基于水动力模型的洪水风险分析研究

根据福安市的暴雨洪水特性和地形地貌特征,构建福安市洪水实时分析计算模型.其中采用一维水动力计算河道洪水,二维水动力模拟洪水在城市面域内的演进,采用耦合模型将河道与城市面域联立,实现河道洪水和城市内涝的水量交换.率定后的模型计算结果可为制定超标准洪水防御对策提供科学可靠的决策依据.     

郑州市“7·20”特大洪水对地铁工程防洪影响研究（英文）

近年来,随着全球气候变化,极端气象和气候事件频繁发生,严重影响了城市地下建筑工程的发展。针对2021年7月20日郑州发生的特大暴雨(简称“7·20”暴雨),提出了暴雨洪水广义极值分布模型和重现期计算方法。基于二维-非恒定流理论,构建了城市洪水模拟模型,对城市洪水进行了模拟。计算表明,郑州“7·20”暴雨超过了千年一遇水平。选择郑州市环型地铁5号线为计算实例,基于地铁5号环线的建筑工程分布特征并综合考虑地表与地下雨洪汇流特点,沿地铁5号线路设计了36个洪水风险点。应用暴雨模拟模型计算得到了地铁5号线沿途36个洪水风险点对应于不同洪水频率的淹没水深。通过对洪水模拟模型有关参数的验证,结果证明,计算得到的研究区域范围内的洪水过程基本符合研究区低洼处的洪水淹没情况,该模型也可以准确地描述市区街道洪水形成过程、道路和桥梁交汇处的累计淹没水深。构建的模拟模型也可以合理地模拟城市河道排水情况。计算结果表明,以郑州“7·20”暴雨为洪水设计验证标准,就地铁5号线而言,大多数洪水风险点的淹没水深超过2.0 m,最大淹没水深接近3.0 m。根据洪水模拟和重现期计算结果,提出了郑州市地铁工程洪水风险分类方法...     

耦合洪水演进模型在太平溪流域中的应用研究

太平溪小流域位于太湖流域暴雨点内,汛期暴雨洪水量大且较为迅猛,对该区域安全产生较大影响。为提高该区域防洪安全系数,提出基于有限体积法的一维、二维耦合洪水演进模型,以10%设计暴雨为例,通过耦合演进模型对该区域洪水进行模拟分析,得到洪水淹没的范围、历时以及深度等信息,研究成果可为该区域防洪安全管理提供理论依据和技术支撑。     

山丘区小流域洪水风险模型研究及应用

一维水动力演进模型能快捷进行长河段洪水演进预报,二维演进模型能准确进行山丘区小流域水流运动的模拟,提供洪水淹没范围、淹没深度等信息。基于一维、二维演进模型的不同特点,提出基于无结构化网格划分流域计算网格的一、二维耦合山丘区小流域洪水风险分析模型。利用该模型对太平溪流域P=10%设计暴雨条件下的洪水进行模拟分析,制作该设计暴雨条件下太平溪流域的洪水风险图,并通过耦合模型分析、风险图成果利用,研究太平溪流域的洪水风险因素,提出洪水风险应对对策及措施。利用耦合模型进行洪水风险分析,将成为山丘区小流域洪水风险管理的一项重要技术支撑。     

洪泛区洪水泥沙数学模型的研究和应用

洪泛区暴雨洪涝灾害是一个严重的问题,伴随着暴雨洪涝,洪水泥沙等沉积物淤积问题突出。采用数值模拟的方法解决暴雨洪水滞涝及泥沙淤积问题。利用二维水流模型理论和二维泥沙运动理论,建立了适用于洪泛区的洪水泥沙输移数学模型。模型由两部分组成,洪水滞涝水动力模型和洪水泥沙输运数学模型。洪水滞涝水动力模型采用加权质量集中的有限单元法...     

平原区暴雨内涝风险数值模拟研究

采用水力学方法探讨平原区暴雨内涝风险数值模拟研究,采用MIKE11建立黄河故道一维水力学模型,采用MIKE21 FM建立区域二维水力学模型,采用MIKE FLOOD对一维、二维模型进行耦合计算,模拟区域1978、2000、2003年暴雨内涝演进过程和淹没范围等,计算结果与涝灾实际淹没情况及区域地形地貌基本相符,可为下一步洼地治理、涝灾应急预案制定等提供参考依据。     

洪水分析软件在洪水风险图编制中的应用

依托全国重点地区洪水风险图编制项目,中国水利水电科学研究院主持开展了洪水分析软件研发,通过整合国内优势模型技术,开发了包括复杂水利工程调度模拟的一维河网计算引擎,高分辨率二维洪水分析计算引擎、快速非结构网格生成模块,集成国内外广泛使用的SWMM管网模型,基于自主研发的GIS平台,完成了一维、二维洪水模型和城市管网模型的前后处理功能研发,实现了一二维耦合以及城市管网与二维模型耦合。形成了两个软件产品,为中小河流、防洪保护区、蓄滞洪区以及城市洪水分析提供技术支撑。     

