三峡水库建成后对长江中下游江湖水沙关系变化趋势初探Ⅰ:大型河网水沙数模的建立与验证

对于天然河道的数学模拟计算中,特别是长江中下游的干支流、洞庭湖区等,会出现较多分流、汇流、分流比未知的分汉河段,形成水流顺逆不定、复杂多变的河网,为此,本文在用四点带权隐式差分求解非恒定流的基础上,通过消元、转换,建立了河网水沙数学模型.该模型既可解决复杂的河网水流计算问题,亦适用于长河段、长时段的较复杂的天然河道水流计算问题.通过对长江中下游千支流洪水过程的模拟,水位、流量、输沙量及洪水过程与实测值相比均在误差范围内,说明该数学模型合理可行,可扩展应用.计算迅捷简便,应用性强.     

平原分汊河道水流数值模拟及其应用

针对平原分汉河道的特点，建立水流运动平面二维数学模型，采用有限单元法离散控制方程，能较好处理平原多汉河道的复杂边界．通过湘江下游香炉洲、冯家洲河段流速、水位及分流比的计算分析，计算结果与实测资料吻合较好．说明该模型的建立和边界处理方法合理，可用于河段治理方案的计算研究．     

RNG k-ε湍流模型在三维弯曲河流中的应用

本文采用非正交曲线坐标下的三维RNG k-ε双方程湍流数学模型,该模型在水平方向采用非正交曲线坐标,在垂直方向采用等分网格的全坐标变换,采用由二维深度平均方程演化而来的2-D泊松方程计算三维自由水面,应用SIMPLEC程式求解方程。通过两个180°弯曲渠道和天然河流Fall River部分河段对本文的数学模型进行验证,给出水位、流速及二次流的分布图等。对比分析,本模型的计算结果和实测值吻合很好,表明采用2-D泊松方程法计算三维自由水面是可行的,RNG k-ε湍流数学模型可以应用到天然河道的计算中去。     

RNG κ-ε湍流模型在三维弯曲河流中的应用

本文采用非正交曲线坐标下的三维RNGκ-ε双方程湍流数学模型,该模型在水平方向采用非正交曲线坐标,在垂直方向采用等分网格的全坐标变换,采用由二维深度平均方程演化而来的2-D泊松方程计算三维自由水面,应用SIMPLEC程式求解方程.通过两个180°弯曲渠道和天然河流Fall River部分河段对本文的数学模型进行验证,给出水位、流速及二次流的分布图等.对比分析,本模型的计算结果和实测值吻合很好,表明采用2-D泊松方程法计算三维自由水面是可行的,RNG κ-ε湍流数学模型可以应用到天然河道的计算中去.     

复杂边界下三维水流数学模型的建立和验证

本文从底层开发了三维水流数学模型。模型使用平面正交坐标和立面为a坐标来拟合河道平面形态、地形和自由水面的不规则分布。计算中采用同位网格布设方式和动量插值方法来避免棋盘压力分布。采用有限体积法（FVM）离散紊流方程，方程的对流项采用修正QUICK格式离散。采用SIMPLEC算法求解流速场和动水压力场。通过对弯道和深槽水流输运的验证表明计算结果和实测值吻合良好，模型能够用于复杂边界条件下水流输运数值计算。     

基于POM模式的感潮河段三维水动力模拟

随着工程要求的不断提高,感潮河段三维水动力的正确模拟有着十分重要的意义.同时,美国普林斯顿大学开发的海洋模型POM已经逐渐应用于我国海湾潮汐流的数值模拟中,并得到了进一步的修正和完善.本文基于POM模式,利用明渠垂向流速分布的经验公式分析了三种紊动黏性系数计算方法对流速的影响;结合前人对POM模式的修正工作,建立了感潮河段的三维水动力模型;将该模型应用到长江下游太仓段的计算中,结果表明,基于POM模式建立的感潮河段三维水动力模型的计算值与实测值拟合较好,能够充分反映感潮河段水位以及水流流速随时间的变化情况.     

