的危险。2003年9月，黄河河南兰考段出现流量2400多立方米每秒的“小水”，却酿成重大漫滩灾情。河南兰考县、山东东明县114个村庄、近12万人被洪水围困，而兰考段，恰恰是“二级悬河”最为严重的河段之一。2)“二级悬河”加剧了滩地横比降的发展 生产堤的修建，加剧了滩地横比降的发展，但不同漫滩洪水情况下的影响程度差异很大。天然条件下的中小漫滩洪水，入滩水流少、含沙量低、滩槽水沙交换较弱，生产堤存在与否对河道冲淤及滩地横比降的影响不大。即使没有生产堤，因滩区分流比例较少，也难以造成滩区尤其是远离河槽的堤河低洼地带的大量淤积，影响范围主要集中在近生产堤附近的滩面上，对滩地横比降总体影响较小。相反，生产堤的存在对中小洪水具有一定的约束作用，水流集中，对河道的排洪输沙具有一定的有利影响：主槽（深槽）冲刷作用可能会有所增强。但对于大漫滩洪水的影响则截然不同，控导工程和生产堤的存在对滩槽水流交换具有较大的影响。滩区淤积量的明显减少，加剧了滩地横比降的发展。使得滩唇高仰、堤根低洼的局面进一步加剧。大大增大了生产堤决口后，水流沿滩区最大比降（纵向和横向比降合成后的比降）方向、或沿着滩区串沟、汊河方向直冲大堤、造成冲决的可能性。如果没有生产堤，也存在堤防冲决的可能，但由于滩区漫水早、滩区水位随大河水位的上涨而近乎同步抬升，对大堤的冲击强度相对较弱。 由于河道横比降远大于纵比降，如若中、小洪水生产堤一旦决口就会形成一条小河直冲大堤。今后中、小洪水甚至大洪水时的横河、斜河、滚河的情况均有可能产生。生产堤的修建使中、小洪水行洪的宽度大大缩小。而生产堤使行洪河槽缩窄，泥沙的淤积范围缩小，仅限于生产堤之间，加速主河槽淤积抬高的速率，增大滩唇与大堤根之间的断面横比降，这与黄河下游“宽河固堤”方针是相违背的。3)生产堤的修建加大了黄河防洪的难度 近年来由于黄河多次加高加固黄河堤防，兴建河道整治工程，特别是1998年长江大水之后，国家加大了黄河治理力度，按照2000年设防标准，加高、加固两岸堤防，加修、改建了许多河道整治工程，近期又进行了标准化堤防建设，将黄河堤防建成“防洪保障线、抢险交通线、生态景观线”，防洪工程的抗洪能力大大增强。但是如果任由“二级悬河”的发展，任由生产堤的加固，槽滩高差的加大，一旦生产堤决口，那么形成的串沟、滚河等险情将极大的影响防洪的安全。4)河槽萎缩，排洪能力降低 由于黄河上游来沙去向主要是输送入海和入海口造陆、淤积在河道内，还有一小部分人工引放至黄河灌区及固堤，由于多年来黄河没有发生较大洪水，泥沙集中淤积在主河槽内，河道主槽淤积比例由80年代初的30增加到70，河槽严重萎缩，河道排洪能力降低4。目前，开封以下河段横比降达45，而河道纵比降为1.71.8，一旦发生较大洪水，由于河道横比降远大于纵比降，滩区过流比增大，极易发生横河、斜河，甚至发生“滚河”，产生顺堤行洪，危及堤防安全。由于河槽过洪能力明显降低，局部河段2000m3/s左右流量就可漫滩，小水就能造成大灾。5)严重影响洪水传播和洪水的准确预测 黄河下游河道，在目前的边界条件下，洪水演进受生产堤阻隔，断面缩窄，水位雍高。滩区漫滩进水时间不仅受洪水量的影响，更受生产堤强度及防守效果的影响。人为因素较多地改变了自然状态下的洪水演进规律，对生产堤破口、决口时间、地点，漫滩水量及漫滩水如何演进、衰减等都难以预测，很难准确地进行洪水预测、预报，从而带来较大的测报误差，进而影响到防汛调度和决策。如“96.8”洪水在花园口利津河段传播时间长达369 h，约为多年均值的2倍，为有水文记录以来最长。如孙口断面“82.8”洪水漫滩，8月6日20时至7日11时洪峰前后，洪峰流量报汛误差最大达2 000m3/s，相对误差20%，致使本应为10100m3/s的孙口洪峰流量，错报为8100m3/s，严重影响了东平湖分洪的决策和防汛指挥调度5。