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。

溃口近区二维数值模拟与溃坝洪水演进耦合

基于黏土心墙砂石坝的溃决过程,以及溃坝洪水传播和运动的特性,建立黑河金盆水库大坝溃口近区二维数值模型和下游地区溃坝洪水演进耦合数学模型。使用DAMBRK法计算逐渐溃坝,并应用其结果进行后续模拟。采用Abbott-Ionescu六点隐式有限差分格式求解一维模型,采用单元中心的有限体积法求解二维模型方程。采用侧向连接方式,将黑河两岸计算水位点与二维网格单元相连,实现一、二维模型的耦合。采用所建立的二维模型对溃口近区进行计算与模拟,得到计算区域某一时刻的水深及流速分布。应用所建耦合模型对黑河金盆水库万年一遇入库洪水漫顶致溃坝洪水进行数值模拟,得到一维河道内各断面的水位和流量变化过程,以及二维计算区域内不同时刻的水深分布图、流速矢量图和淹没范围变化过程。溃口的形成过程不仅包括漫顶水流的直接作用,同时包括溃口形成过程中两侧漩涡状水流的反冲刷作用。耦合模型可以同时兼顾河道内的水流变化以及河道外计算区域内的洪水演进过程,从而减少由于计算结果偏大或偏小所带来的防洪资源浪费和防洪措施不利等不良影响。

城区水库溃坝洪水演进三维动态情景仿真研究

水库大坝一旦溃决会对下游建筑物密集城区的人民生命财产造成巨大损失,而溃坝洪水演进动态情景仿真为洪水灾害应急管理和下游受威胁城区的人员与财产的安全转移提供重要依据。目前对洪水演进可视化的研究注重于对不同时刻计算结果的静态展示,并且对研究区域洪水演进范围、水深、流速等关键水情信息计算时多采用一、二维洪水演进模型,缺乏洪水演进的三维动态情景仿真。针对此问题,文采用CSG法构建了大坝周边的三维场景,基于GUI技术、粒子系统动力学解算等技术实现了溃坝洪水数值模拟和三维场景的耦合,经过纹理变换贴图等后期处理,实现了城区水库溃坝洪水演进三维动态情景仿真。结合某城区溃坝洪水演进过程进行了数值模拟和情景仿真研究,形象、直观地模拟了洪水演进特性,为制定防洪减灾措施提供了直观分析依据和重要理论依据。

基于EFDC模型的清河水库溃坝洪水演进模拟

大坝安全事关水库的防洪、发电、灌溉等效益,更关系着人民群众的生命财产安全。分析水库溃决洪水影响,可为水库防洪风险管理、灾害评估、抢险预案等提供重要的技术支持。以清河水库为例,采用DAMBRK模型分析不同情景溃坝洪水过程,应用高分辨率DEM数字高程模型提取研究区域的格网地形数据,基于EFDC水动力模块建立清河下游洪水演进水动力模型,模拟了淹没水深、淹没范围和淹没历时等洪水风险要素,为清河水库下游地区的防洪减灾决策提供技术支撑。

溃坝洪水演进计算中建筑群糙率的模拟

如何准确又简便地模拟城市建筑群是溃坝洪水演进计算所关注的问题之一。提出用"等效糙率"模拟建筑群的方法及"等效糙率"取值的水槽试验手段,并成功应用在某城市水库溃坝洪水演进研究中。

降雨入渗导致坝坡失稳时溃坝洪水演进分析

以Geo Studio软件分析某水库在降雨入渗情况下的稳定,从技术角度剖析水库坝坡失稳的原因,结合Breach和River2D软件模拟水库溃坝洪水演进。在一定程度上,稳定分析和洪水演进分析为水库管理单位制定大坝安全管理应急预案提供了依据。

GPU-CA模型下的溃坝洪水演进实时模拟与分析

基于元胞自动机(CA)的局部并行计算特性和统一计算设备架构(CUDA)并行计算架构,提出了GPU-CA的溃坝洪水演进计算模型,重点探讨了溃坝洪水演进元胞自动机模型、GPU模型映射、计算优化、CPU/GPU协同的溃坝洪水演进模拟与分析等关键问题,研发了原型系统,并选择了案例进行初步试验。试验结果表明,在保证溃坝洪水演进模拟结果有效性的情况下,与基于CPU-CA串行计算模式相比,基于GPUCA的溃坝洪水演进模型计算可提高计算效率,加速比随着元胞格网分辨率的提升而增加,当元胞格网的大小为10m时,模型计算效率的加速比可以达到15.9倍,可支持实时溃坝洪水演进模拟分析与风险评估。