长江重庆河段平面二维非恒定水沙数值模拟

本文针对长江重庆河段复杂的水沙运动特点和地形条件，考虑悬移质和推移质运动，采用有限元方法建立了平面二维非恒定水沙数学模型，对重庆河段的水流运动和泥沙冲淤进行了模拟。模型中采用张红武提出的不平衡输沙理论以及引入符合重庆河段水沙特点的悬移质挟沙力公式和推移质输沙率公式，对现有三峡库区数学模型进行了改进，并利用重庆河段正态模型试验和原型观测资料对模型进行了验证。结果表明，模型计算的沿程水位、断面流速分布和河床冲淤变化与资料符合较好。     

黄河大柳树河段水流运动与河床冲淤特性精细实测数据初析

拟建的大柳树水利枢纽坝址位于黄河上游干流黑山峡峡谷出口处,控制黄河流域总面积的33.6%,总径流量的58%,总输沙量的10%,水多沙少,水资源开发条件优越。本文利用声学多普勒流速剖面仪、RTK和激光粒度分析仪等先进测量仪器,对黄河大柳树河段连续弯道中19个典型断面的三维流速、水深、河床高程、岸边水位、粒径等进行了实测。对黄河大柳树河段建库前的水流运动、泥沙输移、河床高程等问题进行研究。分析了各断面垂线平均流速、泥沙粒径和河床高程变化情况,并探讨了天然弯曲河道水流运动与河床冲淤变化之间的关系。结果表明,利用声学多普勒流速剖面仪能较好的测量天然河道流场、河床高程等,其测量成果可为科学管理、工程建设和运行大柳树水利枢纽提供基本资料。     

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。     

黄河下游游荡段非均匀悬沙输移特点

黄河下游水流含沙量大,河床调整迅速,河道输沙能力变幅大,输沙过程与规律复杂.因此研究黄河下游泥沙输移规律,是研究河床变形过程、预测河道发展趋势的基础,对水沙治理与河道整治规划具有重要的现实意义.本文以黄河下游游荡段为对象,基于1986-2015年游荡段实测水沙资料与地形资料,分析了花园口-夹河滩河段与夹河滩-高村河段的...     

连续分布均匀沉水植被明渠水流流速分布比较

植被影响下的河道流速分布是评价河道行洪能力的重要指标,关系到河床稳定与河道安全。以连续均匀分布的沉水植被为研究对象,系统评述了国内外对河道植被水流流速分布的研究进展,从紊动特性阐述了流速分布剖面形成机理,剖析了分区流速解析模型和平均流速模型研究现状和存在不足,基于文献数据,评价了现有平均流速模型适用性及准确度,认为目前对于植被水流流速求解多集中于均匀流条件顺直型河道、植被类型及形态单一的连续均匀分布植被,未来流速模型应针对沉水植被阻力系数、植被影响下的河床应力、非均匀流状态及有限尺寸内柔性植被斑块等方向作进一步研究。     

基于代表性单元的流域水沙耦合模型及其应用

构建适用于宏观尺度的流域水文模型和模拟流域泥沙输移是流域水文模拟技术和理论的重要研究内容,流域水沙耦合模拟是其中的重要问题。本文以适用于宏观尺度的代表性单元流域水文模型为基础,引入泥沙的侵蚀和运移过程建立了水沙耦合模型,通过对水沙运移过程中河道坡度变化的模拟,实现了真正意义上的水沙耦合模拟。为了解决二叉树结构的河道编码方式不能处理三条支流汇合的局限,在模型中使用了虚拟计算单元。使用高精度的遥感影像资料量取河道宽度,然后拟合河道宽度和汇流面积的相关关系,从而确定各计算单元河道宽度,为缺资料地区的水文模拟提供了一种方法。结果显示,水文模拟效果很好,输沙率的模拟值与实测值相比在输沙总量和年内过程方面都非常吻合,流域河道坡度整体上稳定,但是局部河段仍处于演化过程中。     

长江下游崩岸预警模型水动力指标阈值研究北大核心CSCD

长江下游河道崩岸灾害频发,多指标崩岸预警模型是基于层次分析法建立的岸坡稳定性评价方法。水动力作为关键影响因素,对于其指标阈值的确定缺少理论和系统的研究。本研究基于理论推导、数模计算和统计方法,确定了对应不同风险等级岸坡稳定性的水动力预警指标阈值,具体包括造床流量当量、近岸流速、水位变幅和汊道分流比变化率等指标。其中造床流量当量和水位变幅指标阈值确定考虑了感潮河段潮流参与造床和周期性潮位波动的作用。近岸流速指标引入了河床稳定性计算公式。汊道分流比变化率指标阈值计算区分了主支汊,得出当变化率大于8%时,主汊岸坡处于不稳定状态。研究结果可支撑长江下游多指标崩岸预警模型的建立,并应用于崩岸灾害防治。     

考虑弯道环流影响的平面二维水沙数学模型(Ⅱ)——模型的验证

运用Chang的S型弯道断面流速分布和中性物质浓度分布,及实际河道的河床冲淤对修正后平面二维水流运动方程和悬移质不平衡输沙方程进行验证,并与修正前的模型进行比较.模拟结果发现修正后模型计算结果较修正前模型计算结果与实测值符合更好.表明二次流项及横向输沙项的加人能更有效地模拟出弯道处的环流水力特性及横向输沙特性.     

