基于EFDC模型的蓄滞洪区洪水演进数值模拟
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2. China I nstitute of W ater Resources and H y d rop ow er Resear ch, B eij ing 100038, China) Abstract: Dig ital Elevat ion M odel( DEM ) inter po lat ion techniques can help achieve the ar ea ter rain data rapidly . T he hydro dy2 namic mo deling and computat ional analy sis module in EFDC model w ere used to establish the flood routing model, and model results can be visualized w ith the help of ARCGIS display functions. In this paper, the flood routing in the Daming flood detention basin of the Zhangwei River was simulated based on the flood on July 1962, and the model results based on three different designed flood2releasing schemes w ere compared and analyzed. T he results showed that the EFDC model performs well to simulate the evo lution law of the flood, w hich can prov ide v aluable references for the flood contr ol decision2making in the flood detention basin. Key words: f loo d r outing; EFDC model; flo od detentio n basin; numer ical simulation
之间误差为 0. 2 m[ 14215] , 表明 EF DC 模型 对洪泛区洪 水演进 的模拟效果较为理想。
1 蓄滞洪区洪水演进模型
1. 1 理论模型介绍
EF DC 模型 由 美 国 弗 吉 尼 亚 海 洋 科 学 研 究 所 的 John
收稿日期: 20132072 04 修回日期: 2014207211 网络出版时间: 20142 08227 网络出版地址: ht tp: / / w w w . cnk i. net / kcms/ doi/ 10. 13476/ j. cnk i. nsbdqk. 2014. 05. 036. ht ml 基金项目: 国家自然科学基金( 51021066) ; 水利部公益性行业科研专项经费项目( 201001024; 201101026; 201101024) 作者简介: 段 扬( 19882) , 男, 河北石家庄人, 主要从事生态水动力及水质监测方面研究。E2m ail : du an kak a@ 126. com. cn 通信作者: 雷晓辉( 19742) , 男, 陕西澄城人, 教授级高级工程师, 博士, 主要从事水文水资源方面研究。E2mail: l xh@ iw hr. com
1
Q mf eKH u = - myKH 9x ( gF) - myKH 9x ( gKH b dz ) - gmyKH s
( 9xF-
(1-
z ) 9x ( KH ) ) b+
9
z
(
m
Ay KH
9zu )+
Qu
( 2)
9t ( mKH u) + 9x ( myKH uu) + 9y ( mxKH uu) + 9z ( mw u) +
1
Q mf eKH v = - mxKH 9 y ( gF) - mxKH 9 y ( gKH bdz ) - gmxKH s
( 9yF-
(1-
z ) 9y ( KH ) ) b+
9z
(
m
Av KH
9zv ) +
