基于BIM+GIS技术的前坪水库溃坝洪水数值模拟

为确保水库汛期防洪及水库下游人民生命财产安全,以河南省汝阳县前坪水库为例,基于库区高精度地形图和DEM,采用BIM技术、GIS技术结合MIKE软件建立水库溃坝一维、二维耦合数值模型,模拟水库大坝在5 000 a一遇校核洪水位下溃坝及洪水下泄过程,计算水库溃口流量过程及溃决后洪水在下游的演进过程,获得水库下游淹没区范围、淹没区流态等洪水风险信息。结果表明:大坝溃口流量过程与经验公式计算结果较吻合,数值模型可有效模拟溃坝后洪水下游演进风险特征,计算结果较为合理,三维洪水演进过程直观准确。     

金沙江白格堰塞湖溃坝洪水演进高性能数值模拟

为高效准确地计算堰塞湖溃坝洪水演进过程,采用基于GPU加速技术的二维水动力模型模拟了2018年金沙江"10·10"与"11·3"白格堰塞湖溃坝洪水演进过程,并将模拟流量过程结果与下游叶巴滩、苏洼龙的实测流量结果进行了对比。模拟结果表明:对于无高精度地形资料的山区,该二维水动力模型可以较好地模拟溃坝洪水演进过程。在计算效率方面,在462万网格的地形数据上模拟40 h洪水演进过程,两次模拟事件分别耗时61 min和74 min。可见该二维水动力模型在模拟洪水演进时非常高效,对洪水应急抢险事件可做到快速预测,为决策者提供有力的数据支撑。     

溃口近区二维数值模拟与溃坝洪水演进耦合

基于黏土心墙砂石坝的溃决过程,以及溃坝洪水传播和运动的特性,建立黑河金盆水库大坝溃口近区二维数值模型和下游地区溃坝洪水演进耦合数学模型。使用DAMBRK法计算逐渐溃坝,并应用其结果进行后续模拟。采用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分格式求解一维模型,采用单元中心的有限体积法求解二维模型方程。采用侧向连接方式,将黑河两岸计算水位点与二维网格单元相连,实现一、二维模型的耦合。采用所建立的二维模型对溃口近区进行计算与模拟,得到计算区域某一时刻的水深及流速分布。应用所建耦合模型对黑河金盆水库万年一遇入库洪水漫顶致溃坝洪水进行数值模拟,得到一维河道内各断面的水位和流量变化过程,以及二维计算区域内不同时刻的水深分布图、流速矢量图和淹没范围变化过程。溃口的形成过程不仅包括漫顶水流的直接作用,同时包括溃口形成过程中两侧漩涡状水流的反冲刷作用。耦合模型可以同时兼顾河道内的水流变化以及河道外计算区域内的洪水演进过程,从而减少由于计算结果偏大或偏小所带来的防洪资源浪费和防洪措施不利等不良影响。     

小型水库超标准洪水溃坝模拟及风险分析

我国小型水库数目众多，承担着防洪、灌溉、供水等重要作用。为减少水库遇超标准洪水溃坝后下游风险区的生命财产损失，以南王水库为研究对象，考虑水库遇超标准洪水下瞬时溃坝与渐进式溃坝两种溃坝形式，采用DB-IWHR溃坝模型模拟溃口流量过程，利用MIKE软件构建一二维耦合模型模拟洪水演进情况并进行风险分析。结果表明，下游淹没情况符合溃坝洪水演进的一般规律，模型可较好模拟超标准洪水引起大坝溃决的溃口流量与洪水演进过程，可为小型水库超标准洪水溃坝应急预案提供参考。     

溃坝洪水数值模拟

在已有溃坝洪水数学模型基础上建立的溃坝洪水计算模型，可对洪水由库尾向坝址的传播过程、溃坝洪水向下游的推进过程、溃坝洪水漫过堤防后在下游城镇内的淹没过程进行水动力学模拟．利用所建立的溃坝洪水计算模型，对某水电站大坝溃坝洪水在拟定的各工况下进行的坝下游洪水预测表明，溃坝历时、水库上游来流量及溃坝时不同的坝前水位是影响该模型计算结果的主要因素．     

基于二维溃坝波数值模拟的生命损失估算

通过界面数值通量以及底坡源项的计算求解无碰撞二维Boltzmann方程,建立了二维溃坝波数值模型.以杭州市余杭镇上游某水库为例,模拟了该水库溃坝后溃坝波的演进过程,模拟结果表明溃坝洪水淹没范围很大,距坝约11 km的下游,水深仍可达4.0 m以上.同时,应用通用的溃坝生命损失模型,在获取网格单元上的水力学参数值（包括水深和最大流速）基础上,输入当地的地形、人口等基本数据,估算了水库溃坝对下游造成的生命损失.该方法可用于其他水库的风险管理分析,为相关部门决策提供依据和参考.     

