高效高精度水动力模型在洪水演进中的应用研究

针对现有的洪水演进及淹没过程二维数值模型中存在的计算精度不高、稳定性差、计算效率低下等问题,本文提出一套基于GPU加速技术的地表水动力数值模型（GAST）。选用英国莫帕斯小镇百年一遇洪灾为研究对象,模拟5 m和2 m分辨率地形下的城区淹没过程及范围,分析GAST模型的模拟精度、效率及稳定性。研究发现：GAST模型模拟淹没面积与实测结果百分误差仅为0.96% ~ 4.36%,同时计算5 m、2 m分辨率地形用时分别为2.17 h、9.00 h,具有较高的模拟精度、效率及计算稳定性;对比相同输入条件下的MIKE21 FM模型,GAST模型计算精度提升1.07 ~ 19.55倍;GAST模型计算效率提升3.4 ~ 11.78倍,且随着计算网格数的增加效率优势更为明显,故其应用前景广阔。     

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。     

基于动力波法的高效高分辨率城市雨洪过程数值模型

基于物理定律的动力波方法,提出了高效高分辨率城市雨洪过程数值模型。该模型采用Godunov格式的有限体积法数值求解二维浅水方程,输入可表征真实城市地表的高分辨率地形数据,以精确模拟城市降雨径流及内涝积水过程。同时引入图形处理器（GPU）加速计算技术,在不降低精度的条件下大幅提升计算速度。并将模型用于模拟陕西省西咸新区内涝积水过程,发现计算结果与实测数据吻合度高,五处积水面积均实现较为精确地计算。证明该模型可快速准确模拟较大范围高分辨率城市雨洪过程,且能提供分析涝灾成因及计算污染物输移的流速,克服了常规水文模型的缺陷。可见,研究对指导城市规划及可持续性城市雨洪管理如海绵城市建设具有重要的应用价值。     

矿渣堆积对小流域行洪能力影响的数值模拟研究

矿山开采过程中废弃矿渣堆积对流域水文过程有着一定的影响作用。建立了基于水动力方法的二维雨洪过程数值模型,分析5种不同重现期暴雨下矿渣堆积引起的地形改变对于大西岔流域行洪能力的影响。研究发现:矿渣堆积对于流域出口断面具有一定滞洪效果;5种不同降雨重现期中,10年一遇降雨时洪峰削减效果最为显著,当降雨重现期小于10年一遇时,地形对洪峰大小、到达时间起主要影响作用,反之,降雨成为主要影响因素;洪峰削减率随着断面向下游移动而逐渐增大。研究成果对于降低矿渣堆积流域下游洪水风险具有一定积极意义。