DEM数据源及分辨率对流域洪水模拟影响研究

以半干旱半湿润区的柳林流域为例，基于无人机三维倾斜摄影7 cm高分辨率和ASTER 30m两种数字高程模型（DEM）数据源，重采样获得1 m、5 m、10 m、20 m、30 m分辨率共10套DEM，构建HEC-HMS水文模型，选择1995—2021年20场洪水进行模拟，探讨DEM数据源和分辨率对洪水模拟精度的影响。结果表明：7 cm高分辨率地形数据源的1 m重采样DEM构建的模型，模拟结果相对较好，洪峰流量、径流量相对误差绝对值均值分别为16.4%和15.7%,NSE均值为0.657;ASTER 30m DEM构建的模型，洪峰流量、径流量相对误差绝对值均值分别为16%和18.7%,NSE均值为0.646，其他分辨率和数据源的DEM构建的模型，洪水过程模拟结果也差别不大。     

风暴潮过程中波浪对地形演变影响的数值研究

建立了一个波流耦合作用下泥沙输移的平面二维数值模型，以研究风暴潮过程中地形冲淤变化的规律及波浪的影响。水流和泥沙输运的模拟采用水沙耦合数值模型，以考虑强冲淤条件下地形变化与水流运动之间的相互作用。波浪场模拟采用SWAN模型，计算得到的波浪辐射应力输入水沙耦合数值模型实现波流耦合。采用建立的模型对风暴潮过程中近岸地形变化进行了分析，结果表明，波浪对地形演变的影响程度随着风暴潮潮位的增加而减小。当风暴潮潮位较小时，近潮汐通道处形成不对称的三角洲、入口处形成冲刷坑；当风暴潮潮位较高时，形成的三角洲不对称性较小。当风暴潮潮位升高，近岸水深与波长之比大于0.15时，波流耦合模型与不考虑波浪作用模型计算所得的地形变化的绝对误差为整体地形变化的5%，但前者计算时间增加了一倍，因此，波流耦合计算对于风暴潮潮位较低，近岸水深与波长之比小于0.15时具有重要意义。     

水文水力学模型及其在洪水风险分析中的应用

流域洪水模拟是当前洪水计算分析的热点,也是防洪减灾工作的科学依据和指导。本研究通过将分布式水文模型和水动力学模型串联耦合的方法计算流域洪水淹没过程,以重庆龙溪河流域作为研究区域,基于SWAT和HEC-RAS模拟平台,综合考虑气象资料、地形、下垫面条件等,经产汇流计算、小流域洪水二维数值模拟等过程得到小流域在不同情境（暴雨重现期）下的二维淹没情况。以当地洪水计算手册推求洪水过程作为验证,模型计算结果显示模型能够较好模拟龙溪河流域复杂条件下的汇流过程,结合灾害损失评估和洪水风险分析,为当地减灾工作提供决策支持。     

基于动力波法的高效高分辨率城市雨洪过程数值模型

基于物理定律的动力波方法,提出了高效高分辨率城市雨洪过程数值模型。该模型采用Godunov格式的有限体积法数值求解二维浅水方程,输入可表征真实城市地表的高分辨率地形数据,以精确模拟城市降雨径流及内涝积水过程。同时引入图形处理器（GPU）加速计算技术,在不降低精度的条件下大幅提升计算速度。并将模型用于模拟陕西省西咸新区内涝积水过程,发现计算结果与实测数据吻合度高,五处积水面积均实现较为精确地计算。证明该模型可快速准确模拟较大范围高分辨率城市雨洪过程,且能提供分析涝灾成因及计算污染物输移的流速,克服了常规水文模型的缺陷。可见,研究对指导城市规划及可持续性城市雨洪管理如海绵城市建设具有重要的应用价值。     

台风“妮妲”登陆期间沿海输电线路局地风场数值模拟研究

为研究1604号强台风“妮妲”登陆期间沿海输电线路局地风场的分布特征,利用中尺度气象模式（weather research and forecast,WRF）与微尺度（computational fluid dynamics,CFD）工具WindSim,设计了基于WRF的中尺度模拟、基于WindSim的微尺度模拟,以及WRF+WindSim的中、微尺度嵌套模拟等3种模拟方式,开展数值模拟试验,并与激光风雷达实测资料进行对比,验证了不同模型的适用范围与模拟精度。研究结果表明基于WRF的中尺度模拟较好地再现出“妮妲”登陆期间的气象要素时间变化过程,基于WindSim的微尺度模拟较好地再现特定风向内10～100m空间分辨率量级的风场地形效应,WRF+WindSim的中、微尺度嵌套模拟既能修正单独WRF模拟的地形效应偏差,又能改善单独WindSim模拟的边界条件和大气稳定度,具备台风影响期间复杂地形下的三维风场模拟能力,模拟结果精度更高。     

