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華北水利水電大學畢業(yè)論文目錄摘 要IABSTRACT：II第一章 緒論11.1 問題的提出11.2 生產堤的介紹11.2.1 生產堤的作用 11.2.2 生產堤的由來及現狀11.3 生產堤的積極作用及危害21.3.1 生產堤的積極作用21.3.2 生產堤的危害31.4 研究的意義51.5 研究思路6第二章 河段的基本情況7第三章 模型的建立與率定93.1 MIKE 21軟件的介紹93.2 模型結構103.2.1 平面二維數學模型的建立103.2.2 控制方程103.2.3 模型結構143.3 MIKE21模型的建立153.3.1 地形文件的生成153.3.2 區(qū)域邊界的生成及調整153.3.3 模擬區(qū)域的三角劃分163.3.4 初始糙率的設定193.3.5 夾河灘高村河段平面二維數學模型的建立203.4 模型率定26第四章 計算方案及結果分析314.1 計算工況314.2 模擬結果分析思路314.3 成果分析324.3.1 來洪時主槽水面高程分析324.3.2 灘區(qū)淹沒面積分析324.4 認識33第五章 結 語34參考文獻35致 謝36附 錄37黃河下游生產堤對灘區(qū)分滯洪的影響摘 要黃河下游灘區(qū)河道主槽兩側修建生產堤縮窄了洪水過流斷面,對防洪造成了一定影響。留存還是廢除,再一次成為黃河下游防洪與減災決策的焦點。本文以夾河灘高村河段為研究區(qū)域,利用DHI公司開發(fā)的MIKE21軟件，建立平面二維數值模型,對現狀生產堤和廢除生產堤兩種工況條件進行典型頻率洪水演進的模擬。全文主要的研究內容：1）針對研究課題，收集黃河下游河段的基本資料。經整理分析得到該課題題目的來源及研究的意義。2）整理夾河灘高村河段上現存的生產堤的資料，得到生產堤的來由、建造標準及其存在的利弊。3）學習MIKE軟件，建立夾河灘高村河段的平面二維數值模型。模擬計算出現有生產堤和廢除生產堤兩種不同工況下“96.8”洪水的演進過程、河道流速、河道洪水水位。4）比較分析兩種工況下，禪房、東壩頭、石頭莊、青莊和榆林五個測站的水面高程及洪峰流量下的淹沒面積。進而綜合分析生產堤存在的利弊，考慮生產生活的需要以及生產堤對防洪的影響等方面，對它進行統(tǒng)一規(guī)劃。為了維持黃河河槽活力，協(xié)調人河關系，抑制二級懸河發(fā)展，黃河下游河道生產堤的治理方案是比較適宜的。 關鍵詞：生產堤；防洪；洪水演進；數值模擬；MIKE21模型中圖分類號：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 緒論1.1 問題的提出 沿黃群眾早期為了保護農田和灘區(qū)，逼近黃河自修自守了土堤，一般頂寬為23m,高度為24m，它們一般為單個村或鎮(zhèn)所建，一般為獨立的、封閉的村堤、村堰，沒有連成長堤。隨著生產的發(fā)展和需要，他們在黃河兩岸大量修建了生產堤。從而束窄河道并妨礙行洪，制約了槽灘的水沙交換，導致“二級懸河”加劇。生產堤的存在一方面保護了耕地、村莊和灘區(qū)，另一方面也在特定的來水來沙條件下，提高水流挾沙能力。但是它也提高了河道水面高程，增加了黃河下游的防洪難度。所以本文就對生產堤存在的利弊，研究它對防洪的影響，在確保群眾利益的同時，減小防洪難度。 1.2 生產堤的介紹1.2.1 生產堤的作用 黃河的生產堤是為了減少洪水淹沒灘地的一種措施，灘地群眾在黃河灘內順著河槽修筑了大量的生產堤。用來保護農田和居住地，生產堤的修建的確給灘區(qū)的群眾在生產及生活方面帶來了一定的益處，使原本每年都要遭受淹沒之苦，變?yōu)橹挥杏龅蕉嗄暌挥龅妮^大洪水時才能漫灘。1.2.2 生產堤的由來及現狀 黃河下游灘區(qū)涉及河南、山東兩省15個市、43個縣(區(qū))，居住著180萬人口，有250000hm2( 375萬畝)耕地1。20世紀8090年代，黃河下游洪水漫灘流量一般在5000m3/s左右，而90年代以后，漫灘流量逐年變小。2002年開始調水調沙后，河道有所沖刷，但部分河段漫灘流量仍不足3500m3/s。沿黃兩岸保護灘地的生產堤，早些年一般頂寬為23m,高度為24m。近年來受經濟利益的驅動，灘區(qū)生產堤不斷向主河槽外延，其區(qū)域擴大、防御標準提高，大部分高達2.55m，甚至有些地方修筑的生產堤可以防御5000m3/s以上的洪水。 黃河灘內最早的生產堤是沿黃群眾為保護耕地、村莊，自修自守的土堤，它一般逼近黃河，為單個村或鎮(zhèn)所建，一般為獨立的、封閉的村堤、村堰，沒有連成長堤。