（水力学及河流动力学专业论文）北大港水库蓄水及洪水实时调度研究.pdf

中文摘要 中文摘要 天津市洪涝灾害频繁，同时，南部地区严重缺水，为了统筹解决这两个问题 提出天津市洪水资源化。天津市南系河网洪水资源化的实现主要有两种途径：一、 当南系逢丰水年时，将南系洪水存蓄到北大港水库以达到汛期洪水非汛期使用的 目的。二、当南系逢枯水年而北系逢丰水年时，将北系洪水南调入北大港水库， 从而实现雨洪资源的高效利用。 本文应用一维河网非恒定流模型对天津市南系蓄水和洪水调度进行数值模 拟。模拟的工况包括：五年一遇洪水、十年一遇洪水、二十年一遇洪水和五十年 一遇洪水。计算得到各工况下北大港水库的蓄水量、蓄水过程和南系洪水的实时 调度方式。 应用一维河网非恒定流模型进行北水南调西线调水数值模拟。模拟工况包 括：调水流量q = 3 0 m 3 s 和q = 5 0 m 3 s 。计算结果为两工况下姚塘子扬水站的扬水 过程和北大港水库的蓄水量和蓄水过程。 南系蓄水和洪水调度数值模拟中，考虑了海河横贯天津市区的特殊地理位 置，只有二十年一遇洪水和五十年一遇洪水工况海河才参与泄洪，借以冲刷海河 河道并分担独流减河的泄洪压力。本文在进行洪水调度过程中亦考虑了天津市设 计洪水、中小洪水调度方案，提出海河西河闸、二道闸和防潮闸的较优联合调度 方式，并将海河最终水位控制在合理范围，避免了海水上溯。 关键词：洪水资源化；北大港水库；蓄水量；实时洪水调度；一维河网非恒定流 模型 a b s t r a c t a b s t r a c t f l o o di sf r e q u e n ti nt i a n j i n ，s o u t ho ft i a n j i ni ss e v e r es h o r to fw a t e ra tt h es a m e t i m e ，i no r d e rt or e s o l v eb o t ho ft h ep r o b l e m s ，f l o o d w a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o ni sa l l e f f e c t i v ea p p r o a c h t h e r ea r et w ow a y sc a r lb r i n gf l o o d w a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o ni n s o u t ho ft i a n j i nt os u c c e s s if i r s t ，w h e nt h es o u t ha r e ae n c o u n t e r e day e a rt h a tf u l lo f w a t e r , t h e n ，s t o r a g et h ew a t e ri n t h eb e i d a g a n gr e s e r v o i r s e c o n d ，w h e nt h es o u t h a r e ae n c o u n t e r e day e a rt h a ts h o r to fw a t e rb u tt h en o r t hi sf u l lo f w a t e r , t h e n ，c h a n n e l t h ef l o o d w a t e rf r o mt h en o r t ht ot h es o u t h w a t e rs t o r a g ea n df l o o dd i s p a t c hi ns o u t ho ft i a n j i ni sm o d e l e du s i n gn u m e r i c a l m o d e lo fr i v e rn e t w o r ku n s t e a d yf l o w t h ew a t e rs t o r a g eo fb e i d a g a n gr e s e r v o i ra n d t h eo p t i m a lm o d eo ft h er e a l t i m ef l o o dd i s p a t c ha r es t u d i e du n d e rf o d rk i n d so f b o u n d a r yc o n d i t i o n s t h ew e s tl i n eo fc h a n n e lw a t e rf r o mt h en o r t ht ot h es o u t hf o rt w oc o n d i t i o n si s m o d e l e du s i n gn u m e r i c a lm o d e lo fr i v e rn e t w o r ku n s t e a d yf l o w i tp u tf o r w a r dt h e w o r k