【文章內(nèi)容簡介】 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(wǎng)格。然后，將控制方程在網(wǎng)格上離散，即將偏微分格式的控制方程轉(zhuǎn)化為各個節(jié)點上的代數(shù)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(yīng)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(wǎng)格節(jié)點很密時，離散方程的解將趨近于相應(yīng)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(yīng)用控制容積法導(dǎo)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(nèi)對空間和時間做積分； （2）選定未知函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)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(shù)值來確定控制容積界面上的被求函數(shù)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(shù)方程。圖4圖4中使用的是三角形控制體積，三角形的質(zhì)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： （324） 針對所有的計算網(wǎng)格，在控制體積P及時間段（時間從到）上對控制方程積分有： （325） 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(3―5)中的瞬態(tài)項變?yōu)椋? （326）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： （327）對于對流項：根據(jù)Gauss散度定理，將體積分轉(zhuǎn)變?yōu)槊娣e分后，有： （328）式中，A是控制體積界面的面積。擴散項：同樣根據(jù)Gauss散度定理，將體積分轉(zhuǎn)變?yōu)槊娣e分后，有： （329）在得到（325）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（328）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（325）變?yōu)椋? （3210）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(shù)、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： （3211） 模型結(jié)構(gòu)1）計算方法 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(jié)構(gòu)網(wǎng)格可以擬合復(fù)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ξ｜t=0=ξ0（x，y），u｜t=0=u0（x，y），v｜t=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(cè)向入?yún)R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(jù)計算區(qū)域以上的產(chǎn)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(jīng)下邊界或側(cè)邊界出流的河流，可按實測水文資料（水位～流量關(guān)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(jù)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(jù)水流無滑動原理，水體在陸地邊界上的切向流速也應(yīng)為零。 MIKE21模型的建立 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(guān)鍵，關(guān)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(wǎng)格需要河段的地形數(shù)據(jù)資料。夾高河段的主槽和灘地的地形數(shù)據(jù)是跟據(jù)黃委會設(shè)計院測繪隊的斷面資料。 區(qū)域邊界的生成及調(diào)整 網(wǎng)格是通過MIKE ZERO的網(wǎng)絡(luò)生成器建立。在網(wǎng)格生成器中導(dǎo)入河段地形邊界數(shù)據(jù)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(zhì)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(dǎo)入夾河灘～高村河段自然邊界如圖31所示：圖31 夾河灘～高村河段邊界 模擬區(qū)域的三角劃分 剖分網(wǎng)格，灘地和主槽采用不同的網(wǎng)格面積，灘區(qū)最大網(wǎng)格面積為110000m2，主槽最大網(wǎng)格面積為25000m2。如圖32所示：圖32夾河灘～高村河段網(wǎng)格剖分圖 剖分好網(wǎng)格后，導(dǎo)入散點數(shù)據(jù)，如圖33所示：圖33散點數(shù)據(jù)導(dǎo)入散點數(shù)據(jù)后，對網(wǎng)格進行插值。如圖34所示：圖34插值最后導(dǎo)出夾河灘～，：圖35夾河灘～高村河段三維地形 初始糙率的設(shè)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(shè)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(shè)為40。計算后保存，該文件為搭建模型所用的糙率文件。如圖36所示：圖36糙率文件 夾河灘～高村河段平面二維數(shù)學(xué)模型的建立打開MIKE 21軟件中的Flood Model FM模塊如圖37所示：圖37 Flood Model模型 下面將設(shè)置每個參數(shù)，具體的設(shè)置過程如下： 1）導(dǎo)入邊界文件（Domain） 導(dǎo)入邊界文件。點擊“Mesh and Bathymetry”，導(dǎo)入邊界文件()，如圖 38所示：圖 38導(dǎo)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39所示。圖39 模型邊界命名 設(shè)定時間參數(shù)（Time），模型的時間步長設(shè)為300秒，一共是100步，設(shè)置時間參數(shù)如圖310所示。圖310 模擬時段的設(shè)置 本次設(shè)計建立的是平面二維水動力學(xué)模型進行洪水演進模擬，不涉及泥沙，所以Module Selection不用設(shè)置。此外，水動力模型參數(shù)設(shè)定（Hydraulic Module）除Bed Resistance(河床糙率)和Initial surface level(初始表面高度)需要導(dǎo)入文件外，其他均按默認值進行設(shè)定。