基于UE5的虎渡河水流数字仿真技术研究及应用

河流仿真技术是流域数字孪生的重要组成部分,当前实现物理河流向虚拟流域保真建模还有不足。以实测地形、遥感影像与水文数据为基础,基于水文模型计算的沿程水面线,通过UE5与Fluid Flux插件渲染,重构、编译蓝图、训练数据资产,克服坐标系统差异,完成从二维水动力计算到三维模型的转换,最终实现与虎渡河真实场景有较高相似度的仿真效果。校验结果表明模型误差较小,可以反映真实情况。构建的仿真模型能展现不同时期的水流状态、水位与堤防相对高差、人工爆破分洪、水下情景等,通过参数调整,能进行不同预演方案之间的比较,为防洪决策提供可视化支撑。

典型水库超蓄洪水临时淹没损失分析

面对逐渐加剧的极端水情,水库超蓄洪水临时淹没实物调查往往不能形成精准的数据库以支撑现代化水利建设。文章以江垭水库为例,采用高精度卫星影像结合数字线划地图(DLG),结合原位观测,开展了库区超蓄洪水临时淹没实物调查。研究表明,征地线、移民线到校核洪水位之间发生超蓄洪水临时淹没时,库容约增加12.5万m 3,以玉米为主的田地淹没35.44×10^(4)m^(2),以茶园或柑橘为主的果园淹没3.39×10^(4)m^(2),道路淹没2.95×10^(4)m^(2),住宅或厂房淹没882栋,影响2000人以上居民正常生活与生产。实地勘测表明成果基本可信。该研究有利于水利数据库的完善,促进水库安全运行水位管理,研究方法可为其他库区超蓄洪水临时淹没实物调查提供借鉴。

近70年来虎渡河水沙变化特征与冲淤演变分析

虎渡河是长江分流入洞庭湖的主洪道之一,三峡水库蓄水后虎渡河的水沙条件明显改变,但由于全河段的水沙与河床形态监测资料不完整,其沿程水沙变化与河道冲淤响应的研究不足。利用近70年来弥陀寺和董家垱水文站的长序列水沙数据与虎渡河的实测河床地形资料,分析了虎渡河水沙变化及冲淤演变的特征和规律。研究结果表明,三峡水库蓄水后虎渡河汛期的分流量减少了32.84%,但上游与下游的流量比稳定在83.0%左右;水位与流量关系曲线有上翘的趋势,相同洪水流量的水位更高。近5年虎渡河的冲淤变化整体趋于平缓,但输沙率比三峡水库运行前5年下降95%,且汛后水流含沙量约高出汛前22.52%。

若尔盖高原典型泥炭湿地水量平衡计算

若尔盖泥炭湿地具有蓄水、固碳和生态的重要功能,其地下水水位变化决定泥炭湿地面积维持或萎缩,但是其泥炭湿地的地下水水文过程和水量动态变化缺少系统的野外监测和研究。结合红原站气象资料,并于2017年5月、7月和9月在若尔盖黑河上游泥炭湿地典型小流域开展野外原位监测,利用MODFLOW模型建立小流域三维动态地下水运动模型,模拟地下水运动过程并计算水量动态平衡变化以及沟道排水能力。结果表明:泥炭湿地的主要补水方式是降雨,占补水总量的60%,其主要出流方式是沟道排水,排水比例最高达到53%;其次是潜水蒸发,出流比例为26%。切穿泥炭层的沟道排水能力是未切穿泥炭层沟道的2. 5倍。若尔盖泥炭地的地下水位受降雨影响呈现季节性波动,在雨季其涨幅约为0. 5 m。

若尔盖高原径流量变化与储水量计算

若尔盖高原的降水量微弱减少与蒸发量持续上升,使若尔盖高原径流量与储水量逐年降低,直接减少了若尔盖高原的湿地面积和对黄河上游径流量的补给。基于红原、若尔盖和玛曲站的气象数据和7个水文站的径流量数据(1981-2011年),并对数据序列进行插补与计算,获得若尔盖高原的径流量变化与气候因子的响应关系,进而计算储水量变化。计算结果表明:若尔盖高原向黄河年均补水(67.08±14.90)×108 m 3,并以0.48×108 m 3/a速率持续减少。降水量每减少1 mm将导致黑河与白河的年径流量分别减少0.02×108和0.05×108 m 3。蒸发量每增加1 mm将导致黑河与白河的年径流量分别减少0.12×108和0.27×108 m 3。1981-2011年若尔盖高原的年均储水量为(59.30±18.69)×108 m 3,其年均递减速率为0.49×108 m 3/a。本研究有助于认识若尔盖高原对于黄河上游水资源保障的重要性。

