松花江柳树岛河段防洪分析计算

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深) , 疏浚总方量与柳树岛的总过水断面是比较接近 的, 原来由岛上通过的流量可以由北汊河道通过, 而 不增加南汊河道的过流量 , 从而对佳木斯市的防 洪 安全不构成威胁。
图 4 柳树岛河段计算水面线与设计水面线的比较 ( 北汊河道疏浚开挖后、 20 年一遇洪水时 )
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松花江柳树岛河段防 洪分析计算
松花江柳树岛河段位于黑龙江省佳木斯市主城区的北部, 由南汊主河道、 柳树岛和北汊辅河道组 成。柳树岛是多年以来由松花江水形成的漫滩地 , 总面积 10 6km , 平均地面高程 78 0m( 大连高程 ) , 历 年多次行洪。岛上现有 3 个村屯 , 人口 981 人。主要分布着树林、 灌木、 庄稼、 果树等农作物和经济作 物。 为了对柳树岛进行生态开发, 加快佳木斯市旅游、 会展、 商贸、 住宅等行业的发展, 将柳树岛建设成 为佳术斯市的 城市绿心 , 同时不能降低松花江两岸大堤的堤防标准和佳木斯市的防洪安全 , 需要对柳 树岛河段的防洪问题进行模拟计算和分析研究。根据规划方案 , 柳树岛开发后不再担任行洪任务 , 因此 本文计算的目的就是在充分分析柳树岛开发对松花江和佳木斯市防洪影响的基础上, 寻找适宜的工程 措施 , 确保柳树岛开发后松花江的水位与柳树岛开发前的水位基本保持一致, 使得柳树岛的开发与松花 江大堤和佳木斯市的防洪安全得以兼顾。
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柳树岛洪水计算
[ 6]
2 1 计算条件及参数率定 根据 1∀10 000 地形图和柳树岛河段的水下地形图 , 结合数学模型对边界 条件的要求, 选定计算区域长8 000m, 宽7 350m, 空间网格步长 #x = #y = 50m, 计算网格节点数为 23 828 个。利用 MIKE 的地形编辑模块将地形数据读入计算模型中, 生成的三维地形如图 1 所示, 松花江大堤 以外的区域简化为图中上下两侧的平台 , 不纳入计算范围。
王兴勇
郭军
于海江
刘树坤
图 4 是北汊河道疏浚开挖后柳树岛河段的计算水面线与设计水面线的比较。从图 4 可以看出 , 通 过对北汊河道滩地的疏浚 , 柳树岛河段的水位得到明显下降 , 由于堤防加高使得岛前水位的壅高部分也 降了下来 , 计算水面线普遍低于和接近设计水面线。 3 2 不同频率洪水情况下对疏浚方案的验算 提出上述疏浚方案以后, 还需要用更高标准的 50 年一 遇和 100 年一遇的洪水资料进行验证计算 , 论证所采取的疏浚方案能否满足松花江行洪的需要。模型 计算参数与疏浚开挖计算的参数一样 , 需要改变的只是边界条件。 50 年一遇和 100 年一遇的洪水时, 上游边界设定流量分别为20 930、 23 800m / s; 下游边界为水位 , 分别为 79 76、 80 15m, 计算得到的结果 同样与设计水面线进行比较。 图 5 是疏浚开挖后、 50 年一遇洪水时柳树岛河段的计算水面线与设计水面线的比较 , 从图 5 可以看 出, 计算水面线的数值基本上都小于设计水面线的数值 , 两者相差最大值约为 10cm, 中间段相差 4~ 7cm 左右 , 在柳树岛尾部两者相差很小 , 基本一致。 图 6 是疏浚开挖后、 100 年一遇洪水时柳树岛河段的计算水面线与设计水面线的比较 , 除了在第二 个断面上计算水面线高于设计水面线约 4cm 以外, 其它断面上计算水面线都小于设计水面线。
第3卷
第 4期
中国水利水电科学研究院学报
Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research
Vol 3 No 4 December, 2005
2005 年 12 月
文章编号 : 1672 3031( 2005) 04 0297 05
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松花江柳树岛河段防 洪分析计算
王兴勇
郭军
于海江
刘树坤