i n gm o d eo fy a o t a n g z ip u m ps t a t i o na n dt h ew a t e rs t o r a g eo ft h eb e i d a g a n g r e s e r v o i r , w h e nm o d e l i n gr i v e rs y s t e mi ns o u t ho ft i a n j i n ，h a i h er i v e rp a r t i c i p a t i n gi n f l o o dd i s c h a r g eo n l yi nt w oc o n d i t i o n sf o ri t s s p e c i a ls i t u a t i o n ，i no r d e rt ow a s h i n g o u tr i v e r sa n dr e d u c i n gf l o o dd i s c h a r g ep r e s s u r eo fd u l i u j i a nr i v e r t h eo p t i m a lj o i n t o p e r a t i o n so ft h et h r e eg a t e so i lh a i h er i v e ra r eo b t a i n e dc o n s i d e r i n gs c h e m eo ff l o o d d i s p a t c hi nt i a n j i n k e yw o r d s ：f l o o d w a t e rr e s o u r c e su t i l i z a t i o n ；b e i d a g a n gr e s e r v o i r ；w a t e rs t o r a g e ； r e a l t i m ef l o o dd i s p a t c h ；n m n e r i c a lm o d e lo fr i v e rn e t w o r ku n s t e a d y t l o w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：皇脚 签字日期：坷年7月工于同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞表堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孙砩 签字日期：姗年r 月廿同 二 一 导师签名： r f1 签字日期：溯一年，月书日 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 第一章绪论 海河流域位于温带半湿润半干旱的季风气候区，降水量少，年际变化大， 年内降阿集中，空间分布不均，面临着洪水威胁和水资源严重短缺的问题。历 史上，海河曾多次出现过大旱大涝、连旱连涝、旱涝交替的现象，水旱灾害频 繁严重。从2 0 世纪5 0 年代起，海河流域经过几次大规模的开发治理，防洪工 程建设有很大发展，初步形成了以水库、堤防、蓄滞洪区组成的防洪工程体系， 常遇洪水基本得到控制。但随着经济发展与人口增加，用水量剧增，防洪工程 带来的负作用也逐渐突现：由于上游水库过量拦截径流，导致下游河道干涸， 湿地、湖泊萎缩，河道行洪能力降低；由于地表水源枯竭或污染，加重了地下 水超采及地面沉陷、海水入侵等问题川。 天津市属于资源型严重缺水地区，全市人均水资源占有量仅有1 6 0 m 3 a ， 全市平均产水模数1 5 2 1 0 4 m 3 k m 2 。按资源承载力理论分析，远远低于世界资 源研究所确定的水资源“数量压力”指数临界标准( 1 0 0 0 m 3 a ) 和“空间压力” 指数临界标准( 2 0 1 0 4m 3 k m 2 ) ，仅有f 临界标准的1 6 和7 6 。除了水资源总 量不足外，还有一些不利因素，如：天津市水资源的时空分布不均，各河系径 流同丰同枯以及水污染等，更加剧了水资源的紧缺局面。一旦遇到特枯年份或 连续枯水年，就严重影响人民生活和社会生产。为了抵抗干旱，就不得不牺牲 环境用水、降低生活质量、大量超采地下水、破坏生态环境。从而，致使地下 水位降落漏斗不断发育，水位埋深大于8 0 m 的面积己占天津市总面积的1 6 ， 水位埋深大于4 0 m 的面积已占1 2 。目前，天津市“有河皆干、有水皆臭”，生 态环境严重恶化。虽然现在天津的入境水量已经完全不同于5 0 6 0 年代的水 平，但在洪水治理与利用方面仍受传统模式的影响，一旦遇到丰水年或偏丰年 就弃掉数量可观的水量，实在可惜口j 。 水患是我市的自然灾害，本市严重缺水是我市亟待解决的资源环境问题。 天津市洪水资源化是统筹解决二者的有效途径。洪水资源化，是指在不成灾的 情况下，尽量利用山区水保工程、水库、拦河闸坝、自然沣地、人工湖泊、地 下水库等蓄水工程拦蓄洪水，以及延长洪水在河道、蓄滞洪区等的滞留时间， 恢复河流及湖泊、洼地的水面景观，改善人类居住环境，最大可能补充地下水 第一章绪论 【3 。