【正文】 防建設(shè)，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(qiáng)。但是如果任由“二級懸河”的發(fā)展，任由生產(chǎn)堤的加固，槽灘高差的加大，一旦生產(chǎn)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海口造陸、淤積在河道內(nèi)，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(nèi)，河道主槽淤積比例由80年代初的30％增加到70％，河槽嚴(yán)重萎縮，河道排洪能力降低[4]。目前，開封以下河段橫比降達(dá)4‰～5‰，～‰，一旦發(fā)生較大洪水，由于河道橫比降遠(yuǎn)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(chǎn)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(zāi)。5)嚴(yán)重影響洪水傳播和洪水的準(zhǔn)確預(yù)測 黃河下游河道，在目前的邊界條件下，洪水演進(jìn)受生產(chǎn)堤阻隔，斷面縮窄，水位雍高。灘區(qū)漫灘進(jìn)水時間不僅受洪水量的影響，更受生產(chǎn)堤強(qiáng)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(jìn)規(guī)律，對生產(chǎn)堤破口、決口時間、地點，漫灘水量及漫灘水如何演進(jìn)、衰減等都難以預(yù)測，很難準(zhǔn)確地進(jìn)行洪水預(yù)測、預(yù)報，從而帶來較大的測報誤差，進(jìn)而影響到防汛調(diào)度和決策。如“”洪水在花園口～利津河段傳播時間長達(dá)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“”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(dá)2 000m3/s，相對誤差20%，致使本應(yīng)為10100m3/s的孫口洪峰流量，錯報為8100m3/s，嚴(yán)重影響了東平湖分洪的決策和防汛指揮調(diào)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(dǎo)線進(jìn)行的，而生產(chǎn)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(jù)護(hù)灘、保村的原則修建的，很多河段布置違背了河道洪水演進(jìn)的規(guī)律，有的生產(chǎn)堤甚至修建在主河槽內(nèi)，嚴(yán)重干擾了洪水的正常演進(jìn)，造成了河道整治工程條件惡化，易出現(xiàn)較大險情。同時，生產(chǎn)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(chǎn)生活也存在不利影響 生產(chǎn)堤雖然保護(hù)了灘區(qū)群眾免于中小洪水頻繁漫灘受災(zāi)，但對群眾的生產(chǎn)生活也有許多不利影響。主要表現(xiàn)為:漫灘水加重了對灘區(qū)群眾安全的威脅。生產(chǎn)堤決口后水流集中，沖刷力強(qiáng)，對村莊、橋梁、渠道等群眾生活、生產(chǎn)設(shè)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(nèi)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(chǎn)堤而疏于遷安，一旦生產(chǎn)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(qiáng)救命。生產(chǎn)堤口門處粗沙沉淀不利于耕種。 研究的意義 現(xiàn)狀生產(chǎn)堤嚴(yán)重影響防洪和灘槽淤積分布，但廢除生產(chǎn)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(yán)重影響行洪安全的生產(chǎn)堤，～，構(gòu)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(jīng)濟(jì)發(fā)展與分洪安全的結(jié)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(shù)學(xué)模型，依據(jù) “”典型洪水情況，按現(xiàn)狀生產(chǎn)堤和廢除生產(chǎn)堤兩種條件進(jìn)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(jìn)、漫灘的過程及灘區(qū)淹沒程度。通過對模擬結(jié)論的分析，從而進(jìn)一步驗證黃河下游生產(chǎn)堤對灘區(qū)分滯洪的影響以及給出今后對生產(chǎn)堤的管理建議。 研究思路 應(yīng)用平面二維數(shù)學(xué)模型，按現(xiàn)狀生產(chǎn)堤、廢除生產(chǎn)堤兩種條件進(jìn)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(jìn)、漫灘的過程及灘區(qū)淹沒程度。 以平面二維數(shù)學(xué)模型模擬計算成果為基礎(chǔ)，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(jìn)過程等，提出更加合理的生產(chǎn)堤的運用原則、要求和方案。 以平面二維數(shù)學(xué)模型模擬計算成果分析灘區(qū)淹沒狀況及相關(guān)遷安救護(hù)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(jì)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(nóng)民自發(fā)性地逐漸修建生產(chǎn)堤，對灘地農(nóng)田有一定保護(hù)作用，故屢禁屢建。1987～1999年期間，黃河下游河道經(jīng)常出現(xiàn)小水帶大沙的異常來水來沙條件。由于生產(chǎn)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(jìn)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5～10km，最寬處達(dá)20多km。由于下游河道水少沙多，河道淤積嚴(yán)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?jīng)_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(jīng)過多年洪水的考驗，河道整治工程在控導(dǎo)主流、護(hù)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(dǎo)護(hù)灘工程，灘地相對穩(wěn)定。目前此河段灘地面積約519km2，有村莊58個。這一河段灘槽高差較大，一般當(dāng)?shù)睾榉辶髁?000m3/s可漫灘，灘地主要集中在左岸的孟津市、溫縣、武陟縣境內(nèi)，面積廣大，習(xí)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(nèi)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(xiàn)有灘地面積844km2，其中高灘452km2，低灘392km2。高灘土地生產(chǎn)相對比較穩(wěn)定，糧棉單產(chǎn)較高，村莊稠密，有426個村莊。