一个耦合数学模型及其在近海尾闾河段的应用

在近海尾闾河段，由于水流和边界条件的特殊性，分别用一维和二维模型计算河道水面线与流场分布是十分必要的。在尾闾河段上游区域，运用一维模型计算相对狭长河道水面线的沿程变化情况；在近海宽阔水域运用二维模型模拟流速场及水位在挡潮闸附近的动态分布特征。本文对尾闾河段的一、二维模型及水流参量在其交界面附近的耦合处理进行了探讨，并应用于尾闾河段的实例计算。通过调试验证及预测计算，说明该耦合模型能够较好地处理邻海区域的水力计算问题。     

基于MIKE FLOOD耦合模型的塔洋河下游洪水演进分析

海南省塔洋河下游段降水丰富,洪水灾害频发,急需构建该河段洪水演进分析模型,为科学防洪减灾措施制定提供支持。基于塔洋河下游河段实测断面资料与高精度DEM,采用MIKE FLOOD建立河段一维水动力模型和两岸洪水威胁区二维水动力模型并实现两者的实时动态耦合,模拟分析下游河段50年一遇洪水漫溢演进过程及淹没风险,计算不同时段内洪水淹没范围和水深分布,并从水量平衡和流场分布等角度对计算结果进行合理性分析。结果表明,所建模型能够有效模拟塔洋河下游洪水演进过程及风险分布特征,计算结果较为合理可靠,可为区域防汛指挥、洪水风险管理与防洪预案制定等提供重要基础信息。     

大柳树一沙坡头河段泥沙运移二维数值模拟

黄河大柳树一沙坡头河段位于宁夏境内,是由5个弯道组成的连续弯道,具有较为复杂的地形特征.利用所建立的修正的平面二维RNG k-ε紊流泥沙数学模型,对该河段水流运动及泥沙运移进行了平面二维数值模拟研究.采用全沙模型,考虑不同粒径组悬移质和推移质运移对河床演变的影响.通过数值模拟结果与实测结果的对比分析,表明该模型能够模拟具有连续弯道的天然河流水流运动及泥沙运移过程;建立了一种关于泥沙数学模型中水流模块和泥沙模块的半耦合式算法,其计算量比耦合式算法较小,但计算精度比分离式算法较高.     

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。     

入海河口段洪水潮波数值模拟及整治方案研究

针对北方入海口普遍存在的河道淤积、滩地行洪不畅和河口萎缩等问题进行了深入的研究,对尾闾河段的行洪能力、淤积态势进行了分析.采用一、二维嵌套数字模型在解决尾闾河段洪水演进及近海潮波、泥沙输移模拟等方面,对连接条件、数值计算性能及理论进行了探索,提出了海口处引河河床变形的一维动力衰减变化模式,准确模拟了引河的淤积量及淤积体的发展规律,计算了子牙河入海口段洪水的流势、流态、水位、流速、冲刷等有关技术参数,提出了具体的工程措施.为子牙新河的河口治理提供了可靠的依据,确保了河口的环境及其行洪的畅通.对典型工程的河口环境及河口淤积整治具有重要的参考价值.     

二维非恒定流数学模型在赣江河流治导线研究中的应用

为了给赣江河流治导线研究提供科学的决策依据,以赣江吉安水文站至峡江坝址河段为例,采用二维非恒定流数学模型研究了河道洪水特性,获得研究区域内全河段水位、水深、流场和水流动力轴线等信息,根据不同时刻的二维模型计算结果得到洪水淹没范围,并结合河湾形态及水流动力轴线弯曲半径确定了迎流顶冲河段。研究结果表明:计算河段的水位变幅沿河道总体趋势从上游至下游逐渐增大,下游峡江坝址附近水位变幅约为2m,上游吉安水文站处水位变幅约1.4m,各断面洪峰流量从上游至下游依次出现,上、下游最大流量出现时间相差约10h;受河道两岸圩堤、山体、高地等条件控制,洪水基本被约束在河道内,部分低洼、平坦地区洪水淹没范围较广。依据研究结果,在研究区域内确定了7处迎流顶冲段的位置和范围。     

耦合渗漏项的季节性河道洪水演进模型研究

针对北方干旱或半干旱区季节性河道渗漏现象严重问题,为提高流域洪水演进模拟精度,在传统水动力学洪水演进模型基础上耦合河道渗漏项,构建季节性河流洪水演进数学模型。采用霍顿入渗模型描述季节性河道渗漏过程,解决河道渗漏量计算及与基于圣维南方程组洪水演进模型耦合问题;并利用Preissmann四点偏心隐格式与追赶法对模型离散和计算,开发FORTRAN计算程序;最后以大沽河流域实测资料进行验证。结果表明,沙湾庄和南村断面水位与流量过程的模拟值与实测值吻合且变化趋势一致,洪水峰面到达断面模拟时间和实际时间基本一致,研究区各河段来水量、渗漏量的实测值与模拟值相对误差范围分别为-1.66%~0.36%、-3.09%~3.72%,所建模型可满足在现状条件下进行洪水模拟预报的需要。     

入湖河流尾闾河段界定方法研究

针对从地理区域划分的角度界定入湖河流尾闾河段的范围常常与实际不符的情况,通过分析枯、丰两期入湖河流与湖泊之间的水动力学作用关系,结合水动力学模型及水流连续性方程,提出入湖河流尾闾河段动态界定方法。并以湘江为例,通过该方法界定出湘江入洞庭湖尾闾河段的范围,结果表明,湘江入洞庭湖尾闾河段的范围距离濠河口100 km的湘潭水文站位置处,与实际调查情况相吻合。科学界定尾闾河段距离,为相应河段水资源综合利用与保护奠定理论基础,并可为其他自然通江通湖河流尾闾河段范围的界定所借鉴。     

