李大鳴，楊紫佩，趙明雨，王 笑

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

團(tuán)泊洼-沙井子行洪道洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型的研究與應(yīng)用

李大鳴，楊紫佩，趙明雨，王 笑

(天津大學(xué)水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

以二維非恒定流基本控制方程為理論基礎(chǔ)，采用有限體積法，建立了洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型．根據(jù)團(tuán)泊洼蓄滯洪區(qū)的實(shí)際地形、地貌，采用該模型模擬了“56”型洪水分洪流量過(guò)程，對(duì)水量、最大流量和淹沒(méi)水位進(jìn)行了驗(yàn)證，其結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果吻合較好．應(yīng)用該模型對(duì)團(tuán)泊洼安全區(qū)塔基建設(shè)工程前后進(jìn)行了洪水演進(jìn)模擬，并通過(guò)構(gòu)建塔基局部加密模型，分析了塔基建設(shè)前后對(duì)局部行洪、附近水深、流速的影響，為蓄滯洪區(qū)的工程建設(shè)提供了研究依據(jù)．

蓄滯洪區(qū)；團(tuán)泊洼；洪水演進(jìn)；數(shù)學(xué)模型

蓄滯洪區(qū)是流域防洪體系不可或缺的重要設(shè)施，可以有效地蓄滯超標(biāo)準(zhǔn)洪水，減輕下游重點(diǎn)地區(qū)的防洪壓力，在我國(guó)防洪體系中具有非常重要的作用．

研究模擬蓄滯洪區(qū)內(nèi)洪水運(yùn)動(dòng)情況的方法有很多，其中數(shù)值模擬的方法可以獲得蓄滯洪區(qū)內(nèi)各處的水位、水深和流速等信息，能夠?yàn)榉篮闆Q策提供支持，盡可能減少洪災(zāi)損失[1]．對(duì)洪水演進(jìn)的模擬，國(guó)內(nèi)外的專家進(jìn)行了不少研究．Cunge[2]應(yīng)用改進(jìn)的馬斯京根方法模擬河道洪水演進(jìn)．Akanbi等[3]使用有限元法模擬洪水波在干河床上的演進(jìn)．Caleffi 等[4]采用二維淺水方程對(duì)Toce河的洪水演進(jìn)進(jìn)行了模擬．劉樹(shù)坤等[5]用有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì)小清河分洪區(qū)洪水演進(jìn)進(jìn)行了模擬．張艷霞等[6]基于漢江與長(zhǎng)江兩江洪水演進(jìn)特點(diǎn)建立了兩江洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型．謝作濤等[7]從求解一維對(duì)流方程的Holly-Preissmann格式出發(fā)，結(jié)合有限差分法建立了一維洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型．王曉玲等[8]采用有限差分法建立了二維洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型，模擬復(fù)雜河網(wǎng)中分洪后水流在較大平面范圍內(nèi)的流動(dòng)情況．張細(xì)兵等[9]基于非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，采用有限體積算法，建立了分蓄洪區(qū)水沙演進(jìn)數(shù)學(xué)模型．王船海等[10]用有限體積法對(duì)行蓄洪區(qū)洪水演進(jìn)進(jìn)行了研究．周孝德等[11]用二維洪水演進(jìn)的隱式差分模型，對(duì)君山滯洪區(qū)進(jìn)行洪水演進(jìn)的模擬計(jì)算．謝作濤等[7]、劉樹(shù)坤等[5]采用的有限差分法是以結(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，構(gòu)造差分和導(dǎo)數(shù)之間的關(guān)系，保證解在結(jié)點(diǎn)處的連續(xù)光滑，其所適用的邊界規(guī)整，局部加密較困難；Akanbi等[3]應(yīng)用了有限元的方法，有限元以單元近似為基礎(chǔ)，通過(guò)單元積分構(gòu)造函數(shù)與導(dǎo)數(shù)之間的關(guān)系，用插值函數(shù)近似連續(xù)函數(shù)的解，保證了解在單元上的連續(xù)和光滑，能適應(yīng)復(fù)雜邊界要求，局部加密方便靈活，但守恒上存在一定缺陷．有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對(duì)任意一組控制體積都能得到滿足，進(jìn)而滿足對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域的控制，守恒性較好，因此李大鳴等[12-13]采用有限體積法建立了一維河道嵌套于平面二維蓄滯洪區(qū)的洪水演進(jìn)水流數(shù)學(xué)模型，為復(fù)雜地形或具有多個(gè)分洪口門(mén)的蓄滯洪區(qū)洪水調(diào)度提供了一定的理論參考．

