考虑复杂河工建筑物的漫堤洪水一、二维水动力耦合模型

针对景观坝和过水路面等河工建筑物严重影响河道排洪泄洪问题,基于MIKE FLOOD平台构建漫堤洪水一、二维水动力耦合模型,模拟分析复杂河工建筑物壅水与漫溢洪水淹没演进过程。采用Abbott六点隐式格式和显式有限体积法分别离散求解一、二维水流运动方程,利用干湿水深理论优化模型运算效率,将河道内过水路面与景观坝作为宽顶堰概化处理,同步计算桥涵淹没出流。将模型应用于宁夏茹河(店洼水库至小河河口)河道跨河工程阻水效果及漫堤洪水的数值模拟。结果表明,模拟结果较真实地反映了河工建筑物对水流的阻碍效应及桥涵动态过流效果。研究成果可为宁夏茹河及其他类似河道的整治工程规划设计及风险评价提供参考。

基于一、二维耦合水动力模型的潼湖流域洪水出口通道方案研究

为解决潼湖流域洪水出口通道受限问题,增强流域防洪排涝应急能力,通过构建潼湖流域一、二维耦合模型,对流域新开排洪渠方案的改善效果进行模拟分析。结果表明,随着排洪渠底宽和出口闸门净宽的增加,潼湖水面线逐步降低。从经济性和安全性角度,选择渠道底宽为35m,末端闸门净宽为25m的方案为最优方案。研究成果能够为复杂河网水系防洪治理提供参考。

考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型

为准确模拟城市洪涝过程,以地表二维流动模型和SWMM一维管流模型为基础,同时考虑地表径流与地下管流交换的3种模式,构建了城市地表与地下管流双向耦合的水动力学模型。采用水槽试验算例和理论算例对耦合模型进行验证,并将耦合模型应用到英国Glasgow城市街区,分析排水管网和不同地表地下水流交换模式对城市洪涝过程的影响。结果表明:模型在试验算例和理论算例的模拟中均具有较好的精度和可靠性,模型能够准确地模拟具有排水管网的城市洪涝演进过程;与无排水系统相比,检查井简化法、雨水口法和雨水口-检查井法3种水流交换模式下Glasgow城市街区模拟的最大淹没面积分别减少9.3%、23.2%和24.5%,其中对重度积水的消减作用更显著,淹没面积分别减少43.6%、79.9%和80.9%;检查井简化法的消减作用要远小于雨水口法和雨水口-检查井法,后两者差异较小。雨水口法和雨水口-检查井法比较符合实际情况,且雨水口-检查井法的计算效率更高更简单,因此,在城市洪涝模拟中采用雨水口-检查井法考虑地表径流与地下管流交换过程更符合实际。

一维-二维耦合的河湖系统整体水动力模型

为对自然界中的复杂水流系统进行整体水动力数值模拟,建立了适用于河湖系统的一维-二维耦合模型。将河网计算中用于处理河段间耦合的汊点水位预测校正法应用到一维-二维耦合边界的处理中,即耦合边界水位预测校正法。该方法具有一维、二维模型计算完全独立,可有效利用现有模型的优点。与传统一维-二维耦合处理方法相比,耦合连接条件的满足程度较高且可通过对计算容差的调整进行有效控制。利用理想及实际例子进行了计算验证,结果表明该方法具有较好的实用性。

平原感潮河网地区一维、二维水动力耦合模型研究

提供了一种复杂地形、水流条件下一维、二维水动力耦合模型的通用计算方法。根据感潮河流地形复杂、河岸弯曲多变、河道狭长的特征,采用有限元法求解一、二维水动力模型控制方程;在一、二维模型连接断面处,利用两种模型模拟的水位、流量相等的条件,实现一、二维模型的耦合。依据该原理,开发了大范围的上海市黄浦江上游地区河网一维与黄浦江干流二维水动力耦合模型,验证结果表明:一、二维耦合模型的设计是合理的。

基于一、二维耦合水动力模型的赣西联圩溃堤洪水风险分析

鄱阳湖赣江下游尾闾赣西联圩防洪保护区水系繁多,水文条件复杂,汛期频繁受到洪水侵袭,因此极有必要对该地区开展洪水风险分析。建立了能够模拟溃堤洪水水流演进的一、二维耦合水动力模型,并应用于赣西联圩防洪保护区。采用糙率分区、网格加密等技术进行优化,提高了模型计算精度,计算区域采用非结构化三角形网格进行剖分,设定溃口发生瞬时溃堤,溃口流量满足水量平衡原理,演进结果合理可靠。对演进计算结果进行洪水风险分析,结果表明:在赣江20年一遇鄱阳湖2010年实测水位过程中,保护区内洪水淹没范围大小和影响人口数量与溃口位置有关,淹没分布基本遵从地形高低原则,永建洲、李家垾溃口洪水淹没面积分别为8.46、36.57 km2,淹没水深基本都大于3 m。

