【正文】 河段的地形數(shù)據(jù)資料。 MIKE21模型的建立 地形文件的生成 地形處理是建模時(shí)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。如無(wú)實(shí)測(cè)資料，則按附近河道縱坡，以均勻出流考慮。2）初始條件及邊界條件（1）初始條件對(duì)于給定的計(jì)算區(qū)域，在時(shí)間t=0時(shí)，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(jìn)口邊界條件:給出進(jìn)口開(kāi)邊界處的流量過(guò)程（包括上游大河進(jìn)口條件與側(cè)向入?yún)R進(jìn)口條件）：Q（t）=Qopb（t）上式中Qopb 分別為開(kāi)邊界上已知的水位或流速分量以及流量，一般根據(jù)計(jì)算區(qū)域以上的產(chǎn)匯流模型計(jì)算或由實(shí)測(cè)水文資料確定。使用一階迎風(fēng)格式有： （3211） 模型結(jié)構(gòu)1）計(jì)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(duì)原方程進(jìn)行離散，把整體的計(jì)算區(qū)域細(xì)分為非重疊的單元。這樣，方程（325）變?yōu)椋? （3210）這就是在全隱式時(shí)間積分方案下得到的二維瞬態(tài)對(duì)流擴(kuò)散問(wèn)題的離散方程。擴(kuò)散項(xiàng)：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(xiàng)的單獨(dú)表達(dá)式后，還要做兩方面的工作：1）在對(duì)流項(xiàng)中需要引入特定的離散格式（328）中界面物理量、和用節(jié)點(diǎn)物理量來(lái)表示，可用一階迎風(fēng)格式。CFL的計(jì)算公式為： （324） 針對(duì)所有的計(jì)算網(wǎng)格，在控制體積P及時(shí)間段（時(shí)間從到）上對(duì)控制方程積分有： （325） 對(duì)于上式中的瞬態(tài)項(xiàng)，假定物理量在整個(gè)控制體積上均具有節(jié)點(diǎn)處的值，同時(shí)假定密度在時(shí)間段上的變化量極小，則式(3―5)中的瞬態(tài)項(xiàng)變?yōu)椋? （326）在上式中，上標(biāo)表示物理量在時(shí)刻的值，而在時(shí)刻的物理量沒(méi)有用上標(biāo)來(lái)標(biāo)記，下標(biāo)表示物理量在控制體積的節(jié)點(diǎn)處取值。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(jì)算節(jié)點(diǎn)，如圖中的紅點(diǎn)所示。 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(shí)間間隔內(nèi)對(duì)空間和時(shí)間做積分； （2）選定未知函數(shù)及其導(dǎo)數(shù)對(duì)時(shí)間和空間的局部分布曲線，即“型線”（profile）。因此當(dāng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)很密時(shí)，離散方程的解將趨近于相應(yīng)微分方程的精確解。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(gè)節(jié)點(diǎn)上的代數(shù)方程組，然后在計(jì)算機(jī)上求解離散方程組，得到節(jié)點(diǎn)上的解。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。有限體積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對(duì)任意一組控制體積都得到滿足，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域，自然也得到滿足。 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。有限體積法只尋求的結(jié)點(diǎn)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(shí)，必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的分布，這又與有限單元法相類似。簡(jiǎn)言之，子區(qū)域法屬于有限體積發(fā)的基本方法。為了求出控制體積的積分，必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律，即假設(shè)值分段的分布剖面。其基本思路是：將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)控制體積；將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分，便得出一組離散方程。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(duì)原方程進(jìn)行離散，把整體的計(jì)算區(qū)域細(xì)分為非重疊的單元；時(shí)間上采用顯示積分。2)控制方程MIKE 21水動(dòng)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(dòng)量方程： （322）Y方向動(dòng)量方程： （323）方程中為時(shí)間；、為右手Cartesian坐標(biāo)系；為水面相對(duì)于未擾動(dòng)水面的高度即通常所說(shuō)的水位；為靜止水深；為重力加速度。平面二維水流運(yùn)動(dòng)所遵循的基本方程是由三維時(shí)均雷諾方程沿水深進(jìn)行萊布尼茲積分得到，在運(yùn)動(dòng)方程中以混長(zhǎng)紊流模型求解紊動(dòng)切應(yīng)力。 控制方程1)控制方程特點(diǎn) 對(duì)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(lái)表示。