Qv
( 3)
mf e = mf - u9y mx + v9 xm y
( 4)
9t ( mKH C) + 9x ( myKH uC ) + 9y ( mxKH v C ) + 9z ( mw C)
Numerical simulation of flood routing in flood detention basin based on EFDC model
DU AN Y ang 1, 2 , L IA O W ei2hong2 , YA N G Q ian1,2 , LEI X iao2hui2 ( 1. School of W ater Res our ce and Env ir onment , China Univ er sity of Geosciences , Beij ing 100083, China;
# 160 # 数 字 水 利
段 扬等 # 基于 EFDC 模型的蓄滞洪区洪水 演进数值模拟
Hamr ick 等人开发, 是一个融合了 多种数学 模型与 一身的综 合模型, 具有适用范围广、计算项目多、计算 结果与 G IS 等软 件耦合性好等 优点。 EF DC 模 型可 以实 现对 于 河流、湖 泊、
1. 2 动力学方程
EF DC 模型的动力学控制方程如下[ 11] :
9t ( mKF) + 9x ( myKH u ) + 9x ( mxKH u) + 9z ( mw ) = 0 ( 1)
9t ( mKH u) + 9x ( myKH uu) + 9y ( mxKH v u ) + 9z ( mw u) -
V ol.12 N o. 5 O ct . 2014
基于 EF DC 模型的蓄滞洪区洪水演进数值模拟
段 扬1, 2, 廖卫红2, 杨 倩1, 2, 雷晓辉2
( 1. 中国地质大学( 北京) 水资源与环境学院, 北京 100083; 2. 中国水利水电科学研究院, 北京 100038 )
摘要: 应用 DEM 数字高程模型插值技术, 快速获取计算区域 的地形 数据, 其后基 于 EFD C 模型的 建模及 水动力 计 算分析模块, 建立了蓄滞洪区洪水演进模型, 并借助于 A RCGIS 的 展示功 能, 实 现了结果的可视化。以漳卫 河流域 的大名蓄滞洪区作为实例, 仿真模拟了 1962 年 7 月的一场洪水, 在该蓄滞洪区的演进过程中, 设计了三种不同的泄洪 方案进行对比分析。结果表明, 应用 EFDC 可以较好地模拟洪水演进的规律, 为分蓄洪区防洪决策与抢险提供参考。 关键词: 洪水演进; EF DC 模型; 蓄滞洪区; 数值模拟 中图分类号: T V 122 文 献标志码: A 文章编号: 167221683( 2014) 0520160206
=
9z ( m
Ab KH
C) +
mKH
rc
( 5)
式中 : u、v 、w 为曲线正交坐标系下 X 、Y 、Z 方向的水 平流速;
m 为 Jaco bian 曲线正交 坐标转换系数, m = mxm y ; H 为全水
深, 即未扰动的 z 坐标原点 z * 以下的水深和水面位移之和,
H = h+ N; f 为科氏力参数; f e 为中间计算变量; A v 为垂向紊 动扩散系数; Qu 和 Q v 分别 为动量 方程的 源汇项 ( 包 括水平 扩散项等); b 为浮力, 其值为密度偏差和密度参 考值的比值; C 为需要模拟的水质参数; Qc 为物 质反应 所涉及 的源 汇项, 包括水平扩散等; A b 为水中物质的垂向 扩散系数。
结合, 采用直角坐标下非 均匀矩形网 格的控制 体积法模拟 了 流域洪水; 张细兵等[8] 利用阵 面推进法 提出了河道 有限元 网 格自动剖分方法, 并将其应用于荆江分洪区的数值模拟中。
本文选用了环境 流 体动 力学 模型 ( Enviro nmental Fluid Dynamics Co de, EF DC) 来实现蓄滞洪 区洪水演 进模拟, 以漳 卫河流域大名 蓄滞 洪区 区 的某 场洪 水 为例, 重 现 其演 进过 程, 并将其计算结果导入 G IS 平 台进 行展示, 直 观地 显示洪 水淹没全过程、淹没 水深, 实现 洪水 演进 全过程 的可 视化动 态仿真 和信息管理, 从而为流域防洪减 灾提供了 有力支持和 决策依据。
