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。     

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。     

不衬砌引水隧洞糙率选值问题的探讨

本文对不衬砌压力引水隧洞的糙率取值问题进行了探讨,用国内外已有工程的实测糙率数据对各家经验公式做了分析比较、以尼可拉池公式较为接近实际。渔子溪一级水电站不衬砌隧洞的糙率主要用此公式计算并加以一定的安全余幅,做为设计取值。为通过运行实践进行验证和积累工程资料,在隧洞内设置测压管做原型观测,结果与设计取值极为接近。     

不同量级洪水对黄河下游游荡段冲淤变化的影响

小浪底水库运用后,改变了进入黄河下游的水沙条件,引起了下游河道的再造床过程。以小浪底水库调控后的不同水沙过程为基础,研究这些不同水沙组合洪水在下游河道的演进过程及其对冲淤变化的影响,可为黄河下游“二级悬河”治理提供科学依据。文章首先介绍了模拟黄河下游游荡段实际断面形态下洪水演进的一维水沙耦合模型,并利用黄河下游1982年5—10月实测洪水资料对该模型进行了验证,计算所得流量过程、含沙量过程及沿程最高水位等均与实测值较为吻合;最后采用该模型计算了水沙总量相同条件下,不同量级洪水过程在下游游荡段的演进过程,分析了不同量级洪水对河床冲淤变化的影响。结果表明：不同水沙过程对下游游荡段冲淤变化有明显影响,洪峰流量为10000 m3/s及相应含沙量为60 kg/m3的水沙过程在下游游荡段淤积量最大,洪峰流量为4000 m3/s及相应含沙量为30 kg/m3的水沙过程在下游游荡段淤积量最小。从淤滩刷槽的综合效果看,洪峰流量为6000 m3/s及相应含沙量为40 kg/m3的洪水过程对于下游游荡段河床调整较为有利。     

高效高精度水动力模型在洪水演进中的应用研究

针对现有的洪水演进及淹没过程二维数值模型中存在的计算精度不高、稳定性差、计算效率低下等问题,本文提出一套基于GPU加速技术的地表水动力数值模型（GAST）。选用英国莫帕斯小镇百年一遇洪灾为研究对象,模拟5 m和2 m分辨率地形下的城区淹没过程及范围,分析GAST模型的模拟精度、效率及稳定性。研究发现：GAST模型模拟淹没面积与实测结果百分误差仅为0.96% ~ 4.36%,同时计算5 m、2 m分辨率地形用时分别为2.17 h、9.00 h,具有较高的模拟精度、效率及计算稳定性;对比相同输入条件下的MIKE21 FM模型,GAST模型计算精度提升1.07 ~ 19.55倍;GAST模型计算效率提升3.4 ~ 11.78倍,且随着计算网格数的增加效率优势更为明显,故其应用前景广阔。     

水工模型试验中的草垫加糙方法研究

此文开展了草垫加糙方法的系列试验研究,计算了草垫加糙能够达到的糙率范围,得到了加糙后糙率与弗劳德数之间的变化关系,分析了草垫加糙对底部水流的影响,提出了草垫加糙的最小适用水深。将草垫加糙方法应用于滦河迁安段综合整治水力模型,试验结果表明,草垫加糙不仅可以达到模型糙率要求,而且能够很好地模拟河道的阻力特性,证明了草垫加糙方法的可行性。     

城市湖泊暴雨过程中蓄洪能力研究

结合雨水管网箱涵溢流公式,建立二维浅水方程洪水演进模型,模拟城市浅水湖泊在暴雨条件下城市湖泊蓄洪排洪效果.通过深圳荔枝湖两场实测暴雨验证,计算结果和实测资料吻合较好.并计算设计暴雨强度50mm/h情况下,有56961.5m3水体,即45%的降雨径流通过箱涵进入湖内,这大大削减排水管网中洪峰负荷,使街道暴雨径流尽快排出,将暴雨灾害减小到最小.     

考虑植被作用下的二维溃坝水沙耦合数学模型

基于有限体积法和非结构三角形网格,耦合二维浅水控制方程、泥沙输移方程、河床变形方程建立平面二维溃坝波数学模型。水动力和连续方程均采用浑水方程,考虑了植被对水流、泥沙输移及床面冲淤变化的影响。水动力模型应用二阶精度的Roe格式近似Riemann解计算网格界面的通量,能够精确模拟干湿界面的动边界问题,将静水压力项和植物拖曳力项作为源项反映在动量方程中。应用模型对4个算例进行模拟,并结合实测资料对数值模拟结果进行了验证分析。计算结果表明:本文建立的平面二维溃坝水动力、泥沙耦合数学模型能够准确模拟复杂计算域的溃坝水流演进及床面变形问题。通过对有植被算例的模拟分析发现,滩地种植植物能减少植被区的流速和溃坝波对下游河床的冲刷,但同时也会降低有植被区河道的泄洪能力,导致洪水在上游区水位提升。     

泄洪洞孔板式消能工的多尺度紊流分析

在标准K-ε模式模拟孔板式泄洪洞水流方面,发现在收缩比小(收缩程度大)时,用其计算出的流速场和实测的数值相差较大。为探讨这一问题,本文用二维LDA流速测量仪对孔板式泄洪洞内紊流特性进行了测量,接着在不同的网格系统下,应用标准的K-ε模型,对洞内水流进行了数值分析,探讨了网格对计算结果的影响。在此基础上,又进而对其内水流进行了多尺度紊流模型的数值模拟,在回流区得到了和实测结果较为吻合的结果。     