基于VMOD模型的若尔盖泥炭沼泽地下水数值模拟

若尔盖泥炭沼泽自20世纪50年代以来发生显著的面积萎缩,导致其失水的重要机制之一是自然沟道的溯源下切与横向侵蚀,进而疏干沟道两侧沼泽的地表水和泥炭层的地下水,加速泥炭沼泽地的萎缩。基于2016—2017年夏季野外观测与Visual MODFLOW地下水模型,分别研究局部2种典型泥炭地的地下水运动和沟道对泥炭地地下水的横向水力梯度的影响。结果表明:地下水流运动偏向于沟道方向,且当沟道切穿泥炭层后此趋势更加显著,垂直沟道方向水力梯度约增大79%。证实自然沟道不仅在降雨期对地表水具有排水作用,其溯源下切直至切穿泥炭层的过程促进沟道两侧地下水在非降雨期不断流失,并在河道两侧形成泥炭沼泽的疏干带。该研究对若尔盖湿地修复与保护中沟道切穿泥炭层区域提出了相应的建议措施。

黄河源大河坝河辫状河道形成条件与影响因素

大河坝河是黄河源兴海-同德盆地下切形成的辫状河道,河道横向发展受两侧河谷的限制,但是对于青藏高原这类窄谷型辫状河道的形态特征与形成条件缺少认识。基于野外考察、遥感影像和水文气象数据,分析大河坝河的卵砾石补给来源、河床物质组成、河谷坡降、河谷宽度等因素,初步揭示其辫状河道的形成条件。研究表明,卵砾石的过量补给与粗粒径床沙,是辫状河道形成的主要影响因素。年内流量过程与河谷坡度是此辫状河道形成的次要影响因素。河谷宽度和冲积扇是限制作用,约束辫状河道的活动范围。

辫状河流演变过程与机理的研究进展

辫状河流属于冲积河流的主要类型,对流水地貌景观、水生栖息地和河流开发与生态保护具有重要科学意义。根据辫状河流演变过程与机理的国内外研究进展,对定义与形态特征进行综合描述,并给出常用的形态表征方法与参数。总结辫状河流的4种野外地形观测方法以及水槽试验和数值模型的应用,比较它们的适合范围;描述辫状河流的不同形态单元的组成,列举沙洲形成、汊道调整与横向迁移、岸滩侵蚀、河漫滩淤积等基本演变规律;对比分析水流功率、床沙粒径、泥沙补给、滨河植被、河谷宽度等影响辫状河流形态动力学过程的主要控制因素;指出青藏高原不同空间尺度辫状河流的形成原因、形态特征和演变规律是河流动力学的重要研究方向。

黑河下游颈口裁弯后河道三维水流结构研究

黄河源黑河下游于2018年7月汛期发生1次颈口裁弯的极端地貌过程,裁弯河段的水流结构发生强烈调整,开展原型观测裁弯后河道水流结构具有重要科学意义。2019年和2020年采用声学多普勒流速剖面仪对裁弯河段共计45个横断面进行野外测量,对比分析裁弯后河道三维水流结构与环流强度。结果表明:受河道形态、边界条件、水文条件等因素影响,裁弯口上游顺直河段的水流结构受颈口裁弯的影响较小,而弯道段水流结构于裁弯后明显调整。具体表现为颈口裁弯对顺直河段的流速、环流强度空间分布无较大影响,会改变弯顶段最大流速的横向分布和环流结构的断面分布、影响分离区的规模和分布位置。研究结果加深了颈口裁弯后水流结构调整对牛轭湖淤积、分离区河床冲淤以及新河道冲刷影响的认识。

长江源辫状河流的汊道-沙洲单元形貌研究

长江源辫状河流平面形态极不规则且错综复杂,其汊道与沙洲构成复杂的多汊道系统。采用无人机航测获取长江源典型辫状河道沱沱河和布曲的低空影像数据,通过降噪技术处理后得到高精度地形,进而测量30个汊道-沙洲单元的形态参数,分析汊道-沙洲单元的形貌特征变化规律。结果表明:汊道-沙洲单元中沙洲与汊道的面积比值为0.174~1.824,与沙洲长宽比呈幂函数关系,其幂函数指数与整体河段辫状强度呈负相关;沙洲的地形起伏度为0.18~0.90,与汊道汇流角呈正向线性关系。汊道与沙洲发育相互依存和联动,导致整体辫状河段的复杂性。

