一维坡面流动的基本理论及数值模拟研究

本文提出了有细沟和集中水流的坡面上地表流动的一维动力渡模型及运动波模型．对两种模型求出了数值近似解。在不同的净雨强及细沟宽度下求得的坡面出流过程表明，当坡面上有细沟存在或短时段暴雨净雨强较大时，运动渡模型所给出的坡面水力要素的结果与动力波模型相比有较大的差异，对坡面水力侵蚀的理论计算精确度将产生不可忽略的影响。     

基于全水动力模型的流域雨洪过程数值模拟

为精确模拟流域降雨成洪过程,该文引入了一套基于二维动力波方法的耦合了水文及水动力过程的数值模型。模型采用二阶Godunov格式的有限体积法来保证计算精度并采用GPU加速技术提高了运算效率。通过模拟理论流域、试验流域和实际流域的雨洪过程,发现对于特征简单的小流域及地形复杂范围较广的实际流域,模型模拟流量过程、洪峰流量及水位过程与已有解析解或实测结果吻合度均较高。同时应用GPU加速技术有效解决了动力波方法计算量大的问题,在PC机上仅用了51 min便完成了具有56万个计算单元的研究流域内一场16 h洪水过程的模拟计算。可见该模型是研究流域雨洪过程的理想工具,能够为洪水形成机理的研究及洪涝灾害管理工作提供技术支持。     

基于一维运动波理论的坡面汇流和沟道汇流数学模型研究

一维运动波理论常用于坡面汇流和沟道汇流的模拟,根据坡面汇流和沟道汇流的特点,采用不同形式的运动波控制方程组来分别描述坡面汇流和沟道汇流过程。采用Mac Cormack格式开发了坡面汇流模型,采用线性离散和非线性离散的显式有限差分格式开发了沟道汇流模型,通过3个典型的算例对各模型进行了验证。验证结果表明,开发的沟道汇流模型是成功的;空间步长的尺度对数值解精度有较大影响,步长越小,数值解精度越高;在沟道汇流模型中,线性求解和迭代求解两种方法的计算结果基本一致。     

基于二维浅水方程的城市地面洪水演进数值模拟研究

探究城市内涝灾害数值预报对城市的防洪减灾及灾害评估具有重要意义。基于三角形非结构网格,采用Godunov型有限体积法建立了一个高精度的二维浅水水动力数值模型。该模型使用Roe格式计算界面通量,可以较好地捕捉洪水的动边界运动,模型将静水压力项放入源项中,减少了由于地形底坡项带来的数值解伪震荡。该模型对动边界以及负水深处理技术进行了改进,能够有效提高模型模拟的精确度和静水和谐性。在应用3个算例对模型进行率定的基础上,将模型应用于浑河、太子河之间浑太胡同区域的地表洪水演进的模拟中。结果表明:浑太胡同内洪水演进的水深、流场变化均较为合理,组合溃堤各水深淹没面积均为最大,模拟结果很好地验证了城市区域雨洪的流动演变过程,证明该模型可以用于复杂地形的城市由降水形成的暴雨积水及地表洪水演进模拟过程,模型可快速为城市防汛减灾提供积水情况及涝情信息。     

扩散波洪水演算研究进展

扩散波方程是通过忽略动力方程中的惯性项后与连续方程联立求解而得，经大量的实践证明不失为一种既具有足够精度又相对简单的洪水演算方法。近３０年来，该方法有了显的发展，中对扩散波方程的导出进行了比较全面的回顾，重点介绍了扩散波方程在各种条件下的解，对采用扩散波来近似进行洪水演算所造成的误差也作了简要的回顾，在此基础上分别进行了若干的评述。     

基于水动力模型的土地利用格局对流域雨洪过程的影响研究

为了定量分析不同土地利用对流域雨洪过程的影响,建立流域雨洪水动力数值模型,模拟了王茂沟流域不同土地利用情景方案的地表径流过程,对比流域洪峰流量削减程度。结果表明：在重现期为2、10、50、100 a一遇降雨条件下,对于不同土地利用情景方案,林地的位置对径流量影响较大;林地位于流域坡面下部时,对洪峰流量的削减作用最大;降雨重现期越长,林地位于流域坡面下部的削峰效果越好。该研究结果在优化流域内土地利用方案规划等方面具有重要意义。     

