HEC-RAS和MIKE11模型河床糙率应用比较研究

近十几年来,科学技术的发展为水流运动的数学模型研究提供了有利条件,并出现了大批商用软件。HEC-RAS和MIKE11作为最常用的一维水流模型商用计算软件,被广泛用于计算不同水文条件、工程前后河段的水流运动,并均有较好的计算结果。然而,两种软件从模型假设、建立到运行等方面存在着许多差异。本文着重以HEC-RAS和MIKE11对河道糙率的不同计算方法为出发点,利用赣江外洲至南昌段实测地形和水文资料进行计算,然后对计算结果进行比较分析,得到两种软件的联系与区别。

稳定河道计算方法分析与比选

选取三种经典的稳定河道计算方法:Yalin和da Silva方法、Chang方法、Huang和Nanson方法,运用323组原型观测和水槽试验资料对不同方法进行了验证,并对其计算误差进行了定量分析比较。结果表明:对于稳定河宽和稳定水深的计算,精度最高的是Yalin和da Silva方法,最低的是Chang方法;对于稳定比降的计算,精度最高的是Huang和Nanson方法,Yalin和da Silva方法稍显逊色。综合而言,Yalin和da Silva方法精度较高。

尾闾段河网一维水流数学模型应用研究

尾闾段河网常常是连接上下游的水上通航要道,且上游洪水需要通过尾闾段河网下泄,这就使得尾闾段河网水流运动的研究成为非常重要和十分必要的课题之一.在对尾闾段河网水流的运动特点及一维河网计算的研究现状评述的基础上,选用自编程序"河网水动力模型"和商用软件HEC-RAS分别建立一维河网水流模型,应用于赣江尾闾段,针对洪水流量、中水流量和枯水流量分别计算沿程水位.在洪水流量下,根据计算所得的水面线,找出各主要站点的水位作为警戒水位,当该站点水位有接近警戒水位的趋势时,提请有关部门应做好防洪工作.在中水期,主要考虑造床流量的影响.在枯水期,根据计算得出的水位,得到各主要站点的最低通航水位,为枯水期能否顺利通航提供依据.

八卦洲汊道改善分流比工程措施研究

自20世纪30年代开始,因上游河势的变化,南京八卦洲汊道左汊逐渐从主汊演变成支汊.近年来,随着来水来沙条件的改变,左汊衰退速率又有所加快,并已多次观测到12%左右的分流比.为此,迫切需要采取工程措施,遏制八卦洲左汊缓慢衰退的趋势.针对选用的组合工程措施,运用物理模型试验、MIKE21等水动力数学模型研究手段,对八卦洲水位、流速、左右两汊分流比进行了数值模拟,并主要分析了导流坝、切滩、疏浚及其组合工程措施对分流比的改善.结果表明:导流堤的分流效果较好,组合工程措施最大可增加左汊分流比4.76%.通过与物理模型试验结果的比较,为整治工程的实施提供相应的理论依据,并为工程进一步改善提出了建议.

多沙水库汛限水位实时动态控制方案研究

水库在汛期使用单一汛限水位有利于保障水库的防洪安全,却大大降低了调度的灵活性和发电效益。对于多沙水库,在进行汛限水位动态控制的研究时,也应对泥沙因素予以考虑。为制定合理的多沙水库汛限水位动态控制方案,先采用预泄能力约束法,基于一维非均匀流不平衡输沙模型,选定水库汛限水位分期动态控制的范围,而后依据汛限水位动态控制预蓄预泄的基本原理,拟定某多沙水库的汛限水位实时动态控制方案。结果表明:在保证防洪安全和冲沙调度的前提下,对水库实施汛期分期及汛限水位动态控制方案,能够有效地提高水库的兴利效益。

感潮河段交汇区水流特性数值模拟——以宁波三江口为例

河流交汇为城市的发展提供了便利,对区域防洪、航运及河道演变影响重大。针对感潮河段交汇区域特有的非恒定往复流条件,以宁波三江口为例,运用Delft-3D建立二维水动力数学模型。基于实测水文和地形资料,引入四种评估参数对模型进行了率定与验证。重点分析了洪、枯两季涨、落急时刻,交汇区流速分布及水面形态等水流特性。结果表明:涨潮时,交汇区流场可类比分叉水流;落潮时,则为交汇水流;交汇区顶点及左支入汇侧下游存在两个低流速区,并可形成分离区;汇流区流速整体呈落潮大于涨潮的趋势,洪、枯季间最大流速相近。此外,涨、落急时刻典型特征断面水面呈单一横比降,且落急时刻比降明显大于涨急时刻;落急时,交汇口水面呈混合层附近高,两侧低的"马鞍形"分布。