一二维联解溃坝洪水数学模型应用研究

在前人研究成果的基础上,建立了一个包括上游库区洪水演进、溃坝过程和下游淹没影响区洪水演进的溃坝数学模型,并采用经验公式和实验结果分别对溃口流量和二维渍坝洪水传播进行了验证。利用所建模型对某水库溃坝洪水演进过程进行了模拟,结论表明所建溃坝洪水模型能较好的模拟洪水从库尾向坝址的传播以及溃坝洪水在下游淹没影响区的演进过程,可以用于实际工程计算。     

基于非结构网格的二维溃坝洪水数值模型

基于三角形非结构网格,采用有限体积法建立了平面二维水动力学模型,用于模拟复杂边界和地形下溃坝洪水的运动过程。该文采用中心迎风格式求解界面数值通量,并通过引入限制器技术对界面两侧变量进行重构,使其在空间上具有两阶精度。采用局部改变河床高程方法对界面重构变量进行修正来提高模型的干湿处理能力。该模型既能保证数值格式的和谐性,又能够确保整个计算过程中水深是非负的。通过采用三个典型算例的验证和一个实例溃坝洪水过程的模拟分析,计算结果表明:该模型能很好地捕捉复杂地形和边界条件下洪水演进过程中的洪水锋面运动、干湿节点转化、水深和流量变化等过程,具有很强的稳定性、水量守恒性和激波捕捉能力,特别适用于具有复杂地形和阻水结构物的溃坝洪水演进案例分析。     

耦合高效高精度水动力模型的多组分污染物输移及衰减反应模型

为更好地模拟水污染事件中多组分污染物输移及衰减反应过程,全面耦合了基于图形处理器(GPU)加速技术的二维水动力模型与多组分污染物输移及衰减反应模型,通过改进模型源代码并在污染物输移控制方程中嵌入衰减项与反应项,建立了一个可应用于大区域复杂地形河道洪水演进全过程及多组分污染物输移和衰减反应的高性能耦合模型,同时引入GPU技术提升计算效率。将耦合模型应用于理想地形静水和两个复杂地形河道入流与溃坝算例的水质模拟,结果表明:多组分污染物输移及衰减反应过程在理想算例中的数值解与解析解基本吻合,在入流与溃坝算例中的模拟结果符合实际物理过程,模型运行速度快且计算效率高,可高效地模拟各类突发水污染事件并进行预警和评估。     

基于非结构网格的洪水演进过程中GPU加速数值模型研究

为降低洪水风险并有效地进行洪水管理,研究洪水演进及淹没过程显得尤为重要。该文建立了一套基于非结构网格的二维水动力数值模型,采用三角形网格剖分计算域以适应不规则地形边界,并利用图形处理器(GPU)加速技术以大幅提高模型计算效率,可快速有效地模拟大尺度复杂地形条件下的洪水演进过程,为防洪减灾决策提供强有力的数据支撑。通过三个经典算例研究表明:该模型具有较高的准确性、稳定性和适用性。并将模型应用于Malpasset溃坝后的洪水演进过程,发现计算结果与实测数据吻合较好,计算效率较高,仅用时52 s就完成了溃坝后3 600 s内水动力过程的模拟计算,表明模型能高效准确地模拟大范围高分辨率地形上的洪水演进过程,具有较高的应用价值。     

城市地区水库溃坝洪水演进模拟

因水库下游的地形、边界、糙率等存在明显不同,城市水库溃坝后的下泄演进与山区水库可能存在显著差异。针对城市水库下游区域建筑物众多、糙率复杂的特点,利用地理信息系统(GIS)技术生成高仿真的数字高程模型(DEM),对不同地表类型赋予不同的糙率值并生成糙率场。以深圳龙口水库为例,利用MIKE21水动力模块构建溃坝洪水演进模型,假设主坝瞬间全溃后对下泄洪水进行演进模拟。计算结果表明:模型能较好地模拟城区建筑物的雍水效应,较能反映城市主干道在洪水演进过程中的引导作用以及局部地区洪水迅速涨落和消退的特点,说明高仿真的DEM和多元分布的糙率场对保证城市水库溃坝模拟演进的合理性具有重要作用。     

