燕子河流域洪水演进数值模拟

为了对中小河流流域洪水风险进行预测分析,以山东省临沂市燕子河流域为研究对象,利用水动力学模型对洪水演进进行数值模拟;采用MIKE 11软件建立一维水动力学模型,分别模拟洪水重现期为5、10、20、50、100 a的河道洪水演进过程;利用MIKE 21软件对燕子河防洪保护范围构建二维模型;利用MIKE FLOOD软件侧向耦合一、二维模型,模拟不同洪水重现期洪水从河道漫溢至岸边的演进过程,对模拟结果进行分析,得到洪水的淹没范围、水深、流速等信息。结果表明:洪水重现期为5、10、20、50、100 a时洪水淹没范围分别为0、4.09、7.59、13.87、18.44 km^(2),最大淹没深度分别为0、4.56、5.46、6.20、6.49 m,洪水最大流速分别为0、3.04、3.58、3.98、4.70 m/s;罗庄区西陆庄村、为儿桥村以及兰陵县西庄村、松山东村等村落为淹没风险较大区域。

北江流域城市防护区超标准洪水演进模拟

在气候变化和人类活动共同影响下,极端水文事件发生概率增大,城市面临超标准洪水风险日益增加。为分析超标准洪水对北江流域城市防护区影响,以广东省英德市英城防护区为例,建立一、二维耦合数学模型,分析漫溢和溃堤情况下超标准洪水演进特征及其对防护区重要地物的影响。结果表明:超标准洪水条件下英城防护区主要洪水风险为堤防决口;洪水重现期由50 a增至200 a,漫溢条件下淹没面积由2.46 km^(2)增至5.52 km^(2);溃堤后,淹没面积由7.18 km^(2)增至14.24 km^(2),淹没水深最大值超过3.5 m,洪水由溃口向英城防护区演进,总体上最大流速为0.05~3.00 m/s,但溃口附近最大流速超过6 m/s。

基于二维浅水方程的胖头泡蓄滞洪区洪水演进数值模拟

探究蓄滞洪区洪水演进对蓄滞洪区的防洪工作有着重要意义。为在洪水来临时,短时间内对洪水运动进行预测。运用Godunov型有限体积法建立了1个二维浅水水动力数值模型,该模型的的优势在于采用非结构性三角形网格,能够较好地拟合不规则边界,并采用GPU异构并行技术,有效解决了非结构化网计算耗时长的问题,运用限制器减少二阶精度数值的扩散和振荡,引入负水深和干湿边界处理技术,使模型模拟的精确度得到了有效提高。模型应用多个溃坝水流实验算例对模型进行率定,在验证其具有良好的干湿边界计算能力和静水和谐性的基础上,采用嫩江流域1998年洪水数据对嫩江流域的胖头泡蓄滞洪区的洪水演进进行模拟计算。结果显示:模型对胖头泡蓄滞洪区模拟的蓄水量为34.9亿m^(3),与实测值的相对误差为1.7%,洪水淹没面积为1 267.27 km^(2),与实测值的相对误差为9.24%。对研究区域不同的土地类型进行糙率分区的情况下,模型模拟的蓄水量结果更趋近于实测结果。并行化后的程序能使模型计算速度提升33%,因此模型能快速、精准计算复杂地形溃决水流的洪水演进过程。研究结果可以为蓄滞洪区的防洪规划、灾情预警提供相关信息。

基于GPU加速的溃坝洪水演进模拟研究

溃坝洪水演进与淹没范围快速模拟,对指导抢险救灾至关重要。为此,引入GPU加速技术,构建了一套高效高分辨率溃坝数值模型,与经典三驼峰溃坝试验对比发现,模拟结果与试验结果非常吻合,并利用该模型模拟了典型溃坝洪水演进及溃口流场、溃后水位变化情况。结果表明,模型能较好地模拟溃坝洪水演进,较好捕捉溃口发展过程及泥沙输移。t=200 s时溃决流量出现小峰值4 m3/s,t=450 s时,溃决流量出现最大峰值13.8 m3/s;随着下泄流量增大,溃口加速侵蚀和冲刷并逐渐连通,溃口由0.21 m扩大至0.40 m。GPU加速比约为CPU的10.33~13.75倍,且网格数越多,加速效果越明显。

