河道糙率和桥墩壅水对宽浅河道行洪能力影响的研究

为研究宽浅型河道糙率和桥墩壅水对行洪能力的影响,本研究采用了物理模型试验、数值模拟和经验公式方法分别模拟其水力特性并进行比较分析。通过物理模型试验给出了河道糙率的模拟方法,分别采用4种材料模拟河道护坡:无植被、稀疏植被、稀疏植被中间种植灌木和密集植被。其中,糙率最大的密集植被和糙率最小的无植被护坡条件下各断面水位差均值为0.03 m。结果表明:对于宽浅河道,护坡糙率较大范围的变化对河道行洪能力影响不显著。复杂边界条件和水力条件下桥墩壅水模拟结果表明:二维数学模型比经验公式和一维数学模型能较真实地反映河道边界条件、桥梁长度、桥墩形状对桥墩壅水高度的影响,模拟结果同物理模型试验值较为接近。本研究为宽浅河道安全行洪中糙率评估和桥墩壅水计算提供可靠的参数和依据。     

郁江横县至贵港段洪水分析数学模型构建与验证

本次模型构建的郁江横县至贵港防洪保护区上起横县西津水库,下至桂平市郁江河口,全长约220 km。主河道采用一维水动力数学模型,两岸防洪保护区采用二维水动力数学模型,并对一维及二维联合求解。通过历史洪水进行率定和验证,得出计算参数,为横县至贵港郁江段防洪保护区各频率洪水分析提供计算模型。     

水力数学模型计算中几个问题的探讨

对水力数学模型计算中经常遇到的问题进行了深入探讨，主要包括数学模型的适用范围、糙率参数的合理选定、计算边界处理、初始条件处理、变网格处理技术、一维和二维计算连接处理技术，以及计算后处理等问题．计算后处理软件可提供快速、准确的数值模拟成果，具有实用性强、使用便利、便于修正的特点．     

一、二维嵌套模型在河口工程中的应用

在圣维南方程组基础上建立了适用于大型复杂河网计算的一维河网数学模型,并在工程局部嵌套平面二维数学模型。计算中先采用三级联解法求解整个一维河网模型,以一维模型计算结果作为边界条件代入二维模型计算,对控制方程进行了泊松变换,再运用有限分析九点格式求解,从而减少了在完全耦合解时必需的迭代次数,缩短了计算时间。最后以珠江三角洲虎门出海口上的虎门大桥工程河段为例,对模型进行了验证计算。     

三峡库区重庆段一维水流模型糙率修正分析

为寻求河道水流一维数值模拟计算中关键参数“糙率”的确定方法,采用MIKE11一维水动力模型模拟了三峡库区重庆段(寸滩至长寿)37个断面的水位流量变化。首先用经验的方法确定模拟计算的初步糙率;然后以天然河道上、下游某断面流量作为边界进行模拟计算;再将得到的各断面的模拟水位值代入各测量断面,得到此断面的过水面积、水力半径和流量模数;最后将通过规范公式计算的糙率代入一维水流模型中进行计算,从而得到修正的糙率。结果表明：该方法能够有效提高模拟的精度,减小糙率对模拟结果的影响,对我国其他大江大河的水流数值模拟研究具有重要的参考和应用价值。     

建筑物密集城区溃堤水流二维数值模拟

本文对建筑物高度密集的城区溃堤洪水进行了数值模拟。模型采用有限体积法对二维浅水方程进行了非结构离散，以Roe格式的近似Riemann解为基础计算界面通量。为考虑社区和楼房的容水性能引入了侵入系数的概念，采用物理模型试验结果验证了该数学模型的准确性和稳定性。应用该模型对哈尔滨市未来可能发生的溃堤洪水进行了模拟，研究表明，以二维路网为主要计算区域时，网格尺寸的大小对计算结果影响并不明显，而不同的侵入系数则对其影响较大。     

三峡工程明渠截流水流数学模型研究及其应用 I:模型建立与率定

三峡工程三期截流具有流量大、落差大、龙口流速大等特点。为保证截流顺利实施,将一维和二维水流数学模型紧密结合,先用一维模型推求明渠的过流量及上下游戗堤承担的水位落差,再用二维模型模拟戗堤进占时明渠内的水力条件。然后利用已有的水工模型试验资料,对建立的数学模型进行了率定。率定结果表明:一维模型计算的明渠过流量、截流总落差、上下游戗堤承担的水位落差等结果与试验值相当接近;二维模型的计算结果不仅与试验值基本符合,同时又符合弯道水力学的基本特点。     

