黄河下游河道治理三维数值模拟研究

本文采用三维水沙数学模型,根据不同重现期洪水的设计水沙条件,对黄河下游花园口至艾山河段的去生产堤方案和两道防线方案进行了模拟计算。重点关注了两种治理方案下不同场次洪水的演进过程、河道冲淤、输沙特性和典型滩区的分洪退水过程,模拟结果表明:与去生产堤方案相比,两道防线方案中的洪水演进过程因防护堤的运用方式而在不同场次洪水中差异明显;同时两道防线方案可有效地保护滩区,减缓滩区大规模的淹没,发挥防灾减灾的功效;此外,从输沙能力变化和冲淤分布比较来看,两道防线方案较去生产堤方案可提高河道的输沙能力,减少河道的淤积。     

黄河下游河岸横向变形数值模拟研究

通过在水流运动方程中增加弥散应力源项,考虑弯道二次流的影响,引入横向环流输沙对河床冲淤变化的影响,对悬移质不平衡输沙方程、推移质输沙方程及河床变形方程进行了修正.根据黄河的特点建立了模拟河岸侵蚀、崩塌的计算方法,应用所扩展的平面二维数学模型对黄河下游河道的横向变形及河势演变进行了数值模拟,结果表明该计算模型能较好地模拟河道横向变形.     

黄河下游突发性污染事件数值模拟

建立黄河下游一维非恒定流水动力学数学模型,并在此基础上建立一维水质模型,采用有限体积法(TVD格式)离散基本方程,通过时间二阶之预测-校正二步格式对离散方程进行求解。该求解方法具有守恒性好、算法简单、通用性强,在预测一般洪水及溃坝洪水波演进方面有较好的实用性,并能对黄河下游突发性污染事件进行初步模拟。     

黄河水库下游河段洪水影响规律数值模拟研究

为探究黄河水库下游洪水演进水力要素规律,以水力学方法为基础,构建了一、二维耦合的水动力数值模型,对不同重现期设计洪水过程演进过程进行模拟,并提取关键断面水力要素值,分析其变化规律。结果显示,通过模型验证和模拟结果合理性分析发现,所用模型适用于黄河水库下游洪水演进过程;基于一、二维耦合水动力模型对不同洪水重现期条件下黄河水库下游洪水水力要素进行模拟,随着洪水重现期的增大,淹没水深及面积逐渐增加,沿程漫溢点增多。通过对不同重现期洪水条件下沿程关键断面水力要素的提取及模拟结果分析表明,在各重现期洪水条件下,最低及最高水位沿程呈现线性规律,且随着洪水重现期的增加,沿程最高及最低水位均呈现增加的趋势,如在10年一遇洪水重现期条件下,黄河水库下游4 km断面处最高、低水位分别为255.43、252.84 m;当洪水重现期增加至50年一遇时,该断面处最高、最低水位增至256.89、253.34 m。根据最大水深最短时间范围信息绘制危险区包络图,结合GIS空间分析技术,划定了避洪转移路线和安置区,可为研究水库下游洪水影响规律及洪水风险区的防洪避险决策方案提供支撑。     

黄河下游分洪工程调度运用的数值模拟

黄河下游多沙的特点给分滞洪工程的调度运用带来了很大困难。分洪闸门前后的流态复，杂，泥沙中淤变化幅度较大，具有典型的二维流动特征。闸前流态受大河流势的影响，又与分洪闸的操作方式及闸前围堰，周转地势有关，涉及因素多，增加了问题的复杂性。     

黄河下游弯曲河道挖河疏浚效果的数值模拟研究

作者针对黄河利津至渔洼河段，就不同挖河方案的回淤过程和挖河效果，采用平面二维数学模型进行了模拟研究，河道挖槽疏浚回淤过程一般规律的模拟结果与河工模型试验结果基本一致。挖槽后上游有较大冲刷，挖槽段回淤较快。在较长一段时间内，挖槽疏浚增加了河道输沙能力，降低了洪水位。挖槽横断面面积一定时，存在一个使挖槽淤积比最小的最佳挖槽形状。     

黄河下游河床平面变形模拟研究

黄河下游河道以游荡多变著称，河床演变具有典型的平面二维特征，本文分析了黄河下游河床横向变形的基本模式，认为河床的横向变形是由泥沙的侧向冲刷和河岸淘蚀综合作用的结果，数学模型中可通过这两种现象的分别模拟反映实际河岸的横向变化．引进土力学中有关河岸力学平衡的基本关系，结合河床演变计算的特点在数值方法上适当简化，提出了黄河下游河床横向变形的数值模拟方法，采用反映高含沙水流流动特性的基本方程组，用１９７７年典型高含沙水流洪水过程检验了模型计算多种含沙水流过程的适应性和模拟河床横向变形的可靠性     