6)影响河道整治工程的安全，增加了河道整治的难度 黄河下游河道整治工程是按照规划的河道治导线进行的，而生产堤的修建是一种民事行为，随意性较大，平面布置主要是依据护滩、保村的原则修建的，很多河段布置违背了河道洪水演进的规律，有的生产堤甚至修建在主河槽内，严重干扰了洪水的正常演进，造成了河道整治工程条件恶化，易出现较大险情。同时，生产堤加剧了二级悬河的发展，使平滩流量减小，增大了河道整治的难度。7)对滩区群众生产生活也存在不利影响 生产堤虽然保护了滩区群众免于中小洪水频繁漫滩受灾，但对群众的生产生活也有许多不利影响。主要表现为:漫滩水加重了对滩区群众安全的威胁。生产堤决口后水流集中，冲刷力强，对村庄、桥梁、渠道等群众生活、生产设施造成较大危害，加重漫滩损失。堤沟河得不到及时淤平，一旦漫滩或遇暴雨，滩内积水不易排出，不仅秋季作物不保甚至连冬麦也无法播种。不利于滩区种植和土壤改良。影响滩区群众及时迁移安置。群众易依赖生产堤而疏于迁安，一旦生产堤溃决，洪水直冲地势较低的堤根，顺堤成河，此时开始迁移，道路已断，仅靠少量渡船外迁只能勉强救命。生产堤口门处粗沙沉淀不利于耕种。 1.4 研究的意义 现状生产堤严重影响防洪和滩槽淤积分布，但废除生产堤影响滩区180余万人的生存与发展，地方政府阻力很大。参考其它河流如淮河、长江的滩区治理模式，可以考虑废除小滩区和严重影响行洪安全的生产堤，设置1.54.0km的8000m3/s及以下洪水通道，构筑大滩区（20km2以上）的滞洪区，有计划分洪淤滩，找出黄河下游滩区治理中经济发展与分洪安全的结合点，解决滩区85%人口生存与滩区淤积分布问题。 本项目采用平面二维数学模型，依据 “96.8”典型洪水情况，按现状生产堤和废除生产堤两种条件进行了典型洪水的模拟，模拟计算给出了夹河滩高村河段不同边界洪水演进、漫滩的过程及滩区淹没程度。通过对模拟结论的分析，从而进一步验证黄河下游生产堤对滩区分滞洪的影响以及给出今后对生产堤的管理建议。1.5 研究思路 应用平面二维数学模型，按现状生产堤、废除生产堤两种条件进行了典型洪水 “96.8”的模拟，模拟计算给出了夹河滩高村河段不同边界洪水演进、漫滩的过程及滩区淹没程度。 以平面二维数学模型模拟计算成果为基础，从而对比不同模式、不同工况下，河道水面高程、滩区淹没面积和洪水演进过程等，提出更加合理的生产堤的运用原则、要求和方案。 以平面二维数学模型模拟计算成果分析滩区淹没状况及相关迁安救护问题。 研究工作流程见图2图2 研究工作流程图第二章 河段的基本情况 20世纪50年代黄河下游河道基本属于天然情况，60年代以后滩区农民自发性地逐渐修建生产堤，对滩地农田有一定保护作用，故屡禁屡建。19871999年期间，黄河下游河道经常出现小水带大沙的异常来水来沙条件。由于生产堤阻碍了滩槽水流泥沙的横向交换，泥沙淤积主要集中在主槽和嫩滩上，广大滩区淤积很少。滩槽淤积分布的不均匀性形成了滩唇高仰、堤根低洼，临河滩面明显低于滩唇，背河地面又明显低于临河滩面的的不利局面，形成所谓“二级悬河”。河道典型断面状况如图3所示。 图 3： 黄河下游典型大断面形态示意 黄河在孟津县白鹤由山区进入平原，河道上宽下窄，比降上陡下缓，花园口至高村河段，河宽水散，冲淤幅度大，主流摆动频繁，为典型的游荡性河段。两岸大堤堤距一般为510km，最宽处达20多km。由于下游河道水少沙多，河道淤积严重，长期以来“善淤、善徙、善决”而著称于世。人民治黄以来，通过大规模的整治，有效控制了河势摆动范围，减小了横河、斜河对地方冲决的威胁。陶城铺以下河道的河势已得到控制；高村至陶城铺河段，主流已趋于稳定，河势得到了基本控制；高村以上游荡性河段也已修建了一批布点工程，缩小了游荡摆动范围。经过多年洪水的考验，河道整治工程在控导主流、护滩保堤、争取防洪主动方面发挥了重要作用。 各河段具体的基本情况6： 孟津铁谢至京广铁路桥河段。该河段为禹王故道，长93km。由于大河初出峡谷，骤入平原，比降较陡，流速较大。此河段过去主流摆动频繁，坍塌剧烈，滩地迁徙无常。 70年代以后，修建了部分控导护滩工程，滩地相对稳定。目前此河段滩地面积约519km2，其中耕地2.72万hm2，有村庄58个，6.8万人。