漫滩洪水中不同房屋分布的阻力特性研究

漫滩洪水是威胁滩区居民生命财产安全的一种主要自然灾害,村庄等微地貌直接影响洪水演进过程,故采用概化物理模型和数值模拟的方法研究滩区房屋分布的阻力特性。以黄河下游兰考东明滩区地形为参考,修建概化滩区的物理模型,研究主槽4种不同进口流量下,房屋呈4种不同排列方式及4种迎流角度条件下,房屋试验区水流的变化情况。试验结果显示随主槽进口的流量增大,房屋试验区四周的水深呈非线性增加;房屋试验区房屋呈不同排列方式时,模型试验区形成的局部阻力不同。然后采用数学模型计算典型工况的洪水演进过程,水位的计算值与实测值符合较好,模型具有较好的计算精度。最后采用加大糙率法计算溃堤水流演进过程,发现以曼宁系数取0.05、0.08、0.12和0.16分别代表房屋以3×3、4×4、5×5及交错排列情况下的综合阻力时,计算得到水深、水跃位置与模型试验结果基本一致。研究结果将为房屋合理布局,减少漫滩洪水淹没损失提供参考依据,亦可用于检验水动力学模型的计算精度。     

湘江下游流域-河网-枢纽的水文水动力模拟北大核心CSCD

应用自主开发的集成模型搭建了考虑长沙航电枢纽高频调度的湘江下游流域-河网系统水文水动力计算系统,采用区域2016—2021年80余站高频监测(1次/5~60 min)、30 m精度土地利用和详细河道水下地形等数据对模型进行配置、检验和验证,对比计算有、无枢纽调度下的河网水动力和淹没差异。结果表明:水位流量计算值与高频实测值吻合优良,在湘潭、朗梨等站的纳什系数大于0.91;调度造成回水区枯水期水位抬升和流速降低,改变了河网水位和流量小尺度波动节律,在浏阳河等支流下游局部时段出现反向流动;计算出了1%、50%、99%等来流频率下河网水位和流速分布,调度增加了上游干支流回水区心滩、边滩的平、枯季淹没频率。本研究为科学评估枢纽高频调度对上下游河网水动力影响提供依据。     

基于二维水动力模型与经验公式的桥梁壅水计算及其对比分析

本文以海南省南渡江六座桥梁为例,利用MIKE21数值模型计算不同频率洪水下各桥的桥前壅水值,并与经验公式计算结果进行对比分析。结果表明:MIKE21数值模型能够较好地模拟复杂地形,率定与验证过程中相对误差均小于5%,纳西效率系数均大于0.8;与二维模型计算结果相比,D’Aubuisson与Henderson经验公式计算结果偏小,在桥墩阻水面积比小于10%的情况下,Henderson公式计算结果比D’Aubuisson公式计算结果更接近二维模型计算值;而铁科院陆浩公式计算结果偏大。因此,对于处在复杂地形或是所在河道具有重要防洪任务的桥梁,建议采用数学模型计算壅水值,以便求得更加合理的计算结果,为防洪影响评价工作提供分析计算的依据。     

粒径对旋叶分离器结构敏感性的影响

在不同液滴粒径工况下,对等比例旋叶分离器的旋叶倾角和上升通道高度进行结构敏感性分析。建立基于欧拉法和Realizable K-Epsilon湍流模型的空气-液滴两相流动的数学模型,通过计算流体力学软件对冷态工况下5种不同结构的旋叶分离器流场进行数值模拟,得到了不同液滴粒径下的分离效率变化曲线和液滴质量流量径向分布曲线,同时还通过冷态试验验证数值计算模型。结果表明:当液滴粒径等于5μm或大于100μm时,旋叶分离器效率对旋叶倾角和上升通道高度结构不敏感;当液滴粒径在5～100μm时,18°旋叶的旋叶分离器分离效率大于30°旋叶,上升通道高度等于其一倍直径时旋叶分离器分离效率最优;其中当液滴粒径等于30μm时,旋叶分离器分离效率差值最大,结构敏感性最为显著。     

基于哈密尔顿系统与辛算法的暂态稳定约束最优潮流

提出了一种暂态稳定约束最优潮流的哈密尔顿模型,采用哈密尔顿系统的辛算法(symplectic algorithm)进行求解。将发电机转子运动方程转换为哈密尔顿系统的正则方程,用四阶辛Gauss-Legendre Runge-Kutta(GLRK)方法对其离散化,实现了大规模系统暂态稳定约束最优潮流的快速求解。辛GLRK方法具有很好的数值稳定性和保结构特性,相同精度时,计算步长可达隐式梯形法的6倍;大步长计算时仍具有较高的数值精度。某省3301节点,236机等5个系统的仿真结果表明:所提模型在高阶离散辛框架下具有很高的数值稳定性,即便采用大步长也可保持较高的数值精度,能提高计算速度10倍以上,具有很好的应用前景。     