y 方向动量方程 q+ t 式中 : h 为水深 , m; 1
w
q + y h x
2
p q + gh x h
y
+ gq
(p + q ) 2 2 C h h
w 3
2
2
y
( h! yy ) +
( h! xy ) - ∀ q - f VV y +
3
Vx 、 Vy 为风速及在 x 、 y 方向上的分量, m s; ∀ 为柯氏力参数 , s ; p a 为大气压强, kg ( m s ) ; 密度 , kg m ; S 、 Six 、 S iy 为源汇项及在 x 、 y 方向上的分量 ; ! xx 、 ! xy 、 !yy 为有效剪切应力分量
[ 5] [ 2]
3
图5
疏浚开挖后 50 年一遇洪水时柳树岛河段计算 水面线与设计水面线的比较
图 6 疏浚开挖后 100 年一遇洪水时柳树岛河段计算 水面线与设计水面线的比较
以上计算结果说明, 所采取的疏浚方案能够满足松花江 50 年一遇和 100 年一遇的行洪需要 , 发生 该频率洪水时, 柳树岛的生态开发不会对松花江大堤和佳木斯市的防洪安全带来不利影响。
2
1
计算模型
数学模型采用国际上广泛应用的商业软件 ! ! ! MIKE 21 Flow Model 。该模型采用垂向平均的二维
[1]
浅水方程 , 离散方法为有限差分法 , 计算算法采用 ADI( Alternating Direction Implicit) Sweep) 格式。 其中 , 质量守恒方程为 t x 方向动量方程 p + t - 1
图2
柳树岛河段计算水面线与设计水面线 图3 柳树岛河段计算水面线与设计水面线的比较 ( 柳树岛堤防加高后、 20 年一遇洪水 )
的比较 ( 开发前天然条件、 20 年一遇洪水 )
3
3 1
北汊河道疏浚方案及验算
北汊河道疏浚方案 为解决柳树岛开发与松花江大堤和佳木斯市防洪安全之间的矛盾 , 措施之一
是对松花江河道进行疏浚。根据佳木斯市水务局的要求, 南汊河道滩地需保持不变 , 靠近柳树岛的滩地 也不能开挖 , 以免岛上堤防基础松动产生坍塌 , 因此, 河道的疏浚开挖只能放在北汊河道外侧松花江大 堤内宽度约 1km 的滩地上。 滩地的疏浚直接体现在地形数据和与之对应的河床阻力的变化上, 因为疏浚开挖后原来长满杂草 的滩地可能变成了经常过流的河道 , 而其它参数, 如时间步长、 源汇项、 干湿处理、 初始条件、 风力场等与 天然条件时的计算一样。 计算采用试算法 , 假定疏浚的宽度和深度 , 通过计算结果与设计水面线的比较判断疏浚方案是否合 适, 并且尽量使滩地的疏浚方量较小。经过多次筛选和比较, 得到了一个比较满意的方案 : 在北汊河道 的入口处滩地开挖深度约 2~ 3m, 增大北汊河道的入 流量; 中间段 2km 长的滩地上开挖深度约 3~ 6m, 宽 度约 400m( 这一段原有河道比较窄 , 属于卡口段 , 因 此疏浚量较多) ; 中后部的滩地疏浚深度约 2m, 宽度 约 100m 。对所有节点上的疏浚量进行统计 , 疏浚总 方量为 883 04 万 m 。 20 年一遇洪水时柳树岛总过 水断 面约为 1 200 万 m ( 岛上总面 积 # 平均 淹没 水
w
[ 2]
[ 3]
[4]
和 DS( Double
+
p + x
q = S y gp (p + q ) 2 2 C h
w 2 2
( 1)
p + x h y
2
pq + gh y h
x
+
x
( h! xx ) +
h ( h! xy ) - ∀ q - f VV x +
x
( p a ) = S ix
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
( 2)
收稿日期 : 2005 07 21 作者简介 : 王兴勇 ( 1975 - ) , 男 , 重 庆人 , 博士 , 工 程师 , 主要 从事 计算 水 力学、 滨水 景观 规 划和 城 市河 道 生态 建设 方 面的 研 究。 E mail : wangxy@ iwhr. com
为水的

与通常流体力学数值计算的过程 一样 , MIKE 软件的计算过程也可以归纳为 4 步: ( 1) 前处理 ; ( 2) 数学模型计算参数的率定 ; ( 3) 模拟计算各种工况; ( 4) 后处理。 与其它计算软件相比 , MIKE 21 具有前后处理方便、 结果显示生动、 计算中考虑的影响因素全面以 及与 MIKE 系列中其它计算模块衔接容易等优点。