这一河段滩槽高差较大，一般当地洪峰流量8000m3/s可漫滩，滩地主要集中在左岸的孟津市、温县、武陟县境内，面积广大，习惯上称为“温梦滩”。 京广铁路桥至东坝头河段。该河段河道长124km，为明清河道，两岸均有黄河大堤，河道内有1855年铜瓦厢决口后河床下形成的“高滩”。一百多年来，由于主流摆动，部分高滩坍塌。现有滩地面积844km2，其中高滩452km2，低滩392km2。高滩土地生产相对比较稳定，粮棉单产较高，村庄稠密，有426个村庄，35.7万人，耕地5.17万hm2。该河段自铜瓦厢决口以来，河槽淤高2m3m，目前花园口水文站15000m3/s的洪水将大部漫滩，高滩已不高。 东坝头至陶城铺河段。该河段长227m，是铜瓦厢决口改道后形成的河段。一百多年来，此河段游荡多变，处于强烈的堆积状态，一般淤高4m5m，特别是东坝头至高村河段，滩槽高差小，主槽位置常有摆动，俗称“豆腐腰”河段。该河段堤距大，滩面广，滩地面积1738km2，其中耕地10.97hm2，是黄河下游的主要削峰区。有村庄1140个，84.66万人。长垣县、东明县的滩区约占该河段滩区总面积的42%。现在，4000m3/s的洪水有的串沟可能过流，局部漫滩受淹，8000m3/s的洪水可大部漫滩，10000m3/s以上的洪水滩地全部淹没，迁安任务十分艰巨。该河段漫滩机遇较多，生产发展缓慢。堤河、串沟比较多，在防洪方面，还存在着大洪水时夺流滚河，顺堤行洪的危险。 陶城铺至西河口河段。该河段长345km，是铜瓦厢改道后夺大清河演变形成的。此河段已治理成弯曲性河道，河势流路比较稳定，滩槽高差较大。除长清、平阴两县的滩区为连片的大滩区外，其余全部是小片滩地。滩地面积855.7km2，其中耕地6.11万hm2，有544个村庄，41.6万人。该河段的滩区，不仅伏秋大洪水漫滩几率高，而且还受凌汛漫滩的威胁，生产不稳定。 西河口以下河段。长50多公里，属河口地区，有部分油田设施。第三章 模型的建立与率定3.1 MIKE 21软件的介绍 MIKE21数值计算与分析软件是国际上比较成熟的DHI软件系列中关于水动力、波浪和泥沙输运等模型进行潮流场、代表波要素的波浪场和泥沙输运的数值模拟工具。MIKE21是一个专业的工程软件包，用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境。目前该软件在国内的应用发展很快，并在一些大型工程中广泛应用，如:长江口综合治理工程、杭州湾数值模拟、南水北调工程、重庆市城市排污评价、太湖富营养模型、香港新机场工程建设、台湾桃园工业港兴建工程等。它具有以下优点： （1）用户界面友好，属于集成的Windows图形界面。 （2）具有强大的前、后处理功能。在前处理方面，能根据地形资料进行计算网格的划分;在后处理方面具有强大的分析功能，如流场动态演示及动画制作、计算断面流量、实测与计算过程的验证、不同方案的比较等。 （3）可以进行热启动，当用户因各种原因需暂时中断MIKE21模型时，只要在上次计算时设置了热启动文件，再次开始计算时将热启动文件调入便可继续计算，极大地方便了计算时间有限制的用户。 （4）能进行干、湿节点和干、湿单元的设置，能较方便地进行滩地水流的模拟。 （5）具有功能强大的卡片设置功能，可以进行多种控制性结构的设置，如桥墩、堰、闸、涵洞等。 （6）可以定义多种类型的水边界条件，如流量、水位或流速等。 （7）可广泛地应用于二维水力学现象的研究，潮汐、水流、风暴潮、传热、盐流、水质、波浪紊动、湖震、防浪堤布置、船运、泥沙侵蚀、输移和沉积等，被推荐为河流、湖泊、河口和海岸水流的二维仿真模拟工具。 水动力(HD)模块是MIKE21软件包中的基本模块，它为泥沙传输和环境水文学提供了水动力学的计算基础。HD模块模拟湖泊、河口和海岸地区的水位变化、和由于各种力的作用而产生的水流变化。在为模型提供了地形、底部糙率、风场和水动力学边界条件等数据后，模型会计算出每个网格的水位和水流变化。