我国是世界上遭到水灾最严重的国家 之一, 历史上有关 水灾的文字记 载 可追 溯到 4000 多年 前[ 1] 。据 相 关部 门统 计, 每年洪水 灾害 给 国家 带来 的 经济 损失 超 过 100 亿 人民 币。因此研究 清楚洪水演进的具体规律, 对于人 们更好的应 对洪 水所带来的危害有着重要的指导作用, 也为 相关执行部 门做 好诸如防洪预案、风险分析、洪水风险 图、洪 灾灾前评估 等具 体工作提供参考[2] , 尽可能的减少 人民群众 在坝堤溃决 中的损失。
强假 定。由于 研究区域如天然河道、浅海、湖泊等深 度较浅, 水体 重力加速度远远大于其垂向加速度, 所以在 动力学控制 方程 中垂向压强近似假定为静水压强。不 过, 在 水平尺度与 垂直尺度较为 接近 时, 静水 压假 定会 带来 一些 误差[ 12] 。本 文采 用的是美国 EPA 研发的 EFD C_Explo rer 3 版本 进行模 拟。其对于原 始 EFDC 计算代码进行优化, 特别 是为蓄滞洪 区洪 水演进模拟提供了专门的洪泛区单元 格, 与 标准计算单 元格 采 用 不 同 的 计 算 方 程, 提 高 了 模 拟 精 度[ 13] 。F M G ( FO RT ESCU E M ET A L S G ROU P S) 在 2004 年 应用 EF DC 模型对西澳大利亚皮尔 巴拉 铁矿矿 区的 洪水威 胁情 况进行 了研 究, 结果显示, 50 年一遇 洪水实 测最大 水深值 与计算值
对洪水演进的模拟, 国内外学者采 用的研究 方法包括有 限差 分法、有限体积法、有限元法等。例如 Ligg ett 等[ 3] 利用 显式 有限差分法和矩形网格建立了最早的 二维模型; 刘树坤 等[ 4] 用显格式差 分法 模拟 了小 清河 分洪 区 洪水; A kanbi 等 人[ 5] 使用有限元法模拟了洪水波在干 河床上的 演进; 李 大鸣 等[ 6] 按照有限体积 法思想, 采用无结构 不规则网格 布置方 式 对东淀滞洪区来水进行了模拟; 王船海[7] 将一维、二维模 型相
第 12 卷 第 5 期 2014 年 10 月
南 水 北 调 与水 利 科 技 S out h2t o2 N ort h W at er Transf ers and Wat er Sci ence & Techn ol ogy
DOI: 10. 13476/ j . cnki. nsbdqk. 2014. 05. 036
由于方程较为复杂, 并 没有 解析解, 而 且在 大的时 间及 空间 尺度下, 其数值解也很难求得。所 以 EFDC 模型对动力 学方程进行了简化。
EF DC 模型建立需满足以下两个假定: ( 1) Bo ussinesq 假 定。即密度的 变化并不显著改变流体的性 质, 同 时在动量守 恒中, 密度的变化对 惯性 力项、压力 差项 和黏性 力项 的影响 可忽略不计, 而仅考 虑对 质量力 项的 影响。( 2) 垂向 静水压
水库、湿地系统、河口和 海洋 等多种 水体 的水动 力学 和水质
Байду номын сангаас
计算[ 9] , 能够计算各种平面和垂向空 间尺度下 的流速、水位、 盐度、水温、泥沙、毒性 污染物、生物 量的分 布[10] 。因 此完全 可以满足洪水 演进 模拟 中所 需物 理量 的计 算。另 外 EF DC
模型 计算结果有多种输出格式, 易于后 期进行计 算结果分析 及各种图件的编制。
之间误差为 0. 2 m[ 14215] , 表明 EF DC 模型 对洪泛区洪 水演进 的模拟效果较为理想。
1 蓄滞洪区洪水演进模型
1. 1 理论模型介绍
EF DC 模型 由 美 国 弗 吉 尼 亚 海 洋 科 学 研 究 所 的 John
收稿日期: 20132072 04 修回日期: 2014207211 网络出版时间: 20142 08227 网络出版地址: ht tp: / / w w w . cnk i. net / kcms/ doi/ 10. 13476/ j. cnk i. nsbdqk. 2014. 05. 036. ht ml 基金项目: 国家自然科学基金( 51021066) ; 水利部公益性行业科研专项经费项目( 201001024; 201101026; 201101024) 作者简介: 段 扬( 19882) , 男, 河北石家庄人, 主要从事生态水动力及水质监测方面研究。E2m ail : du an kak a@ 126. com. cn 通信作者: 雷晓辉( 19742) , 男, 陕西澄城人, 教授级高级工程师, 博士, 主要从事水文水资源方面研究。E2mail: l xh@ iw hr. com