1958年在“大躍進”形勢下，基于錯誤估計了防洪形勢，為保護兩岸良田、村莊，在黃河兩岸大修生產堤，從而束窄河道并妨礙行洪，制約了槽灘的水沙交換，導致“二級懸河”加劇。1974年國務院制定了“從全局和長遠考慮，黃河灘區(qū)應迅速廢除生產堤，修筑避水臺，實行一水一麥2，一季留足群眾全年口糧”的政策，在黃河主管部門和各級政府的共同努力下，生產堤破開了進水口門，到1993年，破口門長度已達生產堤長度的半數。1993年后，由于黃河來水減少，灘區(qū)內群眾防汛意識淡化，受短期經濟利益的驅使，沿黃生產堤又重新修筑起來。1.3 生產堤的積極作用及危害1.3.1 生產堤的積極作用1）保護了灘區(qū)群眾生產和生活 黃河下游灘區(qū)是群眾賴以生產和生活的重要場所，也是群眾最直接最根本的利益所在。生產堤對穩(wěn)定灘區(qū)群眾生產、生活有一定積極作用3。(1)減輕了中小洪水漫灘對群眾生活的影響。生產堤能夠防止中小洪水漫灘，減少較大洪水漫灘幾率，避免了群眾的田地、房屋、道路、渠道等生產生活設施被淹，不但減輕了群眾的災害損失，而且避免了洪水圍困村莊對群眾的吃、住、行及就醫(yī)、孩子上學等造成的不利影響，穩(wěn)定了群眾的生產生活，有利于灘區(qū)經濟的發(fā)展。(2)增加了大水來臨前群眾外遷的時間。若沒有生產堤，大洪水到來前，水流將從低洼處串水，洪水進入堤溝河后，阻斷撤退道路，影響群眾搬遷。有了生產堤，將延緩洪水進入灘區(qū)的時間，增加群眾外遷的時間。2）在特定的來水來沙條件下對沖刷河道、輸送泥沙的積極作用 對含沙量較低的中小洪水，若沒有生產堤，可能造成漫灘。減小河道流量，相應降低了水流挾沙能力，不利于沖刷河道與輸沙入海。而且由于洪水含沙量低，漫灘后達不到淤灘的目的。有了生產堤，能夠防止中小洪水漫灘，有效地沖刷河道，即束水攻沙。對于高含沙中常洪水情況較為復雜，一般情況下不漫灘雖有利于輸沙入海，但易加重主槽淤積。近幾年調水調沙清水下泄，防止了漫灘分水，取得了良好的沖刷效果。1.3.2 生產堤的危害1)生產堤是“二級懸河”加劇的一個主要因素 據了解，黃河“二級懸河”最早出現于上個世紀70年代。上個世紀90年代以來，由于氣候干旱、來水減少及人類對黃河水資源的過度利用，黃河河道輸沙用水被大量擠占，進入黃河下游的水量急劇減少，加劇了黃河水沙的不平衡；同時，黃河下游灘區(qū)群眾在河道內普遍修筑生產堤，人為縮窄了行洪河道，影響了灘槽水沙交換，致使泥沙大部分淤積在生產堤內的主河槽里，加劇了“二級懸河”的發(fā)展。黃河水利委員會調查表明，上個世紀50年代，黃河下游河道中的泥沙77淤在灘里，23淤在主河槽中，而目前，80的泥沙淤在主河槽中。 在“二級懸河”形態(tài)下，河槽外高于灘面4米6米，內呈“淺碟狀”，即使發(fā)生中小洪水，主槽也難以容納，必然造成重大河勢變化，易出現橫河、斜河，增大了“沖決”和“潰決”的危險。2003年9月，黃河河南蘭考段出現流量2400多立方米每秒的“小水”，卻釀成重大漫灘災情。河南蘭考縣、山東東明縣114個村莊、近12萬人被洪水圍困，而蘭考段，恰恰是“二級懸河”最為嚴重的河段之一。2)“二級懸河”加劇了灘地橫比降的發(fā)展 生產堤的修建，加劇了灘地橫比降的發(fā)展，但不同漫灘洪水情況下的影響程度差異很大。天然條件下的中小漫灘洪水，入灘水流少、含沙量低、灘槽水沙交換較弱，生產堤存在與否對河道沖淤及灘地橫比降的影響不大。即使沒有生產堤，因灘區(qū)分流比例較少，也難以造成灘區(qū)尤其是遠離河槽的堤河低洼地帶的大量淤積，影響范圍主要集中在近生產堤附近的灘面上，對灘地橫比降總體影響較小。相反，生產堤的存在對中小洪水具有一定的約束作用，水流集中，對河道的排洪輸沙具有一定的有利影響：主槽（深槽）沖刷作用可能會有所增強。但對于大漫灘洪水的影響則截然不同，控導工程和生產堤的存在對灘槽水流交換具有較大的影響。灘區(qū)淤積量的明顯減少，加劇了灘地橫比降的發(fā)展。使得灘唇高仰、堤根低洼的局面進一步加劇。大大增大了生產堤決口后，水流沿灘區(qū)最大比降（縱向和橫向比降合成后的比降）方向、或沿著灘區(qū)串溝、汊河方向直沖大堤、造成沖決的可能性。如果沒有生產堤，也存在堤防沖決的可能，但由于灘區(qū)漫水早、灘區(qū)水位隨大河水位的上漲而近乎同步抬升，對大堤的沖擊強度相對較弱。 由于河道橫比降遠大于縱比降，如若中、小洪水生產堤一旦決口就會形成一條小河直沖大堤。今后中、小洪水甚至大洪水時的橫河、斜河、滾河的情況均有可能產生。