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基于FLOW3D的山丘区小流域山洪演进三维数值模拟研究分析

2021-10-08 81 上传者：管理员

摘要：由于山洪灾害涉及气象学、水文学、水力学及动力学等多个学科,在演进机理研究方面还不够全面。为研究山洪灾害演进机理,以毛公洞小流域为例,借助FLOW3D软件进行三维数值模拟,建立了河道两岸300m范围内实体地形三维数值模型,对山洪灾害暴发的动态过程进行了模拟计算,在此基础上分析了山洪灾害演进机理,该结果对后续山洪灾害成灾机理及演变分析具有一定的参考意义。

关键词：
FLOW3D
小流域
山洪灾害
机理
演进
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山洪灾害防治是我国防汛工作的短板，也是各学者高度关注的研究领域[1]。随着丘陵地区人口的不断增长以及气候变化引起的局部强降雨频率和强度的增加，相关研究越来越受到国际社会的高度重视。各学者对洪水的模拟均开展了一定的研究，刘昌军[2]针对小流域暴雨山洪精细模拟问题，提出了小流域时空变源混合产流模型，以小流域为单元构建了暴雨山洪分布式模拟模型。朱呈浩[3]比较了不同泄流计算方法的优缺点及适用范围，改进泄流计算并构建了城市雨洪模型。熊俊楠[4]利用重庆市1950～2015年历史山洪灾害数据，采用平均中心、标准差椭圆、核密度分析和M-K突变检测等方法分析了重庆市历史山洪灾害时空分布规律，并在此基础上分析了山洪与各影响因素的相关性。

近十年来，我国进一步加大了山洪灾害防治力度，初步建成了适合我国国情的山洪灾害防御体系[5]，山洪灾害防治技术体系实现了从无到有的突破，在防灾减灾中发挥了重要作用。但由于山洪问题涉及气象学、洪水水文学、冲刷与泥沙输运力学、水力学及动力学等多个学科，目前在机理研究方面对其认识不够全面和完善[6]。为了弥补资料获取困难、物理模型试验受模型和实验条件限制等问题，数值模拟是研究山洪的有效手段[7]。由于山洪暴发涉及因素较多，成因较复杂，目前该方面的模拟软件相对较少，主要有MIKE、FLOW3D等。本文采用FLOW3D数值软件，基于动量方程、能量方程，进行Navier-Stokes方程求解，RNGk-ε湍流模型对方程进行封闭[8]，采用VOF方法处理自由面，通过有限体积法（FVM）对方程进行离散，对水流进行分析。

1、研究区概况

毛公洞小流域位于江西省宜春市靖安县中源乡合港村（中心坐标E114.952559,N28.848591），流域面积约5.53km2，在两山之间形成一条山洪沟，沟道长约1.84km，主河道比降较大，平均坡降i=9.6%，小流域影像如图1所示，山洪沟现场断面如图2所示。本流域是暴雨区，短历时暴雨强度较大。强降雨常发生于每年5、6月份，24h最大暴雨一般在200～400mm，一次降雨一般在300～500mm，最大超过800mm。

根据山洪灾害调查评价成果，沿河两侧村庄防洪年限均低于20年一遇，受影响人口达450余人[9]，同时20世纪70年代靖安县九岭欣荣钨矿落户于此。由于该区域降雨相对集中，每年汛期都发生不同程度的山洪灾害；降雨引起的山洪多年冲刷以及人类活动，在沟道内形成一条山洪沟，对沿河村民人身安全和钨矿作业区造成严重威胁[10]。

1998年6月该处发生较大山洪灾害，11日开始连降暴雨，持续到25日结束，马脑背站最大3h降雨118mm，最大6h降雨202mm，洪水量大、峰高。根据现场调研及走访，本流域自20世纪50年代以来，特大洪水年份有1968年、1982年、1998年、2002年等，洪水多由峰面雨造成。

根据项目所处区域，查询《江西省暴雨洪水查算手册》（2010年版），获取其降雨参数如表1所示，参照水力计算手册[11]计算其20年一遇的设计洪水如图3所示，山洪沟水位流量关系如表2所示。