洪水资源化简单地讲就是实现由灾害水向资源水和环境水的转化i 。洪水 资源化的目的是通过人与洪水和谐共处的实现，减轻洪水灾害：利用洪水资源， 缓解我市 = f 趋紧张的水资源供需矛盾，实施我市水资源的可持续发展战略。 实现洪水的资源化，要求汛期不仅要做防洪调度，还要做水量调度，使洪 水资源得到充分利用。对用于下游补源和灌溉的洪水，防洪调度和水量调度要 紧密联系、相互兼顾1 5 】。研究洪水资源化，即要研究洪水预报调度，又要研究 引蓄洪水资源，才能做到驾驭洪水，并在对抗和利用洪水资源时具有主动性。 目前，国内外有关洪水资源化的研究不多，但洪水资源化已经成为符合当 今时代发展的个热门话题，它以人与自然的和谐发展为主题，许多国家已经 颁布了各项有关洪水资源化的政策并加以实施。我国也已经积极开展了洪水资 源化的实践工作并初见成效。 1 2 课题的研究意义 洪水资源化具有崭新的时代性，是治水理念更新的产物，是经济社会发展 的客观需要，是新时期治水理论指导下的实践，是与时俱进、开拓创新的结果， 是针对传统水利、传统做法而提出的，是兴利与除害结合、防洪与抗旱并举在 新时期的一个具体体现。洪水资源化就是从我国实际情况出发，按照新时期治 水思路和理念，全过程、全方位、多角度地转变“入海为安”的思想，统筹防 洪减灾和兴利，综合运用系统论、风险管理、信息技术等现代理论、管理方法、 科技手段和利用工程措施，实施有效洪水管理，对洪水资源进行合理配置，在 保障防洪安全的同时，努力增加水资源的有效供给，维系良好生态，为全面建 设小康社会提供有力的防洪抗旱支撑1 6 j 。 今天提出洪水资源化概念并非偶然，有其历史的必然性。 ( 1 ) 干旱缺水十分严重，据统计我国年缺水量3 0 0 4 0 0 亿m 3 ，每年农田受 旱面积2 0 0 0 万公顷，全国6 6 8 座城市中有4 0 0 座供水不足，1 1 0 座严重缺水， 2 0 0 0 多万农村人口饮水困难。干旱缺水不仅影响农业、而且影响工业，不仅影 响农村、而且影响城市，不仅影响生产、而且影响生活，甚至造成河道断流、 湖泊干涸、地面沉降，一些地区生态环境的恶化，威胁人类生存，已成为国民 经济发展和社会进步的重要制约因素。 ( 2 ) 经济社会可持续发展对水的需求是全面的提升，不仅是量的增加，更是 供水的保证率、均衡性以及符合要求的水质的提高。经济社会发展与良好生态 环境要协调发展。据预测，2 0 3 0 年我国城乡用水总量将达7 0 0 0 8 0 0 0 亿m 3 ， 第一章绪论 接近实际可能利用的水资源量( 约8 0 0 0 9 5 0 0 亿m 3 ) ，供需矛盾突出并将长期 存在。用传统的思路、办法解决不了我国水资源短缺问题。 ( 3 ) 开发利用洪水资源是有潜力的，据统计分析，全国江河平均每年入海水 量约为2 1 3 2 l 亿m 3 ，1 9 9 8 年全国入海水量为2 1 3 2 1 亿m 3 ，且主要集中在汛期 以洪水形式入海，如1 9 9 8 年长江大通站最大3 0 天洪水量2 2 3 】亿1 7 1 3 流入东海。 ( 4 ) 经济实力的增强、科学技术的进步、人员素质的提高、治水理念的变化 等，使洪水资源化成为可能。总之，洪水资源化是经济社会发展所需要的。 1 3 洪水资源化的主要途径 洪水资源化的主要途径有： ( 1 ) 通过水库蓄水将汛期洪水转化为非汛期供水。水库是调节水资源分配 的重要工程措施，适当拾高水库的汛限水位，可多蓄汛期洪水增加水资源可调 度量，可以用于下游城市供水和农田灌溉。 ( 2 ) 利用洪水输送水库和河道中的泥沙和污染物将洪水作为调沙用水和驱 污用水，“大水带大沙”。另外在洪水发生时，还可以利用洪水冲刷河道污染 物，由于洪水的冲刷与稀释自净作用，受洪水影响的水系，水质普遍会得到明 显改善，洪水的环境效益显著。 ( 3 ) 将汛期洪水用于补源和灌溉如可以弥补湿地水源不足和地下水源不足 等：同时还可以引洪水灌溉1 7 j 。 1 4 我国洪水资源化的实践与成效 我国洪水资源化的实践经验【6 j 主要包括以下几方面： ( 1 ) 充分利用汛期洪水，进行流域水量的配置。自2 0 0 0 年实施塔里木河调 水以来，在加强全流域水量统一调度的同时，充分利用丌都河汛期来水较多的 时机，通过博斯腾湖拾高水位、拦蓄洪水，4 次集中向下游尾阊输水，使塔河 下游再现生机。黑河分水也是利用汛期发生洪水、水量较大的时机，全线集中 闭口向下游输水，沿线生态再现生机。 ( 2 ) 利用汛期发生洪水的时机从干流引水。黑龙江省连续两年在汛期引调嫩 江洪水，向扎龙湿地补水。吉林省2 0 0 3 年组织实施了向向海、莫莫格等五大湿 地补水，从第二松花江、嫩江引蓄洪水l o 5 8 亿m 3 ，有效保护湿地，维系了生 态环境。 第一章绪论 接近实际可能利用的水资源量( 约8 0 0 0 9 5 0 0 亿m 3 ) ，供需矛盾突出并将长期 存在。用传统的思路、办法解决不了我国水资源短缺问题。 ( 3 ) 丌发利用洪水资源是有潜力的，据统计分析，全国江河半均每年入海水 量约为2 1 3 2 1 亿m 3 ，1 9 9 8 年全国人海水量为2 1 3 2 1 亿r n 。