水动力模型在塔位设计洪水中的应用

基于Abbott六点中心隐式差分格式的河道一维非恒定水动力模型和平底宽顶堰堰流公式计算堤防溃口处流量过程,构建了基于无结构三角形网格的有限体积法离散的二维水动力模型,并模拟了堤围内塔位处的溃堤洪水过程,结合冲坑和冲刷公式计算出塔位的冲刷深度。实例结果表明,水动力模型可为堤围内塔位基础设计提供可靠的技术支持,并可供类似工程设计借鉴。     

电力工程中溃堤洪水数值模拟及若干问题的探讨

为分析溃堤洪水对电力工程的影响,合理确定设计洪水位,采用一维水动力模型计算河道设计洪水过程,用平面二维水动力模型模拟溃堤洪水演进规律.结果表明,溃口开边界设置为水位过程,能客观反映河道洪水与围内洪水的相互作用过程,计算得到围内洪水演进过程和溃堤洪水位是合理的;水动力模型可为电力工程设计提供可靠的技术支持.最后对溃堤模型溃口开边界设置、溃口拟定方法和计算结果合理性检验等问题进行探讨,为实际工程提供参考.     

二维水动力数值模型在天然河道弯道处水流横向水位差模拟计算中的应用

天然河道弯道处水流过程复杂。洪水风险研究中,一般先对河道建立一维水动力数值模型,再与岸上陆地二维水动力数值模型相耦合。由于山区河道弯道处的横向水位差较大,一维水动力模型无法反映两岸水位差,需对整个项目区建立整体二维水动力数值模型。该文以富屯溪顺昌县城区段天然河道为例,分析天然河道弯道水流特性,借助二维水动力数值模型模拟弯道水流,计算不同弯段、不同洪峰流量下的横向水位差,分析弯道横向水位差的影响因素。     

水工数值模型在河道洪水验算中的应用

文中利用DHI开发的MIKE11、MIKE21软件分别建立现状堤防条件下的一、二维洪水演进模型。由于河道存在着一维特性,通过对河道内洪水演进进行一维数值模拟,二维数值模拟耦合,取得了较好的效果。在对河道一维洪水数值模拟中,可以看出,一维模型建模简单,可以随时根据河道断面更新数据对模型进行修改,同时模拟时间较短,可以为河道整治,防洪规划提供科学依据。二维数值模拟所需资料多,精度高,可以校核一维洪水数值模拟结果的准确性。     

黄河干流白银市水川段水面线计算方法对比分析

为克服能量方程逐段试算方法在河道水面线计算上存在的不足与局限,本文以黄河干流白银市水川段为例,采用二维水动力数值计算模型,对4种洪水频率工况下黄河干流白银市段的水面线高程进行计算,并将二维数值计算结果与能量方程计算结果进行复核和评价。经计算可知两种计算方法在计算结果上存在偏差,能量方程在河道水面线计算上是一种近似成果,而二维数值计算能够更加真实反映河道的实际情况,因此在水面线计算时推荐二维数值计算方法。     

MIKE软件在工程防洪评价中的应用

MIKE软件常用于洪水演进分析,其中MIKE11的核心是水动力模型(HD),HD模块利用Abott六点隐式格式求解一维河流非恒定流方程,MIKE21模型采用ADI逐行法对质量及动量方程分别进行时空上的积分,每个方向及每个单独的网格线产生的方程矩阵用追赶法求解。文章应用MIKE软件建立富春江一、二维耦合水动力洪水淹没模型,模拟不同重现期洪水淹没,对某油库码头工程进行防洪评价计算,分析了不同水文条件下工程前后的水位、流速变化评价其对河道防洪的影响。     

水库建设对下游河流地貌过渡区水文情势影响研究

以卡普斯浪河温泉水库建设为研究对象,针对温泉水库下游多处水利工程及河道从山区河流向平原河流过渡的特点,采用一维水动力计算模型与二维水动力计算模型相结合的方法,研究温泉水库建设对下游河道水文情势的影响。结果表明,采用一维水动力计算模型与二维水动力计算模型相结合的方法,可以客观反映从上段窄深的山区河道到下段宽浅多汊的平原河道的过渡区域的水动力变化,并用于该区域水文情势变化研究。由于温泉水库的蓄水运用,在汛期8月份,水库下游河道流量明显减少,河道断面的水深、水面宽、流速都明显减小,在主要的农业灌溉用水期(3—6月),水库下游河道流量则普遍增加,相应河道断面的水深、水面宽、流速都相应增加。温泉水库建设对其余月份的水文情势影响不大。     