基于WebGIS的洪泽湖地区动态洪涝管理信息系统

洪泽湖承泄淮河上中游15.8万km²的洪水,周边地区地形以平原洼地为主,常受洪涝灾害影响。为了降低区域洪涝风险、减少洪灾损失,针对外河洪水、区域洪水及暴雨内涝3类风险源构建了洪水演进模型,在此基础上基于WebGIS开发了B/S结构的动态洪涝管理信息系统,采用动态图层技术生成了动态洪水风险图。实现了对规划与模拟工况下的雨水情信息、静态与动态洪水风险信息和受灾损失信息的综合管理以及二维洪水演进过程的动态显示,有助于加强区域洪涝管控与制定避险转移方案。     

基于多重网格的地表水文与二维水动力动态双向耦合模型研究

针对流域洪涝模拟模型的计算精度、格式稳定性及计算效率等问题,本文提出基于多重网格技术的地表水文与二维水动力动态双向耦合模型(M-DBCM)。地表水文模型采用非线性水库法模拟降雨产流和径流;二维水动力模型采用浅水方程模拟洪水演进过程。采用不同分辨率的网格划分计算区域,在粗网格区域采用地表水文模型模拟降雨径流过程;在细网格区域采用二维水动力模型模拟洪涝积水区的水流运动。地表水文和二维水动力模型通过内部耦合移动界面(Coupling Moving Interface, CMI)实现无缝连接,保证通过CMI的水量和动量等通量守恒,提高模型的模拟精度。采用时间显式格式同时求解地表水文和水动力模型,在不同区域采用不同的计算时间步长,以提高模型的计算效率。通过典型案例验证本文构建的耦合模型的性能,结果表明本文提出的动态双向耦合模型能够在保证模拟精度的同时提高计算效率。     

基于二维浅水方程的城市地面洪水演进数值模拟研究

探究城市内涝灾害数值预报对城市的防洪减灾及灾害评估具有重要意义。基于三角形非结构网格,采用Godunov型有限体积法建立了一个高精度的二维浅水水动力数值模型。该模型使用Roe格式计算界面通量,可以较好地捕捉洪水的动边界运动,模型将静水压力项放入源项中,减少了由于地形底坡项带来的数值解伪震荡。该模型对动边界以及负水深处理技术进行了改进,能够有效提高模型模拟的精确度和静水和谐性。在应用3个算例对模型进行率定的基础上,将模型应用于浑河、太子河之间浑太胡同区域的地表洪水演进的模拟中。结果表明:浑太胡同内洪水演进的水深、流场变化均较为合理,组合溃堤各水深淹没面积均为最大,模拟结果很好地验证了城市区域雨洪的流动演变过程,证明该模型可以用于复杂地形的城市由降水形成的暴雨积水及地表洪水演进模拟过程,模型可快速为城市防汛减灾提供积水情况及涝情信息。     

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。     

城市洪水模型在东莞城区洪水风险图编制中的应用

城市中密集的建筑和复杂的地下管网,给城市洪水模型构建及模拟带来了巨大困难,在很大程度上阻碍了城市洪水风险图技术的发展。为解决城市洪水模拟中密集的建筑和复杂的地下管网的问题,采用基于容积率系数二维浅水方程法模拟城市地表径流,并耦合动力波管网模拟方法,建立城市洪水模型。结果表明,该模型能够较好的模拟东莞城区城市洪水形势,同时,基于模型编制了东莞城区洪水风险图,为东莞城区防洪减灾提供了重要决策支持。     

基于元胞自动机的分布式洪水预报研究

洪水预报是防洪减灾的重要技术手段,鉴于我国北方半干旱半湿润地区的特殊性,以栅格DEM为计算单元,将每个栅格作为一个子流域,对基于超渗产流机制的大伙房模型进行栅格化,构建栅格型大伙房水库流域产流模型。采用元胞自动机模型实现汇流模拟,把栅格产流计算结果作为每个元胞的产流输入,将二维圣维南方程作为转换规则,充分考虑地表径流、壤中流、地下径流三种水源之间的蓄渗关系,实现元胞之间的水量交换,最终构建基于元胞自动机和大伙房模型的分布式洪水预报模型。采用30场历史典型洪水对模型进行参数率定及精度验证,利用空间信息和粒子群算法进行参数优选。研究表明:新建模型与大伙房模型具有相同的预报趋势,而且新建模型各项指标的拟合程度均比大伙房模型有所提高,说明利用新建模型进行洪水预报是可行的。     

外洪溃堤一、二维耦合模型与内涝模型叠加在防洪保护区内的应用探讨

针对防洪保护区河道洪水的漫滩、溃堤及其与内涝叠加耦合预测的难题,以模拟溃堤洪水遭遇区域内涝情况下洪水演进过程为目标,采用基于非结构网格的Roe格式离散控制方程,利用Mike-flood提供的标准连接、侧向连接实现一维与二维模型间的耦联,将溃口口门概化为宽顶堰并添加控制策略实现堤防溃决模拟。采用二维水动力模型耦合降雨径流关系计算净雨过程,建立与区域内涝模型叠加联用的一、二维水动力耦合模型。以中运河南片防洪保护区内洪水演进为例进行分析,结果表明:中运河右堤胡家险工溃决后,洪水向下游演进至房亭河与中运河交汇处的运西洼地内,最大淹没水深位于房亭河与中运河交汇处。模型能够较合理的反映区域内涝分布、地形及主要道路和涵洞对洪水演进的影响,可为区域内防洪抢险工作提供可靠依据。     