溃坝洪水研究进展

溃坝洪水研究的目的是计算溃决坝址的流量、水位过程线,并向下游作洪水演进得到沿程的流量、流速、水位、波前与洪峰的到达时间,评估下游洪水淹没损失情况,以便于采取措施,降低洪水风险。从溃坝水流理论研究、溃坝问题的试验研究、溃坝模拟及洪水在下游演进这3个方面对溃坝洪水研究进行了综述,回顾和总结了国内外溃坝洪水研究的发展历程、已取得的成果和近些年的进展,提出了将来要研究的重点,并对研究前景进行了展望。目前溃坝理论的数值求解发展迅速,由试验提出了溃坝机理,研究不断模型化;但高强输沙理论未建立,溃口冲刷过程未能准确表达,对梯级溃坝和冰湖溃决洪水研究较少。今后应加强溃坝水流理论研究,开展大尺度、多库溃坝模型试验研究,积极做好梯级溃坝和冰湖溃决洪水模拟,进一步建立快捷可靠的区域溃坝洪水预报系统。     

基于GeoDam-BREACH与Graham法的溃坝生命损失估算

应用GeoDam-BREACH工具包模拟了超标准洪水状况下小井沟水库下游的溃坝洪水演进过程,得到水库溃坝下游淹没范围与淹没区水深分布,然后采用Graham法对溃坝导致的生命损失风险进行分析。分析结果表明,小井沟水库发生漫顶破坏时,溃坝洪水对下游产生严重影响,下游村镇有受淹风险;下游溃坝淹没区域的风险人口死亡率较高,并且随着警报时间的减小而增大,从而得出警报时间和风险人口对溃坝洪水严重性的理解程度是生命损失的重要影响因素、应当加强水库大坝的日常巡查工作和预警系统的结论。研究成果为小井沟水库的防洪调度和应急预案编制提供了有效支持,对于同类水库的防洪和安全管理亦具有参考价值。     

清水沟水库溃坝对主河道行洪过程影响数值模拟研究

溃坝洪水危害巨大。为研究支沟溃坝对主河道洪水过程的影响,采用集成HLLC近似黎曼求解器的二维水动力模型,模拟研究了支沟清水沟水库溃坝洪水对主河道大理河行洪过程的影响。模拟结果表明:计算水位与实测洪痕吻合度较好,证实所建模型能较为精确地模拟溃坝洪水演进过程;清水沟水库溃坝对大理河上下游均有影响,上游会发生明显的壅水现象,流量具有先下降后上升再下降至稳定的趋势;最为关心的下游洪峰呈现出先增加再下降至稳定的过程,并不是简单的叠加计算,而与上下游关系密切。该成果对于防治支沟溃坝在主河道形成洪水具有一定的指导意义。     

基于MIKE FLOOD的城区溃坝洪水模拟研究

大坝安全不仅影响工程效益,还影响人民的生命和财产安全,溃坝洪水模拟可以对水库大坝的失事影响做出评估,对制定应急预案和防洪减灾具有重要意义。以深圳市龙华新区民治水库及下游片区为研究对象,基于MIKE FLOOD将MIKE11模型和MIKE21模型进行动态耦合,对溃坝洪水在下游的演进过程进行仿真模拟。模型采用瞬间溃(瞬间部分溃和瞬间全溃)以及逐渐溃两种溃决方式,分别模拟4种工况下的溃口流量过程线以及下游洪水演进过程。结果表明:瞬间溃的洪峰流量较大,出现在溃坝开始时刻,而逐渐溃的洪峰流量相对较小,出现在渗透破坏变形发展至上部坝体坍塌时刻,之后均随库区水位逐渐降低,下泄流量变小,直至库区水体排空。溃坝洪水对上游地区横岭村附近破坏较大,淹没水深较深。民治河中游段居民和商业区附近洪水流速接近5 m/s,对建筑物有一定破坏力,左侧向南村地势较低,淹没情况最为严重,并且在洪水消退后仍有3 m左右积水。民治河下游地区在洪水消退后也有少量积水。     

浯溪口水利枢纽溃坝洪水模拟

浯溪口水利枢纽位于昌江干流中游,是一座以防洪为主的水利工程,其溃坝洪水研究对于下游景德镇市防洪风险管理具有十分重要的意义.应用TELEMAC-2D建立了浯溪口水利枢纽二维溃坝洪水演进数学模型.模型模拟范围以60 m等高线为界,坝址为上游边界,下游出口距坝址62 km.模型采用非结构化三角形网格划分,局部加密.应用昌江河水面线和樟树坑水位流量过程线的实测值对模型合理性进行了验证,模型计算值与实测值基本吻合,说明TELEMAC-2D能较好地模拟河流洪水演进.进而取用不同入库洪水重现期在漫顶溃坝情况下的溃决流量过程作为洪水演进的上游边界条件,模拟计算出不同溃坝流量下浯溪口大坝下游洪水水力特性参数(水深、流量和淹没范围等),为浯溪口溃坝风险图绘制及大坝下游城市防洪管理提供了科学依据.     