松花江柳树岛河段防洪分析计算
王兴勇 , 郭军 , 于海江 , 刘树坤
( 1 中国水利水电科学研究院 水力学研究所 , 北京 1 1 2 1
100038;
2 黑龙江省佳木斯市水务局 , 黑龙江佳木斯 154003)
摘要 : 根 据佳木斯市对松花江柳树岛的开发方案 , 利 用 MIKE 21 软 件对柳 树岛河段 进行了 防洪分 析计算。 通过对 柳树岛开发前的洪水计算 , 率定了数学模型的参数 , 并 分析了 在不采 取任何工 程措施 条件下 柳树岛 的开发 对松花 江和佳木斯市防洪产生的影响 , 提出了北汊河道的疏浚方案 , 包括疏浚范围、 深度 以及总方 量。通过不同 频率条件 下的洪水验算 , 得出在采取疏浚的工程措施下 , 柳树岛的开发 不会对松花江和佳木斯市 的防洪安全 带来负面 影响 , 开发与防洪安全可得以兼顾。 关键词 : 柳树岛 ; 数学模型 ; 防洪分析 ; 疏浚 中图分类号 : TV122 文献标识 码 : A
12
y
( p a ) = S iy
( 3)
为水面高程, m; p 、 q 为x、 y 方向的单宽流量, m ( s m) , 其中 p = uh , q = vh , u 、 v分 s; g 为重力加速度; f 为风摩擦系数; V、
- 1 2 w
别为 x 、 y 方向上沿水深的平均流速; C 为谢才阻力系数 , m
图 1 MIKE 21 生成的柳树岛天然条件时河道的三维地形图
计算时边界条件 : 上游给定流量 ( 20 年一遇洪水时为 17 070m s) 和流速方向 ; 下游给定水位 79 1m。 时间步长 # t = 20s, 计算 720 步, 共 4h 。由于没有洪水过程线等非恒定流资料, 因此本文计算为恒定流。 计算过程中没有源汇项。涡黏性系数采用 Smagorinsky 公式 , 取为常数 0 5。河床阻力采用曼宁系数 , 根 据文献[ 7] 提供的参考值以及黑龙江省水利水电勘测设计研究院提供的经验值 , 提出糙率 n 的取值 范围为 : 天然河道, 0 0266~ 0 0293; 滩地 , 0 0522~ 0 0686; 树木及灌木 , 0 09~ 0 11; 庄稼, 0 05~ 0 07。 根据柳树岛河 段的 气象 资料 , 洪 水季节 风向 多为 西南 风, 风速 约 8m/ s, 风摩 擦系 数取 经 验常 数为 0 0026。 通过调试, 率定了数学模型的计算参数。图 2 为开发前天然条件 20 年一遇洪水时柳树岛河段计算 水面线与已经得到黑龙江省水利厅批准的松花江河道设计水面线 的比较, 从图 2 中可以看出, 计算水 面线与设计水面线吻合较好, 最大误差为 3 9cm, 证明计算参数比较准确。 2 2 ! 不采取工程措施时柳树岛的开发对佳木斯市的防洪影响 298 ! 根据佳木斯市对柳树岛进行生态开发
[ 8] [8]
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松花江柳树岛河段防 洪分析计算
王兴勇
郭军
于海江
刘树坤
的目标 , 岛上将建设会展中心、 度假胜地、 高中档住宅小区以及生态农业示范区等项目。岛上现有堤防 将全面加高加宽 , 柳树岛不再行洪, 因此原来由柳树岛通过的流量将分摊给南汊和北汊河道, 将导致松 花江水位的抬升。根据天然条件时率定的计算参数, 时间步长、 源汇项、 干湿处理、 初始条件、 边界条件、 涡黏性系数、 风力场等与天然条件时的计算一样, 仅仅是地形数据和河床阻力发生了变化。其中下游水 位边界条件的确定经过了 MIKE 系列软件中的一维计算模块 MIKE 11 的验算 , 计算结果是偏安全的。 图 3 是堤防加高后柳树岛河段的计算水面线与设计水面线的比较。从图 3 可以得出 , 柳树岛堤防 加高后对水流产生了较大的阻挡作用 , 使松花江水位抬高, 计算值普遍超出设计值 , 最大相差 23 5cm, 发生在柳树岛的正前端。因此 , 如果不采取有效的工程措施 , 柳树岛的开发对松花江大堤和佳木斯市的 防洪安全将带来负面影响。
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