若尔盖泥炭小流域地下水水位的时空变化规律

若尔盖泥炭湿地是黄河上游重要的水源涵养地,发挥着蓄水、固碳和生态的重要功能。近几十年来若尔盖泥炭湿地面积持续萎缩,其地下水水位的变化对湿地萎缩发挥着关键性作用。选取若尔盖高原的黑河上游泥炭湿地典型小流域,采用HOBO自记水位计布设5个靠近沟道和3个远离沟道的地下水水位观测点,结合2017年5-9月地下水水位观测数据以及红原站气象资料,分析该小流域内地下水水位的时空变化规律。结果表明:沟道可为周边泥炭层提供更加长效的补水时间,而且能够更快汇集地表水流;远离沟道的地下水水位变化与降雨过程趋于同步,其与降雨量的相关系数达到0.8;洼地的地下水水位变化比坡地受降雨影响小;地下水水位变化对降雨过程具有滞后响应,即随着降雨强度增大,滞后时长逐渐减小,且远离沟道比靠近沟道的观测点的滞后时长要短约18 min。

黑河下游河岸侵蚀触发颈口裁弯的数值模拟概化研究

为复演黄河源黑河下游河岸侵蚀触发颈口裁弯的极端地貌过程,基于2018年7月实测洪峰流量过程,采用断面尺度的崩岸模型(BSTEM),以1d为时间尺度概化模拟在3种不同侵蚀方式(上游单侧、下游单侧和上下游两侧共同作用)下的颈口缩窄过程与裁弯时间.采用上下游两侧共同作用的河岸侵蚀模拟的结果表明,颈口贯通的时间为2018年7月15日,这与崩岸贯穿颈口的实际时间是一致的.颈口双侧崩岸比上游或下游单侧崩岸触发颈口裁弯的时间分别提前2d或6d.可知,极端洪水作用下的加速河岸侵蚀是黑河下游弯道提前发生颈口裁弯的直接触发原因.

拉萨河直孔水库上下游河床粒径与粗糙度变化

拉萨河上游直孔水库于2006年建成以来,水库拦沙与下泄清水冲刷使下游卵砾石河床逐渐粗化,其粗化程度、范围和平衡状况有待研究。2018年4月的野外考察和现场观测拉萨河直孔水库上下游辫状河道,选取5个观测点,测量河床表面卵石中值粒径,同时利用无人机30 m低空航测,经过图像处理生成实测区域的高分辨率河床洲滩地形,计算洲滩表面粒径和相对粗糙度的空间变化。结果表明,采用无人机航测方法可较高精度地提取河床表面的卵石粒径级配,中值粒径的平均误差为18.7%。由于水流冲刷和分选作用,直孔大坝下游1 km河段内河床粒径粗化已完成,坝下游10 km范围内沿程粒径减小,至坝下游22 km后河床粒径逐渐恢复正常。

洞庭湖生态修复黑泥洲试点区回淤分析研究

新江湖关系背景下推进洞庭湖生态疏浚,实现生态复苏意义十分重大。采用模型模拟与推导分析相结合的方式,以黑泥洲“生态岛+生态湖”为试点,研究清淤模式下,河段与生态湖的回淤问题。结果表明:多年平均流量1,210m^(3)/s条件下,疏浚后1年河段总体回淤4.17~4.36万m^(3),三个生态湖分别回淤0.82、0.72、0.68万m^(3)。工程稳定性较好,回淤未对区域水系连通性及冲淤变化产生重大影响。研究可为之后生态疏浚相关工程作理论参考。

2015年黄河源区泥炭地分布及其空间差异性

泥炭地在黄河源区广泛发育,其空间分布与面积变化对黄河上游水源涵养能力具有重要影响。以2015年2月、3月、11月和12月分辨率为30 m且云量少于20%的覆盖研究区的Landsat TM影像为数据源,提取出黄河源区泥炭地的分布信息;利用1956~2015年黄河源区各县的降水量和气温数据以及高程、坡度资料,分析地形因素和气象因素与典型泥炭地空间分布的关系。研究结果表明,2015年,黄河源区泥炭地的总面积为10750.84 km^(2);黄河源区中的14个县有泥炭地分布,其中,青海省果洛藏族自治州玛多县、四川省若尔盖县和青海省玉树藏族自治州称多县的泥炭地面积分别为2936.13 km^(2)、2117.45 km^(2)和1492.71 km^(2),位居14个县泥炭地面积的前三位;在黄河源区,海拔为3576~4650 m、坡度为4°~5°的地方利于泥炭地的形成和发育。