，且主要集中在汛期 以洪水形式入海，如1 9 9 8 年长江大通站最大3 0 天洪水量2 2 3 l 亿1 1 1 3 流入东海。 ( 4 ) 经济实力的增强、科学技术的进步、人员素质的提高、治水理念的变化 等，使洪水资源化成为可能。总之洪水竖源化是经济社会发展所需要的。 1 3 洪水资源化的主要途径 洪水资源化的主要途径有： ( 1j 通过水库蓄水将汛期洪水转化为非汛期供水。水库是调节水资源分配 的重要工程措施，适当拾高水库的汛限水位，可多蓄汛期洪水增加水资源可调 度量，可以用丁下游城市供水和农田灌溉。 ( 2 ) 利用洪水输送水库和河道中的泥沙和污染物将洪水作为调沙用水和驱 污用水，“大水带大沙”。另外在洪水发生时，还可以利用洪水冲刷河道污染 物，由于洪水的冲刷与稀释自净作用，受洪水影响的水系，水质普遍会得到明 显改善，洪水的环境效益显著。 ( 圳备汛期洪水用于补源和灌溉如可以弥补湿地水源不足和地下水源不足 等：同时还可以引洪水灌溉 7 1 。 1 4 我国洪水资源化的实践与成效 我国洪水资浦化的实践经验 6 1 主要包括以下几方面： ( 1 ) 充分利用汛期洪水，进行流域水量的配置。自2 0 0 0 年实施塔里木河调 水以来，在加强全流域水量统一调度的同时，充分利用丌都河汛期来水较多的 时机，通过博斯腾湖拾高水位、拦蓄洪水，4 次集中向下游尾闾输水，使塔河 下游再现牛机。黑河分水也是利用汛期发生洪水、水量较大的时机，全线集中 闭口向下游输水，沿线生态再现生机。 ( 2 ) 利用汛期发生洪水的时机从干流引水。黑龙江省连续两年在汛期引调嫩 江洪水，向扎龙湿地补水。吉林省2 0 0 3 年组织实施了向向海、莫莫格等五大湿 地补水，从第二松花江、嫩江引蔷洪水1 0 ，5 8 亿m 3 ，有效像护湿地，维系，生 地补水，从第二松花江、嫩江g i 蓄洪水l o 5 8 亿m 3 ，有教保护渝地，维系了生 态环境。 箱一章绪论 ( 3 ) 跨流域配置洪水资源。2 0 0 1 年7 月，淮委组织实施了“引沂济淮”应 急调水，即将沂沭泗流域应东调人海的洪水从骆马湖南卜，调入淮河水系低于死 水位的洪泽湖，进湖水量6 亿m 3 ，不仅为抗旱提供了水源，而且改善了湖区水 质，维系了湖区的生态环境。 ( 4 ) 加强管理调度，调蓄洪水，丰水枯用。在2 0 0 3 年防洪调度中，各地改 变“入海为安”的思想，统筹解决水资源问题。淮委在组织淮河防洪、排涝的 同时，在洪水后期即提前考虑水资源问题，协调江苏、安徽两省，将洪泽湖后 汛期控制水位抬高0 5 m ，多调蓄洪水4 1 2 亿m 3 ，还协商江苏、山东两省，提 高南四湖汛末蓄水位0 5 m 。黄委在2 0 0 3 年黄河秋季防洪中，统筹考虑防洪、 泥沙、干旱缺水等因素，在确保防洪安全的前提下，尽可能减少泥沙淤积、努 力拦蓄洪水，对于支流骨干水库联合调度，将刘家峡水库汛限水位抬高2 m ， 两次调整抬高小浪底水库汛限水位，拦蓄洪水11 0 亿m 3 。此外，宁夏、内蒙古 还引洪水5 5 亿m 3 ，恢复湖泊、湿地。长委在2 0 0 3 年汉江秋汛调度中，针对丹 江口水库长期在死水位下运行的情况，在确保防洪安全的前提下，后汛期即将 水位蓄至正常高水位，蓄水1 7 4 亿m 。 ( 5 ) 有计划、主动运用蓄滞洪区分洪，主观上是为减轻干流上洪水的压力， 利于保障全局防洪安全，客观上起到了蓄滞、利用洪水的作用。2 0 0 3 年淮河流 域启用了蒙洼等9 个行蓄洪区，2 0 0 0 年淮河沙颖河启用了杨庄、泥河洼、老王 坡蓄洪区，在发挥防洪保安作用的同时，也起到了地下水回补、湿地保护等作 用。 我国洪水资源化的成效| 8j 包括： ( 1 ) 改善了生态环境。通过向已经干涸或严重缺水的大中型水库蓄水，使得 以往的自然生态环境得以恢复。营造了良好的小气候，有效的防止了土地沙化、 碱化的蔓延，重现久违的生机盎然的自然景观。 ( 2 ) 抑制了湿地、草原的萎缩。通过向湿地引水，8 0 的湿地面积得到了不 同程度的改善，草原退化得到了有效控制和恢复，单位面积产草量有了很大提 高。 ( 3 ) 提高了抗旱保证率。大量的引蓄洪水，有效地缓解了抗旱用水紧张局面， 提高了抗旱保证率。 ( 4 ) 四是渔业生产得以恢复。通过向水库和蓄滞洪区引水，使得渔业生产得 以恢复和振兴，促进了国民经济的发展。 ( 5 ) 有效地补充了地下水资源。通过向水库和蓄滞洪区蓄水，延长了洪水的 滞留时间，有效的补给了地下水，使得地下水位均有不同程度的提高。 第一市绪论 1 5 本文的主要工作 图1 1 为天津市水系图，其中子牙河、大清河、海河、独流减河为南系蓄 水和洪水调度数值模拟中包括的河流；北运河( 土门楼) 至西河与独流减河为北 水南调西线调水中包括的河流。 图1 i 天津市水系图 本文的主要工作是应用一维河网非恒定流模型进行南系蓄水和洪水调度数 值模拟和北水南调西线调水数值模拟。 第一市绪论 南系蓄水和洪水调度数值模拟的计算工况包括：五年一遇洪水、十年一遇 洪水、二十年一遇洪水和五十年一遇洪水。