本文以二維非恒定流方程為基本理論，采用有限體積法對(duì)二維非恒定流基本控制方程進(jìn)行離散求解.采用天津團(tuán)泊洼蓄滯洪區(qū)安全區(qū)規(guī)劃前的洪水設(shè)計(jì)成果進(jìn)行了比較驗(yàn)證；對(duì)電塔基座局部進(jìn)行了加密構(gòu)建，并給出了整個(gè)加密區(qū)工程前后流速變化差值和水位的壅高量等值線分布圖；在塔基位置附近選擇具有代表性的特征點(diǎn)，對(duì)加密模型區(qū)域中各方案工程建設(shè)前后最大水深、最大流速、最大壅水高度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)比較．

1 數(shù)學(xué)模型基本理論

1.1 二維非恒定流基本方程

連續(xù)方程

式中：H為水深；t為時(shí)間；z為水位，z=z0+H，z0為底高程；q為源匯項(xiàng)；M、N分別為x、y方向上的單寬流量，M=Hu，N=Hv，u、v分別為x、y方向的平均流速；n為糙率；g為重力加速度．

1.2 有限體積離散

按照有限體積法布置二維網(wǎng)格的方式如圖1所示．它取單元網(wǎng)格為控制體，在網(wǎng)格中心處計(jì)算水位z，在網(wǎng)格周邊通道的中點(diǎn)處計(jì)算流量Q．中點(diǎn)的通量可用中心格式(如取相鄰兩格形心處通量的平均)或逆風(fēng)格式確定．則將式(1)改寫(xiě)成矢量形式，按照有限體積法，將其在控制體內(nèi)進(jìn)行積分，對(duì)水位H和流量Q按時(shí)間交錯(cuò)方式進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)圖2)，則式(1)可離散為

式中：Ai為第i個(gè)網(wǎng)格的單元面積；Lik為i號(hào)網(wǎng)格的第k號(hào)通道的長(zhǎng)度；Qik為i號(hào)網(wǎng)格的第k號(hào)通道的單寬流量；為第i個(gè)網(wǎng)格在T＋Δt時(shí)刻的抽排水量，T為起算時(shí)刻，Δt為時(shí)間增量．

圖1 水位z和流量Q的空間布置方式Fig.1 Space arrangement plan of water level H and flow Q

圖2 水位z和流量Q的時(shí)間交錯(cuò)計(jì)算方式Fig.2 Time arrangement plan of water level H and flow Q

1.3 數(shù)值通量計(jì)算

通量計(jì)算是有限體積算法的關(guān)鍵，為得到較好的計(jì)算結(jié)果，常采用各類(lèi)高性能格式以提高計(jì)算精度．考慮到滯洪區(qū)內(nèi)各種地形條件及鐵路、公路等建筑物情況，本模型將所有單元間的通道按不同情況進(jìn)行分類(lèi)，概化為地面型通道、河道型通道、特殊通道和連續(xù)堤或缺口堤通道4類(lèi)進(jìn)行處理，并給所有通道附加特征信息，以相應(yīng)的水力學(xué)公式進(jìn)行通量計(jì)算[14]．

(1)地面型通道，即通道兩側(cè)單元為陸地地面，且通道上沒(méi)有堤防等阻水建筑物．考慮到滯洪區(qū)內(nèi)的地形起伏不大，地面洪水演進(jìn)主要受到重力和阻力的作用，忽略掉加速度項(xiàng)，即只保留式(2)和(3)中的，利用

