考虑下渗的一维河道水流数学模型

采用Green-Ampt下渗模型描述河道下渗,基于完整圣维南方程建立一维河道水流数学模型.为准确求解控制方程解中可能包含的激波与间断,采用有限体积法离散控制方程,使用具有总变差最小特性的SLIC数值格式求解通量.对坡面产流实验进行模拟从而验证模型.应用该模型对浊漳河西南源2场典型场次洪水进行数值模拟,计算结果和实测流量过程吻合良好,而传统不考虑下渗的水流数学模型计算结果与实测数据差异较大,表明该模型能更好地反映强烈下渗条件下洪水演进实际情况.对模型参数进行敏感性分析,计算结果显示糙率、Green-Ampt压力水头以及前期土湿对计算结果均有一定影响.该模型相较传统模型能准确模拟干旱和半干旱地区河道洪水演进的过程,具有推广应用价值.     

基于Roe格式的不规则地形上浅水模拟

为准确求解不规则地形上的浅水方程,建立了一种基于Roe格式的黎曼近似解的具有二阶时间空间精度的和谐离散格式.守恒变量采用加入坡度限制的MUSCL(monotonic upstream-centred scheme for conservation laws)格式进行重构.为保证格式和谐性,引入水面梯度法并基于静水条件构造了底坡项的离散格式:河床梯度采用中心差分格式,而水深则为计算单元附近4个重构水深的平均值.将上述重新调整过的Roe-MUSCL格式运用于3个不规则地形上的水流算例,计算结果均比较理想.     

考虑蓄满产流机制的流域分布式产汇流模型

洪水预报通常基于降雨径流模拟进行。以山坡水文学理论的蓄满产流机制为出发点,展开了对山区流域降雨径流模拟的研究,以此建立分布式三水源产汇流模型。首先,对研究流域进行离散化,以数字高程数据为基础提取流域的地形数字特征,使离散化坡面单元的数据同时完成自动匹配,实现参数的空间离散化,为模型的应用提供参数支撑。其次,采用水流连续方程和达西公式计算单元坡面内的产流量;以圣维南方程组简化的运动波方程为控制方程,推导出坡面流近似的偏微分方程,利用特征线法对每一单元坡面进行汇流计算。所建分布式水文模型可模拟从非饱和壤中流漫溢到坡面单元上形成饱和坡面流的暴雨径流过程。同时借由马斯京根-康吉法衔接了坡面离散单元水文子过程与主河道的汇合。最后选取美国古德温河流域典型的降雨过程进行次洪过程模拟,采用确定性系数、相关系数来评定模拟精度,结果表明其模拟精度达到了径流过程模拟和作业预报的精度要求。总体来说,所建分布式产汇流模型不但适用于单一坡面的径流分析,且能够应用于一般流域以进行降雨径流过程的模拟,在一定程度上可为防洪调度提供参考依据。     

暴雨山洪水动力学模型及初步应用

建立暴雨山洪水动力学数值模型.基本控制方程采用二维浅水方程,并考虑降雨和下渗;在空间上采用能有效捕捉激波的WAF TVD二阶格式;在时间上采用一阶龙格库塔法,并采用自适应时间步长满足数值稳定性要求,使模型对复杂地形也能保持高计算效率.基于该模型,提出新的方法确定山洪灾害的临界降雨条件,并应用于典型山洪易发区的暴雨山洪预报.计算结果表明该研究方法具有理论先进性和实际可操作性,为有效防御山洪灾害提供了新的技术.     

台风暴雨影响区域的溃坝洪水演进数值计算

针对东南沿海受台风暴雨影响流域中下游地势较低洼开阔,在台风暴雨过程中容易积水,存在大面积初始水深,出现较严重内涝的特点,建立考虑下游区域初始内涝水深的二维溃坝洪水演进数值模型.基于数字高程模型(DEM)的地形数据和矩形网格,采用有限体积法和逼近黎曼格式及逆风守恒格式求解方程,并以戌浦江流域为典型,重点分析该流域存在内涝时上游水库发生溃坝的洪水演进特点.结果表明,溃坝洪水受下游初始淹没水深的顶托,下游区域的淹没水深并不是初始淹没水深和不考虑初始淹没水深溃坝计算所得水深的简单叠加,越往下游初始淹没水深对计算结果的影响越大;如果在计算中不考虑初始淹没水深,将会明显错误地估计洪水所带来的灾害风险.     