2、数值模拟

2.1FLOW3D模型简介

FLOW3D模型是由FlowScience公司开发的三维流体力学软件。与其他的流体动力学软件不同，FLOW3D软件有其独特的自由流体表面跟踪算法（VOF），能够追踪液-液或液-固交界面并结合有限差分法求解三维N-S方程，可采用多网格体的方法进行建模[12]。FLOW3D可以将STL文件直接导入，便于建立模型，软件功能强大；能够模拟复杂的物理现象，包括对空气模型、冲刷模型、自由表面流、各种流、凝固和融化、固体颗粒运动等复杂物理现象的模拟；还可将整体结果直接导入支持的绘图软件中，实现实时连续结果。该模型在理论上能较为全面和精细地反映河道三维流场，运行结果更接近于实际，因而广泛应用于水利、水工结构、水环境等的三维流体仿真领域[13]。

2.2控制方程

FLOW3D模拟采用笛卡尔坐标系，其主要控制方程包括连续性方程，动量方程，紊动能K方程和耗散率ε方程[14]，具体如下：

动量方程：

紊动能K方程：

紊动能耗散率ε方程：

式中：t为时间，s;xj为坐标分量，m;ui为速度分量，m/s；ρ为密度黏性系数；μ为分子黏性系数；μt为紊流黏性系数，它的数值由紊动动能k与紊动耗散率决定；αk和αε分别为k和ε所对应的紊流普朗特数；Gk为紊动动能产生项，

2.3模型构建

FLOW3D建模的三维模型分为两部分。首先，以毛公洞小流域的地形数据建立数值模型，地形范围为5km×4km，网格数量采用760万个，毛公洞小流域高程图如图4所示；再将DEM数据经过预处理后，转换为FLOW3D模型可识别的STL格式，生成下垫面的三维模型，模型结构分两层，最上层为疏松层，厚度约5m，下层为基岩层（将一个多孔介质上层叠加在不渗水的基层岩上）；最后将其导入FLOW3D后，再精确放置在实际的位置即可。

过程中，用到的两个主要模型是质量源模型和多孔介质模型。本文定义这个多孔介质层为上层表面液体的来源（即通过土体中均匀涌出水来模拟降雨）。较低一层为基岩层，流体不仅渗透到上层和可渗透层，也出现对流现象/纳维斯托克斯行为。一旦可渗透层饱和之后，表层水在地表运动，表层水的翻滚导致了峡谷中海拔较低处凶猛的洪水。

2.4参数设置

由于山洪暴发涉及因素较多，国内外多考虑降雨为主，因此，本章假设其他参数不变，把降雨量作为山洪灾害防治非工程措施的预警指标，分析不同降雨条件下的山洪发生过程，进而探讨其适用性。过程中，采用多孔介质模块模拟降雨，将降雨强度转化为单位面积的流量，以雨水落地后的径流过程模拟山洪暴发的过程[15]。

2.4.1边界条件设置

本数值模拟中设置了固壁不滑移（壁面边界条件）、自由表面和出流三种边界条件，具体边界条件如下：

(1）自由表面边界条件。本文中的液体本身没有任何运动，自由液面是空间与水的交界面，在边界条件中，空气对流体的作用也要考虑。因此边界条件可取为：P=Pa（即为大气压力），并且要求在该表面上速度分量沿法向的梯度为0，表面切应力为0。本文数值模拟的边界条件设置中，上部表面采用自由表面边界条件。

(2）固壁不滑移边界条件。一般在在实际情况中，流体与模型底部直接接触，不会穿过这些材料向下渗透或者运动。在FLOW3D软件中，提供的固壁不滑移（wall）边界条件恰好满足了要求。在此边界上流体法向速度为0，本文中数值模拟底部边界条件的设置中，将模型底部均设为固壁边界。

(3）出流边界条件。水流自由让流体自由通过出流边界，而不造成对计算区域内流场的影响。由于本文模拟的是降雨引发的山洪暴发，模型四周需要水流自由进出边界恰好满足了要求。本文中数值模拟四周边界条件的设置中，将模型四周均设为出流边界。