1
Q mf eKH u = - myKH 9x ( gF) - myKH 9x ( gKH b dz ) - gmyKH s
( 9xF-
(1-
z ) 9x ( KH ) ) b+
9
z
(
m
Ay KH
9zu )+
Qu
( 2)
9t ( mKH u) + 9x ( myKH uu) + 9y ( mxKH uu) + 9z ( mw u) +
1
Q mf eKH v = - mxKH 9 y ( gF) - mxKH 9 y ( gKH bdz ) - gmxKH s
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(1-
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(
m
Av KH
9zv ) +
Qv
( 3)
mf e = mf - u9y mx + v9 xm y
( 4)
9t ( mKH C) + 9x ( myKH uC ) + 9y ( mxKH v C ) + 9z ( mw C)
Numerical simulation of flood routing in flood detention basin based on EFDC model
DU AN Y ang 1, 2 , L IA O W ei2hong2 , YA N G Q ian1,2 , LEI X iao2hui2 ( 1. School of W ater Res our ce and Env ir onment , China Univ er sity of Geosciences , Beij ing 100083, China;
# 160 # 数 字 水 利
段 扬等 # 基于 EFDC 模型的蓄滞洪区洪水 演进数值模拟
Hamr ick 等人开发, 是一个融合了 多种数学 模型与 一身的综 合模型, 具有适用范围广、计算项目多、计算 结果与 G IS 等软 件耦合性好等 优点。 EF DC 模 型可 以实 现对 于 河流、湖 泊、
1. 2 动力学方程
EF DC 模型的动力学控制方程如下[ 11] :
9t ( mKF) + 9x ( myKH u ) + 9x ( mxKH u) + 9z ( mw ) = 0 ( 1)
9t ( mKH u) + 9x ( myKH uu) + 9y ( mxKH v u ) + 9z ( mw u) -
V ol.12 N o. 5 O ct . 2014
基于 EF DC 模型的蓄滞洪区洪水演进数值模拟
段 扬1, 2, 廖卫红2, 杨 倩1, 2, 雷晓辉2
( 1. 中国地质大学( 北京) 水资源与环境学院, 北京 100083; 2. 中国水利水电科学研究院, 北京 100038 )
摘要: 应用 DEM 数字高程模型插值技术, 快速获取计算区域 的地形 数据, 其后基 于 EFD C 模型的 建模及 水动力 计 算分析模块, 建立了蓄滞洪区洪水演进模型, 并借助于 A RCGIS 的 展示功 能, 实 现了结果的可视化。以漳卫 河流域 的大名蓄滞洪区作为实例, 仿真模拟了 1962 年 7 月的一场洪水, 在该蓄滞洪区的演进过程中, 设计了三种不同的泄洪 方案进行对比分析。结果表明, 应用 EFDC 可以较好地模拟洪水演进的规律, 为分蓄洪区防洪决策与抢险提供参考。 关键词: 洪水演进; EF DC 模型; 蓄滞洪区; 数值模拟 中图分类号: T V 122 文 献标志码: A 文章编号: 167221683( 2014) 0520160206
=
9z ( m
Ab KH
C) +
mKH
rc
( 5)
式中 : u、v 、w 为曲线正交坐标系下 X 、Y 、Z 方向的水 平流速;
m 为 Jaco bian 曲线正交 坐标转换系数, m = mxm y ; H 为全水
深, 即未扰动的 z 坐标原点 z * 以下的水深和水面位移之和,
H = h+ N; f 为科氏力参数; f e 为中间计算变量; A v 为垂向紊 动扩散系数; Qu 和 Q v 分别 为动量 方程的 源汇项 ( 包 括水平 扩散项等); b 为浮力, 其值为密度偏差和密度参 考值的比值; C 为需要模拟的水质参数; Qc 为物 质反应 所涉及 的源 汇项, 包括水平扩散等; A b 为水中物质的垂向 扩散系数。