基于一维水沙模型的水库冲沙方式优化研究

在天然河流上修建水库,破坏了河流水沙原本相对平衡的状态。泥沙进入库区后发生落淤,从而导致水库淤积。在水库的实际运用中,冲沙措施被广泛用于减缓水库的淤积速率。然而,冲沙需要耗费水库较多的水量,影响了水库的综合效益,为此必须协调水库淤积与水库兴利效益之间的关系。在选定合理冲沙水位和冲沙流量范围的基础上,应用一维非均匀流不平衡输沙模型,结合某多沙水库现行调度规程,对多种拟定冲沙方案下该水库的冲沙过程进行长期模拟,计算各方案下水库多年平均淤积量和多年平均发电量等指标,据此选取合适的冲沙方案。结果表明,持续时间较长的低水位冲沙方式的冲沙效果相对较好,能够在一定程度上减缓水库的淤积速率,同时发电量的损失也相对较小。

闽江北港束流工程方案研究

针对河道整治模型试验所提出的在北港文山里河段设置束流工程这一预案，用数学模型对此束流工程进行专项的方案研究和分析，提出一种能改善北港河道水流条件、保证行洪安全和航道稳定的束流工程方案．

取水河段水流和推移质运动的数值模拟

对天然河流取水河段水流和推移质运动的数值计算方法进行了探讨.基于著名的浅水方程和推移质泥沙输运方程,建立了二维数学模型,编制了相应的计算机程序,可据河段的起始条件、边界条件、来水来沙情况和取水要求,算出并图示任一给定流量过程后河段的河床演变、水面位置和流速场.成功地采用了交替方向隐式差分法和阻塞函数技术,实现了水体动边界的跟踪模拟.本算法经实际工程取水河段多种工况的计算考验和相应物理模型验证,效果甚佳.

黄河下游河道与滩区治理研究的趋势与进展

在回顾黄河下游河道与滩区治理研究现状、研究的总体目标、面临的主要现实问题基础上,指出需要解决的关键科学问题有:黄河下游中水河势稳定控制与特殊洪水行洪共适应机制及实现技术;常态中小流量下黄河下游河槽输沙能力提升的机理与技术;黄河下游宽滩区稀遇洪水行洪空间确定方法及其良性治理模式。需要开展的研究内容包括黄河下游未来洪水条件及其灾害情景、滩槽演变趋势及河槽变幅、河道输沙阈值及水沙调控作用潜力、河势稳定制导与输沙能力提升技术、滩区功能约束及其良性治理体系、综合治理决策支持系统开发及治理方案优化、河势控制与滩区治理示范研究等。最后介绍了项目组通过近期集中研发攻关与强力推进,在学科基本理论、河道冲淤预测方法与输沙效率、河道整治治导线流路规划设计方法、治理方案效果初步研究等方面取得的进展。

弯道水流运动及床面变形数值模拟研究进展

弯曲河道中的水流运动和床面变形较顺直河道更为复杂,是河流动力学研究的热点之一。近年来,随着计算机软硬件的迅速发展和高效数值计算方法的出现,弯道水沙运动在数值模拟方面得到不断发展。系统梳理了国内外在弯曲河道的水流特性(水面横比降、横向环流、纵向垂线平均流速、床面剪切力等)、泥沙运动基本特性方面的研究,以及弯道水流二维、三维数值水流模型和河床演变模型研究进展,指出了目前弯曲河道水沙运动数值模拟中存在的问题,并对其今后可能的研究方向提出了建议。

涉河桥梁阻水影响因素研究

采用VOF(volume of fluid)方法和标准k-ε模型,对涉河桥梁桥墩附近河段三维流场进行了精细模拟,通过不断改变桥墩宽、桥墩数、桥梁跨径、桥墩和水流的夹角、桥梁和水流的夹角和桥墩的布置形式等,进一步分析各个因素对桥梁壅水的影响.计算分析成果表明桥墩在桥梁稳定的前提下,减少其宽度可以有效地降低壅水高度,同时双圆柱型桥墩有利于降低壅水高度.桥墩轴线尽可能顺应水流流向,桥梁轴线尽可能与水流流向垂直,至少要将夹角控制在65°以上.

透水四面体框架群防护特性及其与抛石防护的对比研究

透水四面体框架群能降低其附近的水流流速、耗散水流的能量,起到减速防冲和促淤的效果,同时也可以保护床沙、抑制局部冲刷。不同的抛投密度防护效果也不同,随着抛投密度的增加,其防护效果几乎线性增强,但达到一定限度后将不再增加。抛石防护是使用历史较早、使用频率较高的一种桥墩局部冲刷防护措施。抛石防护就是将所选石料布设于桥墩周围床面上,用以提高桥墩周围河床床面的抗冲能力。抛石防护主要工作原理是保护床沙、增加其起动或扬动流速;增大桥墩附近局部糙率、减小局部流速。本文采用多组水槽清水冲刷试验,对比分析了透水四面体框架群在不同抛投密度条件下的防护效果差异,及其与抛石防护桥墩局部冲刷的最大深度及其整体防护效果的优劣,为四面体框架群和抛石防护的应用提供一些决策所必须的技术参数。