差分方法離散得到地面型通道的動(dòng)量離散方程

(2)河道型通道，即通道兩側(cè)網(wǎng)格均為河道型網(wǎng)格，動(dòng)量方程中保留局地加速度項(xiàng)、重力項(xiàng)和阻力項(xiàng)，即保留式(2)和(3)中的利用差分方法離散得到河道型通道的動(dòng)量離散方程

(3)對(duì)于滯洪區(qū)內(nèi)寬度較小的河流，不便于將其劃分成獨(dú)立的單元網(wǎng)格，也不能忽略不計(jì)，為了方便計(jì)算，模型中將其模擬成具有高度和長(zhǎng)寬尺寸的特殊通道，以反映水流沿河而流以及河道與兩側(cè)陸地之間水量交換的現(xiàn)象．如果通道兩側(cè)有阻水建筑物，可以將其設(shè)為堤防．

2 洪水演進(jìn)數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 團(tuán)泊洼和沙井子滯洪情況簡(jiǎn)介

團(tuán)泊洼蓄滯洪區(qū)與沙井子行洪道均屬于大清河水系，二者在海河流域防洪體系中具有重要作用．其中團(tuán)泊洼滯洪區(qū)是海河流域7大蓄滯洪區(qū)之一，沙井子行洪道是大清河超標(biāo)準(zhǔn)洪水的滯洪區(qū)，是保護(hù)天津市區(qū)、津浦鐵路以及京滬高速公路等重要設(shè)施防洪安全必不可少的行蓄洪工程．在東淀、賈口洼、文安洼相繼運(yùn)用后，西三洼滯洪水位繼續(xù)上漲至威脅津浦鐵路及天津市區(qū)安全時(shí)，須利用25孔橋向團(tuán)泊洼分洪并經(jīng)沙井子行洪道導(dǎo)洪入海．團(tuán)泊洼、沙井子經(jīng)歷了1963年洪水的滯洪運(yùn)用，也是新中國(guó)成立以來(lái)的唯一一次滯洪運(yùn)用．

2.2 網(wǎng)格的剖分

模型基本網(wǎng)格采用1,km×1,km網(wǎng)格，考慮鐵路、公路和水庫(kù)的曲線和不規(guī)則輪廓將網(wǎng)格劃分為任意形狀，生成網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)2,698個(gè)，網(wǎng)格單元2,470個(gè)，網(wǎng)格通道5,163個(gè)，模型計(jì)算范圍覆蓋面積約1,914,km2，圖3中紅線為塔基建設(shè)路線，箭頭為水流方向．模型中村莊以地形高度和糙率變化來(lái)表現(xiàn)，公路、堤壩和河道以通道高程變化來(lái)表現(xiàn)．

圖3 團(tuán)泊洼模型網(wǎng)格剖分Fig.3 Grid subdivision of Tuanbowa model

2.3 模型邊界條件

整體模型上邊界為團(tuán)泊洼南運(yùn)河?xùn)|側(cè)京浦鐵路25孔橋分洪口門(mén)，邊界流量過(guò)程采用《天津團(tuán)泊洼蓄滯洪區(qū)建設(shè)與管理規(guī)劃報(bào)告》中的設(shè)計(jì)“56”型洪水分洪流量過(guò)程，由于流量過(guò)程數(shù)據(jù)缺失，采用最大流量和總水量擬合給出．下游邊界位于海堤閘門(mén)處，以渤灣海區(qū)典型潮位過(guò)程為水位邊界條件．出流條件采用1972年7月26日六米站典型潮位過(guò)程(見(jiàn)圖4)．根據(jù)有限體積計(jì)算方法，數(shù)學(xué)模型的過(guò)流通道主要有不泄流邊界、自由出流邊界、不透水壩、水位流量關(guān)系邊界等，模型單元糙率范圍為0.03～0.10.