床沙级配调整对黄河下游洪水演进的影响

小浪底水库运行以来,进入黄河下游的水沙条件出现了较大变化,受水库清水下泄影响,黄河下游床沙粒径出现了明显的粗化。为了探讨床沙级配粗化对黄河下游洪水演进的影响,本文首先建立了适用于黄河下游的一维水沙耦合数学模型,然后采用花园口至孙口河段2020年4—10月的实测洪水过程对模型进行了验证;其次根据河段床沙粗化特点,并以花园口床沙粗化过程为代表,设计了4组床沙级配作为模拟计算的初始床沙条件;最后采用验证后的模型进行了模拟计算,分析了床沙级配调整对洪水演进的影响。结果表明:床沙级配调整对黄河下游的流量、水位、含沙量、洪水演进时间以及河段冲淤量均有影响,但是对流量影响较小,而水位、含沙量、洪水演进时间与河段冲淤量对床沙级配的改变响应较为敏感。床沙中值粒径d_(50)由0.076 mm(级配1)增至0.242mm(级配4)时,夹河滩断面水位增高0.89 m,花园口至孙口河段冲淤量由冲刷0.679亿m^(3)转变为淤积0.059亿m^(3),冲刷量减幅为109%。研究结果可为新水沙情势下黄河下游河道治理提供借鉴与参考。

2024年洞庭湖团洲垸溃堤过程及洪水演进模拟

蓄滞洪区是长江中下游防洪工程体系中的重要一环,研究蓄滞洪区溃堤洪水演进模拟,对于防洪减灾具有重要意义。收集了2024年洞庭湖团洲垸溃堤时实测口门宽度及流量数据,分析计算了溃口流量过程,采用平面二维水动力学模型计算了溃口过程中团洲垸内的洪水演进过程,分析了垸内淹没水深、流速等致灾要素的时空变化。结果表明:①溃口发展包括下挫冲槽、横向展宽和稳定泄流3个阶段,基于流量过程推求了进入团洲垸的总水量为2.53亿m^(3),与基于库容曲线反算的水量(2.63亿m^(3))基本相当;②验证了溃口附近流量和水位过程与实测过程基本相符,团洲垸内最高水位为31.955 m,与实测水位(31.960 m)基本一致;③模型计算的淹没范围与基于遥感影像提取的范围基本一致,在计算时段末,92.7%的区域处于重度淹没状态(淹没水深超过1.5 m),最大淹没水深约为8.2 m,垸内流速均呈先增大后减小的变化趋势,各时刻(t=4 h、t=10 h、t=15 h和t=20 h)平均流速分别为0.37,0.43,0.22 m/s和0.05 m/s。研究成果可为溃堤洪水风险评估、堤防守护等提供技术支撑。

主动分洪下鄱阳湖莲北圩洪水演进模拟与分析

2020年鄱阳湖大洪水单退圩发挥了重要的分蓄洪水作用,但部分单退圩蓄洪过程存在进洪溃口较大且靠近村庄、淹没损失较大、撤离时间不足等问题。为了分析鄱阳湖单退圩的分洪效果,以莲北圩为例,应用MIKE21建立了莲北圩内洪水演进模拟模型。针对2020年鄱阳湖大洪水,调整进洪方式,在远离村庄处的位置设置闸门宽度分别为40 m、65 m、85 m、110 m和140 m的5种主动分洪方案,详细分析防洪保护区内的淹没水深、流速和洪水演进过程等。结果表明:闸门设置在合适位置,宽度大于等于65 m,进洪过程更加合理,龙口村等部分村庄受灾时间延后10 h,莲北圩进洪时长可以满足圩堤管理要求。本研究可为鄱阳湖区单退圩运行管理及防洪规划提供技术参考。

基于MIKE11模型的乌塔沟洪水演进模拟

为解决汛期乌塔沟可能发生的水位超标准问题,笔者基于MIKE11原理,构建乌塔沟洪水演进计算模型,结合现有流域区域水文相关资料,计算在不同频率、不同工况、不同下游水位条件下乌塔沟洪水不同节点的水位和流速,模拟洪水演进过程。通过控制上游节点水位保证度汛安全,为工程决策提供数据支撑。