黄河下游河流动力地质作用

黄河下游河流动力地质作用主要包括淤积作用、冲刷侵蚀作用和渗流潜蚀,其中黄河下游的淤积作用是最主要的河流动力地质作用。对黄河下游河流动力地质作用效应进行了分析,认为:河流地貌断面形态与输水输沙能力有较大关系;河势变化,尤其是河势突变对河流安全运行有重要影响;渗流潜蚀作用降低和改变土体介质的力学强度和物理性状,可引发渗漏、沙沸、流土等不良工程地质现象和堤岸溃决险情。     

基于数值模拟的低水头闸坝工程下游冲刷动力研究

针对低水头闸坝工程长期面临下游河床冲刷问题,通过不同工况参数分析,构建闸室断面水工模型。同时,基于Fluent平台构建数值模型,采用边界设置以及动网格宏函数控制流体突变,从而改进模型。结果表明,粒径与冲刷流量对冲刷坑深度以及范围有直接影响;对下游冲刷坑流速进行分布数值模拟,二次开发模型能准确反映实际冲刷情况,相对误差0.092%,优于原有模型。研究成果可为水利工程的建设与维护提供技术参考。     

黄河下游典型河段滩槽分界二维洪水数值模拟

采用平面二维水沙数学模型,在黄河下游河道现存生产堤条件下,针对典型洪水进行洪水模拟计算研究。通过对黄河下游典型河段的洪水数值模拟,分析研究该区域洪水演进、漫滩及河势变化状况、滩槽流速分布及单宽流量分布,给出滩槽分流比及滩区不同程度的淹没范围。这一研究对于明确滩槽范围、为滩区受洪水灾害补偿提供明确范围、为滩区发展创造良好环境及维持黄河健康生命具有非常重要的意义。     

射阳河口污染物输运数值模拟

建立射阳河口平面二维水流—水质有限体积法及黎曼近似解模型,描述射阳河口水域的水流流动,将潮位、流速和流向的计算值与实测值进行比较分析,分析验证结果表明所建立模型能较好地重现射阳河口区域的潮位及潮流变化过程。在此基础上,模拟出了不同工况时段污染物浓度场分布,确定出应在射阳河口落潮开始3h后开闸放水,此时对该区域水体环境影响最小,为射阳河口制定污染物总量控制规划提供参考。     

黄河下游游荡型河段洪水演进与河床变形过程的数值模拟

黄河下游游荡型河段的河床变形过程相当复杂，横向变形尤为突出，现有水沙数学模型一般仅能模拟河床纵向冲淤，不能模拟滩岸横向冲刷与崩塌，本文将平面二维水沙数学模型与粘性河岸冲刷的力学模型相结合，建立河床变形的平面二维混合模型。然后以黄河下游花园口至夹河滩的游荡型河段为例，采用该混合模型，首次较为全面地模拟了1982年汛期的洪水演进与河床变形过程。沿程最高水位、出口断面流量过程等计算值与实测值符合较好。计算结果还表现为大水时主槽冲刷，滩地淤积；小水时主槽淤积，滩地崩塌。该计算结果与游荡型河段的年内冲淤变化规律一致。     

湘江下游河床下切对水动力条件影响的数值模拟

在研究分析相关水文数据的基础上,拟定多个不同的水动力条件情景,通过一维水动力数学模型模拟分析了湘江下游河床下切对湘江下游水动力条件的影响,探讨湘江下游河床下切引起模拟河段沿程水位、流速的变化,结果表明,湘江下游河床下切会引起模拟河段沿程水位不同程度的降低,其幅度从下游向上游逐渐增大;距离下游水位边界越远,河床下切引起的水位下降的幅度越大;下游水位越低,河床下切引起沿程水位降低的幅度越大;伴随着水位下降,河床下切使得模拟河段沿程断面的平均流速普遍减小。     

杭州湾沉积物宏观输运的数值模拟

用Delft3D模拟了杭州湾水动力和粘性沉积物输运过程,探讨了沉积物宏观输运和地貌演变的物理机制。忽略波浪作用,假设底质均一,不考虑粘性沉积物的底部固结作用,建立杭州湾粘性沉积物输运的数值模型。计算结果显示,模型能够反映杭州湾沉积物输运的宏观规律,再现了杭州湾悬沙浓度分布"三高两低"的特征、水体和沉积物"北进南出"的输运格局以及杭州湾总体上受控于淤积的地貌演变过程。杭州湾的沉积物输运主要受浅水分潮潮波变形引起的潮汐不对称性控制,该区潮波自东南向西北的传播方向、舟山群岛对涨潮流的阻隔效应、杭州湾喇叭形态的约束作用等因素造成"北进南出"的水沙输运特征。杭州湾与欧洲斯凯尔特河口狭长型的河口的沉积物输运路径有明显差异。     

长江口水环境数值模拟研究--水动力数值模拟

本文基于沿水深积分的平面二维非定常流动数学模型对长江口拦门沙水深水航道工程对长江口水域流场的影响作了细致的数值模拟。模型率定和难证表明本模型稳定性好，可应用于工程计算。数值模拟结果表明长江口挡门沙深水航道工程对长江口水域的流场有明显的影响。     

