采沙河流二维水沙耦合数学模型

对引进的采沙河流二维水沙数学控制方程组进行系列变形和化简,并利用逆风格式和ADI法及有限差分法对方程组进行离散求解,建立了采沙河流平面二维水沙耦合河流数学模型.与传统的河流数学模型相比,该模型中加入了反映采喂沙活动影响强度大小的参数采沙通量Fm与喂沙通量Ff,可反映出河流采喂沙活动对河床变形影响的持续性和同步性,可以精细地模拟和描述采沙河流中的水沙运动变化情况.

网河区水沙耦合河流数学模型初步研究

在对一维浑水水沙控制方程组进行系列推导,求解出其简化表达式的基础上,利用Preissmann四点偏心隐格式和三级联解法对方程组进行离散求解,建立了网河区一维水沙耦合河流数学模型。为检验模型的实用性及其计算精度,将模型的计算结果与普通河流水沙模型计算结果以及实测结果进行了对比分析,结果表明水沙耦合河流数学模型计算结果与实测结果吻合良好,而在部分断面的水位计算中,其计算结果比普通河流水沙数学模型更接近于实测值。

栅格水沙耦合模型在水保试验区土壤侵蚀时空模拟中的应用研究

本文采用水沙耦合模型,以栅格(1km×1km)为计算单元,对辽宁某水保试验区进行土壤侵蚀模数时空模拟,并结合试验区实测水量和土壤侵蚀数据对模型精度进行评价,同时还对区域不同水土保持措施下的土壤侵蚀模数进行了评价。研究结果表明:栅格水沙耦合模型可用于区域土壤侵蚀模数的空间模拟,模拟水量和土壤侵蚀模数与实测值误差小于25%;坡度为15°的水保工程措施可明显减少区域土壤侵蚀模数,相比于其他措施区域土壤侵蚀量削减35.5%~98.4%。研究成果对于不同水保措施下的水保时空效果模拟提供模拟方法参考。

黄河中游分布式水沙耦合模型研究

针对黄河中游多沙粗沙区的产流产沙特点,在建立逐网格汇流的水文模型的基础上,构建了逐网格汇沙的土壤侵蚀模型,通过水文模型和土壤侵蚀模型有机耦合,实现了泥沙的产生和汇集的分布式计算。由于模型采用逐网格汇流汇沙的方式进行模拟,使得考虑上方来水来沙对产输沙的影响成为可能。根据研究区的特点,模型在土壤侵蚀过程的模拟中,对重力侵蚀的模拟进行了尝试。经黄河中游小理河流域实测资料验证,模型具有一定的计算精度。

分布式水沙耦合模型研究进展

土壤侵蚀与人类自身的生存发展息息相关,已经成为21世纪人类共同关注的热点问题之一。基于此,阐述了分布式水文模型及土壤侵蚀模型的发展历程,指出目前大多土壤侵蚀模型过于偏重降雨侵蚀的产沙过程,而同时对降雨产汇流过程的模拟较少,一个完整的侵蚀产输沙过程模拟首先要模拟产汇流过程;基于RS/GIS手段,加深物理过程机制研究是分布式水沙耦合模型发展的趋势;模型非线性问题及尺度转换问题等是制约模型发展的关键因素。

黄土丘陵沟壑区小流域水沙侵蚀过程的情景模拟分析

在黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀水沙耦合数学模型基础上,以黄河中游典型流域岔巴沟流域为研究对象,根据工程水文学设计暴雨的方法生成各种假设暴雨过程,在固定下垫面不变的条件下,进行模拟计算并分析流域100年一遇、50年一遇和10年一遇设计暴雨的产流产沙效应。在几种不同的假设植被覆盖度下,分别模拟计算同一场典型暴雨在不同植被覆盖条件下的水沙侵蚀过程。模拟结果表明:1)根据岔巴沟流域100年一遇(P=0.01)、50年一遇(P=0.02)和10年一遇(P=0.1)设计暴雨3种情景下的水沙计算特征可知,100年一遇降雨(P=0.01)对应的洪峰流量和沙峰分别为805 m3/s和77.5万kg/s,50年一遇降雨(P=0.02)对应的洪峰流量和沙峰分别为595 m3/s和50.2万kg/s,10年一遇降雨(P=0.1)对应的洪峰流量和沙峰分别为108 m3/s和12.1万kg/s,根据以上计算结果可大致推断1970—2000年的绝大多数侵蚀观测场次的水沙重现期在10年一遇和50年一遇之间;2)该流域植被覆盖度的减水减沙效应显著,增加25%植被覆盖将减少水量73%和沙量84%,而减少25%的植被覆盖将增加29.9%的径流和18.6%的泥沙。不同降雨和植被覆盖条件下的水沙侵蚀过程情景模拟分析结果可为黄土高原丘陵沟壑区流域水土保持工程规划与设计提供依据。