解决的主要问题包括： ( j ) 各频率洪水作用下的姚塘子扬水站的扬水过程及北大港水库蓄水量和 蓄水水位变化过程。 ( 2 ) 模拟南系河网中的进洪闸、节制闸和防潮闸的较优联合调度方式，即洪 水的较优实时调度方式。当边界条件为二十年一遇洪水和五十年一遇洪水时， 海河参与泄洪，泄洪过程应与天津市设计洪水、中小洪水调度方案相符合。海 河在低水位下运作并避免海水上溯。 天津市北水南调西线调水数值模拟的计算工况包括：凋水流量q = 3 0 m 3 s 和 q = 5 0 m 3 s 。解决的主要i ；7 题是应用一维河网非恒定流模型计算出两种调水方案 下北大港水库的蓄水量和姚塘子扬水站的扬水过程。 1 6 小结 天津洪水灾害频繁并且属于资源型严重缺水的城市，为了统筹解决以上两 个问题，提出天津市洪水资源化。本章介绍了洪水资源化的国内外研究现状和 主要实现途径以及我国洪水资源化的实践经验和成效。 针对天津市南部地区严重缺水，提出解决天津市南部地区的两种途径即本 文研究的主要内容：一、南部地区为丰水年时，在合理进行洪水调度的同时， 将洪水经姚塘子扬水站扬水入北大港水库，计算出北大港水库在各工况下的蓄 水过程和蓄水量。二、当南部地区逢枯水年，而北部地区水源丰沛时，将北部 地区洪水南调入北大港水库，计算出姚塘子扬水站的运作过程和北大港水库的 蓄水量和蓄水过程。 苎三量苎查笙型 _ 一。 2 1 自然地理 2 1 1 地理位置 第二章基本资料 天津市位于华北平原的东北部 11 9 1 9 7 k 1 1 1 2 ，其中山区面积7 2 7 o k m 2 2 1 2 地形、地貌 北靠燕山，东临渤海。全市总面积 平原区面积1 1 1 9 2 7 k m 2 【9 1 。 地形北高南低，北部山区海拨一般在1 0 0 5 0 0 m ：平原地区地势平坦，高 程一般在3 5 m 。l 。u 区与平原之间无明显的丘陵过渡地带。平原区内多沣地， 这些洼地作为分滞洪区，部分沣地用以蓄水。滨海区地势低平，排水不畅【9 】。 2 1 3 地质 北部山区属燕山纬向构造体系，南部平原属新华夏构造体系。平原区次级 单元有：唐山隆起和冀中拗陷，沧县隆起和黄骅拗陷。山区以泥灰岩、凝灰质 砾岩为主。平原区沉积复盖厚，为海陆交互沉积9 1 。 2 2 气象 2 2 1 气候 本市气候属温带季风型大陆性气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春季 干旱多风，秋季气候凉爽。年平均气温11 1 1 2 3 。c ，1 月份平均气温一3 9 5 7 。c ，7 月份平均气温2 5 6 2 6 4 。c 【9 | o 2 2 2 降水量 降水量由北向南递减，多年平均降水量北部山区7 5 0 8 0 0 m m ，北部平原 区6 0 0 7 0 0 m m ，南部平原区5 5 0 6 0 0 m m ”。 第二章基本资料 2 2 3 蒸发量 蒸发量由北向南递增，多年平均水面蒸发量，北部山区1 0 0 0 m m ，平原区 1l o o m m 9 1 。 2 3 河流水系 天津市位于海河流域下游，河流分南、北两大水系。本次数值模拟中包括 的南系河流有：大清河、子牙河、独流减河、海河。 2 3 1 大清河 发源于太行山东麓，分南、北两支。北支为白沟河水系，上游拒马河在张 坊以f 分为南、北拒马河，北拒马河至东茨村附近纳琉璃河，小清河后称白沟 河，至白沟镇与南拒马河汇流，以下经新盖房分洪道和大清河入东淀。南系为 赵王河水系，支流均t e a 白洋淀，白洋淀以下经赵王新渠、大清河入东淀。东 淀以卜- 分别经独流减河、海河干流入海。流域面积4 5 1 3 l k m 2 ，其中平原面积为 2 6 3 2 4 h n 2 。支流上已建有6 座大型水库一j 。 2 3 2 子牙河 由滹沱河和滏阳河两大支流组成，两河在献县汇流称子牙河。流域面积 6 1 5 5 6 k m 2 ，其中山区面积3 0 9 4 3 k m 2 。滹沱河上建有岗南和黄壁庄水库；滏阳河 的支流上建有临城、朱庄、东武仕等大型水库。子牙河原来经杨柳青在天津市 区， 入海河干流，1 9 6 7 年由献县丌辟子牙新河，子牙河洪水直接入海；杨柳青 ( 西河闸) 以下子牙河( 西河) 成为大清河的尾闽河道【9 j o 2 3 3 海河 自子牙河与南运河交汇处，即金钢桥以下称海河，全长7 2 公罩，横贯天津 市区、东丽区、津南区于塘沽区汇入渤海湾。海河在历史上是北运河、永定河、 大清河、子牙河和南运河的入海尾闾。六七时年代海河流域治理后，永定河、 子牙河和南运河分别另辟入海通道。海河上游、中游、下游分别建有西河闸、 二道闸和防潮闸【9 1 。 第二章基本资料 2 3 4 独流减河 独流减河属大清河水系，始挖于1 9 5 3 年。原西起进洪闸，东至万家马头。 1 9 6 8 年经过独流减河的扩建，上游增建了新进洪闸，加高增厚了堤防，延伸河 道至入海口处，建工农兵防潮闸，全长7 0 公罩，扩建后设计流量3 2 0 0 m 3 s 。 2 4 水闸 水闸是种低水头档水兼泄水的水工建筑物。