王学超，梁士奎，叶 飞

（华北水利水电学院，河南郑州 450045）

河流系统模拟是预测河流或水库在自然或人为条件下河床冲淤变化及水流、水沙、水环境等要素变化的重要手段．目前，用于河流系统模拟的较成熟的软件主要有丹麦的Mike、荷兰的Delft、美国的SMS等，但这些软件的兼容性不是很好，通用化程度较低．InfoWorks RS是英国Wallingford公司开发的水力学模型专业应用软件，主要用于河网水动力学模型建模和计算．InfoWorks RS软件包括基于事件和概念的两种降雨－径流水文模型，可对明渠河道、漫滩、堤防、水工构筑物等进行完全模拟．该软件采用分布式结构体系，并通过InfoWorks主数据库来统一管理用户数据，既支持单用户应用，也可支持工作组多用户应用，且具有比较直观的图形和用户操作管理界面，可方便地建立河网模型的网络、事件、逻辑控制等．鉴于此，笔者应用InfoWorks RS软件，对郑州常庄水库实现了完整的建模过程．

1 河流系统模拟相关基本方程

一维明渠非恒定流采用的方程为［1］式中：A，Q，h分别表示过水断面面积、流量、断面水位;u为断面流速;Cs为谢才系数．

2 洪水演进模拟

InfoWorks RS软件包含了丰富的水流计算模型，可以很好地进行洪水演进计算．洪水演进模拟计算时，重要的特征就是取水或入流，在模拟时可作为流量边界．水流固有的连续性可以作为解决这一问题的基本方程，用微分的形式可以表示为［2－3］

式中：dS/dt表示蓄水变化量相对于时间的变化率;I为流入量;Q为流出量．

为了方便计算，通常用平均流量的函数来表示上述方程，即［4］

计算中，假设水文曲线在时段Δt内是直线变化的．在选择时间步长Δt时，要保证水文过程线的所有重要特征不受影响，特别是演进计算的时间周期必须要小于河道内洪水波的传播时间．

3 建模基础资料

采用InfoWorks RS软件来建立河流系统的数字化仿真模型，需要以下基础资料．

1）河流系统几何资料．包括建立河流系统的地形图、模拟计算的河段长度、各典型断面的数据信息（如该断面上任一点的三维坐标）、典型断面之间的间距、河床的糙率、河流的收缩或扩散损失系数、河流系统的出流或入流信息、水工建筑物（如桥涵、溢洪道、堰）资料等．

2）河系恒定流资料．包括水流的流态、模拟河段的边界条件、水流的峰流量等．①流态须在用户管理界面上注明．急流水面线曲线从临界水深以下进行计算;缓流水面线曲线从临界水深以上进行计算;如流态从急流过渡到缓流，或从缓流过渡到急流，须按混合流模式进行计算．②在模拟河系的终端（上游和下游）模拟推算急流，边界条件仅用于河系上游端点;对于缓流流态而言，可在河系的下游末端断面设置边界条件;如模拟推算混合流，须在河系的上下游都设置边界条件．要设置的边界条件主要有：初始的水流流速、初始水位等．

3）河系非恒定流资料．包括河流系统内部和外部的边界条件、初始流量和水位等信息．河系所需的边界条件有：渠首断面的水位－流量关系曲线、水位－时间关系曲线、水位－流速关系曲线等．

4 应用实例

常庄水库地处淮河流域沙颍河水系的贾鲁河支河贾峪河下游，坝址位于郑州市西南中原区须水镇王垌村东．水库距河南省省会郑州市城区西环路仅2 km．水库下游有京广和陇海铁路枢纽、310国道、郑洛高速公路、热电厂、柿园水厂及部分重要工矿企业等，防洪位置十分重要．常庄水库设计标准为百年一遇，校核标准为万年一遇．其控制流域面积825 km2，总库容1 740万 m3，兴利库容714万 m3．水库大坝坝顶高程135．74 m，校核洪水位135．34 m，历史最高洪水位128．85 m，兴利水位128．50 m，迁赔高程为130．54 m，死水位119．04 m．

目前，常庄水库观测设施较为陈旧，缺少必要的自动化监控系统．同时，水库管理人员缺乏抢险救灾的经验．因此，对该水库进行校核标准下的洪水下泄过程模拟，建立相应的防洪预案非常必要．通过对常庄水库地形及断面等基础资料的提取，构建了常庄水库洪水演进数字化管理网络模型，如图1所示．

图1 河流系统数字化模型图

对常庄水库校核标准下的洪水下泄过程进行模拟，结果见表1及如图2所示．还可得到水库在校核标准洪水下泄工况下，下游典型断面处出现的溃堤情况、水位高出河堤的分布情况及淹没范围．

表1 各断面最大流量时水力参数（节选）

图2 2000－01－01某断面流量与流速随时间变化曲线

利用这些数据，可以便利地确定工程蓄泄对策及进行堤防、分蓄洪工程决策，可以快捷、有效地管理区域洪水．对减少洪涝灾害的损失、制定防洪预案、及时转移必要的生命财产等都具有十分重要的意义．

5 结语

以常庄水库为研究区域，构建了洪水演进模型，并以此作为应用实例，建立了较为先进的洪水演进管理数字化模型系统．系统演示结果表明，该洪水演进数字化模型系统具有实用性、先进性与灵活性的特点，为河流系统的管理提供了方便的信息化平台．

InfoWorks RS软件功能全面，界面友好，模型运行稳定，在防洪调度决策和河道规划设计中具有广阔的应用前景．而且其完整的解决方案、独特的模型数据组织方式以及支持工作组应用等特点，对类似软件的研发和应用具有良好的借鉴作用，可为复杂条件下的河流系统防洪信息管理、制定相应防洪预案提供信息化的平台．随着我国水利信息技术的快速发展，数字化流域的建设水平也将不断提高，InfoWorks RS软件也必将发挥更大的作用．

［1］芮孝芳，陈界仁．河流水文学［M］．南京：河海大学出版社，2003．

［2］David R Maidment．水文学手册［M］．张建云，李纪生，译．北京：科学出版社，2001．

［3］刘士和，罗秋实，黄伟．用改进的Delaunay三角化方法生成二维非结构网格［J］．武汉大学学报：工学版，2005，38（6）：56 －62．

［4］周成成，李红，罗秋实，等．基于曲线网格的温排水运动数值模拟［J］．武汉大学学报：工学版，2008，41（3）：9 －12．