滑坡体溃决洪水数学模型研究

滑坡体溃决过程中泥沙运动非常活跃、滑坡体变形速度快,且与水流之间存在着强烈的相互作用。现有水沙数学模型为非耦合模型,在一定程度上忽略了其基本力学特征,难以准确地描述这类物理问题。本文建立二维水沙耦合数学模型,并采用修正的上扬通量公式来描述泥沙运动和滑坡体溃决过程。运用该模型研究了试验条件下上游水流漫顶和淹没过程中滑坡体溃决诱发的水沙变化规律,数值解与水槽试验数据基本一致。研究表明:现有基于恒定均匀条件的泥沙上扬通量公式并不直接适用于复杂水流条件下滑坡体溃决过程,需要进行更深入的研究;滑坡体溃决能够引发强非恒定流甚至激波,传统的对渐变流的数值计算方法难以准确地捕捉该现象,必须采用高性能数值格式:现有经验方法难以准确地计算坝址处流量过程,以此作为边界条件的传统溃坝洪水数学模型未必能够获得准确、可靠的结果。

水电站近坝区水沙输移二维数值模拟

以萨拉康水利工程为例,采用平面二维水沙模型对近坝区域的水沙运动进行计算研究,分析了敞泄排沙条件下上引航道、泄洪闸、厂房等区域的泥沙淤积分布。结果表明,萨拉康水利枢纽工程运行30年后,泄洪闸前的泥沙淤积不会影响闸门安全运行;上引航道口门区主要受主流回流的影响,产生回流淤积;厂房段的拦沙坎与冲沙底孔可有效保护厂房进水口。

堰塞坝溃决模拟研究综述与展望

堰塞坝几何形态、粒径级配和库容决定了其溃决机理的复杂性,而溃决过程的精细模拟和峰值流量的准确预测是应急处置的基础和关键。堰塞坝溃决过程与模拟技术是面向国家防灾减灾重大需求的前沿热点问题。在系统梳理国内外试验和数值模拟研究进展的基础上,指出以往试验研究坝体尺度小,足够大的库容基本未模拟,难以显示最终溃口形态;数学模型假设过多,物理机制不健全,均有待发展完善。提出了下阶段大尺度模型试验研究的方案与思路,重点阐明堰塞坝破坏机制与溃口演变完整规律,揭示溃口发展物理全过程。同时,建议开发能够模拟全场和溃决全过程的平面二维水沙耦合数学模型,摈弃长期以来对溃口流量、溃口形状、边坡坡度、残留坝体高程、溃决时间等的事先假设,而将其视为水沙床耦合数学模型数值解的一部分,以期提升堰塞坝溃决模拟水平和预测精度。

曹娥江出口船闸建设若干关键问题初探

为研究支流口门区船闸建设涉及的口门水流流态、泥沙淤积等关键问题,以浙江省钱塘江强涌潮河口支流曹娥江出口为例,采用实测资料分析、二维水沙耦合数学模型等方法初步研究了拟建船闸出口水域河床稳定性、引航道口门水流流态及泥沙淤积等问题。结果表明,船闸出口水域及口外引航道局部冲淤幅度较大,需对局部碍航段采取疏浚措施;闸下引航道水域横向流速满足通航要求的时间较短,需通过乘潮航行及船闸的优化调度提高通航频次,闸下引航道及口门区泥沙淤积较严重,需深入研究减淤措施。

增强小浪底调水调沙后续动力的三门峡水库水位方案优选

小浪底水库调水调沙后续动力不足,在不新建水利工程的前提下充分挖掘三门峡水库等现有工程的潜力,可为小浪底水库调水调沙提供后续动力,具有研究价值。该研究分析三门峡水库通过改建底孔形成双泥沙侵蚀基准面条件下的可能边界条件,考虑三门峡水库工程运用条件和入库洪水分期特点,分析拟定了三门峡汛期、非汛期抬高水位的方案,利用构建的三门峡水库泥沙冲淤数学模型和模糊优选评价模型进行方案计算分析与评价,提出了三门峡水库在降低侵蚀基准面的情况下最优运用水位方案,即按照前汛期运用水位308 m、后汛期运用水位312 m、非汛期最高水位321 m运行的方案,该方案与现状运用方案相比,2600 m^(3)/s以上增泄水量增加42%,电站发电量累计增加9%,湿地面积增加73%,评价的综合效益最优。研究成果对增强小浪底水库调水调沙后续动力、三门峡水库充分发挥综合效益具有重要意义。