一般都拦河兴建，枯水时期 利用闸门拦蓄水量，抬高闸上水位，调节流量i 洪水时期则打开闸门，宣泄洪 水，避免水闸上游河道洪水位过分雍高危及河道两岸的安全。 2 4 1 西河节制闸 西河节制闸位于西青区杨柳青镇，建于1 9 5 8 年。主要功能为泄洪、排沥、 蓄水。汛期主要承泄大清河和子牙河洪水入海河，旱季闭闸，为海河保水。当 闸下水位高于闸上水位时，可小开度、小流量为上游子牙河沿岸农田引水灌溉。 该闸设计流量1 1 0 0m 3 s ，校核流量1 2 6 0m 3 s 。1 9 6 3 年大水，该闸经历了严峻 的考验，最大过闸流量高达1 6 2 0m 3 s 。闸底板高程一3 5 9 m ，闸门顶高程7 o l m ， 共有6 孔，单孔净宽1 0 n ，闸墩厚度1 2 m ”】。图2 1 为西河节制闸及其所在断 面示意图。 1 0 e b t 4 蝉2 蜒0 。2 。4 e 2 4 2 海n - - 道闸 海河二道闸主要任务是汛期泄洪，平时，保证闸上蓄水、闸下通航，设计 流量1 2 0 0 m 3 s ，历史上最大过闸流量为1 0 0 4m 3 s 。闸门为直立平面钢闸门， 闸墩厚度2 m ，中i n j6 孔高9 m ，宽l o r e 。两侧边孔高6 + 9 m ，宽1 3 5 m 。闸门顶 柚帅 闸? 黼盎酮 酏 帖 第二章基本资料 i 2 ，4 3 海河防潮闸 海河防潮闸主要承泄海河上游洪水及天津市区、沿途农田沥水，并承担挡 潮、蓄水、通航等任务。闸门为双扇平板钢闸门。共8 孔，高5 5 m ，宽8 m 。 闸门顶高程3 4 1 m ，闸底板高程7 5 9 m ，共8 孔，单孔净宽8 m ，闸墩厚度1 8 m 。 海河闸自建成以来，工程效益显著，曾于1 9 5 9 、1 9 6 3 、1 9 6 9 年顺利泄洪入海， 其中1 9 5 9 年8 月1 9 日最大泄量达2 0 4 0 m 3 s ，1 9 6 3 年大洪水时，泄量达1 6 9 8 m 3 s 。 竣闸已多次经受风暴潮的袭击，其中1 9 8 5 年8 月】9 目闸下高潮位达3 9 2 m ， 1 9 9 2 年9 月1 日高潮位达4 5 5 m ，闸门顶过水，历时5 小时，造成上游2 号翼 墙倒塌i l 。图2 - 3 为海河防潮闸的结构及所在断面示意图。 e 4 2 一 e0 一 群2 蟮 一4 - 6 - e 1 0 1 1 戳潮缢 泓戮 澄 幽 绻 艮 0如岫6 08 01 0 01 2 0 位置【m 1 幽2 3 海河闸 第一章击l ；奉资料 2 4 4 独流减河进洪闸 独流减河首端进洪闸为新、旧两闸。该闸主要承泄大清河、子牙河洪水。 旧闸建于1 9 5 3 年，设计流量为8 4 0m 3 s ，建成后，曾经历了1 9 5 4 、1 9 5 6 、1 9 6 3 年大洪水的考验，其中，1 9 5 4 年8 月2 日最大泄量达1 3 7 0 m 3 s ，1 9 5 6 年最大 泄量达1 1 5 6 m 3 s ，t 9 6 3 年最大泄量达1 2 2 0 m 3 s 。新进洪闸建于1 9 6 9 年，设计 流量为2 3 6 0 m 3 s 。独流减河进洪新闻共分2 5 孔，单孔净宽1 0 m ，闸墩厚度o 7 m ， 闸门顶高程3 ，2 7 m ，中孔共2 3 孔，闸底板高程一0 5 3 m ，边孔有2 孔，闸底板高 程0 4 7 m 。独流减河进洪旧闸共8 孔，单孔净宽1 3 6 m ，闸墩厚度2 m ，闸门顶 高程6 6 1 m ，闸底板高程2 1 l m 。图2 4 为独流减河进洪新旧闸及所在断面示 意图。 2 4 5 工农兵防潮闸 位置t m l 图2 4 独流减河进洪闸 工农兵防潮闸位于大港区独流减河入海处，建于1 9 6 7 年。设计流量3 2 0 0 m 3 s ，校核流量4 6 6 0m 3 s 。该闸主要承泄大清河洪水及汛后蓄水。1 9 7 4 年，大 港电厂建成后，又为电厂提供冷却水源【”i 。图2 - 5 为工农兵防潮闸及其所在断 面示意图。 位置c m l 图2 5l 农兵防潮闸 第= 币皋奉资料 2 5 水库 北大港水库位于天津市东南部地区，东临渤海，距入海口6 公里。北大港 水库历史上为蓄水洼淀。1 9 5 4 年建港，主要承泄大清河、南运河入海洪水，并 兼顾蓄水灌溉和养鱼植苇。自1 9 6 5 年在港内开发石油和开挖子牙新河而停止蓄 水。1 9 6 9 年大清河治理时，独流减河从港内穿过，将港区分为港、河两大部分。 为解决我市自备水源，蓄泄兼筹，1 9 7 4 年3 月开始对独流减河以南港区的四嗣 堤进行加高加固，并修建蓄、引、排水配套工程，1 9 8 0 年建成北大港水库。北 大港水库担负着防洪以及为工农业生产和城市生活供水等多重任务，同时在南 水北调规划中作为调蓄水库。多年来为我市的经济发展发挥了较好的社会效益 和经济效益。 该库为大型平原水库，围堤总长5 4 5 1 l m ，设计堤顶高程7 9 m ( 8 5 高程， 下同) ，币常蓄水位5 4 1 m ，相应库容5 0 亿m 3 ，水面面积1 4 9 万公顷。 历史上北大港水库属自然洼淀的一部分，水量丰沛，曾是各种水鸟栖息的 地方。