淮河干流浮山至洪泽湖出口段 水动力数学模型研究

淮河干流浮山至洪泽湖段河道呈倒比降,入湖河段河道分汉,湖区支流入汇众多,流态复 杂。本文针对该河段的特点,建立了淮河干流浮山至洪泽湖出口段一、二维藕合洪水演进数学模型, 模拟了2003, 2007年本段洪水演进的过程。结果表明计算值与实测值吻合较好,模型计算精度较高, 可为浮山以下河道不同治理方案的研究提供分析计算平台。     

黄河下游游荡型河段洪水演进与河床变形过程的数值模拟

黄河下游游荡型河段的河床变形过程相当复杂，横向变形尤为突出，现有水沙数学模型一般仅能模拟河床纵向冲淤，不能模拟滩岸横向冲刷与崩塌，本文将平面二维水沙数学模型与粘性河岸冲刷的力学模型相结合，建立河床变形的平面二维混合模型。然后以黄河下游花园口至夹河滩的游荡型河段为例，采用该混合模型，首次较为全面地模拟了1982年汛期的洪水演进与河床变形过程。沿程最高水位、出口断面流量过程等计算值与实测值符合较好。计算结果还表现为大水时主槽冲刷，滩地淤积；小水时主槽淤积，滩地崩塌。该计算结果与游荡型河段的年内冲淤变化规律一致。     

一、二维耦合数学模型在感潮河网洪水风险图编制中的应用

为了解决感潮河网径流、潮汐交汇,动力复杂,溃决洪水难以用经验公式准确概化的问题,建立直接以溃口为耦合断面的河网一维、保护区二维侧向耦合模型,将感潮河网与保护区一体化,避免环境因素及经验参数的不确定性带来的溃口流量估算误差。典型算例和中顺大围溃决洪水情景模拟表明：洪水自溃口集中喷射出后分散流向围内,流态受围内下垫面影响显著,溃口水位、流量随外江潮位涨落而起伏变化,由溃口流量过程线计算所得溃口水量与根据淹没区各单元的面积和水深计算的围内总水量一致。模拟成果直接反映下垫面、水头差、潮位涨落,及溃口流态对溃决洪水的综合影响,反映出本耦合模型计算溃口流量及对溃决洪水模拟的合理性、可信性,具有较好的应用前景。     

一维洪水数值模拟技术在流域防洪规划中的应用

南美洲厄瓜多尔境内的Guayas河流域中下游社会经济发达,但洪水问题突出,是该国流域综合规划的防洪重点地区。通过综合规划论证,拟兴建由堤防、水库、蓄滞洪区、分洪道和挡潮闸组成的防洪工程体系。基于MIKE11软件平台构建了Guayas河流域中下游河网洪水一维数值模型,对平原感潮河网的洪水演进规律和规划的防洪工程体系联合运用进行了模拟计算。在模拟中,通过合理概化河网、优化河道断面布置,以及采用堰闸过流公式代替圣维南方程作为堰闸工程所在断面的水流运动方程,有效避免数值振荡问题。在模拟结果的基础上拟定了洪水安排方案和防洪工程规模。     

Mathematical model for flood routing in Jingjiang River and Dongting Lake network

The main stream of the Yangtze River, Dongting Lake, and the river network in the Jingjiang reach of the Yangtze River constitute a complex water system. This paper develops a one-dimensional (1-D) mathematical model for flood routing in the river network of the Jingjiang River and Dongting Lake using the explicit finite volume method. Based on observed data during the flood periods in 1996 and 1998, the model was calibrated and validated, and the results show that the model is effective and has high accuracy. In addition, the one-dimensional mathematical model for the river network and the horizontal two-dimensional (2-D) mathematical model for the Jingjiang flood diversion area were coupled to simulate the flood process in the Jingjiang River, Dongting Lake, and the Jingjiang flood diversion area. The calculated results of the coupled model are consistent with the practical processes. Meanwhile, the results show that the flood diversion has significant effects on the decrease of the peak water level at the Shashi and Chenjiawan hydrological stations near the flood diversion gates, and the effect is more obvious in the downstream than in the upstream.     

洪湖分蓄洪区启用对降低长江水位效果分析

运用一维、二维联算洪水演进模型,对长江干流螺山—汉口河段的洪水演进进行了模拟,分析了洪湖分蓄洪区的启用对该河段水位的影响,同时还模拟了洪湖分蓄洪区的洪水演进过程。计算结果表明,洪湖分蓄洪区的开启,能够有效地降低该河段的洪水位,从而减轻长江干流的防洪压力。计算结果可为洪湖分蓄洪区的合理启用提供科学的依据,为长江防洪调度提供参考。     

治理深圳河第四期工程——可持续发展兼生态友好型新措施

深圳河是香港特别行政区和深圳经济特区之间的界河。为解决深圳河的防洪排涝问题,深圳市治理深圳河办公室和香港特别行政区政府渠务署致力于找出可持续发展的方法,以拓宽河道,治理水浸问题。本项目综合运用了最先进的一维、二维数学模型以及实体模型模拟泄洪设计,包括进水口溢流堰系统、出水口水闸和一个80 000 m3的开放式滞洪区。滞洪区的设计运用可持续发展理念,巧妙的湿地设计能够预防水土流失,支持生态发展,优化了泄洪方案。研究成果可为河道治理工程提供参考。     

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。     

流域洪水模拟

通过对流域水流运动规律的分析，将流域的水流概化为调蓄单元的零维模拟、河道水流的一维模拟、行洪区水流的二维模拟、联系的处理及无资料径流的处理，对各部分的特点，采用相应的数值方法，统一进行求解，即构成了流域洪水模型，最后以淮河中下游段为试验区，进行了洪水还原计算，结果令人满意。