基于改进SPH模型的溃坝洪水演进模拟方法

溃坝洪水演进模拟的准确性是制约水库洪水预演有效性的关键。基于光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)方法提出了适用于溃坝洪水演进分析的数值模拟方法。通过设置溃口粒子与粒子库,基于黎曼不变量对SPH粒子状态进行修正,构建施加边界条件的改进SPH溃坝洪水演进模型,将SPH瞬时全溃整体模型转换为考虑溃口水流变化的入流边界模型,实现SPH方法与溃口计算模型的耦合。以Malpasset溃坝事件为例,检验了该模型计算溃坝洪水的精度,结果表明该模型精度相对较高,与实测值吻合较好;应用该模型模拟了某水库溃坝洪水演进预演过程,评估其对下游输水干渠及交叉建筑物排水倒虹吸的洪水冲击风险,结果表明在上游水库遭遇超标准洪水漫顶溃坝工况下,洪水演进至排水倒虹吸处的最大洪水位未超过校核洪水位。改进SPH模型精度高,可靠性强,与溃口计算模型耦合性好,可作为溃坝洪水演进模拟的通用手段之一。

华南地区典型水库溃坝洪水演进及影响分析

为研究鹤地水库洪水溃坝对沿岸的影响,利用MIKE FLOOD构建一二维耦合模型对洪水演进进行模拟。文章共设置6种工况,研究不同因素对溃坝后洪水流量、淹没范围等演进过程的影响,并以洪水抵达时间、淹没水深及范围量化坝址下游乡镇的受灾程度。结果显示,溃决形式(溃口宽度)及溃决水位、溃决历时都是影响溃坝洪水的重要因素,且溃坝后下泄洪水对于距离较近且地势较低的河唇镇、吉水镇影响最为显著,应采取相应预防措施。该研究为鹤地水库及下游安全管理提供参考依据。

三峡库区洪水演进模拟及传播规律分析

采用Preissman四点隐式差分格式对圣维南方程进行离散,应用三级联解法求解方程,构建三峡库区一维水动力模型,2020年和2021年的汛期洪水演进过程模拟结果与实测值吻合良好,表明模型可精准计算三峡库区的洪水演进过程。使用模型探究库区洪水的传播规律,结果显示:上游高洪来水对库尾水位抬升明显,坝址水位顶托作用影响至寸滩站附近;在不同的流量条件下,库区洪水从朱沱演进到坝址约23~44 h,传播时间与坝址水位成负相关,与洪峰流量成正相关;利用模型模拟结果分析寸滩站水位流量关系,模拟值与实测值吻合良好,并且寸滩站洪水过程的水位流量关系曲线呈现复杂的“绳套”状,相关研究成果可为库区各站的洪水调度与预报提供技术支撑。

两种河道洪水演进方法在新疆山区的应用比较

以呼图壁河流域石门水文站以上山区河道为研究区域,利用石门站2015—2019年的日流量观测数据和1978—1983年、2008—2019年的年平均流量数据,以GFS降水资料为WRF-Hydro模型的输入,用其内置的扩散波模式、马斯京根-康吉模式两种河道演算方式进行径流模拟,对比分析模拟径流与实测径流的差异,探讨基于WRFHydro模型的洪水演进方法在新疆内陆干旱区的径流模拟效果。结果表明:扩散波模式模拟效果总体优于马斯京根-康吉模式的模拟效果。分析了WRF-Hydro两种河道演算模式模拟洪水的一些特征,其中扩散波模式模拟结果较好,用时较长;马斯京根-康吉模式模拟结果不太理想,但用时短。

基于WebGL的洪水演进三维可视化时空仿真方法

为了防止洪水灾情误判和延报,实时、快速、准确地获取洪水发展趋势和时空变化信息成为提高洪灾预报亟待解决的问题。现有的洪水演进可视化和计算方法仍然停留在二维数据和伪三维模型的处理和展示,难以为洪灾预测和预报提供准确信息。基于此,本文提出一种基于WebGL洪水演进三维可视化的时空仿真方法;首先根据三维场景数据格式的不同分别进行细节层次分级和合并节点处理,然后深入分析洪水演进时空过程和定量化计算方法,最后利用WebGL在浏览器端动态加载三维场景数据、高效渲染洪水时空演变过程以及精确统计洪水淹没数值。研究表明,本方法满足洪水演进仿真的时效性和精度要求,有效解决了Web端三维数据加载卡顿的问题,适用于多种网络终端。

基于ArcGIS的洪水演进三维动态可视化系统设计

由于未考虑洪水演进过程的离散性和不稳定性,导致洪水演进模拟精确度较低。为此,提出一种基于ArcGIS的洪水演进三维动态可视化系统。引入ArcGIS进行洪水演进三维动态可视化研究,以二维浅水方程为基础组件,用于干河床的平面二维洪水演进计算模型,使用有限差分法进行离散分析。以ArcGIS为基础平台,组建基于ArcGIS的洪水演进三维动态可视化系统,实现洪水演进计算模拟和可视化的无缝结合。仿真实验结果表明系统能够有效提升洪水演进模拟精确度,同时有效加强系统的稳定性以及运行效率。