1）MIKE 21模型的子模块主要有以下4个领域：l 海岸水文学和海洋学l 环境水文学l 泥沙传输过程l 波浪2）MIKE 21主要应用l 河口海岸结构物设计数据的评价l 港口布局和海岸保护措施的优化l 冷却水、海水淡化及再循环分析l 河口海岸及海洋结构物的环境影响评价l 海上安全操作和航行海情预报l 沿海洪水和风暴潮预警l 内陆洪水及坡面流模拟3.2 模型结构3.2.1 平面二维数学模型的建立 该数学模型已在一些复杂工程中得到成功应用，能较准确地模拟、预测在修建工程前后计算域内洪水演进、建筑物过流状况及河床变形状况。3.2.2 控制方程1)控制方程特点 对于河口、海岸、湖泊、宽浅河道与坡面流等广阔的宽浅型水域，水平尺度远大于垂向尺度，水力要素（流速、水深等）在垂直方向的变化要远小于水平方向的变化，沿水深分布比较均匀，其流态、水力要素可用沿水深平均值来表示。采用水深平均的平面二维水沙运动方程可较好地反映这类流场中水流泥沙运动特征，较好地解决一些宽浅水域的河流模拟计算问题。平面二维水流运动所遵循的基本方程是由三维时均雷诺方程沿水深进行莱布尼兹积分得到，在运动方程中以混长紊流模型求解紊动切应力。本次采用的平面二维数学模型综合考虑洪水演进、河床变形等河流演变过程，可以全面模拟计算域内水流及河床变形过程。2)控制方程MIKE 21水动力学模型的主要控制方程为雷诺方程的垂向平均如下：质量守恒方程： （3-2-1）X方向动量方程： （3-2-2）Y方向动量方程： （3-2-3）方程中为时间；、为右手Cartesian坐标系；为水面相对于未扰动水面的高度即通常所说的水位；为静止水深；为重力加速度;，分别为方向和方向的通量，、分别为流速在、方向上的分量；为当地大气压；为水密度；为Coriol系数=，为地球自转角速度，为计算点所处的纬度，一般取；C为柯西阻力系数（m1/2/s）；=为风摩擦因素函数，为风应力系数，为空气密度，V为风速，、为方向和方向的风速；为源项，为源项在方向的分量，为源项在方向的分量；、为各方向上的粘滞应力项。3）方程组求解 在空间上，由于网格类型为非结构网格，采用中心有限体积法对原方程进行离散，把整体的计算区域细分为非重叠的单元；时间上采用显示积分。 有限体积法（FVM）又称为控制体积法。其基本思路是：将计算区域划分为一系列不重复的控制体积，并使每个网格点周围有一个控制体积；将待解的微分方程对每一个控制体积积分，便得出一组离散方程。其中的未知数是网格点上的因变量的数值。为了求出控制体积的积分，必须假定值在网格点之间的变化规律，即假设值分段的分布剖面。 从积分区域的选取方法看来，有限体积法属于加权剩余法中的子区域法；从未知解的近似方法看来，有限体积法属于采用局部近似的离散方法。简言之，子区域法属于有限体积发的基本方法。就离散方法而言，有限体积法可视作有限单元法和有限差分法的中间物。有限体积法只寻求的结点值，这与有限差分法相类似；但有限体积法在寻求控制体积的积分时，必须假定值在网格点之间的分布，这又与有限单元法相类似。在有限体积法中，插值函数只用于计算控制体积的积分，得出离散方程之后，便可忘掉插值函数；如果需要的话，可以对微分方程中不同的项采取不同的插值函数。 有限体积法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解释。离散方程的物理意义，就是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方程表示因变量在无限小的控制体积中的守恒原理一样。有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都得到满足，对整个计算区域，自然也得到满足。这是有限体积法吸引人的优点。有限体积法即使在粗网格情况下，也显示出准确的积分守恒。 