带有取,排水口的河道三维流计算

本文研究带有取、排水口的河道三维流动。采用一般曲线系统的适体坐标生成非正交网格与控制方程;流速以物理分量给出,对于大涡与小涡分别采用两尺度K—ε--E紊流模型。计算出U,V,W,P,T,K,ε七个物理量。流速分布与温度分布的数值计算结果与实际资料一致。用这一方法可以计算出旋涡区、环流及次生流,并可广泛地应用于河道水流及环境污染问题。     

复式断面三维漫滩水流的数值模拟

本文采用非正交三维曲线坐标下的k-ε双方程湍流数学模型,对弯曲不规则地形的渠道和漫滩流动进行数值模拟。该模型在水平方向采用非正交曲线坐标,在垂直方向采用等分网格的全坐标变换,对河道底部表面和两岸壁面使用壁面函数法处理。通过弯曲渠道和顺直漫滩带有弯曲主槽的模型对本文的数学模型进行验证,给出弯道各断面的主流速分布图、各断面的二次流分布图等。对比分析,本模型的计算结果能够较好的反映实验结果,表明该模型对三维漫滩水流流动有一定的应用价值。     

系统仿真技术在河道非恒定流研究中的应用

应用混合编程及可视化技术,将一维非恒定流运动的数学模型与系统仿真技术相结合,开发系统仿真计算平台,并将其应用到观音岩水电站下游河道非恒定流的仿真计算研究中,得到了在不同日发电流量条件下各取水口处的水位、流量变化过程。仿真计算结果表明,观音岩水电站下游河道现状地形条件下,水流下泄基流为439m3/s时,河道下游各取水口都能取到水,但每小时的水位最大变幅值均较大,部分取水口的取水将受到影响。工程实例应用表明,建成的仿真平台基本功能齐全,操作简易,运行快捷,适用于河道非恒定流数值计算研究。     

分汊河道水流运动特性研究

在边界拟合正交曲线坐标系下，运用同位网格模式和界面动量插值的条件建立了二维水流数学模型，采用天然河段的实测资料对模型进行了验证。运用该模型研究了长江中游弯曲型分汉河道分流区在不同流量情况下水流运动与挟沙力因子的变化规律，为研究三峡蓄水后对坝下游河道的影响提供了研究手段。     

感潮河网调水过程的数值模拟研究

利用外河潮位和内河水位涨落落差进行内陆河网引清调水和防洪排涝，是改善感潮河网水环境、保障当地供水安全和提高防灾减灾能力的一种有效途径。本文根据Saint-Venant方程组和Preissmann加权四点隐式有限差分格式建立了感潮河网调水数学模型，该模型应用于浦东新区河网调水过程模拟的结果表明，其计算速度快、精度也较高，可对感潮河网调水水流时空变化过程、闸门开启过程引排水流量以及调水过程引排水总量进行模拟和计算。结合计算智能方法进一步讨论了调水过程外河潮位实时预报、感潮水闸流量的计算和调水模型河网糙率的反演问题。感潮河网调水过程数学模型的研究可以为平原河网地区水资源的智能监控提供支撑平台。     

非正交曲线坐标下三维弯曲河流湍流数学模型

本文在水平方向采用非正交曲线坐标，在垂直方向采用笛卡尔坐标系统，结合实际河床地形实行堵塞技术以实现对实际地形的模拟，在河床表面使用壁面函数法模拟河底阻力，在自由水面采用改进的“刚盖假定”方法，研究开发了非正交三维曲线坐标下的κ-ε双方程湍流模型。通过实验室弯道对模型进行了验证，计算结果与实测值吻合较好，将模型应用于天然连续弯曲河流的流场计算，给出了4层流速矢量图和4个断面二次流矢量图。