用人工神经网络反演扩散波方程

本文通过对人工神经网络与传统扩散波洪水演算方法的一致性研究，提出利用神经网络反演线性扩散波模型的方法，探索从一种新的角度研究洪水波运动传播特性的途径。本文利用断面实测洪水流量资料，应用神经网络对其进行训练，根据网络连接权值辨识扩散波方程的参数，并依据扩散波差分方程预测河道下游断面的流量过程。应用实例表明该方法的模拟精度满足要求，模拟效果良好。说明采用神经网络方法辨识出的扩散波模型能较好地描述洪水波的运动规律，而且，这将极大地扩展人们研究洪水波传播规律的手段和方法。     

具有捕捉激波能力的一维溃坝波及孤立波爬坡数学模型

该文基于浅水方程(SWE)和扩展的Boussinesq方程建立了一维溃坝波演变及波浪爬坡显格式数学模型,该模型能够计算不同时刻及不同地段洪水在波浪演进过程中的水深和流速等.模型采用有限体积法离散方程和应用带有四阶精度的HLL格式的近似Riemann解计算界面的通量,且能够精确的捕捉干湿界面的动边界问题,在计算中静水压力被放入源项中,摩阻项和植物拖曳力项采用隐式离散的方法来增加计算的稳定性.采用建立的数学模型对溃坝波越过三角障碍物、溃坝波爬坡及无植物和带有植物的孤立波爬坡等典型算例进行模拟,结果显示该模型具备较好的精度、守恒性、捕捉间断和模拟动边界的能力,故该模型对于溃坝水流的预测以及海岸带岸坡的设计和防护等方面具有重要的应用价值.     

应用二维数值方法模拟蓄滞洪区洪水运动

针对蓄滞洪区内洪水运动的特点,对二维浅水方程的守恒形式进行非结构离散,建立了 高精度的数学模型。该模型通过Roe格式的近似Riemann解计算界面数值通量,采用数值重构的 方法获得时空二阶离散精度。通过方形溃坝算例和超临界流算例验证了该模型具有较高的数值精 度和可靠的稳定性,能够捕捉水面间断和处理干滩问题。应用该模型对胖头泡蓄滞洪区的溃堤洪 水进行了数值模拟,结果表明,该模型很好地模拟了溃堤洪水在蓄滞洪区内的运动过程,所得结 果可以为防洪决策提供依据     

坡面径流阻力计算模式对比研究

坡面流是污染物迁移、土壤侵蚀、泥沙输移的主要动力因素,阻力系数是影响坡面流模拟的重要参数。为比较三种阻力计算模式(阻力系数为常数、以淹没度为变量的Lawrence模型和阻力分割模型)在裸坡、砾石覆盖坡面、植被覆盖坡面三种常见坡面上的适用程度,本文建立了坡面降雨径流模型,对不同类型坡面的产流进行了模拟。坡面径流模型采用扩散波模型,坡面降雨入渗模型采用考虑坡度影响的Green-Ampt模型,当存在植被时,考虑冠层降雨截留损失。结果表明:在裸坡上,三种阻力计算模式均适用;而在有砾石覆盖和植被覆盖的坡面上,考虑阻力系数时空变化的阻力分割模型模拟精度最高。阻力系数对坡面径流流量的影响在坡面汇流的涨水与退水阶段较大,而在稳定阶段很小。对有植被覆盖坡面,降雨强度存在阈值,大于阈值时,不同阻力模式对坡面流模拟结果影响甚微;反之,需选择合适的阻力计算模式,且坡长越长,坡度越缓,降雨强度阈值越大。     

Numerical Models for the Simulation of Overland Flow in Fields Within Surface Irrigation Systems