下面簡要介紹進行Initial surface level(初始表面高度)和Resistance(糙率)設(shè)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，如圖311所示。圖 311 河床糙率的設(shè)置 Initial surface level(初始水位)選擇Spatially varying surface elevation，然后導(dǎo)入初始水位高程文件：。如圖312所示。圖312 初始水位的設(shè)置 模型進口邊界條件設(shè)置。展開“Boundary Conditions”子參數(shù)項，點擊與“GaoCun”斷面對應(yīng)的“go to”，在“Type”項選擇“Specified level”，“Format”項選擇“Varying in time,constant along boundray”，如圖313所示。圖313高村邊界條件設(shè)置 模型出口邊界條件設(shè)置。采用同樣的方法導(dǎo)入“JiaHeTan”斷面的數(shù)據(jù)，不同的是在“Type”項選擇“Specified discharge”，如圖 314所示。圖 314 夾河灘邊界條件設(shè)置 展開“Outputs”子參數(shù)項，點擊“New output”項兩次， 點擊“go to”對輸出項進行設(shè)定。對于“output1”，點擊“Output specification”項，“Data”參數(shù)區(qū)內(nèi)的“Field type”選擇“2D”，“ Output format”選擇“Area series”，在“Output file”中，設(shè)置輸出文件。如圖315所示。圖315 結(jié)果輸出文件“output 1”設(shè)置 對于“output2”，點擊“Output specification”項，“Data”參數(shù)區(qū)內(nèi)的“Field type”選擇“2D”，“ Output format”選擇“Point series”，在“Output file”中，設(shè)置輸出文件。在“Point series”參數(shù)區(qū)中的“Map Projection”選擇“NONUTM”，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(guān)，設(shè)置的數(shù)值越小需要的空間越大。 如圖316所示。圖316 結(jié)果輸出文件“output 2”設(shè)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。 模型率定 為了驗證建立好的數(shù)學(xué)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(shè)置的曼寧系數(shù)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(jù)是物模水位。本次畢業(yè)設(shè)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(jù)，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317所示：圖317 水文站分布圖 在建立好的數(shù)學(xué)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318所示：圖318 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(shù)據(jù)，并找到各個測站的水位最大值。操作如圖319所示：圖319 測站坐標設(shè)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(shù)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(shù)；如果數(shù)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(shù)。 經(jīng)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177。，滿足精度要求。結(jié)果如表320所示：表320 夾河灘～高村河段模擬水位與實測水位對比結(jié)果水位站實測值（m）模擬值（m）誤差（m）東壩頭禪房石頭莊榆林青莊最終確定的糙率文件如圖321所示：圖321 最終糙率文件第四章 計算方案及結(jié)果分析 計算工況 根據(jù)數(shù)學(xué)模擬河段的研究任務(wù)、考慮黃河下游河段河道地形特點、河流洪水特點、生產(chǎn)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(shè)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“”典型洪水過程進行模擬。依照洪水條件，按照自然狀況、現(xiàn)狀生產(chǎn)堤兩種邊界條件，進行了不同情況的水流數(shù)值模擬計算。 。 計算工況及邊界條件說明洪水類型邊界條件生產(chǎn)堤處理灘區(qū)處理滯洪灘區(qū)口門位置自然工況廢除自然漫灘＼現(xiàn)狀工況現(xiàn)狀自然漫灘＼ 模擬結(jié)果分析思路 利用黃河下游生產(chǎn)堤對灘區(qū)進行分滯洪，其防洪效果應(yīng)該體現(xiàn)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(chǎn)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(jīng)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(chǎn)堤防洪效果。通過對比分析不同工況下的主槽水面高程，洪水流態(tài)，淹沒面積等模擬數(shù)據(jù)，確定利用生產(chǎn)堤在保護黃河下游河段重要地區(qū)及沿岸灘區(qū)的可行性和優(yōu)越性，評價其防洪效果。 成果分析 來洪時主槽水面高程分析 在現(xiàn)有工況和廢除生產(chǎn)堤工況兩種情況下，禪房、東壩頭、石頭莊、青莊、榆林各個測站在“”洪水洪峰流量下測得的各水面高程比較如表（）： 兩工況下各測站的水面高程比較工況水位測站有生產(chǎn)堤工況無生產(chǎn)堤工況東壩頭禪房石頭莊青莊榆林 由此可得：采用全部廢除主槽兩側(cè)現(xiàn)有生產(chǎn)堤后，這構(gòu)成了黃河下游河槽新的邊界。原生產(chǎn)堤對河槽洪水傳播演進的影響不復(fù)存在，洪水漫灘條件有所改變。模擬計算的洪水水位及漫灘條件與河道現(xiàn)狀生產(chǎn)堤情況相比，有所不同。主要表現(xiàn)在：1）原有生產(chǎn)堤的河段，廢除生產(chǎn)堤使灘唇?jīng)]有阻礙，洪水提前漫灘；洪水漫灘又引起同流量下洪水水位比現(xiàn)狀條件要低一些。2）在沒有生產(chǎn)堤的河段，雖然洪水漫灘條件依舊，但上下游廢除生產(chǎn)堤引起的提前漫灘，也使得同流量下洪水水位比現(xiàn)狀河道水位都要低一些。 灘區(qū)淹沒面積分析 在廢除生產(chǎn)堤工況下，由于洪水自然漫灘，大片的灘區(qū)被洪水淹沒，,% ,其次是淹沒水深在1～% ,剩余部分為淹沒水深大于2m的坑塘及堤溝河區(qū)。 在現(xiàn)有工況下，盡管生產(chǎn)堤對洪水的漫灘過程有一定的阻滯作用，但并