圖4 模型下游潮位邊界Fig.4 Downstream tidal boundary of the model

2.4 數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

本次計(jì)算模擬的成果采用2008年《天津團(tuán)泊洼蓄滯洪區(qū)建設(shè)與管理規(guī)劃報(bào)告》中安全區(qū)規(guī)劃前的洪水設(shè)計(jì)成果進(jìn)行比較驗(yàn)證，分別為“56”型100年一遇洪水過(guò)程線設(shè)計(jì)結(jié)果及“63”型100年一遇洪水過(guò)程線設(shè)計(jì)結(jié)果，模型模擬結(jié)果的初步驗(yàn)證見(jiàn)表1．從表中可以看出，本次計(jì)算模擬的結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果基本一致，說(shuō)明模型建立基本可行，計(jì)算結(jié)果基本可靠．

表1 模型模擬結(jié)果的初步驗(yàn)證Tab.1 Preliminary validation of model simulation results

模擬結(jié)果中的100年一遇主要通道流量過(guò)程和累積水量見(jiàn)圖5和圖6．

課程實(shí)驗(yàn)一般開(kāi)學(xué)初制定好實(shí)驗(yàn)計(jì)劃表，實(shí)驗(yàn)室是按計(jì)劃進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的，平時(shí)不開(kāi)放，按教學(xué)進(jìn)度集中在某段時(shí)間實(shí)驗(yàn)，排得比較滿，一個(gè)班接一個(gè)班。為了保證學(xué)生在有限的時(shí)間內(nèi)順利按時(shí)完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，由老師直接檢查解決，實(shí)驗(yàn)老師人數(shù)多、老師能力強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)做得就有保障。對(duì)于問(wèn)題產(chǎn)生的原因和解決的方法，有學(xué)生問(wèn)，老師才盡力講解或先解決事后再解釋，否則有可能影響后面的學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，這樣使得實(shí)驗(yàn)雖然做了，但達(dá)不到實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)有的效果。

圖5 100年一遇洪水主要通道流量過(guò)程Fig.5 Flow progress of main channel at 1% flood frequency

圖6 100年一遇洪水主要通道累積水量Fig.6 Accumulated outflow of main channel at 1% flood frequency

上游津浦鐵路25孔橋來(lái)流過(guò)程是由天津南部洪水五洼聯(lián)合調(diào)度確定的，馬廠減河扒口洪水過(guò)程是洼淀間的內(nèi)部銜接條件，沙井子行洪道入?？诹髁窟^(guò)程受海區(qū)潮位過(guò)程影響，呈現(xiàn)波動(dòng)流量過(guò)程，從流量和水量變化趨勢(shì)上看基本合理．

模擬結(jié)果中的100年一遇洪水淹沒(méi)水位分布見(jiàn)圖7．從圖中水位變化趨勢(shì)上看，津浦鐵路25孔橋泄洪口下水位壅高，團(tuán)泊洼內(nèi)最高水位變化較平緩，馬廠減河扒口上游形成快速下降水面，進(jìn)入沙井子行洪道后最高水位變化且較平緩，受潮位頂托作用，入?？谔幾罡咚慌c高潮位接近，水位分布基本符合洪水水面線變化規(guī)律．

圖7 100年一遇洪水淹沒(méi)水位分布Fig.7Inundation water level distribution at 1% flood freuency

以100年一遇洪水為例模擬模型流量過(guò)程0～690,h，分別選取30、90、150、210、300和690,h的區(qū)域淹沒(méi)作為演示洪水的演進(jìn)過(guò)程(如圖8所示)，從洪水演進(jìn)過(guò)程上看，100年一遇洪水時(shí)在津浦鐵路25孔橋開(kāi)始宣泄洪水后的90多個(gè)小時(shí)后，到達(dá)馬廠減河扒口，240,h左右洪水到達(dá)沙井子行洪道入?？?通過(guò)洪水演進(jìn)模型定位、定量模擬滯洪過(guò)程的各物理量變化過(guò)程基本正確，可以用于模擬滯洪區(qū)洪水演進(jìn).