在进行计算之前，首先要将计算区域离散化，区域离散化的实质是对空间上连续的计算区域进行划分，把它划分成许多个子区域，并确定每个区域中的节点，从而生成网格。然后，将控制方程在网格上离散，即将偏微分格式的控制方程转化为各个节点上的代数方程组，然后在计算机上求解离散方程组，得到节点上的解。节点之间的近似解一般可以认为光滑变化，原则上可以应用插值方法确定，从而得到定解问题在整个计算区域上的近似解。因此当网格节点很密时，离散方程的解将趋近于相应微分方程的精确解。此外，对于瞬态问题，还需要涉及时间域离散。 应用控制容积法导出离散方程的主要步骤： （1）将守恒型的控制方程在任一控制容积及时间间隔内对空间和时间做积分； （2）选定未知函数及其导数对时间和空间的局部分布曲线，即“型线”（profile）。也就是如何从相邻节点的函数值来确定控制容积界面上的被求函数值的插值方式； （3）对方程各项按选定的型线做出积分并整理成节点上未知值的代数方程。图4图4中使用的是三角形控制体积，三角形的质心是计算节点，如图中的红点所示。 由于使用了显式迎风格式，时间步长要求严格满足CFL1。CFL的计算公式为： （3-2-4） 针对所有的计算网格，在控制体积P及时间段（时间从到）上对控制方程积分有： （3-2-5） 对于上式中的瞬态项，假定物理量在整个控制体积上均具有节点处的值，同时假定密度在时间段上的变化量极小，则式(35)中的瞬态项变为： （3-2-6）在上式中，上标表示物理量在时刻的值，而在时刻的物理量没有用上标来标记，下标表示物理量在控制体积的节点处取值。对于源项： （3-2-7）对于对流项：根据Gauss散度定理，将体积分转变为面积分后，有： （3-2-8）式中，A是控制体积界面的面积。扩散项：同样根据Gauss散度定理，将体积分转变为面积分后，有： （3-2-9）在得到（3-2-5）各项的单独表达式后，还要做两方面的工作：1）在对流项中需要引入特定的离散格式（3-2-8）中界面物理量、和用节点物理量来表示，可用一阶迎风格式。 2）在对流项，扩散项和源项中引入全隐式的时间积分方案，如。这样，方程（3-2-5）变为： （3-2-10）这就是在全隐式时间积分方案下得到的二维瞬态对流-扩散问题的离散方程。式中系数、和取决于在对流项中引入的特定离散格式。使用一阶迎风格式有： （3-2-11）3.2.3 模型结构1）计算方法 由于网格类型为非结构网格，采用中心有限体积法对原方程进行离散，把整体的计算区域细分为非重叠的单元。该方法的优点为计算速度较快，非结构网格可以拟合复杂地形。2）初始条件及边界条件（1）初始条件对于给定的计算区域，在时间t=0时，令t=0=0（x，y），ut=0=u0（x，y），vt=0=v0（x，y）（2）边界条件a）进口边界条件:给出进口开边界处的流量过程（包括上游大河进口条件与侧向入汇进口条件）：Q（t）=Qopb（t）上式中Qopb 分别为开边界上已知的水位或流速分量以及流量，一般根据计算区域以上的产汇流模型计算或由实测水文资料确定。b）出口边界条件：出口开边界有两类：一类是自然开边界，主要是经下边界或侧边界出流的河流，可按实测水文资料（水位流量关系）确定。如无实测资料，则按附近河道纵坡，以均匀出流考虑。c）陆地边界:根据流体固壁不可穿越的原理，在不考虑渗透的情况下，可以认为陆地边界上法向速度为零；根据水流无滑动原理，水体在陆地边界上的切向流速也应为零。3.3 MIKE21模型的建立3.3.1 地形文件的生成 地形处理是建模时的第一步，它是需要在建模前首先完成的工作，地形处理的好坏非常关键，关系到模型搭建的成败。此次地形处理包括夹河滩高村河段的主槽和滩地的地形处理。 创建计算网格需要河段的地形数据资料。夹高河段的主槽和滩地的地形数据是跟据黄委会设计院测绘队的断面资料，将其转化为UTM坐标并以.XYZ文件保存。3.3.2 区域边界的生成及调整 网格是通过MIKE ZERO的网络生成器建立。在网格生成器中导入河段地形边界数据文件（.XYZ），生成模拟区域。在生成的模拟区域的进口和出口添加弧形来定义进口边界和出口边界。