基于二维水动力模型的高陂水利枢纽库区超蓄淹没研究.pdf

摘要

洪水灾害是目前最主要的、影响范围最广的自然灾害。洪水风险具有随机性和不

可抗性，难以避免。上世纪60年代以来，逐渐开展了洪水管理、洪水风险调查、推

行洪水保险等相关措施降低洪灾损失，目前工程措施与非工程措施相结合的防洪减灾

体系建设成为发展趋势。水库作为重要的防洪工程措施，在国民经济的平稳增长和重

大自然灾害防御中具有不可替代的作用，与此同时，大中型水库因洪水超蓄承受了较

大的洪灾风险。在设定的工程防洪标准条件下，探索洪水演进规律，开展超标准洪水

风险分析，是十分必要和迫切的。

本文以韩江高陂水利枢纽为对象，研究水库超蓄产生的淹没问题。在已有数据及

现场调查工作的基础上，建立基于非结构化三角形网格有限体积法的二维水动力模

型，模拟高陂库区30年、50年、100年一遇频率洪水的淹没情况，并进行洪水淹没

风险分析及三维洪水效果展示。

论文主要成果如下：

（1）基于入库洪水水流运动视为浅水流动，由三维Navier-Stokes微分方程推导

出了浅水方程组。对比分析了几种常用的空间离散方法和时间积分方法，发现空间离

散采用基于单元中心的无结构三角形网格有限体积法，时间积分采用Euler向前格式

求解入库洪水二维流动更符合实际，并以此为基础建立了二维水动力模型，模拟高陂

库区30年、50年、100年一遇频率洪水的淹没情况。

（2）采用Villemonte堰流公式方法概化堤防、道路等线状构筑物，精细化模拟

漫堤水量。该方法在一定程度上避免了地形插值过程中构筑物阻水的平滑化、弱化现

象，能有效减少因局部网格加密导致的计算发散问题。

（3）扣除居民迁移线对应范围后，30年、50年、100年一遇洪水的最大淹没范

222

围分别为9.09km、11.43km、13.78km，韩江干流两岸的淹没水深分布在0~14m之

间。

（4）利用数值模型模拟的淹没范围、最大淹没水深、最大流速分布结果作为风

险因素分析库区淹没风险。超蓄时，梅州市大埔县茶阳镇的中心城区、迪麻村、广陵

村等，三河镇的汇城村，大麻镇的社区、附麻村及周边，党溪村塘溪小组受淹比较严

重，淹没范围广水深大，且附麻、塘溪等受淹后无法依靠地形退水，若无泵站等抽水

设施，受灾时长大，加剧洪灾损失。

（5）根据模拟结果，对照广东省水利电力勘测设计研究院的安置点规划信息，

分析规划临时避洪安置点的合理性，并对某些安置点进行重新选点布设。确定了不同

工况下的避洪转移路线，优化了防洪预案。

（6）基于地理信息系统的三维功能，生成三维DEM，并叠加影像信息，构建了

洪水三维可视化展示模型，立体化地展示不同频率洪水的淹没风险，统计了受灾人口

及建筑信息。

本文基于三种洪水工况，构造了地表线性构筑物的精细模拟方法，并在三维平台

上展示模拟效果，对大中型水库超蓄洪灾风险评估与分析具有示范意义和价值，可作

为淹没规律认识、区域防洪规划措施制定的参考。

关键词：高陂水库；二维水动力；超蓄淹没分析；线性构筑物；洪水淹没可视化

目录

1绪论1

1.1研究背景与意义1

1.2国内外研究现状2

1.2.1国内外水动力模型研究进展2

1.2.2国内外洪水风险研究进展3

1.3研究内容与技术路线6

1.3.1研究内容6

1.3.2技术路线7

2模型基本理论和方法8

2.1控制方程8

2.1.1Navier-Stokes方程8

2.1.2浅水方程9

2.2网格方法11

2.2.1网格构成11

2.2.2控制体选取12

2.2.3网格辅助公式13

2.3无结构化网格的空间离散13

2.3.1控制方程离散13

2.3.2界面法向通量计算14

2.4时间积分15

2.5边界条件15

2.5.1闭合边界15

2.5.2开边界16

2.5.3干湿动边界处理16

2.6其他问题研究17

2.6.1初始条件给定17

2.