桥墩群阻水对河道水动力的影响研究

桥梁等涉河建筑物的修建使河道过水断面压缩,桥位附近流速加大、流态紊乱,在一定范围内导致水位壅高、局部冲刷等问题。应用平面二维水沙数学模型,模拟漯河市京广铁路桥附近的水动力变化以及沙河的河势变化,并在此基础上模拟下游300 m处将要建设的解放路沙河大桥建成后带来的累积影响,就河道壅水以及河势变化等问题进行探讨。结果表明:在下游桥梁的壅水范围内,上游桥梁前方的壅水值比单座桥梁时偏大,上游桥梁前方的流速值有所减小。

悬移质不平衡输沙模型的特征

为探求悬移质不平衡输沙过程中水流运动、泥沙输运及河床变形的相互作用机制,完善一维水沙数学模型的基本理论并使其具有更广泛的应用性,基于双曲系统特征理论及奇异摄动理论系统研究了一维悬移质不平衡输沙模型的特征值、特征向量及特征关系,并通过渐进展开方法推求了一维耦合水沙数学模型的特征值.研究结果表明:现有多数模型在特征上无法耦合,用于多沙河流水沙模拟具有较大局限性,主要原因是这些模型采用的河床变形方程无法揭示河床纵向冲淤变化的机制;水流运动、泥沙输运及河床变形的相互作用在系统特征值上得到了反映,水沙数学模型有必要考虑水流运动、泥沙输移及河床冲淤的耦合机制.

植被影响下的坡面水力侵蚀研究进展

介绍了植物根部对土壤特性影响、植物冠部对降雨击溅影响和植物茎部对径流影响等坡面水力侵蚀研究的进展情况。认为目前对植被影响下的坡面水力侵蚀的研究还存在试验观测和数据分析困难、土壤的抗冲性和抗蚀性耦合难以单独剥离出来、对植物冠部消能减蚀作用了解较少、试验观测数据难以精细化等问题。提出应加强从植被角度对坡面水力侵蚀进行系统的、机制性的研究,并应重视对试验测量设备和手段的提升。

长江口北港分流通道近期演变及治理措施

南、北港分流口河段是长江口河势演变最为复杂、最为动荡的河段,也是长江口河势演变的控制性河段,而该河段演变的重点又在于北港分流主通道的演变。依据该河段多年实测水下地形资料,对北港分流通道的历史和近期演变机理、趋势进行了探讨。分析认为,近期随着上下游河段一系列涉水工程的实施,明显抑制了历史上北港分流主通道"上提下移"的循环演变模式,但洪水以及扁担沙体的活动性,仍使北港分流主通道的稳定存在较大隐患。结合长江口综合整治规划,综合考虑河势、航道、水土资源利用等因素,进一步提出了稳定北港分流通道的治理设想。

水沙变化条件下黄河下游连续弯段水流特性研究

小浪底水库建成后,黄河下游水沙条件及边界条件发生了显著变化。在这种新的来水来沙和边界条件下,下游河道河床及河势必定发生新的演变趋势。本文选取黄河下游伟那里至大田楼之间典型连续弯段为研究对象,采用Delft3D数学模型对水沙变化条件下弯曲河道中的水流形态进行模拟。结果表明:纵向垂线平均流速在沿程及沿河宽方向均发生显著变化,且在弯段的不同部位水流形态也不同,此外弯道中边滩和深槽的存在进一步加剧了流速分布的不均匀性,使得流速重新分布;弯道中水动力轴线的变化规律与不同量级的流量密切相关,大流量和小流量时,主流线变化规律有所不同,这对河床演变具有重要影响。

黄河下游植被覆盖度动态变化及其与水沙过程关系

黄河下游滨河植被覆盖度是滩区生态环境重要表征指标之一。基于MODIS-NDVI数据,采用M-K法分析研究了黄河下游植被覆盖度动态变化情况,结合Pearson相关分析、逐步多元回归分析法研究了气温、降水量及河道水沙因素对滨河植被覆盖度的影响情况。结果表明:时间上,2001—2019年黄河下游植被覆盖度无显著变化趋势,各河段年内变化幅度不一;空间上,滨河植被覆盖度沿横向离河距离的变化而变化,其中游荡河段影响范围最宽,过渡河段次之,弯曲河段最窄;相关性及多元回归分析结果表明,相较于降水量,气温及河道水沙过程对黄河下游滨河植被覆盖度的影响较大。

黄河下游游荡型河道稳定水力几何形态研究

采用稳定河道水力几何形态计算经验公式和3种典型的极值理论计算了黄河下游游荡型河道的稳定河宽和稳定水深。4种公式计算出的稳定河宽相近,可信度较高;最小弗劳德数法计算出的稳定水深偏大,而另外3种公式计算的稳定水深很接近,有较高的可信度。建立一维和二维水沙数学模型,计算了在2 670 m~3/s造床流量的持续作用下柳河口至夹河滩河段各断面的稳定河宽和稳定水深,结合经验公式和极值理论的计算结果,预测黄河下游游荡型河道演变至稳定状态时,平均河宽约为500~700 m,平均水深约为3 m左右。