定义边界时要注意不同性质的边界要有不同的属性代号加以区别。打开MIKE 21 Flow Model，新建一个mdf文件，然后导入夹河滩高村河段自然边界如图3-1所示：图3-1 夹河滩高村河段边界3.3.3 模拟区域的三角划分 剖分网格，滩地和主槽采用不同的网格面积，滩区最大网格面积为110000m2，主槽最大网格面积为25000m2。如图3-2所示：图3-2夹河滩高村河段网格剖分图 剖分好网格后，导入散点数据，如图3-3所示：图3-3散点数据导入散点数据后，对网格进行插值。如图3-4所示：图3-4插值最后导出夹河滩高村河段的地形文件分别保存为.mesh文件和.dfsu文件，用Animator分别将.mesh文件打开如图3-5所示：图3-5夹河滩高村河段三维地形3.3.4 初始糙率的设定 将夹河滩高村河段地形图的dfsu文件在Data Viewer中打开，先将河段所有区域进行框选得到节点信息，将糙率值统一设为70；然后将河道主槽进行框选得到节点信息，将糙率值统一设为40。计算后保存，该文件为搭建模型所用的糙率文件。如图3-6所示：图3-6糙率文件3.3.5 夹河滩高村河段平面二维数学模型的建立打开MIKE 21软件中的Flood Model FM模块如图3-7所示：图3-7 Flood Model模型 下面将设置每个参数，具体的设置过程如下： 1）导入边界文件（Domain） 导入边界文件。点击“Mesh and Bathymetry”，导入边界文件(dixing.mesh)，如图 3-8所示：图 3-8导入边界文件为边界重命名。点击“Boundary names”，修改“Code 4”为“GaoCun” ，修改“Code 3”为“JiaHeTan”，如图3-9所示。图3-9 模型边界命名 设定时间参数（Time），模型的时间步长设为300秒，一共是100步，设置时间参数如图3-10所示。图3-10 模拟时段的设置 本次设计建立的是平面二维水动力学模型进行洪水演进模拟，不涉及泥沙，所以Module Selection不用设置。此外，水动力模型参数设定（Hydraulic Module）除Bed Resistance(河床糙率)和Initial surface level(初始表面高度)需要导入文件外，其他均按默认值进行设定。下面简要介绍进行Initial surface level(初始表面高度)和Resistance(糙率)设置的操作过程。 因为河床在不同的位置糙率不同，Bed Resistance(河床糙率)选择Manning number为Varying in domain，随区域而变化，导入曼宁系数文件jieguo1.dsfu，如图3-11所示。图 3-11 河床糙率的设置 Initial surface level(初始水位)选择Spatially varying surface elevation，然后导入初始水位高程文件：jieguo2.dfsu。如图3-12所示。图3-12 初始水位的设置 模型进口边界条件设置。展开“Boundary Conditions”子参数项，点击与“GaoCun”断面对应的“go to”，在“Type”项选择“Specified level”，“Format”项选择“Varying in time,constant along boundray”，如图3-13所示。图3-13高村边界条件设置 模型出口边界条件设置。采用同样的方法导入“JiaHeTan”断面的数据，不同的是在“Type”项选择“Specified discharge”，如图 3-14所示。图 3-14 夹河滩边界条件设置 展开“Outputs”子参数项，点击“New output”项两次， 点击“go to”对输出项进行设定。对于“output1”，点击“Output specification”项，“Data”参数区内的“Field type”选择“2D”，“ Output format”选择“Area series”，在“Output file”中，设置输出文件。