旋风分离器流场的数值计算方法研究

利用计算流体力学软件FLUENT,分别采用k-ε标准模型、RNGk-ε模型和RSM模型湍流模型及不同离散方式对旋风分离器的流场进行了数值模拟研究.通过模拟结果与前人实测结果的对比,确定出了适合旋风分离器的数值计算方法.结果表明:湍流模型采用各向异性的RSM模型,离散方式采用对流项的QUICK格式和压力梯度项的PRESTO格式,才能获得合理的流场模拟结果.该结论为旋风分离器流场的数值模拟及进一步的结构优化设计提供了参考依据.     

西安城区绿地雨水下渗特征与影响分析

强化雨水入渗是目前海绵城市建设的重要内容之一.本文通过现场实测和计算模拟探讨了西安城区雨水下渗特征,构建以湿陷性黄土层为约束条件的城市绿地渗水地层模型,采用HYDRUS软件模拟分析了西安城区下凹式绿地深度(入渗作用水头)与雨水下渗深度的关系,并分析了雨水在土壤下渗过程中污染物浓度在土壤中的迁移消减变化规律.结果显示,以地下5.0 m处存在湿陷性黄土为约束,25.0 cm入渗水头作用下对应的连续渗水时间为16.6 d,小于西安城区历史连续降雨极限天数(19 d),因此在西安城区进行雨水下渗措施建设必须考虑地质条件的约束;以降雨径流在5.0 cm水头下渗为初始条件,雨水中典型污染物的变化表明,氨氮在土壤以及植物根系作用下基本去除,而COD_(Cr)、总磷和总氮在40～50 cm深度土壤中污染物仍然有很高残存.研究结果为湿陷性黄土地区城市雨水下渗系统和径流面源污染治理了提供依据.     

坡面土壤侵蚀响应机制及其水动力学特征研究进展

坡面是土壤侵蚀的主要发生区。概述了坡面土壤侵蚀发生与土壤性质、降雨、植被、地形、水土保持措施等指标间的响应机制和坡面水动力学参数及机理研究进展;分析表明,坡面土壤侵蚀是一个十分复杂的过程,不仅受土壤内部因素如土壤均质程度、土壤质地、土壤含水量等的影响,还与外部条件如降雨、植被、地形、水土保持工程等紧密相关。但是,现行的土壤侵蚀研究体系并不完善,需要对土壤侵蚀各影响因素之间的相互作用关系和动力学物理机制进一步明确和深入认知。     

基于运动波壤中流理论与无限边坡稳定分析理论的滑坡预测模型

滑坡往往发生在强降雨时期的陡峭山坡区域,建立滑坡预警模型是山坡地防灾重要策略之一。论文结合山坡运动波壤中流理论与无限边坡稳定分析理论,构建了降雨型浅层滑坡的预警模型。将模型应用于台湾高雄市那玛夏区达喀尔努瓦里,研究发现在莫拉克台风期间滑坡发生的预测位置与卫星影像图所得到的结果一致,率定的土壤参数物理意义明显,说明此模型具有一定的可靠性。同时研究了双峰降雨过程中坡面安全系数的变化,随着降雨量增大,壤中流流量快速增大,出口处饱和水位快速上升,坡面安全系数快速减小;当降雨量减少时,土壤排水速率大于降雨强度,饱和水位缓慢下降,安全系数缓慢增大至天然状态条件下的安全系数。此外,为了研究对称双峰降雨条件下表层土壤厚度对坡面稳定性的影响,对设计坡面进行降雨径流模拟与稳定性分析。结果显示土壤厚度增大,坡面安全系数减小。在两种不同的雨型条件下,在先小后大的降雨条件下土壤汇集的水量较多,发生滑坡的可能性增大。上述土壤蓄水机制的研究,可以为滑坡预警模型提供物理依据。     