該河段自銅瓦廂決口以來，河槽淤高2m～3m，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(qiáng)烈的堆積狀態(tài)，一般淤高4m～5m，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，是黃河下游的主要削峰區(qū)。有村莊1140個。長垣縣、東明縣的灘區(qū)約占該河段灘區(qū)總面積的42%?，F(xiàn)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(wù)十分艱巨。該河段漫灘機(jī)遇較多，生產(chǎn)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。，有544個村莊。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(chǎn)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(shè)施。第三章 模型的建立與率定 MIKE 21軟件的介紹 MIKE21數(shù)值計算與分析軟件是國際上比較成熟的DHI軟件系列中關(guān)于水動力、波浪和泥沙輸運等模型進(jìn)行潮流場、代表波要素的波浪場和泥沙輸運的數(shù)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(nèi)的應(yīng)用發(fā)展很快，并在一些大型工程中廣泛應(yīng)用，如:長江口綜合治理工程、杭州灣數(shù)值模擬、南水北調(diào)工程、重慶市城市排污評價、太湖富營養(yǎng)模型、香港新機(jī)場工程建設(shè)、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(qiáng)大的前、后處理功能。在前處理方面，能根據(jù)地形資料進(jìn)行計算網(wǎng)格的劃分。在后處理方面具有強(qiáng)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(jìn)行熱啟動，當(dāng)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(shè)置了熱啟動文件，再次開始計算時將熱啟動文件調(diào)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(jìn)行干、濕節(jié)點和干、濕單元的設(shè)置，能較方便地進(jìn)行灘地水流的模擬。 （5）具有功能強(qiáng)大的卡片設(shè)置功能，可以進(jìn)行多種控制性結(jié)構(gòu)的設(shè)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(yīng)用于二維水力學(xué)現(xiàn)象的研究，潮汐、水流、風(fēng)暴潮、傳熱、鹽流、水質(zhì)、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(xué)提供了水動力學(xué)的計算基礎(chǔ)。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(chǎn)生的水流變化。在為模型提供了地形、底部糙率、風(fēng)場和水動力學(xué)邊界條件等數(shù)據(jù)后，模型會計算出每個網(wǎng)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(lǐng)域：l 海岸水文學(xué)和海洋學(xué)l 環(huán)境水文學(xué)l 泥沙傳輸過程l 波浪2）MIKE 21主要應(yīng)用l 河口海岸結(jié)構(gòu)物設(shè)計數(shù)據(jù)的評價l 港口布局和海岸保護(hù)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(jié)構(gòu)物的環(huán)境影響評價l 海上安全操作和航行海情預(yù)報l 沿海洪水和風(fēng)暴潮預(yù)警l 內(nèi)陸洪水及坡面流模擬 模型結(jié)構(gòu) 平面二維數(shù)學(xué)模型的建立 該數(shù)學(xué)模型已在一些復(fù)雜工程中得到成功應(yīng)用，能較準(zhǔn)確地模擬、預(yù)測在修建工程前后計算域內(nèi)洪水演進(jìn)、建筑物過流狀況及河床變形狀況。 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(yuǎn)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(yuǎn)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(jìn)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(yīng)力。本次采用的平面二維數(shù)學(xué)模型綜合考慮洪水演進(jìn)、河床變形等河流演變過程，可以全面模擬計算域內(nèi)水流及河床變形過程。2)控制方程MIKE 21水動力學(xué)模型的主要控制方程為雷諾方程的垂向平均如下：質(zhì)量守恒方程： （321）X方向動量方程： （322）Y方向動量方程： （323）方程中為時間；、為右手Cartesian坐標(biāo)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(dāng)?shù)卮髿鈮海粸樗芏?；為Coriol系數(shù)=，為地球自轉(zhuǎn)角速度，為計算點所處的緯度，一般?。籆為柯西阻力系數(shù)（m1/2/s）；=為風(fēng)摩擦因素函數(shù)，為風(fēng)應(yīng)力系數(shù)，為空氣密度，V為風(fēng)速，、為方向和方向的風(fēng)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(yīng)力項。3）方程組求解 在空間上，由于網(wǎng)格類型為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，采用中心有限體積法對原方程進(jìn)行離散，把整體的計算區(qū)域細(xì)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(fù)的控制體積，并使每個網(wǎng)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(shù)是網(wǎng)格點上的因變量的數(shù)值。為了求出控制體積的積分，必須假定值在網(wǎng)格點之間的變化規(guī)律，即假設(shè)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(quán)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(jié)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(wǎng)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(shù)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(shù)；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(shù)。 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(wǎng)格情況下，也顯示出準(zhǔn)確的積分守恒。 在進(jìn)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(zhì)是對空間上連