春天到候鸟从南方远途迁徙到此繁衍生息，说明北大港水库地区对天津 市的生态环境产生着重要影响，北大港水库具有重要的生态环境价值，现已被 列入“天津大港古泻湖湿地自然保护区。”因其独特的地理条件，赋予它特有的 作用，作为水利工程同时它也承袭了前身自然湿地的功能，在天津地区有着不 可替代的环境和生态作用。 近几年来，由于天津市严重缺水，尤其是天津市南北部水量分配具有北多 南少的特点，导致位于天津市南部地区的北大港水库无法正常蓄水，水库及周 边的生态环境遭到严重破坏，为此，如何为北大港水库多蓄水以恢复其生态环 境成为今后的研究重斛1 0 】。图2 - 6 为北大港水库的水位库容关系曲线。 1 目 宝 镩 世 高程( m ) 图2 - 6 北大港水库水位一库容关系曲线 第二章幕本资料 2 6 扬水站 姚塘子扬水站用于从独流减河南槽向北大港水库扬水。总装机容量为 6 3 0 0 k w ，总扬程分别为6 7 9 m 和6 3 7 m ，总提水流量为7 8r n 3 s 。共有3 0 台机 组，每台机组功率分别为2 2 0 k w 和2 0 0 k w 。前池底高程3 5 9 m ，运作最低水位 一1 5 9 m 0 1 。图2 7 为姚塘子扬水站的泵效率曲线。 2 7 小结 幽2 7 姚塘子扬水站泵效率曲线 本章介绍了天津市的地理位置及地形、地质和气象特点，介绍了北大港水 库蓄水模拟包括的河流、水库和扬水站的基本情况，以及北大港水库的位置、 库容和现状。近年来由于天津市严重缺水，北大港水库无法正常蓄水，严重影 响了水库及周边环境，使得原本是各种水鸟栖息地的北大港水库，生态环境遭 到了严重的破坏。 第三章一维河阿非恒定流模型 第三章一维河网非恒定流模型 河道、渠道中过水断面上的流量q 、平均流速v 以及水位要素z 等水力要 素随时间f 不断变化的流动称为明槽非恒定流。 3 1 模型的基本方程及定解条件 3 1 1 基本方程 描述一维非恒定流运动的圣维南方程组为： 水流连续方程：掣+ o _ 2 _ 0 ：q ( 3 1 ) 动量守恒方程：百a q + 昙卜等 + 鲥罢+ g 裂= 。 c 。圳 式中：a 为过水面积 q 为流量；q 为单位长度旁侧入流量，也可以是降 水或下渗单宽流量；”为糙率系数；r 为水力半径；z 为水位；a 为动能修证 系数；g 为重力加速度。 3 1 2 定解条件 c t ，初始条件 丢甚：；i ：! 三甚暑j 即在计算开始时刻( f 。) 给定计算断面的水位z 和流量q 。 ( 2 ) 边界条件 可以采用下边界水位过程与上边界的流量过程；或给出上下边界断面的水 位流量关系血线。 z ( x ，】。= z ( o ，) q 0 ，f 1 一= o ( x ，f ) 或z ( x ，仇：。= z ( x ，) 或9 g ，f 】，：。= 厂亿x ，f ) ) 第三章一维 t 网非恒定流模型 3 2 河网汉点计算原理 在实际的洪水演进的计算过程中，往往都会涉及到河网计算的问题，只涉 及到条河流的工程问题很少。所以河网计算在实际工程中具有十分重要且普 遍的意义。其计算原理依据连续性方程与动力方程。计算分为非恒定流与恒定 流问题。其连续性条件为： q = a v ( 3 - 3 ) 非恒定流对任意两个断面1 、2 有： z ，+ 器毛+ 篆2 也。+ 砖警搬 。， 恒定流列任意两个断面有： z l + 研q i = z z + ( 3 5 ) 式中z 为水位、q 为流量，爿为断面面积，y 为 断面平均流速，h ；。为1 - 2 两断面间的水头损失，而 7 ”2 吉詈嬲为惯性水头。 该河网中有五个直河段( i ) ，( i i ) ，( 1 1 1 ) ，( i v ) ( v ) ，共划分有1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 图3 1 河网示意图 1 0 ，1 1 ，1 2 ，1 3 ，1 4 个断面。按通常定义，汊点是两条或两条以卜的河段的交 汇点，有时也可将边界点作为汉点处理。 那么，该河段中有、两个汊点。其中未知量为五个流量q i ，q ，q m ，q ， q 。和1 4 个断面的水头。 有四个外边界点，它们分别对应于1 ，6 ，9 ，1 4 断面。 任意两个断面的水位差z 】2 可写作： 心w = z ，一z ：= l 去l 去一玄j + 砭8 1 2 ：7 l 踢一卧z 或写作 厶z 。= i q 。i q ( 3 6 ) 第三章一维河网非恒定流模型 其中，= 去( 去一去 + ； 去+ 去卜：，称为阻力系数，即支直河段平均 的阻力系数。1 - 2 河段平均的阻力系数，可按下式平均计算： 对于一个子河段c 的两端断面i ，j ，可写为： a z = z , - z ，= i 去 专一去 + 垒2f l 上k , 2 + 击惟搬圳圳q 。 对顺直河段，其阻力损失计算中有平均的意思，如何平均往往有不同的做 法，有断面中水力要素的平均，流量模数的平均等等。 反之，若以水位差z 表示流量q ，则有： q ，= r z ， ( 3 7 ) 式中_ = 1 鲁，称之为，直支河段传导系数，或称之为虚流量系数。 