在為模型提供了地形、底部糙率、風(fēng)場(chǎng)和水動(dòng)力學(xué)邊界條件等數(shù)據(jù)后，模型會(huì)計(jì)算出每個(gè)網(wǎng)格的水位和水流變化。 水動(dòng)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(dòng)力學(xué)的計(jì)算基礎(chǔ)。 （6）可以定義多種類型的水邊界條件，如流量、水位或流速等。 （4）能進(jìn)行干、濕節(jié)點(diǎn)和干、濕單元的設(shè)置，能較方便地進(jìn)行灘地水流的模擬。在后處理方面具有強(qiáng)大的分析功能，如流場(chǎng)動(dòng)態(tài)演示及動(dòng)畫(huà)制作、計(jì)算斷面流量、實(shí)測(cè)與計(jì)算過(guò)程的驗(yàn)證、不同方案的比較等。 （2）具有強(qiáng)大的前、后處理功能。目前該軟件在國(guó)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(zhǎng)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(píng)價(jià)、太湖富營(yíng)養(yǎng)模型、香港新機(jī)場(chǎng)工程建設(shè)、臺(tái)灣桃園工業(yè)港興建工程等。第三章 模型的建立與率定 MIKE 21軟件的介紹 MIKE21數(shù)值計(jì)算與分析軟件是國(guó)際上比較成熟的DHI軟件系列中關(guān)于水動(dòng)力、波浪和泥沙輸運(yùn)等模型進(jìn)行潮流場(chǎng)、代表波要素的波浪場(chǎng)和泥沙輸運(yùn)的數(shù)值模擬工具。 西河口以下河段。有544個(gè)村莊。此河段已治理成彎曲性河道，河勢(shì)流路比較穩(wěn)定，灘槽高差較大。 陶城鋪至西河口河段。該河段漫灘機(jī)遇較多，生產(chǎn)發(fā)展緩慢。長(zhǎng)垣縣、東明縣的灘區(qū)約占該河段灘區(qū)總面積的42%。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)。該河段長(zhǎng)227m，是銅瓦廂決口改道后形成的河段。該河段自銅瓦廂決口以來(lái)，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。現(xiàn)有灘地面積844km2，其中高灘452km2，低灘392km2。該河段河道長(zhǎng)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”。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(mèng)灘”。 70年代以后，修建了部分控導(dǎo)護(hù)灘工程，灘地相對(duì)穩(wěn)定。由于大河初出峽谷，驟入平原，比降較陡，流速較大。 各河段具體的基本情況[6]： 孟津鐵謝至京廣鐵路橋河段。陶城鋪以下河道的河勢(shì)已得到控制；高村至陶城鋪河段，主流已趨于穩(wěn)定，河勢(shì)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(diǎn)工程，縮小了游蕩擺動(dòng)范圍。由于下游河道水少沙多，河道淤積嚴(yán)重，長(zhǎng)期以來(lái)“善淤、善徙、善決”而著稱于世。 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(dòng)頻繁，為典型的游蕩性河段。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(jí)懸河”。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(lái)水來(lái)沙條件。 以平面二維數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算成果分析灘區(qū)淹沒(méi)狀況及相關(guān)遷安救護(hù)問(wèn)題。 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(jì)算給出了夾河灘～高村河段不同邊界洪水演進(jìn)、漫灘的過(guò)程及灘區(qū)淹沒(méi)程度。 本項(xiàng)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(jì)算給出了夾河灘－高村河段不同邊界洪水演進(jìn)、漫灘的過(guò)程及灘區(qū)淹沒(méi)程度。 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(wàn)人的生存與發(fā)展，地方政府阻力很大。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(shì)較低的堤根，順堤成河，此時(shí)開(kāi)始遷移，道路已斷，僅靠少量渡船外遷只能勉強(qiáng)救命。不利于灘區(qū)種植和土壤改良。生產(chǎn)堤決口后水流集中，沖刷力強(qiáng)，對(duì)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。7)對(duì)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(duì)群眾的生產(chǎn)生活也有許多不利影響。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(xiǎn)情。如“”洪水在花園口～利津河段傳播時(shí)間長(zhǎng)達(dá)369 h，約為多年均值的2倍，為有水文記錄以來(lái)最長(zhǎng)。灘區(qū)漫灘進(jìn)水時(shí)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。由于河槽過(guò)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)。