圖8 100年一遇洪水演進(jìn)過(guò)程Fig.8 Flood routing progress at 1% flood frequency

3 塔基建設(shè)前后洪水演進(jìn)模擬

3.1 安全區(qū)基本情況簡(jiǎn)介

為了給團(tuán)泊洼內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)提供可持續(xù)發(fā)展的防洪安全環(huán)境，擬對(duì)靠近滯洪區(qū)邊緣的重要城鎮(zhèn)及主要經(jīng)濟(jì)區(qū)建防洪圈圍堤．防洪圈內(nèi)不再承擔(dān)滯洪任務(wù)，故將被保護(hù)區(qū)稱為安全區(qū)．本次規(guī)劃滯洪區(qū)內(nèi)安排靜海新城、團(tuán)泊新城2個(gè)城鎮(zhèn)級(jí)安全區(qū)，總面積為258.9,km2．同時(shí)為適應(yīng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，擬在天津市西青區(qū)團(tuán)泊洼滯洪區(qū)和大港區(qū)沙井子行洪道建設(shè)電源線工程，線路由現(xiàn)狀線路和新架線路組成，主要包括陳塘莊至迎豐站、靜海至乾隆湖、騰飛路沿線3部分．

基于洪水宣泄路徑和邊界條件的需要，模型計(jì)算范圍包括團(tuán)泊洼滯洪區(qū)和大港區(qū)唐家洼至沙井子行洪道入?？冢F(xiàn)以陳塘莊至迎豐站為例進(jìn)行分析，評(píng)估所建電塔樁柱對(duì)滯洪區(qū)行洪的影響．

3.2 塔基建設(shè)前后洪水演進(jìn)模擬對(duì)比

對(duì)塔基建設(shè)前后進(jìn)行的洪水演進(jìn)模擬方案包括：安全區(qū)規(guī)劃前，塔基建設(shè)前后100年一遇洪水和200年一遇洪水；安全區(qū)規(guī)劃后，塔基建設(shè)前后100年一遇洪水和200年一遇洪水．由于安全區(qū)的建設(shè)減小了滯洪面積，且200年一遇洪水流量過(guò)程較大，也更危險(xiǎn)，因此，此處選擇200年一遇洪水對(duì)安全區(qū)規(guī)劃后塔基建設(shè)前后進(jìn)行的洪水演進(jìn)模擬進(jìn)行說(shuō)明．塔基建設(shè)前后其水深淹沒(méi)分布見(jiàn)圖9和圖10，從圖中可以看出，塔基建設(shè)前后無(wú)明顯變化．

為了比較塔基建設(shè)工程前后對(duì)附近區(qū)域的影響，為局部加密模型水動(dòng)力計(jì)算提供邊界條件，將塔基所在的單元(單元位置、編號(hào)如圖11所示)水位、流速變化分別列于表2和表3中．

圖9 塔基建設(shè)前200年一遇洪水淹沒(méi)水深分布Fig.9 Distribution of inundation water depth before pylon base construction at 0.5% flood frequency

圖10 塔基建設(shè)后200年一遇洪水淹沒(méi)水深分布Fig.10Distribution of inundation water depth after pylon base construction at 0.5% flood frequency

圖11 塔基單元位置和編號(hào)Fig.11 Location and numbering of pylon base

表2 塔基所在單元的水位變化Tab.2 Variation of water level of the unit where the pylon base is located

表3 塔基所在單元的流速變化Tab.3 Variation of velocity of the unit where the pylon base is located