结合, 采用直角坐标下非 均匀矩形网 格的控制 体积法模拟 了 流域洪水; 张细兵等[8] 利用阵 面推进法 提出了河道 有限元 网 格自动剖分方法, 并将其应用于荆江分洪区的数值模拟中。
本文选用了环境 流 体动 力学 模型 ( Enviro nmental Fluid Dynamics Co de, EF DC) 来实现蓄滞洪 区洪水演 进模拟, 以漳 卫河流域大名 蓄滞 洪区 区 的某 场洪 水 为例, 重 现 其演 进过 程, 并将其计算结果导入 G IS 平 台进 行展示, 直 观地 显示洪 水淹没全过程、淹没 水深, 实现 洪水 演进 全过程 的可 视化动 态仿真 和信息管理, 从而为流域防洪减 灾提供了 有力支持和 决策依据。
我国是世界上遭到水灾最严重的国家 之一, 历史上有关 水灾的文字记 载 可追 溯到 4000 多年 前[ 1] 。据 相 关部 门统 计, 每年洪水 灾害 给 国家 带来 的 经济 损失 超 过 100 亿 人民 币。因此研究 清楚洪水演进的具体规律, 对于人 们更好的应 对洪 水所带来的危害有着重要的指导作用, 也为 相关执行部 门做 好诸如防洪预案、风险分析、洪水风险 图、洪 灾灾前评估 等具 体工作提供参考[2] , 尽可能的减少 人民群众 在坝堤溃决 中的损失。
强假 定。由于 研究区域如天然河道、浅海、湖泊等深 度较浅, 水体 重力加速度远远大于其垂向加速度, 所以在 动力学控制 方程 中垂向压强近似假定为静水压强。不 过, 在 水平尺度与 垂直尺度较为 接近 时, 静水 压假 定会 带来 一些 误差[ 12] 。本 文采 用的是美国 EPA 研发的 EFD C_Explo rer 3 版本 进行模 拟。其对于原 始 EFDC 计算代码进行优化, 特别 是为蓄滞洪 区洪 水演进模拟提供了专门的洪泛区单元 格, 与 标准计算单 元格 采 用 不 同 的 计 算 方 程, 提 高 了 模 拟 精 度[ 13] 。F M G ( FO RT ESCU E M ET A L S G ROU P S) 在 2004 年 应用 EF DC 模型对西澳大利亚皮尔 巴拉 铁矿矿 区的 洪水威 胁情 况进行 了研 究, 结果显示, 50 年一遇 洪水实 测最大 水深值 与计算值
对洪水演进的模拟, 国内外学者采 用的研究 方法包括有 限差 分法、有限体积法、有限元法等。例如 Ligg ett 等[ 3] 利用 显式 有限差分法和矩形网格建立了最早的 二维模型; 刘树坤 等[ 4] 用显格式差 分法 模拟 了小 清河 分洪 区 洪水; A kanbi 等 人[ 5] 使用有限元法模拟了洪水波在干 河床上的 演进; 李 大鸣 等[ 6] 按照有限体积 法思想, 采用无结构 不规则网格 布置方 式 对东淀滞洪区来水进行了模拟; 王船海[7] 将一维、二维模 型相
第 12 卷 第 5 期 2014 年 10 月
南 水 北 调 与水 利 科 技 S out h2t o2 N ort h W at er Transf ers and Wat er Sci ence & Techn ol ogy
DOI: 10. 13476/ j . cnki. nsbdqk. 2014. 05. 036
由于方程较为复杂, 并 没有 解析解, 而 且在 大的时 间及 空间 尺度下, 其数值解也很难求得。所 以 EFDC 模型对动力 学方程进行了简化。
EF DC 模型建立需满足以下两个假定: ( 1) Bo ussinesq 假 定。即密度的 变化并不显著改变流体的性 质, 同 时在动量守 恒中, 密度的变化对 惯性 力项、压力 差项 和黏性 力项 的影响 可忽略不计, 而仅考 虑对 质量力 项的 影响。( 2) 垂向 静水压
水库、湿地系统、河口和 海洋 等多种 水体 的水动 力学 和水质
Байду номын сангаас
计算[ 9] , 能够计算各种平面和垂向空 间尺度下 的流速、水位、 盐度、水温、泥沙、毒性 污染物、生物 量的分 布[10] 。因 此完全 可以满足洪水 演进 模拟 中所 需物 理量 的计 算。另 外 EF DC
模型 计算结果有多种输出格式, 易于后 期进行计 算结果分析 及各种图件的编制。