BREACH模型与MIKE21模型在溃坝风险中的耦合分析

BREACH模型常用来模拟水库大坝漫顶及管涌溃坝模式并获取溃口流量与时间关系,MIKE21模型常用来模拟湖泊、河口、海湾等二维水动力学并获取洪泛区内洪水风险信息要素,两大模型耦合分析在保障水库大坝安全运行及风险管理方面发挥了积极作用。以BREACH模型模拟溃口流量动态数据过程与溃口演变尺寸为基础,通过ArcGIS预处理地形文件、工程建筑物参数与水文数据,构建MIKE21二维水动力学模型并计算网格差值空间,利用Flow Model模块生成溃坝洪水模拟文件,采用判别溃口流量差值是否满足精度要求的迭代法来耦合两大模型,最终结合所要分析水库大坝的工程概况,计算不同风险情况下的水库大坝溃坝洪水淹没水深与范围,进而模拟溃坝洪水演进过程。该方法已成功应用于郑州常庄水库风险分析,结果表明,该方法能客观反映溃坝洪水行洪情况,使用方便,为水库大坝运行管理与应急处置提供了一定的技术支持。     

HEC-RAS模型在二维溃坝洪水研究中的应用

为准确模拟大坝失事后溃坝洪水的下游演进,运用HEC-RAS二维水动力学模型,修正面板坝溃口发展曲线,设计两种闸门开度的小井沟面板坝漫顶溃坝工况,模拟水库泄洪影响下溃坝洪水的下游演进并生成相应的洪水风险图、最大流速分布图、滞留时间图。研究结果展现了溃坝洪水在中下游平原丘陵地区的泛滥情况、洪水风险的分布差异以及水库泄洪对溃坝洪水的影响。分析得出不同闸门开度下溃坝洪水在中下游平原丘陵地区的淹没水深和范围差异明显,最大流速和洪水滞留时间区别不大, 说明水库全力泄洪能有效降低溃坝洪水对下游人员聚居的平原地区的危害。研究成果对后续的人员疏散和损失估计具有重要参考意义。     

韩江南北堤防洪保护区溃坝洪水演进数值模拟研究

洪水分析计算是洪水风险图编制的基础。基于一维、二维水力学耦合模型,建立了韩江南北堤防洪保护区溃坝洪水演进数学模型,分析探讨了韩江南北堤瞬溃后溃口流量水位关系、主要地物特征点的水位和流速变化以及洪水演进过程。结果表明:溃口峰值流量出现在溃坝瞬间,随外江水位下降,溃口流量减小,至溃坝99 h后基本为0。湘桥区距溃口最近,受洪水破坏最严重,最大流速值超过1. 3 m/s。云路镇、登岗镇和湘桥区由于地势较低,最大淹没水深普遍在2 m以上。     

江西抚河2010年唱凯堤溃堤洪水模拟反演分析

本文在中国水利水电科学研究院洪涝仿真模型（IWHR-FRAS）的基础上,针对溃堤洪水利用基于共轭离散单元的有限体积法求解考虑了水流惯性项和摩阻项的完全圣维南方程组,并建立江西抚河2010年唱凯堤溃堤洪水的模拟演算模型,进行了溃堤及洪水发展过程的模拟反演。结合溃堤后现场考察的实测资料,对反演结果进行了分析,结果表明：所建立的唱凯堤溃堤洪水模拟模型可以较好地模拟反演溃堤、修复及排水等因素影响下洪水的发展变化过程;计算的溃口流量过程与堤内外的水位变化过程相一致;溃堤后唱凯堤内的水量变化过程比较合理,与实际情况也相吻合;计算的洪痕处水深与现场观测到的洪痕水深值比较接近。模型基本能够模拟反演人工修复等因素影响下溃堤洪水的演进变化过程,可为溃堤发生后的防洪、抢险、救灾等工作的开展提供重要的技术参考。