由表2中可以看出團(tuán)泊洼安全規(guī)劃后，200年一遇洪水電塔建設(shè)前電塔附近單元最大水深為5.562,m，發(fā)生在663號(hào)單元，位于團(tuán)泊洼上部，在津浦鐵路25孔橋扒口以東；最高水位為7.059,m，發(fā)生在663號(hào)單元，位置同上．電塔建設(shè)后電塔附近單元最大水深為5.584,m，最高水位為7.081,m，發(fā)生單元和位置無(wú)變化；水位最大壅高為0.022,m，發(fā)生在663號(hào)單元，位置同上．由表3中可以看出，團(tuán)泊洼安全區(qū)規(guī)劃后，200年一遇洪水電塔建設(shè)前電塔附近最大流速為1.701,m/s，發(fā)生在519號(hào)單元，位于靜海新城安全區(qū)與團(tuán)泊新城安全區(qū)之間，在線路路徑的南端附近；電塔建設(shè)后電塔附近最大流速為1.693,m/s，發(fā)生單元和位置無(wú)變化；流速最大減小量為0.068,m/s，發(fā)生在579號(hào)單元，位于靜海新城安全區(qū)與團(tuán)泊新城安全區(qū)之間的中部，在團(tuán)泊洼內(nèi)線路路徑的中部．

3.3 塔基基座局部加密模型構(gòu)建

為了考察電塔基礎(chǔ)樁柱對(duì)局部行洪的影響，對(duì)表2和表3中標(biāo)有*處的單元中個(gè)體塔基局部進(jìn)行加密計(jì)算．同時(shí)考慮塔基的不同形式，加密模型范圍取30,m×30,m的正方形面積，模型底面為平面，在采用二維模型計(jì)算時(shí)，塔基模化為斷面尺寸不變的淹沒(méi)型圓柱、正方形柱體和露出水面型圓柱、正方形柱等不同情況．經(jīng)過(guò)前期計(jì)算結(jié)果分析，塔基最不利工況為出水面4個(gè)塔基，每個(gè)塔基方柱邊長(zhǎng)1.2,m，間距5.28,m；極端不利工況為出水面4個(gè)塔基、塔基方柱外緣相接形成的不透水方柱，由于塔基上部塔身在行洪中可能拖掛雜物阻水，使塔基阻水高度增加，此次主要模擬最不利工況和極端不利工況，其布置見(jiàn)圖12.

圖12 塔基布置Fig.12 Distribution of the pylon bases

在整體模型中取工程前最大水深和最大流速為加密模型的水力條件，進(jìn)行方案計(jì)算．塔基加密模型共有2個(gè)洪水頻率對(duì)應(yīng)的2種水深條件．工程建設(shè)后最不利工況為出水面4方柱，單塔基邊長(zhǎng)為1.2,m，單柱塔基中心間距為5.28,m的情況；極端不利情況為最不利工況條件下，出水面4方柱間完全被水中雜物堵塞，?；癁閱我淮笏那闆r．加密模型計(jì)算共6個(gè)方案(見(jiàn)表4)．

表4 加密模型計(jì)算方案Tab.4 Calculation schemes of refinement model

3.4 塔基基座局部加密模型計(jì)算結(jié)果

為反映工程后塔基附近的流場(chǎng)變化和水位壅高，對(duì)整個(gè)加密區(qū)工程前后流速變化差值和水位的壅高量等值線分布圖進(jìn)行比較，此處以方案3和方案4的結(jié)果為例，見(jiàn)圖13和圖14．從圖中可以看出，流速變化和水位壅高分布基本合理．

為比較塔基建設(shè)前后的水深、流速在數(shù)值上的變化，在塔基附近取特征點(diǎn)1～8(見(jiàn)圖12)，同時(shí)考慮特征點(diǎn)位置有可能沒(méi)有取在塔基附近水深、流速變化的極值處，加密模型區(qū)域中各方案工程建設(shè)前后最大水深、最大流速的比較見(jiàn)表5和表6．

圖13 方案3流場(chǎng)變化和水位壅高Fig.13 Variation of flow field and water level fluctuation of scheme 3