流域一维二维水环境耦合模型系统算法设计与应用

构建一维二维水环境模型进行水质模拟是湖泊型流域开展陆源污染与断面水质响应关系研究的重要手段。针对现有一维二维水环境耦合模型建模过程中数据格式多样化、数据尺度难匹配、预处理过程复杂、参数众多难率定、运算时间长且无法快速响应超标断面水质调控等问题,设计并开发了流域一维二维水环境耦合模型系统,面向水环境管理业务需求,构建湖泊型流域水环境模型并模拟水环境变化过程,支持水质超标断面污染溯源、污染治理措施效果评价、污染防治与决策等业务开展,对支撑湖泊型流域水环境精细化管理具有广泛的应用价值。该模型系统以陆源污染负荷入河量作为河流污染边界条件,建立河流一维稳态水环境模拟模型,再以入湖河流作为边界条件,在二维正交网格基础上建立湖泊二维稳态水环境模型,从而建立陆源污染源排放与全流域水体断面水质响应关系。在南四湖流域的应用表明,该模型系统具有较高的水质模拟精度,其模拟速率和分析展示功能满足水环境精细化管理过程中的研究需求和业务需求,可为水环境管理决策提供科学依据。

基于立面二维水动力-水温耦合模型的水库水温分布

建立了考虑浮力影响的立面二维水动力-水温耦合数学模型,对温差异重流进行了研究,分析了浮力流的水流结构和温度分层的形成、发展过程,利用水库物理模型的试验数据对模型进行了验证,再将该模型应用于一拟建水库,模拟预测了该水库建成后夏季典型条件下库区的流场及温度场分布,研究了不同高程放流洞放水对库区流场、温度场及下泄水温的影响。

二维水动力模型在防洪影响评价中的应用研究

为了探究二维水动力模型在防洪影响评价中的实际应用效果,文中建立了连云港至宿迁高速公路跨新沂河特大桥上下游河道二维水动力模型,计算得到不同频率洪水条件下桥前壅水高度、壅水长度及桥址附近流场图。经分析,新沂河特大桥建设会造成桥前局部区域水位壅高、流速减小,桥孔及近岸流速略有增加。二维水动力模型计算成果基本合理,可以应用于防洪影响评价项目中,为桥梁建设方案提供理论依据。

一维二维水动力模型耦合的城市洪水模拟

城市洪水模拟通常包括城市内河流模拟和城区平面漫流模拟。一维水动力学模型可以较好地模拟河流和水工建筑物的水流特征,二维水动力学模型模拟水平漫流可以取得令人满意的结果。而一维二维耦合模型可以充分发挥两种模型的各自特色和优势,解决两种模型分别使用时经常遇到的空间分辨率和计算精度等问题。本文通过建立一维二维水动力耦合模型,针对不同的典型降雨过程,对该模型系统进行验证和分析,并最终用于模拟济南市不同重现期下洪水淹没情况。模拟结果表明,该模型能够有效地模拟复杂市区降雨积水过程,能够提供可信度较高的城市洪水潜在风险评估,可为城市防汛预警决策提供技术指导。

浅水湖泊群连通与调水的二维水动力-水质耦合模型研究

将湖泊群连通并进行引清调水的水环境污染治理模式在浅水湖泊分布比较集中的地区逐渐受到人们的关注。为了探究独立湖泊群相互连通引水后各湖区的水动力水质变化情况,以武汉大东湖生态水网工程的建设为背景,建立了湖泊群二维水动力-水质耦合模型。采用适合复杂边界的非结构化网格,考虑湖底地形和气候条件,考虑污染物的输入、迁移和转化,以及蓝藻等浮游生物的生长条件,分别利用东湖2006年6月和2007年6月的野外数据对所建模型进行参数的率定和校核,并利用2012年6月实测数据对3种引水方案与3种连通模式组合情况下湖泊群的BOD5,TP,TN以及Chl-a等生化指标的变化情况进行模拟,对稳定运行30 d后的模拟结果进行比较分析。结果表明:引水工程中,对于水域面积较大的湖泊,风力作用依旧是影响流场的主要因素;同样的引水流量下,不同的调水方案对水质改善结果有较大差别;湖泊群中隔堤的存在会给湖泊污染治理带来困难,而在湖泊群中适当区域设置生态小岛对水质变化过程影响微弱。

二、三维耦合水动力模型研究I:模型的建立

利用基于非结构网格的有限体积法分别建立了二维和三维水动力模型。在实际工程应用中,二维模型一般用于模拟浅水自由表面流动,而三维模型在水流参数垂向结构变化较大时适用性更强。结合两者的特点,建立了二、三维耦合水动力模型。首先通过2个经典的算例来分别验证二维和三维水动力模型的精度和可靠性,最后通过一个潮流在斜坡地形上的传播实验来比较研究二、三维耦合水动力模型的实用性。结果表明,耦合模型在保证计算精度的同时,可有效提高工作效率。