水动力学模型实时校正方法研究

多年来,国内外学者对水动力学模型应用于洪水预报做了大量研究,然而,由于预报精度不理想,长期以来未能在实时作业预报中得以广泛应用.为提高水动力学模型在洪水实时作业预报中的计算精度,研究从一维水动力学模型差分方程出发,通过对糙率参数的影响试验,研发出一种利用新息变化自动校正糙率系数的算法.该算法通过实时校正糙率系数达到对一维水动力学模型预报误差的实时校正.在长江干流清溪场至万县河段试验结果表明:目标函数一步及多步预报误差均有大幅降低,取得了提高预报精度的显著效果.本算法不改变水动力学模型的递推和使用糙率系数的算法结构,可以直接作为附加校正器加入到原水动力学计算程序中去,应用方便.     

基于BP神经网络的HEC-RAS二维模型糙率参数自动率定

水面宽阔河段、洪泛区和潮汐河口段的水文及水动力学计算模拟多采用二维模型,然而因模型复杂的非线性映射关系常导致参数率定效率和精度不高,甚至出现"异参同效"问题。为此,提出一种应用BP神经网络自动率定二维模型糙率参数的方法。以海南昌化江入海口段为计算实例进行数值检验,结果表明:编写的Python程序能够准确率定HEC-RAS二维模型实例各糙率分区的糙率参数,各糙率分区的率定糙率值均在参数取值范围内,且均在观测糙率值±0.011内,未出现"异参同效"现象;水位率定计算误差满足设定允许误差要求,设定允许误差0.20 m、0.15 m和0.10 m的平均率定计算误差小于0.10 m,设定允许误差0.05 m的平均率定计算误差接近0 m;设定允许误差为0.15 m时,率定程序的运算效率最高。选用海南201409号台风"威马逊"时期的昌化江实测资料进行验证,证明该方法有效可靠,能够实现HEC-RAS软件二维模型糙率率定功能,可推广应用于其他模型参数率定。     

渡槽渐变段的水力学试验方法

渡槽渐变段水力学试验的基本目的，是测定渐变段的局部水头损失系数。由于渐变地水面线的影响并不局限于自身范围之内，看似简单的试验任务实际颇为困难，观测与计算中，主观随意性不易避免。通过以下途径有效地解决了这一问题。（１）模型设计为正态与变态相结合，渡槽与渠道沿水流方向适当压缩（２）将渡槽向上下延长，校正其糙率；（３）渡槽中点断面作为试验中正常水深的控制断面，又作为能量方程的计算断面之一；（４）从渐变段     

2-D NUMERICAL SIMULATION OF CRUSH BEDROCK RIVER

In this paper, the erosion-resisting coefficient was introduced to compute bed deformation in a crush bedrock river. In the case of crush bedrock, there has been no proper control equation to describe bed stability, which leads to difficulty in calculation of the bed deformation with conventional methods. The data from field survey were used to give the erosion-resisting capability with an appropriate coefficient. After the determination of longitudinal distribution expressed by polynomial regression and transversal distribution expressed by normal distribution function, the plane distribution of erosion-resisting coefficient in a crush bedrock river was obtained. With the computational results from a 2-D horizontal flow mathematical model, the erosion-resisting coefficient and controlling condition of local stability were employed to compute the values of bed deformation when riverbed is stable.The above method was applied in a case study, and the computational results of flow and bed deformations are in good agreement with physical model test data.     

基于加权本质无振荡格式的二维溃坝水流数值模拟

将加权本质无振荡WENO(Weighted essentially nonoscillatory)格式和Runge-Kutta时间离散的思想应用于二维浅水控制方程的求解中,建立了模拟大坝瞬间全溃或局部溃倒所致的洪水演进过程的数学模型。应用该模型对一维矩形明渠中大坝瞬间全溃所致的水流运动进行了数值计算,并与理论解进行了比较,证实了方法的可靠性。最后用该模型预测了矩形河道中大坝瞬间局部溃倒时的洪水演进过程,模拟结果与实际相符。算例表明采用WENO格式所建立的高分辨率溃坝模型能够很好地模拟溃坝波的演进过程。     

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...     