生產堤的修建使中、小洪水行洪的寬度大大縮小。而生產堤使行洪河槽縮窄，泥沙的淤積范圍縮小，僅限于生產堤之間，加速主河槽淤積抬高的速率，增大灘唇與大堤根之間的斷面橫比降，這與黃河下游“寬河固堤”方針是相違背的。3)生產堤的修建加大了黃河防洪的難度 近年來由于黃河多次加高加固黃河堤防，興建河道整治工程，特別是1998年長江大水之后，國家加大了黃河治理力度，按照2000年設防標準，加高、加固兩岸堤防，加修、改建了許多河道整治工程，近期又進行了標準化堤防建設，將黃河堤防建成“防洪保障線、搶險交通線、生態(tài)景觀線”，防洪工程的抗洪能力大大增強。但是如果任由“二級懸河”的發(fā)展，任由生產堤的加固，槽灘高差的加大，一旦生產堤決口，那么形成的串溝、滾河等險情將極大的影響防洪的安全。4)河槽萎縮，排洪能力降低 由于黃河上游來沙去向主要是輸送入海和入?？谠礻?、淤積在河道內，還有一小部分人工引放至黃河灌區(qū)及固堤，由于多年來黃河沒有發(fā)生較大洪水，泥沙集中淤積在主河槽內，河道主槽淤積比例由80年代初的30增加到70，河槽嚴重萎縮，河道排洪能力降低4。目前，開封以下河段橫比降達45，而河道縱比降為1.71.8，一旦發(fā)生較大洪水，由于河道橫比降遠大于縱比降，灘區(qū)過流比增大，極易發(fā)生橫河、斜河，甚至發(fā)生“滾河”，產生順堤行洪，危及堤防安全。由于河槽過洪能力明顯降低，局部河段2000m3/s左右流量就可漫灘，小水就能造成大災。5)嚴重影響洪水傳播和洪水的準確預測 黃河下游河道，在目前的邊界條件下，洪水演進受生產堤阻隔，斷面縮窄，水位雍高。灘區(qū)漫灘進水時間不僅受洪水量的影響，更受生產堤強度及防守效果的影響。人為因素較多地改變了自然狀態(tài)下的洪水演進規(guī)律，對生產堤破口、決口時間、地點，漫灘水量及漫灘水如何演進、衰減等都難以預測，很難準確地進行洪水預測、預報，從而帶來較大的測報誤差，進而影響到防汛調度和決策。如“96.8”洪水在花園口利津河段傳播時間長達369 h，約為多年均值的2倍，為有水文記錄以來最長。如孫口斷面“82.8”洪水漫灘，8月6日20時至7日11時洪峰前后，洪峰流量報汛誤差最大達2 000m3/s，相對誤差20%，致使本應為10100m3/s的孫口洪峰流量，錯報為8100m3/s，嚴重影響了東平湖分洪的決策和防汛指揮調度5。6)影響河道整治工程的安全，增加了河道整治的難度 黃河下游河道整治工程是按照規(guī)劃的河道治導線進行的，而生產堤的修建是一種民事行為，隨意性較大，平面布置主要是依據護灘、保村的原則修建的，很多河段布置違背了河道洪水演進的規(guī)律，有的生產堤甚至修建在主河槽內，嚴重干擾了洪水的正常演進，造成了河道整治工程條件惡化，易出現較大險情。同時，生產堤加劇了二級懸河的發(fā)展，使平灘流量減小，增大了河道整治的難度。7)對灘區(qū)群眾生產生活也存在不利影響 生產堤雖然保護了灘區(qū)群眾免于中小洪水頻繁漫灘受災，但對群眾的生產生活也有許多不利影響。主要表現為:漫灘水加重了對灘區(qū)群眾安全的威脅。生產堤決口后水流集中，沖刷力強，對村莊、橋梁、渠道等群眾生活、生產設施造成較大危害，加重漫灘損失。堤溝河得不到及時淤平，一旦漫灘或遇暴雨，灘內積水不易排出，不僅秋季作物不保甚至連冬麥也無法播種。不利于灘區(qū)種植和土壤改良。影響灘區(qū)群眾及時遷移安置。群眾易依賴生產堤而疏于遷安，一旦生產堤潰決，洪水直沖地勢較低的堤根，順堤成河，此時開始遷移，道路已斷，僅靠少量渡船外遷只能勉強救命。生產堤口門處粗沙沉淀不利于耕種。 1.4 研究的意義 現狀生產堤嚴重影響防洪和灘槽淤積分布，但廢除生產堤影響灘區(qū)180余萬人的生存與發(fā)展，地方政府阻力很大。參考其它河流如淮河、長江的灘區(qū)治理模式，可以考慮廢除小灘區(qū)和嚴重影響行洪安全的生產堤，設置1.54.0km的8000m3/s及以下洪水通道，構筑大灘區(qū)（20km2以上）的滯洪區(qū)，有計劃分洪淤灘，找出黃河下游灘區(qū)治理中經濟發(fā)展與分洪安全的結合點，解決灘區(qū)85%人口生存與灘區(qū)淤積分布問題。 本項目采用平面二維數學模型，依據 “96.8”典型洪水情況，按現狀生產堤和廢除生產堤兩種條件進行了典型洪水的模擬，模擬計算給出了夾河灘高村河段不同邊界洪水演進、漫灘的過程及灘區(qū)淹沒程度。通過對模擬結論的分析，從而進一步驗證黃河下游生產堤對灘區(qū)分滯洪的影響以及給出今后對生產堤的管理建議。