Discharges in a network of drainage ditches generated by intense rainfall are influenced by overland flow dynamically interacting with infiltration. Therefore a detailed estimation of the overland flow, especially in agricultural fields prepared for surface irrigation, is essential to the design of drainage ditches. In order to simulate overland flow, which in that case may be considered unsteady and one dimensional, numerical models were developed based on the numerical solution of the Saint-Venant equations, externally coupled with the Green-Ampt equation to account for the dynamic interaction between surface flow and infiltration. The numerical solution of the Saint Venant equations in their complete form (dynamic model) and in the simplified forms of the diffusion (diffusion model) and the kinematic wave equations (kinematic model) was obtained by applying the MacCormack explicit computational scheme. Overland flow models’ simulations were conducted in order to study the effect of the soil surface parameters on the hydrographs at the downstream end of the fields, as well as the accuracy of the diffusion and kinematic equations. It was found that the kinematic wave equations were unable to describe overland flow, while the diffusion model results were close to the results of the dynamic model.     

金沙江白格堰塞湖溃坝洪水演进高性能数值模拟

为高效准确地计算堰塞湖溃坝洪水演进过程,采用基于GPU加速技术的二维水动力模型模拟了2018年金沙江"10·10"与"11·3"白格堰塞湖溃坝洪水演进过程,并将模拟流量过程结果与下游叶巴滩、苏洼龙的实测流量结果进行了对比。模拟结果表明:对于无高精度地形资料的山区,该二维水动力模型可以较好地模拟溃坝洪水演进过程。在计算效率方面,在462万网格的地形数据上模拟40 h洪水演进过程,两次模拟事件分别耗时61 min和74 min。可见该二维水动力模型在模拟洪水演进时非常高效,对洪水应急抢险事件可做到快速预测,为决策者提供有力的数据支撑。     

基于SWASH模型的近岸波浪传播变形数值模拟

SWASH模型是一种新型的非静压时域波浪模拟。为了探讨SWASH模型对于解决近岸波浪传播变形问题的适用性,在对其控制方程、边界条件、数值解法等进行介绍的基础上,采用该模型分别模拟了正向规则波、斜向规则波和斜向不规则波入射条件下L形防波堤附近水域的波浪场和波生流场,并与物理试验结果进行对比。结果表明,SWASH模型较好地复演了波浪在近岸区域所发生的浅水变形、折射、破碎,以及堤前反射、堤内绕射等物理现象,波高沿断面的定量分布与试验结果吻合良好,同时较好地模拟了不同波况下防波堤附近水域的波生流场,说明该模型适用于复杂岸线和地形条件下波浪传播变形的数值模拟。     

围堰溃决的数值模拟

推导了用于模拟围堰溃决的DIF方程，采用非规则网格有限体积法和显式MacCormack预测-校正数值方法求解该方程，建立了模拟围堰溃决数值模型。实例计算结果表明，本数学模型能合理地模拟天然情况下的河道水流、溃堰前的流场以及围堰溃决后溃堰波的沿程传播。此外，采用在导流洞进口局部区域网格上施加负质量源，出口局部区域网格上施加正质量源间接模拟导流洞过流的方法是合理的。因此，本数学模型可作为工具，为围堰溃决对下游河道两岸城镇的洪灾分析及溃堰预案的制定提供科学依据。     

曲线坐标系下波浪传播的数学模型及其比较与验证

引入自适应网格技术，建立了曲线坐标系下考虑能耗影响的缓变水深水域波浪传播的数值模拟模型，通过在模型中引入能量耗散项以更好地处理全透射边界。基于原型缓坡方程，完善了等水深的轴对称双导堤水域内波浪传播的精确解表达式及其计算结果；提供了等水深的环形河道水域内较为详细的精确解。在极坐标系下就等水深的轴对称双导堤水域内波浪的传播，推导了缓坡方程的小角度抛物近似模型的解析解表达式。就上述两水域内波浪传播的数值模拟模型的数值解、抛物近似模型的解、精确解进行了详细比较，说明数值解与精确解相吻合、数值模拟模型比小角度和大角度抛物近似模型具有更高的精度。数值模拟模型能较好地模拟水深复杂变化的地形上波浪的传播，能有效反映波浪传播过程中的多种物理现象。     