基于洪水演进模拟的溃堤洪灾损失评估

由于堤防内经济快速发展与防洪管理水平不相符等问题,超标准洪水容易诱发溃堤灾害,这些均会造成严重的生命财产、经济和生态环境损失。以鄱阳湖区某重点堤防为例,提出基于水动力学的溃堤洪水演进模拟方法,提出方法采用MIKE 21软件进行溃堤洪水演进分析,根据土地利用类型不同合理确定下垫面糙率值。同时,基于Python平台建立了一种具有明确物理意义的生命、经济和环境损失定量评估模型。研究成果可为洪水保护区洪水灾害预警及风险管控提供参考。

洪水演进数值模拟及可视化研究综述

河流是一个复杂系统,其包含的水文要素,例如水位、流速、流量等,具有高度的时空耦合性和非线性特征,河流作为自然界中重要的水资源,在环境保护和经济发展中具有重要的地位。由于人类活动和自然因素的影响,河流的水文环境变化变得日益复杂,这给水文预报带来了挑战。而水动力模拟作为一种现代化的水文预报手段,成为研究河流水文环境变化的重要工具。系统概述了水动力模型在国内外的应用情况,并总结了洪水数值模拟及可视化的基本理论框架。从学科发展趋势和应用需求的角度出发,概述了数值模拟可视化的难点和今后发展趋势,以期为河流系统的精细化模拟与预报研究提供借鉴和参考。

基于无人机技术与数学模型的蓄滞洪区洪水演进分析

蓄滞洪区是防洪减灾体系中的重要组成部分,研究蓄滞洪区破口后洪水演进过程对灾害避险规划以及保障工程安全具有重要意义。基于无人机倾斜摄影技术快速获取研究区域密集点云数据并构建三维模型,利用高精度DEM数据构建二维水动力数学模型,对洪水影响区各处的洪水到达时间、水位变化过程、淹没深度、淹没面积进行比较分析。

基于MIKE21 FM模型的蓄洪区洪水演进数值模拟

利用MIKE21 FM模型的用户界面友好、可视性好、能灵活处理复杂地形等优点,基于蓄洪区洪水演进特点,构建了基于MIKE21 FM模型的蓄洪区洪水演进数值模型,运用该模型对潖江蓄洪区的洪水演进模拟结果表明,MIKE21 FM模型简便、运算快速、模拟精度高、模拟效果真实,可用于较复杂蓄洪区的洪水数值模拟。

土石坝漫顶溃决及洪水演进研究进展

土石坝漫顶溃决往往在其下游产生巨大的洪水灾难,研究坝体溃决及洪水演进是防灾减灾的需要。对土石坝漫顶溃决过程现象、机理及其模拟的研究进展进行了综述。讨论了物理模型试验的尺度设计,总结了不同尺度、不同类型、不同条件溃坝试验的研究成果;按照参数模型、简化物理模型、精细物理模型,分类总结了漫顶溃坝数学模型研究进展;阐述了溃坝洪水演进方面的试验与模拟研究。在此基础上,对该研究领域今后的研究工作提出了若干展望,包括河道边界对溃坝过程及溃坝洪水传播过程的影响、非均质土石坝溃决机理、溃坝过程中挟沙水流冲蚀规律、溃坝下游河床的冲淤调整及泥沙分选、溃坝对水生态环境的冲击影响等。

蓄滞洪区洪水演进数学模型研究及应用

以二维非恒定流基本控制方程为理论基础,采用有限体积法,建立洪水演进数学模型.根据蓄滞洪区内不同地形条件及洪水调度方案,以相应的水动力学方法,对模型区域的通量、蓄水量和洪水实时淹没水位进行计算,并考虑了公路建设中路基体积、涵洞尺度、取土方量对蓄滞洪区洪水演进的影响.采用恩县洼蓄滞洪区的历史洪水淹没资料进行模型验证,模拟了自然滞洪和分区滞洪两种情况下的洪水淹没过程,模拟结果与历史统计淹没范围基本吻合,预报了公路建设后蓄滞洪区洪水位的变化及风浪对洪水最大淹没范围的影响,为蓄滞洪区中的工程建设和防洪影响评价提供了研究思路和方法.