o l a z ，| ，( 刁，有6 个水位未知数，5 个流量未知数，共1 1 个， 而有5 个河段水头损失方程及2 个交汇汊点流量方程共有7 个方程。再加上上 游已知流量和下游三个水位共4 个方程。故，方程总数与未知数是封闭的，故 问题可解。 以水位和虚流量，乙表示五个河段流量如下： q c ，= 】，c ，z t ，q 。= y z q ”“= y ( 。zc “，q - 魍- - ) 2 】，t j 厄) az ( j q 2 y ( 一zc 虽然其中乙只包含了大量几何参数，但也包括顺直河段各小段所有断面参 数信息与糙率变化。由于水位差与流量是非线性关系，k 还包含乙。在内。 对于两汊点支河进出流量代数和为零，进流量为正，出流量为负。 汊点：q 一q ( ，q m 一0 汉点：q ”“q ，qc 一固5 0 采用m o n t e c a r l o 法中的随机游动( r a n d o mw a l k ) 法，用随机方法解确定 性问题。 根据汊点连续性条件，将汉点流量关系以水位差表示，有： 汉点：y j z 1 一y ( _ z 一y ( x ，z 【训= 0 挚 1 i m 第三章一维河唰非恒定流模型 汉点( j ：y 。x j z 州，一y 。z 【，一，rr ，z 。 = o 汉点( 寸中以z 。+ 为未知数。 y - ( z z ) 一，r 一) ( z 一z ) 一y ；( z 一z t ，) = o 所以y ，z + yc 一z + y zc 一，一( y c ，4 - y t j + 】，) zc ， 式中令匕= y - 4 - y t _ 固+ y - ，从而有z t ，= ( y z + j ，z + ，州u ，五一) 匕。 令p 。，= 】，。圪，p 。，= n 垣k ，pc 一= r 。r 。为转移概率。p 一，为点向 点的转移概率，而p 。，则是点向点的转移概率，它们在数值上是相等的， 在计算数学中称之为“贡献”，有了这些“贡献”或“转移概率”，也就有了周 围点对于( _ ) 点的影响，或者说，由点以什么概率向周围转移。 因此，可以得到如下的代数方程： z 一= p z 十p z + p t 。z t z = p ”一，曲z t 。4 - p c 。z + p 。固z 转移概率p ( 。，p 。 等，称之为影响系数f ，它具有如下特征： n 只= 1 , 0 只l ( 3 8 ) l = l 转移概率尸，包含了直河段的阻力及在汉口各支的权值大小。因此可以简单 的把上式写作： z ( 女) = 尸( ，t ) z ( ，) ( 3 9 ) 将z 。带入z 。有：z 。= p 。z + p 。z 4 - p 扪z 4 - p 、。z + p 。蛔z 1 ( 卜p 。) ( p ”w ，) 式中汉点( 刁与汊点之间两个转移概率p 。，与p ”。是有区别的，因为两个汊 点计算转移概率时用到： l ( 一) = y ( i ) 十y ( i i ) + r ( 1 1 1 ) k ( 二) = 】，( ) + y ( v 卜y ( ) 此时，z ，z ，z ，z 为外边界点，当外边界点，水 位( 或流量) 已知及各转移概率已知时，内部汊点的z 。是可以直接求出的。从 而z ，。也可以求得。 有了z r l ，z e ) 之后，连接两汊点的z 4 = z 5 = z ，= z ( ) ， z 。= z 。= z 。：= z ( ：，各支直河段流量q ( j 。) ，也不难按下式求出： q 。= z 。 第三章一维河阿非恒定流模型 有了支直河段流量之后，就可以推求得到支直河段中，各个子断面的水位。 经过这一过程，就求得各个断面的流量、水位值。得到第一次迭代的结果 由于河流中各个断面不断变化，糙率也难于事先确定的很准确，计算过程 需要反复多次迭代试算，才可能满足边界条件的要求。 3 3 圣维南方程组的差分格式 应用四点偏心格式对圣维南方程进行离散，图3 - 2 为隐式差分格式中的 p r e i s s m a n n 四点偏心格式网格图。 图3 - 2p r e i s s m a n n 隐格式网格 隐式差分法在求解后一瞬时的未知值时，需联立求解一组方程。从上游到 下游各点同时求出。隐式差分格式为无条件稳定，一般来说，隐式格式用于变 化比较缓慢的水流，如江河的洪水演进计算等。用p r e i s s m a n n 四点偏心差分格 式对圣维南方程进行离散得： 差分格式 m 一= 罢1 + ，? + 1 ) + 半( 瑶。+ ) 芸z 昙1 + 1 ) + 1 - ，0 ，一) 望。虹l ：互：! 二鲤- ：型! o t 2 a r 基本方程及差分方程为： 丝+ 上丝：o ab0 x 署+ ( 鲥一等 芸+ z 署署= 第罢l = 一糍 用曼宁公式代入式中阻力项： ( 3 1 0 ) ( 3 1 1 ) 笫三章一维河刚非恒定流模型 其中 g l q i q ? - l 2 9 l q i o b 们“一例 把上式代入( 3 - 1 0 ) 、( 3 - 1 1 ) 得： 口1 ，z i h c h q + 1 + 口l ，z 茄1 + c j ，q ：1 = 8 h a 2 1 z i 川+ 2 2 1 q 制一a