1.5 研究思路 應用平面二維數學模型，按現狀生產堤、廢除生產堤兩種條件進行了典型洪水 “96.8”的模擬，模擬計算給出了夾河灘高村河段不同邊界洪水演進、漫灘的過程及灘區(qū)淹沒程度。 以平面二維數學模型模擬計算成果為基礎，從而對比不同模式、不同工況下，河道水面高程、灘區(qū)淹沒面積和洪水演進過程等，提出更加合理的生產堤的運用原則、要求和方案。 以平面二維數學模型模擬計算成果分析灘區(qū)淹沒狀況及相關遷安救護問題。 研究工作流程見圖2圖2 研究工作流程圖第二章 河段的基本情況 20世紀50年代黃河下游河道基本屬于天然情況，60年代以后灘區(qū)農民自發(fā)性地逐漸修建生產堤，對灘地農田有一定保護作用，故屢禁屢建。19871999年期間，黃河下游河道經常出現小水帶大沙的異常來水來沙條件。由于生產堤阻礙了灘槽水流泥沙的橫向交換，泥沙淤積主要集中在主槽和嫩灘上，廣大灘區(qū)淤積很少。灘槽淤積分布的不均勻性形成了灘唇高仰、堤根低洼，臨河灘面明顯低于灘唇，背河地面又明顯低于臨河灘面的的不利局面，形成所謂“二級懸河”。河道典型斷面狀況如圖3所示。 圖 3： 黃河下游典型大斷面形態(tài)示意 黃河在孟津縣白鶴由山區(qū)進入平原，河道上寬下窄，比降上陡下緩，花園口至高村河段，河寬水散，沖淤幅度大，主流擺動頻繁，為典型的游蕩性河段。兩岸大堤堤距一般為510km，最寬處達20多km。由于下游河道水少沙多，河道淤積嚴重，長期以來“善淤、善徙、善決”而著稱于世。人民治黃以來，通過大規(guī)模的整治，有效控制了河勢擺動范圍，減小了橫河、斜河對地方沖決的威脅。陶城鋪以下河道的河勢已得到控制；高村至陶城鋪河段，主流已趨于穩(wěn)定，河勢得到了基本控制；高村以上游蕩性河段也已修建了一批布點工程，縮小了游蕩擺動范圍。經過多年洪水的考驗，河道整治工程在控導主流、護灘保堤、爭取防洪主動方面發(fā)揮了重要作用。 各河段具體的基本情況6： 孟津鐵謝至京廣鐵路橋河段。該河段為禹王故道，長93km。由于大河初出峽谷，驟入平原，比降較陡，流速較大。此河段過去主流擺動頻繁，坍塌劇烈，灘地遷徙無常。 70年代以后，修建了部分控導護灘工程，灘地相對穩(wěn)定。目前此河段灘地面積約519km2，其中耕地2.72萬hm2，有村莊58個，6.8萬人。這一河段灘槽高差較大，一般當地洪峰流量8000m3/s可漫灘，灘地主要集中在左岸的孟津市、溫縣、武陟縣境內，面積廣大，習慣上稱為“溫夢灘”。 京廣鐵路橋至東壩頭河段。該河段河道長124km，為明清河道，兩岸均有黃河大堤，河道內有1855年銅瓦廂決口后河床下形成的“高灘”。一百多年來，由于主流擺動，部分高灘坍塌?，F有灘地面積844km2，其中高灘452km2，低灘392km2。高灘土地生產相對比較穩(wěn)定，糧棉單產較高，村莊稠密，有426個村莊，35.7萬人，耕地5.17萬hm2。該河段自銅瓦廂決口以來，河槽淤高2m3m，目前花園口水文站15000m3/s的洪水將大部漫灘，高灘已不高。 東壩頭至陶城鋪河段。該河段長227m，是銅瓦廂決口改道后形成的河段。一百多年來，此河段游蕩多變，處于強烈的堆積狀態(tài)，一般淤高4m5m，特別是東壩頭至高村河段，灘槽高差小，主槽位置常有擺動，俗稱“豆腐腰”河段。該河段堤距大，灘面廣，灘地面積1738km2，其中耕地10.97hm2，是黃河下游的主要削峰區(qū)。有村莊1140個，84.66萬人。長垣縣、東明縣的灘區(qū)約占該河段灘區(qū)總面積的42%。現在，4000m3/s的洪水有的串溝可能過流，局部漫灘受淹，8000m3/s的洪水可大部漫灘，10000m3/s以上的洪水灘地全部淹沒，遷安任務十分艱巨。該河段漫灘機遇較多，生產發(fā)展緩慢。堤河、串溝比較多，在防洪方面，還存在著大洪水時奪流滾河，順堤行洪的危險。 陶城鋪至西河口河段。該河段長345km，是銅瓦廂改道后奪大清河演變形成的。此河段已治理成彎曲性河道，河勢流路比較穩(wěn)定，灘槽高差較大。除長清、平陰兩縣的灘區(qū)為連片的大灘區(qū)外，其余全部是小片灘地。灘地面積855.7km2，其中耕地6.11萬hm2，有544個村莊，41.6萬人。該河段的灘區(qū)，不僅伏秋大洪水漫灘幾率高，而且還受凌汛漫灘的威脅，生產不穩(wěn)定。 西河口以下河段。長50多公里，屬河口地區(qū)，有部分油田設施。第三章 模型的建立與率定3.1 MIKE 21軟件的介紹 MIKE21數值計算與分析軟件是國際上比較成熟的DHI軟件系列中關于水動力、波浪和泥沙輸運等模型進行潮流場、代表波要素的波浪場和泥沙輸運的數值模擬工具。