從表5中可以看出，100年一遇洪水現(xiàn)狀(方案1)特征點(diǎn)上最大水深為5.223,m，出現(xiàn)在特征點(diǎn)1，在加密區(qū)擬建塔基的上游；最大流速為1.526,m/s，出現(xiàn)在特征點(diǎn)5，在加密區(qū)擬建塔基的下游．在塔基建設(shè)后的各方案中，特征點(diǎn)上最大水深為5.228,m，出現(xiàn)在特征點(diǎn)1，在方案5中塔基建設(shè)后的塔基上游；最大流速為1.459,m/s，出現(xiàn)在特征點(diǎn)3，在方案5中塔基建設(shè)后的下游塔基外側(cè)面．

表5 模型特征點(diǎn)100年一遇洪水深和流速比較Tab.5Velocity comparison of flood water level at 1% flood frequency about character points of pylon base refinement model

圖14 方案4流場(chǎng)變化和水位壅高Fig.14 Variation of flow field and water level fluctuation of scheme 4

從表6中可以看出，200年一遇洪水現(xiàn)狀(方案2)特征點(diǎn)上最大水深為5.754,m，出現(xiàn)在特征點(diǎn)1，在加密區(qū)擬建塔基的上游；最大流速為1.726,m/s，出現(xiàn)在特征點(diǎn)4，在加密區(qū)擬建塔基的下游．在塔基建設(shè)后的各方案中，特征點(diǎn)上最大水深為5.760,m，出現(xiàn)在特征點(diǎn)1，在方案6中塔基建設(shè)后的塔基上游；最大流速為1.635,m/s，出現(xiàn)在特征點(diǎn)3，在方案6中塔基建設(shè)后的下游塔基內(nèi)側(cè)面．

表6 模型特征點(diǎn)200年一遇洪水深和流速比較Tab.6Velocity comparison of flood water level at 0.5% flood frequency about character points of pylon base refinement model

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以洪水運(yùn)動(dòng)規(guī)律為基礎(chǔ)，根據(jù)二維非恒定流方程，采用有限體積法對(duì)淺水環(huán)流方程進(jìn)行了離散．同時(shí)通過(guò)“56”型洪水分洪流量過(guò)程，對(duì)水量、最大流量和淹沒(méi)水位進(jìn)行了驗(yàn)證，計(jì)算模擬的結(jié)果與設(shè)計(jì)結(jié)果基本一致，說(shuō)明模型建立基本可行，計(jì)算結(jié)果基本可靠．

應(yīng)用該模型對(duì)團(tuán)泊洼安全區(qū)建設(shè)電塔塔基樁柱前后進(jìn)行了100、200年一遇洪水演進(jìn)的模擬，并通過(guò)構(gòu)建電塔基座局部加密模型，分析了塔基建設(shè)前后對(duì)局部行洪、附近水深、流速的影響，為同等條件下滯洪區(qū)內(nèi)工程建設(shè)提供了研究思路．

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(責(zé)任編輯：樊素英)

Research and Application of Flood Routing Mathematical Model for Tuanbowa-Shajingzi Flood Flowing Channel

Li Daming，Yang Zipei，Zhao Mingyu，Wang Xiao
(State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

A flood routing mathematical model was established using finite volume method based on basic twodimensional unsteady flow equations. With the real topography and geomorphology of Tuanbowa flood detention basin，the “56” type flood water diversion discharge process was simulated using the model and the results of water volume，the maximum flow and flood water level were basically consistent with design records. This model was applied to simulating the flood routing in Tuanbowa safety area before and after pylon base construction. Influences on local flood discharge，water depth and velocity near the tower base were analyzed by establishing pylon base refinement model，which may provide research basis for other engineering constructions of flood detention basin.

flood detention basin；Tuanbowa；flood routing；mathematical model

TV122

A

0493-2137(2015)08-0708-09

10.11784/tdxbz201311089

2013-11-28；

2014-05-16.

李大鳴（1957— ），男，博士，教授．

李大鳴，lidaming@tju.edu.cn.