A coupled 1-D and 2-D channel network mathematical model used for flow calculations in the middle reaches of the yangtze river

A coupled one-dimensional (1-D) and two-dimensional (2-D) channel network mathematical model is proposed for flow calculations at nodes in a channel network system in this article.For the 1-D model, the finite difference method is used to discretize the Saint-Venant equations in all channels of a looped network.The Alternating Direction Implicit (ADI) method is adopted for the 2-D model at the nodes.In the coupled model, the 1-D model provides a good approximation with small computational effort, while the 2-D model is applied for complex topography to achieve a high accuracy.An Artificial Neural Network (ANN) method is used for the data exchange and the connectivity between the 1-D and 2-D models.The coupled model is applied to the Jingjiang-Dongting Lake region, to simulate the tremendous looped channel network system, and the results are compared with field data.The good agreement shows that the coupled hydraulic model is more effective than the conventional 1-D model.     

粘性土室内平面应变试验的颗粒流模拟

作为颗粒流理论实际应用的前期可行性研究，针对具有凝聚力的内摩擦材料粘性土进行了室内平面应变试验结果的颗粒流仿真。对三维颗粒流数值仿真技术(PFC2D)的4组数值仿真结果和粘土试样室内平面应变试验的实测曲线进行了对比，研究表明利用颗流理论所建立起来的PFC2D数值仿真试验模型是能够通过改变计算模型中颗粒单元的性质，以及颗粒集合体的级配特征等给出与真实材料土工试验类似的本构行为的，这种可行性最根本的意义在于基于颗粒流理论的数值仿真试验能够突破常规土工试验在仪器设备能力、试验条件上的局限性，对实际土样的本构行为做出理论方面的预测。此外针对颗粒流仿真试样的细观力学特征与物理试样宏观力学响应之间的关系进行了参数研究，并揭示了一些规律。     

ONE-AND TWO-DIMENSIONAL COUPLED HYDRODYNAMICS MODEL FOR DAM BREAK FLOW

1-D and 2-D mathematical models for dam break flow were established and verified with the measured data in laboratory. The 1-D and 2-D models were then coupled, and used to simulate the dam break flow from the reservoir tail to the dam site, the propagation of dam break waves in the downstream channel, and the submergence of dam break flow in the downstream town with the hydrodynamics method. As a numerical example, the presented model was employed to simulate dam break flow of a hydropower station under construction. In simulation, different dam-break durations, upstream flows and water levels in front of dam were considered, and these influencing factors of dam break flow were analyzed, which could be referenced in planning and designing hydropower stations.     

水库坝前冲刷漏斗形态三维水沙数学模型研究

利用"动刚盖法"处理自由表面边界,结合水库坝前水沙运动规律导出坝前局部床面泥沙边界条件及泄流初期河床滑塌变形的判别条件,通过坐标变换建立坐标系下水库坝前冲刷漏斗形态三维水沙数学模型.分别利用正向和侧向底孔泄流条件下冲刷漏斗水槽试验资料对模型进行验证.模拟结果表明,不同泄流方式下底孔附近三维水流结构、横断面、纵剖面及平面形态特征等均与实测资料基本一致,模型关于自由表面边界、近底泥沙交换条件、河床纵坡、横坡滑塌处理是合理的.     

平面二维非均匀沙数值模拟方法

本文基于三角形网格划分，从平面二维水流泥沙的基本方程及基础理论出发，针对方程的基本特性采用剖开算子方法，将水流运动方程及悬移质扩散方程剖分成对流、扩散及传播三部分并提出了各自相应的计算方法；连续方程采用有限体积法进行计算，保证了水量的守恒；泥沙计算中采用平面二维非均匀沙水流挟沙力公式，并着重对河床冲刷过程中悬移质含沙量、级配，床沙级配等沿时空变化特性进行了计算分析，模拟了概化河道中床沙抗冲层的形成过程.数值实验表明，该方法边界符合良好，计算量小，能准确地模拟河床冲刷过程.     

考虑环流横向输沙及河岸变形的平面二维扩展数学模型

本文考虑弯道环流输沙效应，在泥沙运动基本方程中增加了反映环流横向输沙附加项，对平面二维水沙数学模型的悬移质、推移质输沙方程和河床变形过程进行了扩展。借助土力学中关于边坡稳定性理论中的圆弧滑动法，并引入多杈树搜索方法，建立了适用于平面二维数学模型的河岸崩塌变形计算方法。经扩展后的平面二维水沙数学模型能模拟环流横向输沙及由其引起的河床冲淤和河岸变形，并应用该模型模拟了弯道发生、发展过程，计算结果与已有的认识是一致的。