不同土地利用方式坡面产流输沙过程模拟研究

针对目前多数坡面侵蚀预测模型难以模拟土地利用变化对坡面产流输沙过程影响的问题,基于运动波方程和泥沙输移公式,给出了一种能够反映不同土地利用方式下坡面产流输沙时空变化的简化模型,并利用裸地、草地、坡耕地、灌木地及幼林地的试验及自然降雨条件下坡面产流输沙实测资料对模型进行验证,符合较好.利用该模型对黄土高原不同降雨条件下不同土地利用场景坡面产流输沙特征进行了模拟,结果表明:典型降雨条件下,5 a树龄以上的林地或覆盖度在60％以上的草地坡面标准小区基本不再发生侵蚀;坡度小于15°的裸地坡面中下部发生轻度侵蚀;十年一遇降雨条件下,10 a树龄以上的林地坡面土壤侵蚀基本得到控制,而草地调控坡面水沙的能力有限,裸地更差.对低强度短历时降雨,草地调控水沙的见效较快;对高强度长历时降雨,林地调控水沙的作用较大,两者宜配合进行;对不同坡度裸地,要严格控制坡面坡长.研究结果为优化土地利用方式提供了理论支撑.     

2维水动力模型中入流边界优化处理方法

在极端暴雨事件频率和强度不断加剧的趋势下,防洪安全面临着极其严峻的考验,研究河道洪水演进、漫溢及淹没过程,有效评估洪水灾害风险就显得尤为重要。为精确模拟河道洪水演进过程,本文采用基于非结构网格有限体积法建立的二维水动力模型,构建了一种基于虚拟单元法的入流边界改进方法。该方法采用基于地形网格数据的纵断面提取法以近似确定深泓线的位置,从而计算出河道平均纵比降;在入流边界各网格上以均匀流的方式入流,计算出不同流量下的对应水位;依据各网格上的水深和入流边长计算权重以合理地分配流量,再结合单宽流量边界条件确定边界外侧虚拟单元上的水力要素,最后耦合至模型通量部分进行计算,实现入流模块的优化。将该方法应用于Toce河物理模型试验的模拟,在入流边界附近计算出的水位、流速和流态都更为合理;河道中各测点水位与试验数据吻合度较高,洪水到达测点时间及各点间洪水运动传播时间与测量值较为接近,纳什效率系数在0.82~0.95之间,验证了该方法的可行性和模型的准确性;并且在单机上用时86s完成计算,效率较高,表明模型能高效准确的模拟洪水演进过程。通过对入流模块的改进优化,模型可以更好地应用于洪水演进过程的模拟预警及灾情评估工作,为洪水灾害管理决策提供技术支撑。     

双超模型在半湿润地区的应用

中国北方多属半干旱、半湿润地区,其降雨径流的形成过程较为复杂,既有蓄满产流,又有超渗产流.针对这种产流现象,分析其物理机制,在前人研究的基础上,探讨了适用于超渗产生地表径流、超持产生壤中流的"双超"产流模型和汇流模型,并将其应用于文峪河流域,进行了洪水模拟应用.研究结果表明,洪水过程的模拟预测结果与实测结果基本吻合;对于不同年份降雨的洪水模拟,除少数敏感的模型参数外,其它模型参数几乎不变,说明该模型弹性较好,因此该模型在这类地区具有较强的适用性和实用性.     

双超模型在半湿润地区的应用

中国北方多属半干旱、半湿润地区,其降雨径流的形成过程较为复杂,既有蓄满产流,又有超渗产流,针对这种产流现象,分析其物理机制,在前人研究的基础上,探讨了适用于超渗产生地表径流、超持产生壤中流的＂双超＂产流模型和汇流模型,并将其应用于文峪河流域,进行了洪水模拟应用,研究结果表明,洪水过程的模拟预测结果与实测结果基本吻合;对于不同年份降雨的洪水模拟,除少数敏感的模型参数外,其它模型参数几乎不变,说明该模型弹性较好,因此该模型在这类地区具有较强的适用性和实用性。     