淡水河一维-二维耦合水动力学模型构建及应用

对淡水河干流、主要支流、淡澳分洪河采用一维水动力模型建模,对惠阳主城区进行二维水动力模型建模,利用河道两岸进行一维、二维水动力耦合,模拟淡水河溃漫堤洪水演进过程。结果表明:除桥南排涝站到淡水站河段,水面线误差在20cm以上外,其余河段水面线偏差均在20cm以内,一维-二维水动力学模型计算的淡水河的洪水演进过程总体较为合理。研究成果对于流域防洪风险图的绘制具有重要参考价值。

二维水动力模型在滩岸环境整治工程洪水影响评价中的应用

河道水力学计算和数值模拟是建设项目防洪与河势影响论证的重要基础。文章选用非结构化三角形网络进行数值模拟,采用实测水文资料率定和验证,构建基于MIKE21的二维水动力模型,分析工程建设对河流防洪形势的影响。模型在汉江干流老河口段岸线综合整治及生态修复工程(上游段)中进行了应用,准确模拟了工程建设前后汉江干流水位、流速、流态的变化,分析了工程建设对河道行洪安全、河势稳定的影响。模型在滩岸环境整治工程洪水影响评价中具有较好的适用性。

基于河道二维水动力模型的防洪影响研究

为研究三河渡大桥建设对淮河入江水道水文情势及河势的影响,构建河道二维水动力模型以分析桥梁桥轴线与二维水流方向的夹角,模拟桥梁建设前后入江水道水位、流速、流态等水力条件的变化情况,并分析了河道疏浚措施对消除工程壅水影响的效果。结果说明,工程建设对入江水道沿线水位、水流流态的影响主要集中在桥位附近,呈向上下游递减趋势,通过河道疏浚可减少工程建设对水位抬升的影响。研究成果可为类似工程跨越宽阔水域的防洪影响分析提供参考。

二维水动力模型在水利工程航道通航条件影响评价中的应用

运用Mike21软件建立二维水动力模型,分析淮河干流浮山以下段行洪区调整和建设工程中,冯铁营引河分洪闸对淮河航道水流条件的影响。经计算,分洪闸分洪在淮河航道产生的横向水流流速小于0.30 m/s,工程对淮河航道的水流条件影响满足规范要求。该计算结果得到了物理模型试验的验证,为淮河干流浮山以下段行洪区调整和建设工程的航道通航条件影响评价提供技术支撑。研究成果可为分析大流量临河类水利工程航道通航条件影响,即分析影响水流条件提供借鉴。

二维水动力模型在蓄洪区洪水影响评价中的应用研究

蓄洪区运用不同于一般河道行洪,无法给定某一洪水标准下具体位置确定的水位流量,因此目前广泛采用二维水动力模型进行计算,在进洪全过程中分析工程建设对蓄洪区运用可能造成的各种不利影响,从而为洪水影响评价结论提供可靠的支撑。

基于水文水动力模型和机器学习模型耦合的河道水位预报方法

为探讨利用水文水动力模型和机器学习模型来提高河道水位预报精度的可行性,首先利用水文水动力模型进行河道水位预报,采用支持向量机模型对水文水动力模型的预报结果进行校正,进而构建了一种耦合水文水动力模型和机器学习模型的河道水位预报模型。在广州市南沙区蕉西水闸的应用结果表明,构建的耦合模型的预报效果优于单一的水文水动力模型,明显地提高了不同预见期下的水位预报精度;尽管随着预见期的增加,耦合模型的预报精度有一定的衰减趋势,但整体上仍优于水文水动力模型提供的水位预报结果。

基于一二维耦合水动力模型的海绵小区建设效果评估

针对在海绵城市规划、建设和管理中SWMM模型无法精确模拟地表积水和淹没过程的问题,将SWMM模型与基于有限体积法的二维水动力学模型进行了耦合,建立了一二维耦合的水动力学模型,基于耦合模型构建了北京市某排水小区的雨洪模型,采用不同重现期的设计暴雨过程对海绵改造方案进行模拟和分析。结果表明,一二维耦合水动力学模型能有效地模拟海绵措施建设前后的效果,可应用于海绵小区建设效果评估中;海绵措施在一定程度上能改善小区内涝积水情况,间接地提高排水标准。

基于黎曼近似解的溃堤洪水一维-二维耦合数学模型

采用一维-二维耦合数学模型对溃堤洪水进行模拟,可以发挥两者优势,提高计算效率。将基于黎曼近似解Godunov格式的一维、二维水流数学模型通过堰流公式进行耦合,实现交界面的水力要素交互;一维、二维模型均采用中心形式的有限体积法求解,分别采用HLL格式和Roe格式计算界面通量,具有一致的空间同步性。通过经典算例验证了模型的可靠性和稳定性,应用耦合模型对1998年松花江干流胖头泡溃堤洪水进行了模拟计算,较好地模拟了溃堤洪水的演进过程与淹没范围,对200年一遇洪水的分洪效果进行了分析,为此区域的分洪利用及松花江中上游防洪调度提供参考依据。