城市湖泊对地表径流致涝控制作用模拟研究

为认识城市湖泊对城市内涝的影响,应用基于水动力方法的城市雨洪过程数值模型对代表区域暴雨致涝过程进行了模拟。计算了不同重现期暴雨下假定城市湖泊面积发生变化时内涝积水总量与面积,从积水总量峰值和重度内涝积水面积方面量化分析了湖泊面积和位置变化对城市内涝积水的影响。结果表明：研究区域内湖面面积由0.5024 km2减少到0.00785 km2时,其积水总量峰值增加12.71% ~ 18.21%,重度内涝面积增加11.71% ~ 25.66%;不同位置处的湖泊对区域内涝的影响程度各异,如当降雨重现期为100年、湖泊面积为0.5024 km2时,湖泊位于研究汇水面上游、中游、下游处对应的重度内涝面积分别为173460 m2、169160 m2、162628 m2,可见湖泊位于下游处对致涝径流控制效果最佳。该研究有助于城市规划与防洪排涝工作。     

基于精细地形建模的溃坝洪水演进三维数值模拟

针对三维溃坝洪水数值模拟缺乏涉及城市复杂下垫面地形建模的水库溃坝洪水演进的研究现状,本文首先提出了基于TIN与NURBS曲面重构的精细地形建模方法,同时结合等效糙率法以区分不同的下垫面条件对洪水的水流运动产生的阻力影响,从而为溃坝洪水演进三维数值模拟提供精细的下垫面信息;其次,采用耦合VOF法的修正RNG k-ε湍流模型模拟了溃坝洪水的演进过程,并通过模型验证分析了该模型的准确性;最后,以某城市地区水库溃坝为例,分析了下游复杂区域洪水演进过程、流速、水深等水情信息。结果表明:本文提出的地形建模方法具有较小的数据储存量且保持较高的地形精度;同时基于精细地形建模的溃坝洪水演进三维数值模拟既准确地模拟了洪水演进过程,且充分地反映了溃坝水流的复杂流态及细节。     

考虑海水入侵影响的漳卫新河河口生态基流研究

本文分别采用水文学法和生境模拟法对漳卫新河河口区域生态基流进行估算,并基于MIKE21 FM建立了该区域海水入侵模型,对辛集挡潮闸不同下泄流量时原始河道和清淤后河道的海水入侵进行模拟研究,以论证所估算生态基流的合理性。结果显示：大口河至cs21断面为潮流主导段,沿程平均盐度基本不受下泄流量影响;cs21断面至辛集闸为潮流-下泄流量共同作用段与下泄流量主导段。随着辛集闸下泄流量从4 m3/s增加至8 m3/s,下泄流量主导段向下游延伸5 km;下泄流量增大至12 m3/s时,各主导段范围不变,因此建议辛集闸下泄生态基流为8 m3/s。本文介绍了一种生态基流的估算方法,以期为河口区域生态基流的确定提供技术支撑。     

基于MIKE3的水库水温结构模拟研究

MIKE3是一款用于模拟水动力、水质、泥沙的专业工程软件,主要应用于港口、河流、湖泊、河口海岸和海洋,具有先进的前后处理功能和友好的用户界面。介绍了MIKE3数学模型的数学基础和计算方法,并将MIKE3应用于新疆伊犁喀什河上游梯级开发对库区水温的影响研究中,就其中开英布拉克水库的模拟过程做出详细说明。计算结果表明：三维流场、温度场预测较为合理,MIKE3软件对于此类问题有较高的实用价值。     

典型街区洪水演进的概化水槽试验研究

由于全球气候极端化现象加剧,城市洪涝灾害的强度与频率均呈上升趋势。为充分了解城市洪涝灾害的致灾机理,提出行之有效的减灾措施,有必要对典型城镇街区的洪水演进过程进行研究。本文建立了具有典型街区构造的洪水演进物理模型,模型中布设道路、建筑物、人行道、绿化带等设施。基于试验数据定量分析了建筑物密度、绿化带设置等对洪水演进过程带来的影响。得到主要结论如下:(1)溃坝波在模型道路上的运动速度与初始时刻上游水库的水深及道路本身特性有关,建筑物与城市绿化设施的布置对其影响较小;(2)布置绿化带及建筑物减小了过水面积,导致洪涝灾害发生后道路上的水位上升;但增加房屋密度将减少流入街区两侧的水流体积,布设绿化带将增加房屋周边的水流阻力,促使水流沿模型道路演进;(3)建筑物前水深与初始时刻水库内水深近似成正比,但初始水深较大时水流对建筑物的冲击力将远大于初始水深较小的工况。本试验结果可以为数学模型提供翔实的率定资料,并为面临突发洪涝灾害威胁的街区提供设计参照。     