MIKE21是一個專業(yè)的工程軟件包，用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境。目前該軟件在國內的應用發(fā)展很快，并在一些大型工程中廣泛應用，如:長江口綜合治理工程、杭州灣數值模擬、南水北調工程、重慶市城市排污評價、太湖富營養(yǎng)模型、香港新機場工程建設、臺灣桃園工業(yè)港興建工程等。它具有以下優(yōu)點： （1）用戶界面友好，屬于集成的Windows圖形界面。 （2）具有強大的前、后處理功能。在前處理方面，能根據地形資料進行計算網格的劃分;在后處理方面具有強大的分析功能，如流場動態(tài)演示及動畫制作、計算斷面流量、實測與計算過程的驗證、不同方案的比較等。 （3）可以進行熱啟動，當用戶因各種原因需暫時中斷MIKE21模型時，只要在上次計算時設置了熱啟動文件，再次開始計算時將熱啟動文件調入便可繼續(xù)計算，極大地方便了計算時間有限制的用戶。 （4）能進行干、濕節(jié)點和干、濕單元的設置，能較方便地進行灘地水流的模擬。 （5）具有功能強大的卡片設置功能，可以進行多種控制性結構的設置，如橋墩、堰、閘、涵洞等。 （6）可以定義多種類型的水邊界條件，如流量、水位或流速等。 （7）可廣泛地應用于二維水力學現象的研究，潮汐、水流、風暴潮、傳熱、鹽流、水質、波浪紊動、湖震、防浪堤布置、船運、泥沙侵蝕、輸移和沉積等，被推薦為河流、湖泊、河口和海岸水流的二維仿真模擬工具。 水動力(HD)模塊是MIKE21軟件包中的基本模塊，它為泥沙傳輸和環(huán)境水文學提供了水動力學的計算基礎。HD模塊模擬湖泊、河口和海岸地區(qū)的水位變化、和由于各種力的作用而產生的水流變化。在為模型提供了地形、底部糙率、風場和水動力學邊界條件等數據后，模型會計算出每個網格的水位和水流變化。1）MIKE 21模型的子模塊主要有以下4個領域：l 海岸水文學和海洋學l 環(huán)境水文學l 泥沙傳輸過程l 波浪2）MIKE 21主要應用l 河口海岸結構物設計數據的評價l 港口布局和海岸保護措施的優(yōu)化l 冷卻水、海水淡化及再循環(huán)分析l 河口海岸及海洋結構物的環(huán)境影響評價l 海上安全操作和航行海情預報l 沿海洪水和風暴潮預警l 內陸洪水及坡面流模擬3.2 模型結構3.2.1 平面二維數學模型的建立 該數學模型已在一些復雜工程中得到成功應用，能較準確地模擬、預測在修建工程前后計算域內洪水演進、建筑物過流狀況及河床變形狀況。3.2.2 控制方程1)控制方程特點 對于河口、海岸、湖泊、寬淺河道與坡面流等廣闊的寬淺型水域，水平尺度遠大于垂向尺度，水力要素（流速、水深等）在垂直方向的變化要遠小于水平方向的變化，沿水深分布比較均勻，其流態(tài)、水力要素可用沿水深平均值來表示。采用水深平均的平面二維水沙運動方程可較好地反映這類流場中水流泥沙運動特征，較好地解決一些寬淺水域的河流模擬計算問題。平面二維水流運動所遵循的基本方程是由三維時均雷諾方程沿水深進行萊布尼茲積分得到，在運動方程中以混長紊流模型求解紊動切應力。本次采用的平面二維數學模型綜合考慮洪水演進、河床變形等河流演變過程，可以全面模擬計算域內水流及河床變形過程。2)控制方程MIKE 21水動力學模型的主要控制方程為雷諾方程的垂向平均如下：質量守恒方程： （3-2-1）X方向動量方程： （3-2-2）Y方向動量方程： （3-2-3）方程中為時間；、為右手Cartesian坐標系；為水面相對于未擾動水面的高度即通常所說的水位；為靜止水深；為重力加速度;，分別為方向和方向的通量，、分別為流速在、方向上的分量；為當地大氣壓；為水密度；為Coriol系數=，為地球自轉角速度，為計算點所處的緯度，一般??；C為柯西阻力系數（m1/2/s）；=為風摩擦因素函數，為風應力系數，為空氣密度，V為風速，、為方向和方向的風速；為源項，為源項在方向的分量，為源項在方向的分量；、為各方向上的粘滯應力項。3）方程組求解 在空間上，由于網格類型為非結構網格，采用中心有限體積法對原方程進行離散，把整體的計算區(qū)域細分為非重疊的單元；時間上采用顯示積分。 有限體積法（FVM）又稱為控制體積法。其基本思路是：將計算區(qū)域劃分為一系列不重復的控制體積，并使每個網格點周圍有一個控制體積；將待解的微分方程對每一個控制體積積分，便得出一組離散方程。其中的未知數是網格點上的因變量的數值。為了求出控制體積的積分，必須假定值在網格點之間的變化規(guī)律，即假設值分段的分布剖面。 