如图3-15所示。图3-15 结果输出文件“output 1”设置 对于“output2”，点击“Output specification”项，“Data”参数区内的“Field type”选择“2D”，“ Output format”选择“Point series”，在“Output file”中，设置输出文件。在“Point series”参数区中的“Map Projection”选择“NON-UTM”，然后在下面的文本框中输入河段五个测站的坐标。在“Frequency”项的大小与磁盘剩余空间有关，设置的数值越小需要的空间越大。 如图3-16所示。图3-16 结果输出文件“output 2”设置 运行（run） 单击菜单“Run”“Start simulation”，并在弹出的对话框中点击“确定”。这样，建模完成。 如果运算时间太短往往表明建模有误或者mesh文件有误。3.4 模型率定 为了验证建立好的数学模型和实际工况的拟合程度，需要对该模型进行验证和修正。建立好的模型使用随机设置的曼宁系数代表床面阻力，所以该模型模拟出的洪水过程必将和实际洪水过程存在偏差。为了消除这些偏差使模型达到所需要的精度需要对糙率文件进行多次的修改和验证。 模型验证的依据是物模水位。本次毕业设计选取了黄河夹河滩高村五个水文测站的物模水位作为验证依据，五个水文站分别是东坝头、禅房、石头庄、榆林、青庄。其地理分布如图3-17所示：图3-17 水文站分布图 在建立好的数学模型菜单栏里单击菜单 “Run”“Start simulation”，并在弹出的对话框里点击 “确定”。 输出面文件如图3-18所示：图3-18 河段洪水位分布图 用MIKE 21 软件中的Data Extraction 模块从输出的面文件中提取五个水文测站的水位数据，并找到各个测站的水位最大值。操作如图3-19所示：图3-19 测站坐标设置 将筛选出的各测站最大水位值与物模水位进行比较，如果数模水位值比实测水位值大则需要减小河槽糙率，即需要增大曼宁系数；如果数模水位值比实测水位值小则需要增大河槽糙率，即需要减小曼宁系数。 经过多次的糙率文件修改和模型率定，五个测站的模拟水位值和实测水位值的误差均小于0.3m，满足精度要求。结果如表3-20所示：表3-20 夹河滩高村河段模拟水位与实测水位对比结果水位站实测值（m）模拟值（m）误差（m）东坝头73.480073.72070.2407禅房72.840072.5723-0.2677石头庄67.820067.7376-0.0824榆林65.970065.8235-0.1465青庄63.200063.41480.2148最终确定的糙率文件如图3-21所示：图3-21 最终糙率文件第四章 计算方案及结果分析4.1 计算工况 根据数学模拟河段的研究任务、考虑黄河下游河段河道地形特点、河流洪水特点、生产堤等影响因素，作为模型范围确定原则。 本次计算针对黄河下游河道洪水特点，设计模拟洪水的洪峰流量为7000m3/s左右，属于中等漫滩洪水，选择“96.8”典型洪水过程进行模拟。依照洪水条件，按照自然状况、现状生产堤两种边界条件，进行了不同情况的水流数值模拟计算。 具体的计算工况如表4.1所示。表4.1 计算工况及边界条件说明洪水类型边界条件生产堤处理滩区处理滞洪滩区口门位置96.8自然工况废除自然漫滩现状工况现状自然漫滩4.2 模拟结果分析思路 利用黄河下游生产堤对滩区进行分滞洪，其防洪效果应该体现在两个方面：一是对河段下游重要地区的保护作用。当河道过流能力不足时，利用生产堤，加高下游河段河槽边界高程，从而减小洪水溢出量，保护下游重要区域。另一方面是对两岸滩区的保护作用。由于滩区的社会与经济已有长足发展，如果任由洪水漫滩，将对淹区造成较大危害。为此，本论文将主要从上述两方面着手，研究生产堤防洪效果。通过对比分析不同工况下