4)河槽萎縮，排洪能力降低 由于黃河上游來(lái)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(lái)黃河沒(méi)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]。3)生產(chǎn)堤的修建加大了黃河防洪的難度 近年來(lái)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(zhǎng)江大水之后，國(guó)家加大了黃河治理力度，按照2000年設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化堤防建設(shè)，將黃河堤防建成“防洪保障線、搶險(xiǎn)交通線、生態(tài)景觀線”，防洪工程的抗洪能力大大增強(qiáng)。生產(chǎn)堤的修建使中、小洪水行洪的寬度大大縮小。 由于河道橫比降遠(yuǎn)大于縱比降，如若中、小洪水生產(chǎn)堤一旦決口就會(huì)形成一條小河直沖大堤。大大增大了生產(chǎn)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。灘區(qū)淤積量的明顯減少，加劇了灘地橫比降的發(fā)展。相反，生產(chǎn)堤的存在對(duì)中小洪水具有一定的約束作用，水流集中，對(duì)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(huì)有所增強(qiáng)。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(chǎn)堤存在與否對(duì)河道沖淤及灘地橫比降的影響不大。河南蘭考縣、山東東明縣114個(gè)村莊、近12萬(wàn)人被洪水圍困，而蘭考段，恰恰是“二級(jí)懸河”最為嚴(yán)重的河段之一。 在“二級(jí)懸河”形態(tài)下，河槽外高于灘面4米～6米，內(nèi)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(shì)變化，易出現(xiàn)橫河、斜河，增大了“沖決”和“潰決”的危險(xiǎn)。上個(gè)世紀(jì)90年代以來(lái)，由于氣候干旱、來(lái)水減少及人類對(duì)黃河水資源的過(guò)度利用，黃河河道輸沙用水被大量擠占，進(jìn)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(shí)，黃河下游灘區(qū)群眾在河道內(nèi)普遍修筑生產(chǎn)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(chǎn)堤內(nèi)的主河槽里，加劇了“二級(jí)懸河”的發(fā)展。近幾年調(diào)水調(diào)沙清水下泄，防止了漫灘分水，取得了良好的沖刷效果。有了生產(chǎn)堤，能夠防止中小洪水漫灘，有效地沖刷河道，即束水攻沙。減小河道流量，相應(yīng)降低了水流挾沙能力，不利于沖刷河道與輸沙入海。有了生產(chǎn)堤，將延緩洪水進(jìn)入灘區(qū)的時(shí)間，增加群眾外遷的時(shí)間。(2)增加了大水來(lái)臨前群眾外遷的時(shí)間。(1)減輕了中小洪水漫灘對(duì)群眾生活的影響。 生產(chǎn)堤的積極作用及危害 生產(chǎn)堤的積極作用1）保護(hù)了灘區(qū)群眾生產(chǎn)和生活 黃河下游灘區(qū)是群眾賴以生產(chǎn)和生活的重要場(chǎng)所，也是群眾最直接最根本的利益所在。1974年國(guó)務(wù)院制定了“從全局和長(zhǎng)遠(yuǎn)考慮，黃河灘區(qū)應(yīng)迅速?gòu)U除生產(chǎn)堤，修筑避水臺(tái)，實(shí)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(mén)和各級(jí)政府的共同努力下，生產(chǎn)堤破開(kāi)了進(jìn)水口門(mén)，到1993年，破口門(mén)長(zhǎng)度已達(dá)生產(chǎn)堤長(zhǎng)度的半數(shù)。 黃河灘內(nèi)最早的生產(chǎn)堤是沿黃群眾為保護(hù)耕地、村莊，自修自守的土堤，它一般逼近黃河，為單個(gè)村或鎮(zhèn)所建，一般為獨(dú)立的、封閉的村堤、村堰，沒(méi)有連成長(zhǎng)堤。沿黃兩岸保護(hù)灘地的生產(chǎn)堤，早些年一般頂寬為2～3m,高度為2～4m。20世紀(jì)80～90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。用來(lái)保護(hù)農(nóng)田和居住地，生產(chǎn)堤的修建的確給灘區(qū)的群眾在生產(chǎn)及生活方面帶來(lái)了一定的益處，使原本每年都要遭受淹沒(méi)之苦，變?yōu)橹挥杏龅蕉嗄暌挥龅妮^大洪水時(shí)才能漫灘。所以本文就對(duì)生產(chǎn)堤存在的利弊，研究它對(duì)防洪的影響，在確保群眾利益的同時(shí)，減小防洪難度。生產(chǎn)堤的存在一方面保護(hù)了耕地、村莊和灘區(qū)，另一方面也在特定的來(lái)水來(lái)沙條件下，提高水流挾沙能力。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和需要，他們?cè)邳S河兩岸大量修建了生產(chǎn)堤。 numerical simulation。 flood protection。為了維持黃河河槽活力，協(xié)調(diào)人河關(guān)系，抑制二級(jí)懸河發(fā)展，黃河下游河道生產(chǎn)堤的治理方案是比較適宜的。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(gè)測(cè)站的水面高程及洪峰流量下的淹沒(méi)面積。3）學(xué)習(xí)MIKE軟件，建立夾河灘～高村河段的平面二維數(shù)值模型。經(jīng)整理分析得到該課題題目的來(lái)源及研究的意義。本文以?shī)A河灘～高村河段為研究區(qū)域,利用DHI公司開(kāi)發(fā)的MIKE21軟件，建立平面二維數(shù)值模型,對(duì)現(xiàn)狀生產(chǎn)堤和廢除生產(chǎn)堤兩種工況條件進(jìn)行典型頻率洪水演進(jìn)的模擬。黃河