一维二维水动力模型耦合的城市洪水模拟

城市洪水模拟通常包括城市内河流模拟和城区平面漫流模拟。一维水动力学模型可以较好地模拟河流和水工建筑物的水流特征,二维水动力学模型模拟水平漫流可以取得令人满意的结果。而一维二维耦合模型可以充分发挥两种模型的各自特色和优势,解决两种模型分别使用时经常遇到的空间分辨率和计算精度等问题。本文通过建立一维二维水动力耦合模型,针对不同的典型降雨过程,对该模型系统进行验证和分析,并最终用于模拟济南市不同重现期下洪水淹没情况。模拟结果表明,该模型能够有效地模拟复杂市区降雨积水过程,能够提供可信度较高的城市洪水潜在风险评估,可为城市防汛预警决策提供技术指导。     

漫滩河道洪水演算的水动力学模型

利用积分方法导得了漫滩河道全断面水流的积分方程组，应用四点加权隐格式离散方程，建立了漫滩河道洪水演算的一维水动力学模型．该模型考虑了各流道（如滩地、主河槽等）的不同阻力特征，反映了主槽和滩地水流流动路径的差异．用该模型计算了露滩、漫滩和露、漫滩交替的3种水流运动，并与二维RBFVM-2D模型的计算结果进行了比较．以长江宜昌～螺山江段1998年实际洪水过程为例，测试了模型的应用效果．计算结果均表明，本文的一维水动力学模型能较好地模拟漫滩河道的过流特征，并改善了漫滩河道洪水演进的模拟与预测能力．     

基于MIKE21的跨河桥梁壅水数值模拟分析

为明晰黄河上游河道桥梁壅水特性并探究数值模拟法在防洪演算中的可靠性,以宁夏回族自治区境内黄河青铜峡至石嘴山段（以下简称“青石段”）内连续7座桥梁为研究对象,运用MIKE21水动力模块构建二维水动力模型,对不同洪水频率下桥梁壅水特性进行数值模拟与对比分析。结果表明：在对二维水动力模型率定与验证的过程中,模拟值与实测值相对误差均小于5%,边界约束条件与河道糙率均经率定分析后取值;随着洪峰流量的减小,河道流速降低,桥墩壅水值在0.10~0.28 m水位范围内波动,对比模型模拟结果与经验公式计算结果,Henderson公式计算值与二维模型模拟值更为接近且变化趋势较一致,而陆浩公式计算结果相对偏大。本研究可为跨河建筑物壅水特性影响分析与河道防洪演算提供经验参考和理论依据。     

1D/1D及1D/2D耦合水动力模型构建方法研究

为实现高速率、精细化的洪涝模拟,以丹麦R市A区的排水系统为研究对象,构建和比较基于GIS空域建模技术及SWMM水动力耦合的1D/1D(双一维)排水模型与基于MIKE URBAN的1D/2D(一维管流和二维洪涝)耦合排水模型,对研究区的排水系统进行暴雨洪涝模拟及评估比较。研究两种模型的建模过程、模拟精度及计算效率,描述两种模型的优劣性和适用条件。结果表明:1D/1D排水模型可实现地表淹没的拓展分析,同时确保较高的稳定度和运算速度,且在较低重现期下具有较高的计算精度,适用于大尺度、应急管理且模拟精度要求相对较低的情景; 1D/2D排水模型能实现地表积水的双向流动计算,具有良好的精细度,但其信息处理和计算时间较长,适用于计算环境和模拟精度要求较高的情景。研究结果将为不同情景、不同尺度的洪涝模拟提供科学依据。     

Calibration of a 1D/1D urban flood model using 1D/2D model results in the absence of field data

Recently increased flood events have been prompting researchers to improve existing coupled flood-models such as one-dimensional (1D)/1D and 1D/two-dimensional (2D) models. While 1D/1D models simulate sewer and surface networks using a one-dimensional approach, 1D/2D models represent the surface network by a two-dimensional surface grid. However their application raises two issues to urban flood modellers: (1) stormwater systems planning/emergency or risk analysis demands for fast models, and the 1D/2D computational time is prohibitive, (2) and the recognized lack of field data (e.g. Hunter et al. (2008)) causes difficulties for the calibration/validation of 1D/1D models. In this paper we propose to overcome these issues by calibrating a 1D/1D model with the results of a 1D/2D model. The flood-inundation results show that: (1) 1D/2D results can be used to calibrate faster 1D/1D models, (2) the 1D/1D model is able to map the 1D/2D flood maximum extent well, and the flooding limits satisfactorily in each time-step, (3) the 1D/1D model major differences are the instantaneous flow propagation and overestimation of the flood-depths within surface-ponds, (4) the agreement in the volume surcharged by both models is a necessary condition for the 1D surface-network validation and (5) the agreement of the manholes discharge shapes measures the fitness of the calibrated 1D surface-network.     