黄河头道拐段冰输移及堆积过程数值模拟

头道拐河段因其特殊的河道形态及地理位置而成为黄河内蒙古段最易形成冰坝的河段,研究该河段河冰输移及堆积过程是理解内蒙古段河冰过程及卡冰结坝作用机理的关键。本文基于耦合的二维有限元水动力学模型和DPM(Discrete Parcel Method)河冰动力学模型,模拟了黄河头道拐河段2020—2021年冬季封河过程并进行了验证,讨论了不同水力条件、上游流凌密集度及河道形态对封河过程的影响。结果表明：相比于官牛犋弯道,河道弯曲率大、束窄程度高的什四份子弯道更易形成卡冰,且流量越小,卡冰作用越明显,冰盖向上游发展速度越快。河道流凌密集度小于0.4时,各种流量下研究河段未发生卡冰;流凌密集度增大至0.4,表面流冰首先在弯曲率系数较大的什四份子弯道处形成卡冰,随着流凌密集度和流量的进一步增大,下潜并输移到下游的流凌也会在官牛犋弯道形成卡冰,因此,头道拐河段形成卡冰的流凌密集度临界条件为0.4。应用冰水耦合二维动力学模型可以很好地模拟天然河道河冰输移、堆积过程中河道的水力特性、冰厚增长及封河形态,揭示了影响河冰过程的相关因素及作用机理,为黄河内蒙古段防凌减灾工作提供技术支撑。     

黄河内蒙河段水流数值模拟研究

针对黄河内蒙河段孔兑较多、洪水变幅较大、水文监测站点较少的实际情况,采用数值模拟方法,建立了内蒙河段水流数学模型,通过对模型的验证及孔兑入汇计算结果的分析,表明该模型可以真实反映内蒙河段孔兑入汇的流态及相关水力要素变化,可以作为该河段河道规划整治的研究手段之一。黄河内蒙河段孔兑的大流量入汇会对干流区的流态以及水位产生明显影响,使流向改变、水流上滩、水位壅高,因此区域防洪规划和河道整治中应予以高度重视。考虑到内蒙河段孔兑入汇干流带来的影响,不仅体现在水流形态上,而且泥沙淤积是河床演变的关键所在,加之短时段内又难以模拟水流的高含沙量过程,所以下一步工作将是在现有水流模拟基础上模拟计算含沙水流过程。     

黄河下游滩区村台绕流特性数值研究

采用雷诺平均的不可压缩流体控制方程和RNG k-ε湍流模型,对不同来流角、长宽比作用下村台周围的分离区及尾流区进行了数值模拟,得到了村台周围分离区及尾流区的时均流场分布。在此基础上,分析了不同长宽比和来流角对村台绕流下游尾流区长度、宽度和脱落涡频率的影响规律。结果表明:随着来流角的变化,村台绕流的分离区及尾流区特征受迎水面宽度的影响较大,特别是尾流区长度和宽度几乎与迎水面宽度成正比;随着长宽比的增加,村台周围分离区范围增大;村台尾流区的长度、宽度和脱落涡频率,在长宽比K<2.5时随长宽比K的增加略减小,在K=2.5附近达到最小值,然后随长宽比的增加而增大。     

黄河下游高含沙洪水演进及河床冲淤过程的数值模拟

高含沙洪水通过黄河下游河道时往往发生严重淤积,因此,数值模拟研究高含沙洪水的演进过程,对理论研究及实际工程需求均具有重要意义.以往的泥沙数学模型通常不考虑高含沙量对水流控制方程的影响.而这将会影响高含沙洪水演进过程的模拟.本文建立了黄河下游高含沙洪水演进过程的一维非恒定非均匀沙数学模型,该模型不仅在水流控制方程组中采用浑水的连续方程与动量方程,而且通过引入滩槽划分及"二级悬河"处理等技术考虑黄河下游复杂地形下的水沙演进.以1977年的典型高含沙洪水过程为例,分析高含沙量对洪水演进的影响,并率定出模型中的恢复饱和系数、不饱和系数等关键参数.将率定后的模型参数应用于1992年下游实测洪水的模拟,验证模型的适用性.计算结果表明:考虑高含沙的影响后,洪峰流量、水量、传播时间的模拟误差减小,说明在数值模拟高含沙洪水的演进中有必要采用浑水控制方程.     

泄洪闸下游消能措施的数值模拟研究

在水利工程领域中,泄洪闸的下游水位波动比较大,一般情况下可以通过设计二道坝、消力池、消力墩等措施来减缓这种影响,但是对于不同的闸坝泄洪,则需要设计不同的消能措施来减缓。以某泄洪闸为基础,通过在下游河道处对两岸边坡开挖进行扩宽处理来达到其消能目的。结果表明,对泄洪闸下游河道边坡扩宽处理,可以有效减缓下游河流流速的急变且增加消能率,有利于泄洪水流平缓的过流,对下游冲刷影响相对较小。