复杂山区暴雨洪水数值模拟方法研究

针对具有复杂地形的暴雨山洪数值模拟,基于考虑降雨和下渗的二维浅水方程,采用Godunov型有限体积法,建立暴雨山洪二维水动力学数值模型,提出了新的水深重构方法,解决了复杂地形上暴雨山洪数值模拟常面临的计算水深小于零、非物理大流速等问题。算例研究结果表明,该模型计算稳定性好、计算效率高,具有较好的推广应用价值。     

多源洪水耦合模型在防洪保护区洪水分析中的应用

针对防洪保护区单一洪水风险分析的不足,以一、二维非恒定流基本控制方程为理论基础,采用有限体积法对网格进行离散求解,建立溃堤洪水和暴雨多源洪水耦合的数学模型。在一、二维模型的链接处选用堰流公式实现河槽与保护区水流的实时交互,借助干湿水深理论对模型进行优化,利用遥感影像解译处理保护区内复杂地形条件下糙率对洪水演进的影响,概化处理区域内道路和过水涵洞对洪水的阻水或导水作用,并利用历史实测洪水资料进行模型验证。将验证后的模型应用于淮河干流凤台段防洪保护区多源洪水运动耦合模拟,分析了单一洪水与多源洪水对防洪保护区的损失比较结果,说明该区域受暴雨内涝影响较为严重。     

基于建筑密度系数的二维城市洪水数值模拟

城市密集建筑群的存在对城市洪水演进有很大影响,而根据建筑物的尺寸和高程采用高分辨率网格进行逐渐构建的方法在大范围洪水数值模拟中有一定的局限性。因此,如何高效模拟出建筑群在洪水中的影响对城市洪灾风险评估至关重要。在浅水方程中引入了建筑密度系数以反映建筑群对城市洪水运动的影响,并建立二维城市洪水数值模型。模型采用中心迎风格式计算界面通量,并对界面两侧变量进行线性重构,使其在空间上有二阶精度。为保证模型的和谐性和稳定性,底床坡度项采用中心差分法离散,底床摩擦项和局部水头损失项用半隐式法离散。当库朗特数满足条件时,模型能保证计算水深在任何时刻是非负的。算例分析表明,模型在计算中可以将建筑群区域视为一个整体,受网格疏密制约较小。在计算精度相近的情况下,计算需时约为高分辨率网格法的1/50,能够简便、高效地模拟洪水在城市建筑群中演进的过程。     

基于一二维耦合的共渠西蓄滞洪区洪水演进模拟

蓄滞洪区的洪水演进涉及到河道和蓄滞洪区内部的洪水计算,河道和蓄滞洪区地形条件和水流流态差异较大,单独采用一维或二维水力学模型均难以计算。文章通过分析共渠西蓄滞洪区的入流洪水、边界、调度运用等条件,在实测区域地形和河道断面的基础上,采用一维和二维水力学模型,分别模拟了河道和蓄滞洪区的洪水演进过程,并进行耦合,提出不同方案的洪水演进淹没成果,对蓄滞洪区安全建设规划及防洪评价具有一定的参考价值。     

一维二维水动力模型耦合的城市洪水模拟

城市洪水模拟通常包括城市内河流模拟和城区平面漫流模拟。一维水动力学模型可以较好地模拟河流和水工建筑物的水流特征,二维水动力学模型模拟水平漫流可以取得令人满意的结果。而一维二维耦合模型可以充分发挥两种模型的各自特色和优势,解决两种模型分别使用时经常遇到的空间分辨率和计算精度等问题。本文通过建立一维二维水动力耦合模型,针对不同的典型降雨过程,对该模型系统进行验证和分析,并最终用于模拟济南市不同重现期下洪水淹没情况。模拟结果表明,该模型能够有效地模拟复杂市区降雨积水过程,能够提供可信度较高的城市洪水潜在风险评估,可为城市防汛预警决策提供技术指导。     

基于元胞自动机和大伙房模型的洪水演进研究

为了快速、准确地模拟洪水演进过程,将元胞自动机和二维圣维南方程相结合,构建了基于元胞自动机的洪水演进模型,实现了元胞间的局部水量交换,以及全流域洪水模拟过程的全局转换。接着,创新性地构建了基于DEM的单元栅格大伙房产流模型并将其作为元胞产流输入,将直接径流、地面壤中流和邻域元胞入流共同作为水深增量,充分考虑到了降雨对河道滩地洪水演进模拟带来的影响。以浑河沈阳城区河段物理模型试验数据为基础,选取了不同设计频率洪水进行实例验证与分析。分析结果表明:水深的模拟具有较高的精度;流速总体上满足模拟需求;淹没范围具有相同的变化趋势,具有合理性和有效性。研究结果可为洪水演进模拟提供一种新方法,同时对其他相似地区洪水演进模拟工作也具有借鉴意义。