新一代三峡水利枢纽短期洪水预报系统的构建与检验

本文主要介绍新一代三峡水利枢纽短期洪水预报系统的设计与实现,该系统可利用目前三峡区间多种降雨估测信息源作为系统的输入条件;流域产汇流方面,采用基于地貌特征的流域分布式水文模型GBHM模拟三峡区间降雨径流过程,该模型考虑了汇流区间内不同土地利用类型和土壤类型对山坡产流的影响,能较好地描述研究区域水文过程的时空分布特征;库区洪水演进方面,采用MIKE11中的一维水动力学模型耦合GBHM模型输出区间流量来模拟三峡水库内长江干流河道的洪水演进过程。基于历史资料的模拟结果显示,该预报系统可以较为准确地模拟三峡区间的暴雨洪水、库区洪水演进等一系列水文过程。     

基于Kalman滤波糙率反演模型的河道洪水实时预报研究

建立基于Kalman滤波理论的河道糙率反演模型。将河道不规则断面沿程概化为矩形、三角形和抛物线型断面。引入水力半径与水深的经验关系,基于圣维南方程组动量方程中惯性项与弗洛德数相关性,推求水深对糙率的偏导数,建立基于Kalman滤波理论的平原区河道糙率反演模型。选择淮河干流王家坝至鲁台子河段为例,将糙率反演模型与水动力学模型相结合进行河道洪水实时预报,并与一维水动力学模型的预报结果进行比较分析。结果表明,在预见期为6小时的实时预报中,耦合模型与原水动力学模型均取得较好的预报效果,耦合模型预报精度好于原水动力学模型,也证明了所建模型的合理性。     

特高压汉江大跨越工程滩地立塔的二维数值计算

特高压输电线路在河流滩地立塔时,需要进行滩地塔位选择和方案比选。采用地表水模拟系统（surface water modeling system,SMS),分析了河流滩地在设计洪水条件下的流场分布情况,并根据滩地流速分布对跨越塔位置进行选择和评估。SMS的计算结果直观、合理,可为线路选择滩地流速相对较低、局部冲刷深度较小及对河道行洪影响较小的位置立塔。     

雨水口泄流计算对城市洪涝模拟结果影响研究

雨水口可将地表径流输送至排水管网,是城市洪涝治理中的关键因素。为充分掌握雨水口泄流机理,本文总结了泄流试验研究的主要成果,比较了不同泄流计算方法的优缺点及适用范围;通过编译生成SWMM动态链接库文件（DLL）,构建了改进泄流计算的城市雨洪模型;以西安市沣西新城为研究对象,定量分析了不同泄流计算方法对汇水区内雨水口泄流量及洼地积水深度的影响。结果表明：典型汇水区内采用不同泄流计算方法模拟得到的泄流量占降雨总量的38% ~ 48%;泄流公式中流量系数18%的差异会在洼地积水深度结果中放大至55%;研究区各汇水区内因雨水口泄流能力不足而导致的最大洼地积水深度在0.1 ~ 0.6 m之间。研究成果有助于深化对雨水口泄流过程的认识,为城市防洪减灾提供技术支持。     

基于净雨预报信息的水库防洪调度方式研究

为进一步提高洪水预报信息在水库调度中的应用水平,本文以山东半岛龙角山水库为研究对象,首先构建在实际生产中广泛应用的新安江模型,采用确定性系数和绝对误差评价模型误差,并通过合格率评定径流深预报和峰现时间预报的精度等级。结果表明,各项评价指标在模型率定期和验证期的精度均为甲等,可为水库预报调度规则的制定提供可靠的理论依据。然后利用新安江模型预报出的净雨信息,制定水库防洪预报调度规则,调算不同频率设计洪水,并与常规调度方式下调洪结果作对比。通过比较发现,预报调度模型能够提前预泄,有效降低水库调洪最高水位和减小最大下泄流量,增加削减洪峰流量,对减小水库上下游防洪风险和提高水库防洪效益具有重要意义。     

七弓岭弯道颈口裁弯条件及其对城陵矶水位影响

下荆江与东洞庭湖交汇段的七弓岭弯道,其颈口宽度已远小于河道宽度,而且三峡水库蓄水后清水冲刷河岸,加速颈口河道缩窄,存在漫滩冲刷或崩岸贯穿作用下颈口裁弯的可能性,故研究七弓岭弯道的颈口裁弯临界条件较为迫切。采用水文资料、地形数据和MIKE21水动力模型,建立七弓岭弯道上下游（监利-螺山）的二维水动力学模型,在不同流量和颈口设置不同深度的浅槽条件下,开展颈口裁弯前后的河道水动力数值模拟,分析七弓岭弯道颈口裁弯条件和预测七弓岭裁弯对城陵矶水位的影响。研究表明,七弓岭颈口可能在高水位条件下发生冲切型裁弯和较窄颈口宽度条件下发生崩岸型裁弯,裁弯将导致城陵矶水位至少增加0.3 m,这主要是七弓岭下游的洞庭湖入汇长江对七弓岭弯道水位的顶托作用,而且在不同强弱顶托作用下裁弯后新河道与老河道的分流量差值小于上游来流量的1%。     

潮汐河口动床洪水的数值模拟

潮汐河口洪水水位受流域来水和海域潮汐双重作用,动力机制复杂,在特大洪水作用下,河口床面边界还将发生显著变形,造成水面相应明显升降,以致用定床模型预报洪水位误差很大。本文以钱塘江河口为例,采用Delft3D数学模型对潮汐河口洪水水位进行二维数值模拟试验。在定床和动床模型均取得良好验证的基础上,进一步预报洪水过程,发现定床模型可产生近1m的计算误差;而动床模型则能比较精确地计算整个洪水过程的水位,最大误差不超过0.08m。因而预测冲淤幅度较大的潮汐河口的洪水水位最好采用动床数学模型。论文还就洪水位的空间分布探讨弯道水面横比降随洪水流量的变化。