降雨循环条件下高切坡稳定性演化过程及预测方法

为进一步揭示降雨循环条件下基岩型台阶状高切坡的降雨入渗及稳定性演化过程,以乐西高速马边至昭觉段某粉质黏土覆盖层基岩型台阶状高切坡为研究对象,通过室内干湿循环试验建立土体抗剪强度参数劣化数学模型;利用Geo-studio数值模拟软件研究多工况降雨循环下高切坡降雨入渗过程,揭示不同降雨循环工况下及雨后高切坡内部渗流场及稳定性变化规律,建立降雨型高切坡稳定系数逐年劣化方程;结合室内试验及数值模拟结果,建立该类高切坡稳定系数预测方法。研究结果表明：降雨入渗过程中高切坡潜在滑移面形状及位置并不发生明显变化,且表现为高切坡深处圆弧面及基岩积水面的组合型滑面;相同降雨时间内,高切坡降雨入渗深度及稳定性劣化幅度与降雨强度成正相关;单次降雨循环周期内,高切坡稳定性劣化幅度与降雨循环次数成负相关;高切坡降雨入渗深度或入渗总量越大,雨后高切坡稳定系数回升越小;高切坡稳定系数劣化系数采用土体抗剪强度参数劣化系数平均值较为安全合理,所建降雨型高切坡稳定系数预测方法具有较高的精度。     

洪水泥沙运动特性的一维数值模拟计算和分析

采用一维非恒定水流泥水流泥沙数学模型对黄河的“96．8”洪水泥沙输移特性进行了数值计算模拟，通过对洪水运动过程的水沙要素如断面的水位、数量、含沙量变化、洪水传播时间及河床冲淤等特性的分析表明，本一维非恒定泥沙数学模型在分析模拟洪水泥运动规律可靠性，为江河洪水预报提供一种重要的预测手段。     

基于曲线网格的串流区洪水运动数值模拟

采用平面二维水动力学模型来描述串流洪水运动,将降雨直接产流与坡面流的影响分别以面源及旁侧入汇的形式融入水动力学模型;基于曲线网格对串流区洪水运动数学模型的控制方程进行了离散,同已有的离散方法相比,本方法不需要对控制方程进行坐标变换,因而离散方程形式简单,物理概念清晰,且适用于一般曲线网格,对复杂区域适应能力较强;采用北汝河串流区1943年历史洪水资料进行了验证计算,验证计算所得洪痕水位与调查成果基本一致,说明所建立的数学模型能够较为准确地描述串流区内的水流运动.     

基于弹性梯度下降算法的BP神经网络降雨径流预报模型

运用反向传播(back propagation, BP)的改进算法弹性梯度下降算法,选择崇阳溪上游流域1997—2014年的14场降雨径流过程,以流域内洋庄、吴边、大安、坑口、岭阳、岚谷6个雨量站的实测降雨量和武夷山水文站的前期流量资料为输入,武夷山水文站相应流量为输出,建立弹性梯度下降算法的BP神经网络降雨径流预报模型,采用7场降雨径流过程对模型进行检验。结果表明,与传统的反向传播算法相比,该模型所需的参数较少,运算速度显著提高,模型的预报精度满足要求,可以为防汛部门预测洪水提供依据。     

双层结构边坡降雨入渗与坡面径流耦合分析

天然土质边坡在地质和人为因素的作用下,通常呈现一定层状结构,在强降雨作用下会产生入渗和坡面径流。研究降雨条件下坡面径流与地表入渗相互影响过程,对山地洪水和滑坡灾害防治具有重要意义,然而,目前为止对层状土边坡地表与地下渗流的相互作用机制的研究理解还极为有限。本文针对上粗下细型层状土边坡降雨入渗研究中忽略坡面径流影响导致入渗分析不符合实际这一问题,基于Moore双层入渗和坡面径流控制方程建立耦合模型,并通过Python编制相应的计算程序分析耦合条件下双层结构边坡降雨产流及停雨后雨水重分布全过程。数值分析结果表明边坡土体降雨入渗过程与坡面径流深度有关;降雨初期降雨强度<坡面入渗能力,入渗速率等于降雨强度,坡面产流后入渗速率随降雨持时逐渐减小趋于稳定;当湿润锋跨过土层交界面时入渗速率急剧减小,最终等于次层土的渗透率,意味着上粗下细型层状土入渗速率主要由次层土控制同时降雨停止后径流快速衰退,已入渗的雨水在重力和湿润锋下方土体基质吸力的作用下继续向下推移,湿润锋入渗深度随雨水重分布历时趋于平缓。算例表明,该计算模型与计算方法可行,能够较好地反映实际层状土边坡的降雨入渗过程,为类似的层状土边坡研究提供计算依据。