從積分區(qū)域的選取方法看來，有限體積法屬于加權剩余法中的子區(qū)域法；從未知解的近似方法看來，有限體積法屬于采用局部近似的離散方法。簡言之，子區(qū)域法屬于有限體積發(fā)的基本方法。就離散方法而言，有限體積法可視作有限單元法和有限差分法的中間物。有限體積法只尋求的結點值，這與有限差分法相類似；但有限體積法在尋求控制體積的積分時，必須假定值在網格點之間的分布，這又與有限單元法相類似。在有限體積法中，插值函數只用于計算控制體積的積分，得出離散方程之后，便可忘掉插值函數；如果需要的話，可以對微分方程中不同的項采取不同的插值函數。 有限體積法的基本思路易于理解，并能得出直接的物理解釋。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無限小的控制體積中的守恒原理一樣。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對任意一組控制體積都得到滿足，對整個計算區(qū)域，自然也得到滿足。這是有限體積法吸引人的優(yōu)點。有限體積法即使在粗網格情況下，也顯示出準確的積分守恒。 在進行計算之前，首先要將計算區(qū)域離散化，區(qū)域離散化的實質是對空間上連續(xù)的計算區(qū)域進行劃分，把它劃分成許多個子區(qū)域，并確定每個區(qū)域中的節(jié)點，從而生成網格。然后，將控制方程在網格上離散，即將偏微分格式的控制方程轉化為各個節(jié)點上的代數方程組，然后在計算機上求解離散方程組，得到節(jié)點上的解。節(jié)點之間的近似解一般可以認為光滑變化，原則上可以應用插值方法確定，從而得到定解問題在整個計算區(qū)域上的近似解。因此當網格節(jié)點很密時，離散方程的解將趨近于相應微分方程的精確解。此外，對于瞬態(tài)問題，還需要涉及時間域離散。 應用控制容積法導出離散方程的主要步驟： （1）將守恒型的控制方程在任一控制容積及時間間隔內對空間和時間做積分； （2）選定未知函數及其導數對時間和空間的局部分布曲線，即“型線”（profile）。也就是如何從相鄰節(jié)點的函數值來確定控制容積界面上的被求函數值的插值方式； （3）對方程各項按選定的型線做出積分并整理成節(jié)點上未知值的代數方程。圖4圖4中使用的是三角形控制體積，三角形的質心是計算節(jié)點，如圖中的紅點所示。 由于使用了顯式迎風格式，時間步長要求嚴格滿足CFL1。CFL的計算公式為： （3-2-4） 針對所有的計算網格，在控制體積P及時間段（時間從到）上對控制方程積分有： （3-2-5） 對于上式中的瞬態(tài)項，假定物理量在整個控制體積上均具有節(jié)點處的值，同時假定密度在時間段上的變化量極小，則式(35)中的瞬態(tài)項變?yōu)椋?（3-2-6）在上式中，上標表示物理量在時刻的值，而在時刻的物理量沒有用上標來標記，下標表示物理量在控制體積的節(jié)點處取值。對于源項： （3-2-7）對于對流項：根據Gauss散度定理，將體積分轉變?yōu)槊娣e分后，有： （3-2-8）式中，A是控制體積界面的面積。擴散項：同樣根據Gauss散度定理，將體積分轉變?yōu)槊娣e分后，有： （3-2-9）在得到（3-2-5）各項的單獨表達式后，還要做兩方面的工作：1）在對流項中需要引入特定的離散格式（3-2-8）中界面物理量、和用節(jié)點物理量來表示，可用一階迎風格式。 2）在對流項，擴散項和源項中引入全隱式的時間積分方案，如。這樣，方程（3-2-5）變?yōu)椋?（3-2-10）這就是在全隱式時間積分方案下得到的二維瞬態(tài)對流-擴散問題的離散方程。式中系數、和取決于在對流項中引入的特定離散格式。使用一階迎風格式有： （3-2-11）3.2.3 模型結構1）計算方法 由于網格類型為非結構網格，采用中心有限體積法對原方程進行離散，把整體的計算區(qū)域細分為非重疊的單元。該方法的優(yōu)點為計算速度較快，非結構網格可以擬合復雜地形。2）初始條件及邊界條件（1）初始條件對于給定的計算區(qū)域，在時間t=0時，令t=0=0（x，y），ut=0=u0（x，y），vt=0=v0（x，y）（2）邊界條件a）進口邊界條件:給出進口開邊界處的流量過程（包括上游大河進口條件與側向入匯進口條件）：Q（t）=Qopb（t）上式中Qopb 分別為開邊界上已知的水位或流速分量以及流量，一般根據計算區(qū)域以上的產匯流模型計算或由實測水文資料確定。