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《大型行蓄洪区洪水演进数值模拟与三维可视化技术》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、水利学报2005年10月SHUILIXUEBAO第36卷第10期文章编号:055929350(2005)1021158207大型行蓄洪区洪水演进数值模拟与三维可视化技术李云,范子武,吴时强,吴修锋(南京水利科学研究院水工水力学研究所,江苏南京210029)摘要:本文以淮河临淮岗洪水控制工程为例,对行蓄洪区GIS数据库建设、洪水演进数值模拟、洪水演进动态显示、洪水预报及洪水调度、行蓄洪经济损失评估等进行了研究,并在三维GIS软件VrMap210SDK平台下开发了一套大型行蓄洪区防洪减灾决策支持系统软件,实现了防洪工程枢纽建筑物及其场景
2、编辑、浏览、地物属性查询及电子沙盘模拟、防洪调度数值模拟、洪水淹没过程显示、水流场信息查询、闸门运行状态监控、分类财产损失评估、财产受损残余状况、建筑物破坏程度直观表现的功能。关键词:三维GIS;防洪减灾;防洪调度模拟;三维可视化;纹理映射中图分类号:TV122文献标识码:A1工程区概况2淮河临淮岗洪水控制工程位于淮河干流正阳关以上25km处,集水面积42160km,为Ⅰ等大(1)型工程,正常运用洪水标准为100年一遇,非常运用洪水标准为1000年一遇。100年一遇洪水条件下坝前3设计水位28141m,相应库容8516亿m;1000
3、年一遇洪水条件下坝前设计水位29149m,相应库容121133亿m。临淮岗工程由土坝(主坝)、南北副坝(沿岗堤)、49孔浅孔闸、12孔深孔闸、姜唐湖进洪闸、船闸及上、下游引河组成。临淮岗防洪控制工程与包括城东湖、城西湖在内的各行蓄洪区之间的联合防洪调度是确保淮河中下游防洪安全和最大限度发挥工程防洪效益的重要措施。数学模型为优化选择临淮岗防洪控制工程与行蓄洪区以及控制闸的调度运行方案和模拟各调度方案后果提供了一种技术手段。2洪水演进数值模拟针对临淮岗工程情况,对淮河主干流及各行洪区采用平面二维水流数学模型计算水流流动,淠河和颍河采用一
4、维水流数学模型计算洪水波的传播,在支流入淮河口处采用水位与流量的关系衔接,建立一、二维洪水演进嵌套数学模型。211一、二维洪水嵌套数学模型的建立21111基本方程淮河干流及各行洪区内的二维洪水演进数学模型如下。连续方程:9Z9uH9vH++=0(1)9t9x9y动量方程:收稿日期:2005207226作者简介:李云(1962-),男,江苏高淳人,教授级高级工程师,主要研究方向为水工水力学、通航建筑物、计算机应用等。E2mail:yli@nhri.cn—1158—229uH9uuH9uvH9Z99u99uuu+v++=-fvH-gH+
5、νtH+νtH-g2(2)9t9x9y9x9x9x9y9yC229vH9uvH9vvH9Z99v99vvu+v++=fuH-gH+νtH+νtH-g2(3)9t9x9y9y9x9x9y9yC2式中:H、Z分别为水深和水位(m);u、v分别为x、y向的流速(mPs);νt为紊动扩散系数(mPs);C为谢11P6才系数,C=R,R为水力半径(m),n为河床糙率;f为柯氏力,f=2ωsinφ,φ为计算水域所在地理纬n度,淮河润河集至鲁台子的纬度约为32°25′～32°32′30″,计算时纬度取32°20′,ω为地球自转角速度。淠河和颍河内
6、的洪水演进采用Saint2Ventant方程组进行描述。连续方程:9A9Q+=0(4)9t9s运动方程:229Q9Q9ZQ++gA+gA2=0(5)9t9sA9sK32式中:Z为水位(m);Q为流量(mPs);A为过水断面的面积(m);K为流量模数,K=ACR。21112边界条件对于淮河干流,上边界采用流量条件;下边界采用正阳关-鲁台子水位流量关系,即由计算所得的正阳关水位来确定鲁台子断面流量,作为下游边界的流量条件;对于各行洪区的固定边界采用可滑移边界条件;对于两岸边滩则按动边界来处理。行洪区破口边界采用流量条件,流量由破口宽度、
7、高程、破口时间、堤内外水位等因素按照堰流公式计算进、出行洪区流量。当行洪区发生漫堤现象时,在漫堤处增加单元,与主河道耦合计算,当水位下降至堤顶高程以下时,河道与行洪区自动脱离,取消该耦合单元,分别计算河道与行洪区的水流情况。在支流与淮河交汇处,二维模型采用由一维水流计算得到的流量作为其边界条件,而一维模型则把二维水流计算得到的水位作为其边界控制条件。21113求解方法由于式(1)～式(3)组成的数学模型中含有非线性的混合算子,采用剖开算子法进行[1]离散求解。该数值方法根据方程所含算子的不同特性,将方程剖分为几个不同的子算子方程,而
8、各子算子方程可采用与其适应的数值方法求解。这种方法能有效地解决方程的非线性问题,具有良好的计算稳定性和较高的计算精度。对式(4)、式(5)组成的圣维南方程组,选用特征线解法进行求解。212模型验证临淮岗工程防洪调度数值模拟范围包括淮河