2.4.2试验工况

计算过程中，设置土的孔隙率参数为0.40，阻力系数为100，根据相关文献[16]中河床糙率的推荐值：两岸杂草丛生、河中有植被，河床糙率取0.035。本文主要分析不同降雨时的山洪现象，有3种工况，工况一：135mm/min；工况二：13.5mm/min；工况三：1.35mm/min（如图5）。

3、仿真结果分析

3.1工况一计算结果

本次模拟时间120s，初始水位为37m。当降雨量强度为135mm/min时，由计算结果可知，降雨随着时间增加区域内计算点水深总体呈上升趋势，但是也存在特异性，在t=60s到t=90s，水深出现微弱回落趋势，主要是由于水流的粘滞性，在此时间段，上游水流具有一定的流速，对计算点附近的水流冲击、携带的作用使其流动，导致局部的水深出现回落现象。在t=100s左右时，水深明显，主要是降雨随着时间的持续，流域内水流在流域出口处汇集（计算点处），使得水深明显升高。在t=100s到120s左右，水流出现微弱的回落，主要是由于100s左右时，水流汇集，使局部水深急剧升高，但是随着流速稳定，水流的粘滞力及携带作用，使水深在短时间内微辐回落。由此可知在降雨条件下山洪的形成过程是，山洪水深先上升，后出现微辐回落，再上升后回落，呈周期性上升的特点。

3.2工况二计算结果

由计算结果可知，降雨强度减弱后，区域内水深较降雨强度大时更低，但是水深随着降雨的持续呈周期性增长的规律与前者相似。在此工况下，也具有其特异性，与降雨强度较大的工况相比，此工况没有出现水位的急剧升高，水位上升较缓和，主要是由于降雨强度明显减弱，水流流量不大，汇集后水位并没有急剧上升。

3.3工况三计算结果

从计算结果分析得出，降雨强度从13.5mm/min降至1.35mm/min，由于存在初始水深，随着时间增加，区域内水深都小于初始水深，且水深呈周期性变化。主要是由于水流具有粘滞性，上游水流的汇集对计算点范围内水流冲击，携带流入下游，导致水深短暂的降低。在持续来水及降雨的情况下，水位变高，水深加深又回到初始水深左右，如此反复呈周期性的变化。但是随着时间的推移水流逐步稳定，水深最终稳定在一个范围内。

4、结论

(1）采用FLOW3D，利用多孔介质模块，模拟不同降雨条件的山洪演进，得出演进结果如下：(1)降雨强度较小时，随着时间增加，上游水流的汇集对计算点范围内水流冲击、携带后流入下游，使得水深降低。随着时间增加，最终水深达到稳定。(2)随着降雨强度增加，水深随着降雨的持续呈周期性变化，与降雨强度小时相比，监测点位水深增加，山洪的流量增大。(3)当降雨强度大时，流域的水位呈周期性上升，在上升期间也会有短暂的回落，当水流汇集后，水深急剧升高。

(2）由于三维模型模拟范围增大后网格数过多，计算时间太长，本研究仅涉及河道两岸300m范围内的山洪演进模拟。今后的研究应结合其他二维水动力模型，开展更大范围的、甚至整条流域的山洪演进研究。

参考文献：

[1]丁留谦，郭良，刘昌军，等.我国山洪灾害防治技术进展与展望[J].中国防汛抗旱，2020,30(Z1):11-17.

[2]刘昌军，文磊，周剑，等.小流域暴雨山洪水文模型与水动力学方法计算比较分析[J].中国水利水电科学研究院学报，2019,17(4):262-278.

[3]朱呈浩，夏军强，周美蓉，等.雨水口泄流计算对城市洪涝模拟结果影响研究[J].水力发电学报，2019,38(8):75-86.

[4]熊俊楠，李进，朱吉龙，等.重庆市山洪灾害时空格局及影响因素研究[J.地球信息科学学报，2019,21(10):1550-1564.

[5]尚全民，吴泽斌，何秉顺，等.2020年山洪灾害防御工作实践与思考[J].中国水利，2021(03):17-19.

文章来源：易建州,杨培生,许小华.基于FLOW3D的山丘区小流域山洪演进三维数值模拟研究[J].江西水利科技,2021,47(05):317-322