二、三维 GIS 集成技术在水利中的应用

针对二维GIS技术的缺陷,将二维与三维GIS技术进行优势结合,可为水利信息化建设提供更好的服务与应用。阐述二维、三维集成技术在水利行业中的应用,从数据组织、功能集成设计、系统界面集成、系统特点4个方面对二维和三维技术的集成过程进行说明,结合集成技术在水利、河道洪水演进、三维空间分析及防洪抢险等方面给出相应的应用实例,如对抗洪地区进行可视化转换及对所获得的数据进行分析等。     

基于三维控制场的三维激光扫描仪点位精度评定

为评定三维激光扫描仪的精度,设计了一个基于室内三维控制场的RIEGL VZ-400点位精度评定方案。通过实测得到其在距离10 m左右的外部、内部符合精度分别为±1.675 mm和±0.48 mm。详细介绍了室内全景三维控制场的布设、数据采集以及点位精度的评定方法。研究结果可为地面三维激光扫描仪的工程应用提供精度依据。     

渗流仪影响的二维和三维数值对比研究

运用计算水力学的基本理论,利用COMSOL地下水模拟软件,分别用二维和三维模拟研究了在不同水流条件下,在测量区放置和不放置渗流仪装置两种情况时,河床界面的压力分布特性和区域潜流通量的大小变化规律.模拟结果表明:三维模拟比二维模拟更能准确地反映出河床界面上的压力分布特性;地表水流速越大,渗流仪结构对局部流态的影响越大;特定地形条件下,地表水流速与潜流通量并不呈正相关关系.     

Multi-objective Evaluation of Urban Drainage Networks Using a 1D/2D Flood Inundation Model

The present paper describes a framework for the evaluation of a drainage system’s capacity in order to get a better understanding of the interactions between three rehabilitation measures: the Upgrading of Pipes (UP), Distributed Storage (DS) and the combination of both (UP+DS). It is posed as a multi-objective optimisation problem with the aim of minimising rehabilitation costs and flood damage. The approach of Expected Annual Damage Cost (EADC) was also introduced as the probabilistic cost caused by floods for a number of probable flood events (i.e. the accumulation of damage during a timeframe). The study combines computational tools such as a 1D/2D flood inundation model and an optimisation engine in the loop to compute potential damages for different rainfall events and to optimise combinations of rehabilitation measures. The advantages of this approach are demonstrated on a real-life case study in Dhaka City, Bangladesh. The optimal solutions confirm the usefulness and effectiveness of the proposed approach where both rehabilitation and damage costs are reduced by the optimal implementation of the UP and DS measures. In addition, the results of the proposed EADC approach indicate a damage cost reduction of at least 56% by implementing UP and of 27% by implementing DS, and both measures have lower rehabilitation costs. The proposed approach can be found appealing to water/wastewater utilities who are often challenged to achieve optimal design and rehabilitation of urban drainage systems.     

Systematic comparison of 1D and 2D hydrodynamic models for the assessment of hydropeaking alterations

Numerical hydrodynamic models enable the simulation of hydraulic conditions under various scenarios and are thus suitable tools for hydropeaking related assessments. However, the choice of the necessary model complexity and the consequences of modelling choices are not trivial and only few guidelines exist. In this study, we systematically evaluate numerical one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) hydrodynamic models with varying spatial resolution regarding their suitability as input for hydropeaking-sensitive, ecologically relevant hydraulic parameters (ERHPs), and their computational efficiency. The considered ERHPs include the vertical dewatering velocity, the wetted area variation between base and peak flow and the bed shear stress as a proxy for macroinvertebrate drift. Furthermore, we quantified the habitat suitability of brown trout for different life stages. The evaluation is conducted for three channel planforms with morphological characteristics representative for regulated Alpine Rivers, ranging from alternating bars to a braiding river morphology. For the prediction of habitat suitability and bed shear stress, a 1D model appears to be always insufficient, and a highly resolved 2D model is suggested. Reducing the spatial resolution of 2D models leads to computational efficiency similar to 1D, while providing more accurate results. Thus, our results suggest, that while a highly resolved 1D model is sufficient for accurate predictions of the dewatering velocity and wetted area in the less complex alternating bar morphology, a 2D model is recommended for more complex wandering or braiding morphologies. This study can serve as guideline for researchers and practitioners in the selection and setup of hydrodynamic models for hydropeaking.     

一、二维耦合数学模型在水利枢纽通航水流条件研究中的应用

针对目前数值模拟中水利枢纽控制结构物的调度运行与其上下游平面流场难以同时兼顾的研究现状,采用一、二维耦合数学模型成功模拟了大治河西水利枢纽3种调度运行工况下的平面流场,分析了通航水流条件,为大治河新建二线船闸平面布置的合理性分析提供依据,也为相关研究提供参考。