城市内涝风险区划集成模型及其敏感性研究

城市内涝风险区划图对内涝风险预警与防灾减灾具有重要意义.以海口市海甸岛为例,基于PCSWMM软件构建城市管网-地表径流耦合模拟的一二维水文水动力模型,采用情景模拟计算最大水深、淹没时间和最大流速等洪涝特征指标,耦合高程、坡度、坡向、距河网距离、排水管道长度、建筑物面积构建风险指标体系.分别采用TOPSIS和模糊C聚类统...     

乌东德水电站泄洪减振水弹性模型试验研究

本文基于水工模型试验,利用乌东德水弹性模型,研究了不同表孔开度对下游边坡和底部基岩振动的影响,同时利用BP神经网络建立了两种振动预测模型,将泄洪流量分为三个流量级,提出各流量级下的泄洪减振优化方案。结果表明:(1)表孔单独泄流时,当开度增大,基岩的振动基本上呈增大趋势,但当表孔全开时,基岩的振动反而呈减小趋势,边坡的振动则总是跟开度正相关。对于表孔中孔联合泄洪,底部基岩的振动往往在4m开度时最小,但边坡的振动情况比较复杂。(2)两种振动预测模型都有良好的精度,并且单独建立表孔中孔联合泄洪工况的预测模型可以提高精度。(3)流量很小时,单独采用多个表孔小开度泄洪;流量一般时,充分利用中孔泄洪,开启较少表孔且采用4 m开度;流量较大时,中孔全开,表孔采用多孔小开度泄洪。     

水库汛限水位动态控制方案优选研究

在分析水库汛限水位动态控制影响因素的基础上,建立了汛限水位动态控制方案优选评价指标体系,应用丹麦DHI公司研发的MIKE水力计算软件建立了水库下游洪灾淹没损失评估模型.最后以大连市碧流河水库为例,分析计算了在抬高汛限水位后水库下游城子坦镇的洪灾淹没风险损失,并结合水库防洪风险、年平均发电量、洪水资源利用率及供水保证率可靠度四项指标,采用可变模糊优选模型对讯限水位动态控制方案进行优选计算,进而确定了水库实时调度过程中汛限水位动态控制的满意决策方案.     

跨河建筑物局部水沙动力数值模型开发与应用

局部河床冲刷是引发桥梁、渡槽等跨河建筑物水毁的重要因素,利用数值模拟方法能够对洪水过程中跨河建筑物的局部冲刷风险进行分析与预测。介绍了一套用于模拟跨河建筑物附近水沙动力过程的数值模型HydroCRS,可计算建筑物所在河流的流场分布、泥沙运动及河床冲淤情况。模型采用一、二维嵌套的方法,在提高计算效率的同时能够较好地对接水文预报模型,以形成从气象预报到水文预报、再到局部冲刷风险预测的完整模拟系统。将模型应用于南水北调中线一期工程总干渠双洎河渡槽段工程的水沙动力过程模拟中,模型能够反映实际复杂地形下河床冲刷特性,为工程实践及风险评估提供参考。     

复杂空中碰撞下泄流雾化的数值预测

为预测高坝泄流空中碰撞水舌的雾化特征，根据泄流水舌平面局部碰撞和立面多重碰撞模式，提出了联合雾化源场和雾化雨场特征的雾化预测调控方法，并依托旭龙水电站开展实例应用。计算表明：挑坎体型的改变会引起雾化源和雾化雨场的重分布；优选体型Ⅱ在耦合不利风场作用的五千年一遇和百年一遇泄洪工况下，前工况较后工况的暴雨区范围均增大，纵向边界向下游延长50 m，桩号边界值为0+895 m，左右岸最大高程分别增加9 m和13 m，分别超过最大坝顶高程69 m和55 m；优选体型Ⅱ在耦合不利风雨场作用下的暴雨区基础防护纵向范围为0+(-3 m) ~ 0+862 m，左右岸控制高程分别为2382 m和2370 m，校核防护的纵向范围为0+(-9 m) ~ 0+938 m，左右岸控制高程分别为2391 m和2371 m。研究结果可为相关雾化工程的影响评价和防护决策提供参考。