b）出口邊界條件：出口開邊界有兩類：一類是自然開邊界，主要是經下邊界或側邊界出流的河流，可按實測水文資料（水位流量關系）確定。如無實測資料，則按附近河道縱坡，以均勻出流考慮。c）陸地邊界:根據流體固壁不可穿越的原理，在不考慮滲透的情況下，可以認為陸地邊界上法向速度為零；根據水流無滑動原理，水體在陸地邊界上的切向流速也應為零。3.3 MIKE21模型的建立3.3.1 地形文件的生成 地形處理是建模時的第一步，它是需要在建模前首先完成的工作，地形處理的好壞非常關鍵，關系到模型搭建的成敗。此次地形處理包括夾河灘高村河段的主槽和灘地的地形處理。 創(chuàng)建計算網格需要河段的地形數據資料。夾高河段的主槽和灘地的地形數據是跟據黃委會設計院測繪隊的斷面資料，將其轉化為UTM坐標并以.XYZ文件保存。3.3.2 區(qū)域邊界的生成及調整 網格是通過MIKE ZERO的網絡生成器建立。在網格生成器中導入河段地形邊界數據文件（.XYZ），生成模擬區(qū)域。在生成的模擬區(qū)域的進口和出口添加弧形來定義進口邊界和出口邊界。定義邊界時要注意不同性質的邊界要有不同的屬性代號加以區(qū)別。打開MIKE 21 Flow Model，新建一個mdf文件，然后導入夾河灘高村河段自然邊界如圖3-1所示：圖3-1 夾河灘高村河段邊界3.3.3 模擬區(qū)域的三角劃分 剖分網格，灘地和主槽采用不同的網格面積，灘區(qū)最大網格面積為110000m2，主槽最大網格面積為25000m2。如圖3-2所示：圖3-2夾河灘高村河段網格剖分圖 剖分好網格后，導入散點數據，如圖3-3所示：圖3-3散點數據導入散點數據后，對網格進行插值。如圖3-4所示：圖3-4插值最后導出夾河灘高村河段的地形文件分別保存為.mesh文件和.dfsu文件，用Animator分別將.mesh文件打開如圖3-5所示：圖3-5夾河灘高村河段三維地形3.3.4 初始糙率的設定 將夾河灘高村河段地形圖的dfsu文件在Data Viewer中打開，先將河段所有區(qū)域進行框選得到節(jié)點信息，將糙率值統(tǒng)一設為70；然后將河道主槽進行框選得到節(jié)點信息，將糙率值統(tǒng)一設為40。計算后保存，該文件為搭建模型所用的糙率文件。如圖3-6所示：圖3-6糙率文件3.3.5 夾河灘高村河段平面二維數學模型的建立打開MIKE 21軟件中的Flood Model FM模塊如圖3-7所示：圖3-7 Flood Model模型 下面將設置每個參數，具體的設置過程如下： 1）導入邊界文件（Domain） 導入邊界文件。點擊“Mesh and Bathymetry”，導入邊界文件(dixing.mesh)，如圖 3-8所示：圖 3-8導入邊界文件為邊界重命名。點擊“Boundary names”，修改“Code 4”為“GaoCun” ，修改“Code 3”為“JiaHeTan”，如圖3-9所示。圖3-9 模型邊界命名 設定時間參數（Time），模型的時間步長設為300秒，一共是100步，設置時間參數如圖3-10所示。圖3-10 模擬時段的設置 本次設計建立的是平面二維水動力學模型進行洪水演進模擬，不涉及泥沙，所以Module Selection不用設置。此外，水動力模型參數設定（Hydraulic Module）除Bed Resistance(河床糙率)和Initial surface level(初始表面高度)需要導入文件外，其他均按默認值進行設定。下面簡要介紹進行Initial surface level(初始表面高度)和Resistance(糙率)設置的操作過程。 因為河床在不同的位置糙率不同，Bed Resistance(河床糙率)選擇Manning number為Varying in domain，隨區(qū)域而變化，導入曼寧系數文件jieguo1.dsfu，如圖3-11所示。圖 3-11 河床糙率的設置 Initial surface level(初始水位)選擇Spatially varying surface elevation，然后導入初始水位高程文件：jieguo2.dfsu。如圖3-12所示。圖3-12 初始水位的設置 模型進口邊界條件設置。展開“Boundary Conditions”子參數項，點擊與“GaoCun”斷面對應的“go to”，在“Type”項選擇“Specified level”，“Format”項選擇“Varying in time,constant along boundray”，如圖3-13所示。圖3-13高村邊界條件設置 模型出口邊界條件設置。