江西抚河2010年唱凯堤溃堤洪水模拟反演分析

本文在中国水利水电科学研究院洪涝仿真模型（IWHR-FRAS）的基础上,针对溃堤洪水利用基于共轭离散单元的有限体积法求解考虑了水流惯性项和摩阻项的完全圣维南方程组,并建立江西抚河2010年唱凯堤溃堤洪水的模拟演算模型,进行了溃堤及洪水发展过程的模拟反演。结合溃堤后现场考察的实测资料,对反演结果进行了分析,结果表明：所建立的唱凯堤溃堤洪水模拟模型可以较好地模拟反演溃堤、修复及排水等因素影响下洪水的发展变化过程;计算的溃口流量过程与堤内外的水位变化过程相一致;溃堤后唱凯堤内的水量变化过程比较合理,与实际情况也相吻合;计算的洪痕处水深与现场观测到的洪痕水深值比较接近。模型基本能够模拟反演人工修复等因素影响下溃堤洪水的演进变化过程,可为溃堤发生后的防洪、抢险、救灾等工作的开展提供重要的技术参考。     

Large-scale 3D numerical modelling of flood propagation and sediment transport and operational strategy in the Three Gorges Reservoir,China

Sediment deposition carried by flood flow is the main cause of reservoir sedimentation. This can be reduced by an appropriate operational strategy of flood flow and sediment in the reservoir. High-precision and large-scale hydrodynamic models to predict flood propagation and sediment transport in reservoirs are extremely important for an efficient flood forecasting and real-time joint regulation of water and sediment in reservoirs. In the present study, the three-dimensional (3D) numerical semi-implicit cross-scale hydroscience integrated system model (SCHISM) was adopted to model the flood propagation and sediment transport in the approximately 280-km-long reach in the Three Gorges Reservoir. This model is mainly focused on analysing the asynchronous movement characteristics of flood propagation and sediment transport and the operational strategy of sediment peak regulation. The flood event in July 2013 was reproduced by the numerical model, which was validated by a comparison with the measured data. The results indicated that the numerical model has the ability to accurately simulate the flood propagation and sediment transport processes. The time that the sediment peak lags behind the flow discharge peak increases as the flood waves propagate downstream, reaching 8.1 days at the dam site. During the rising period of the flood, the discharged flow is lowered to reduce the flood peak, and when the sediment peak reaches the dam, the discharged flow is increased to release high concentration sediment during the flood recession period so as to reduce sedimentation in the reservoir. The model results agreed well with the measured results. The 3D numerical model can be used for the real-time prediction of the arrival time of the flow discharge and sediment peaks for the joint regulation of water and sediment in the Three Gorges Reservoir.     

Application of CLEAR-VOF method to wave and flow simulations

A two-dimensional numerical model based on the Navier-Stokes equations and computational Lagrangian-Eulerian advection remap-volume of fluid (CLEAR-VOF) method was developed to simulate wave and flow problems. The Navier-Stokes equations were discretized with a three-step finite element method that has a third-order accuracy. In the CLEAR-VOF method, the VOF function F was calculated in the Lagrangian manner and allowed the complicated free surface to be accurately captured. The propagation of regular waves and solitary waves over a flat bottom, and shoaling and breaking of solitary waves on two different slopes were simulated with this model, and the numerical results agreed with experimental data and theoretical solutions. A benchmark test of dam-collapse flow was also simulated with an unstructured mesh, and the capability of the present model for wave and flow simulations with unstructured meshes, was verified. The results show that the model is effective for numerical simulation of wave and flow problems with both structured and unstructured meshes.     

坡面汇流法计算小河流域暴雨洪水(第二部分)

系统地介绍了一维水动力学(运动波)与水文学方法相结合的数学模型的算法原理。利用已知任意雨型的净雨时程分配,可以随之求出洪水流量过程线。文中将一场洪水计算分为坡面流计算及河槽洪水演算两部分,用57次野外实测洪水进行了验证。结果说明:一个概化的一维模式一旦与水文学方法相结合,可以得到与实测过程线相当接近的成果。模型参数比较稳定;有利于工程的安全和经济;可以电算,也可以手算;便于编程接入各地水情信息自动化系统,服务于防灾、减灾。本篇属论述第二部分。