采用同樣的方法導入“JiaHeTan”斷面的數據，不同的是在“Type”項選擇“Specified discharge”，如圖 3-14所示。圖 3-14 夾河灘邊界條件設置 展開“Outputs”子參數項，點擊“New output”項兩次， 點擊“go to”對輸出項進行設定。對于“output1”，點擊“Output specification”項，“Data”參數區(qū)內的“Field type”選擇“2D”，“ Output format”選擇“Area series”，在“Output file”中，設置輸出文件。如圖3-15所示。圖3-15 結果輸出文件“output 1”設置 對于“output2”，點擊“Output specification”項，“Data”參數區(qū)內的“Field type”選擇“2D”，“ Output format”選擇“Point series”，在“Output file”中，設置輸出文件。在“Point series”參數區(qū)中的“Map Projection”選擇“NON-UTM”，然后在下面的文本框中輸入河段五個測站的坐標。在“Frequency”項的大小與磁盤剩余空間有關，設置的數值越小需要的空間越大。 如圖3-16所示。圖3-16 結果輸出文件“output 2”設置 運行（run） 單擊菜單“Run”“Start simulation”，并在彈出的對話框中點擊“確定”。這樣，建模完成。 如果運算時間太短往往表明建模有誤或者mesh文件有誤。3.4 模型率定 為了驗證建立好的數學模型和實際工況的擬合程度，需要對該模型進行驗證和修正。建立好的模型使用隨機設置的曼寧系數代表床面阻力，所以該模型模擬出的洪水過程必將和實際洪水過程存在偏差。為了消除這些偏差使模型達到所需要的精度需要對糙率文件進行多次的修改和驗證。 模型驗證的依據是物模水位。本次畢業(yè)設計選取了黃河夾河灘高村五個水文測站的物模水位作為驗證依據，五個水文站分別是東壩頭、禪房、石頭莊、榆林、青莊。其地理分布如圖3-17所示：圖3-17 水文站分布圖 在建立好的數學模型菜單欄里單擊菜單 “Run”“Start simulation”，并在彈出的對話框里點擊 “確定”。 輸出面文件如圖3-18所示：圖3-18 河段洪水位分布圖 用MIKE 21 軟件中的Data Extraction 模塊從輸出的面文件中提取五個水文測站的水位數據，并找到各個測站的水位最大值。操作如圖3-19所示：圖3-19 測站坐標設置 將篩選出的各測站最大水位值與物模水位進行比較，如果數模水位值比實測水位值大則需要減小河槽糙率，即需要增大曼寧系數；如果數模水位值比實測水位值小則需要增大河槽糙率，即需要減小曼寧系數。 經過多次的糙率文件修改和模型率定，五個測站的模擬水位值和實測水位值的誤差均小于0.3m，滿足精度要求。結果如表3-20所示：表3-20 夾河灘高村河段模擬水位與實測水位對比結果水位站實測值（m）模擬值（m）誤差（m）東壩頭73.480073.72070.2407禪房72.840072.5723-0.2677石頭莊67.820067.7376-0.0824榆林65.970065.8235-0.1465青莊63.200063.41480.2148最終確定的糙率文件如圖3-21所示：圖3-21 最終糙率文件第四章 計算方案及結果分析4.1 計算工況 根據數學模擬河段的研究任務、考慮黃河下游河段河道地形特點、河流洪水特點、生產堤等影響因素，作為模型范圍確定原則。 本次計算針對黃河下游河道洪水特點，設計模擬洪水的洪峰流量為7000m3/s左右，屬于中等漫灘洪水，選擇“96.8”典型洪水過程進行模擬。依照洪水條件，按照自然狀況、現狀生產堤兩種邊界條件，進行了不同情況的水流數值模擬計算。 具體的計算工況如表4.1所示。表4.1 計算工況及邊界條件說明洪水類型邊界條件生產堤處理灘區(qū)處理滯洪灘區(qū)口門位置96.8自然工況廢除自然漫灘現狀工況現狀自然漫灘4.2 模擬結果分析思路 利用黃河下游生產堤對灘區(qū)進行分滯洪，其防洪效果應該體現在兩個方面：一是對河段下游重要地區(qū)的保護作用。當河道過流能力不足時，利用生產堤，加高下游河段河槽邊界高程，從而減小洪水溢出量，保護下游重要區(qū)域。另一方面是對兩岸灘區(qū)的保護作用。由于灘區(qū)的社會與經濟已有長足發(fā)展，如果任由洪水漫灘，將對淹區(qū)造成較大危害。為此，本論文將主要從上述兩方面著手，研究生產堤防洪效果。通過對比分析不同工況下