大新水库不同溃坝高度的洪水演进过程模拟研究

受坝体老化和极端天气影响,大新水库存在溃坝风险。基于MIKE11软件建立大新水库溃坝洪水演进过程的一维数值模型,模拟计算了溃坝高度分别为10 m、20 m和30 m时大新水库溃坝洪水的演进过程,通过设置6个典型断面进行模拟计算与分析,并结合GIS技术实现了溃坝洪水淹没区域的二维可视化,对溃坝洪水造成的生命损失和经济损失进行了定量评估。结果表明:溃坝高度越大,洪水流量、峰值水位和淹没面积越大,洪水在同一断面上的滞留时间越短,最大水深的变化规律由于受地形的影响与洪水流量和峰值水位的变化规律有所不同。根据模拟结果和洪水淹没范围图,提出了溃坝时沿岸居民的撤离方案,可为大新水库溃坝洪水灾害的预防和应急预案的制定提供理论依据和数据支持。

基于栅格数据的溃坝洪水演进快速模拟

针对紧急条件下的溃坝洪水演进模拟实时要求高、灾情资料相对匮乏的问题,文章提出了一种基于栅格数据的水动力学溃坝洪水演进模拟算法。算法以栅格地形为基础,采用水动力学原理和GIS地形分析技术相结合的方法进行多次迭代计算。利用曼宁公式计算栅格单元间的流量,通过分析不同栅格单元洪水的流速特征,自适应计算迭代步长和计算次数,通过确定栅格间的洪水演进顺序,实现溃坝后洪水演进速度、淹没范围和水深的动态预估。选用安徽省王家坝蓄洪过程进行实验和对比验证。结果表明,该方法具有输入数据少、算法简单、计算速度快等特点,其模拟过程与历史灾情基本吻合,能够适应应急环境下的洪水演进模拟需要。

库区泥沙对溃坝洪水影响分析

针对淤积型水库溃坝洪水计算中是否考虑泥沙因素影响、产生怎样影响的问题,利用M IKE21中的水动力模块(HD)与输沙模块(ST)耦合,模拟淤积水库清水、浑水溃坝洪水演进过程,并通过溃坝峰顶流量值、溃坝最大水位值及溃坝洪水淹没历时的变化,分析泥沙因素对水库溃坝洪水影响。结果表明:库区泥沙可使下游各断面溃坝峰顶流量值变小,淹没历时变长;泥沙的中值粒径对峰顶流量、水位、淹没历时有影响。

某水库库区淤沙对溃坝洪水影响分析

为分析某淤积型水库淤沙对溃坝洪水计算的影响,将MIKE21中的水动力模块与输沙模块耦合构建了二维溃坝水沙模型,分别模拟了不考虑淤沙与考虑淤沙运动水库的溃坝洪水演进过程。模拟结果表明,与不考虑淤沙运动水库溃坝相比,考虑淤沙的水库溃坝洪水下游各断面洪峰流量减小,洪水过后水位升高,水深变化不明显。

基于溃坝洪水模型的山区堰塞湖避难场所选址

针对山区堰塞湖地理条件复杂多变,溃坝时间、范围不确定且可用于避难的场所不足的问题,本文基于溃坝洪水演进模拟结果提出一种适用于山区堰塞湖的避难场所选址方法。该方法结合堰塞湖区域地理条件,利用层次分析法对避难场所选址因子灵活分配权重值,根据经验理论确定评分标准;权重值和评分标准确定后,基于溃坝洪水演进模拟程序获取的淹没数据以及区域数据构建堰塞湖区域避难场所选址模型并计算得出选址结果;最后结合溃坝洪水演进模拟结果动态分析避难场所的最大利用时长。选择肖家桥堰塞湖为案例区域开展试验分析,试验表明本文的选址方法能灵活解决山区堰塞湖环境差异性大的问题并最大化地利用临时避难场所,为堰塞湖区域制定应急处置预案提供科学依据。

梯级水库连续溃坝计算

为了合理地规划水库群的防洪设计标准,应给出水库溃坝流量过程甚至梯级水库连续溃坝的流量过程。该文选取2个梯级水库(上游水库的库容远大于下游水库库容),计算上游水库溃坝洪水,并研究上游水库溃决引起下游水库连续溃坝的可能性,采用简化水力计算法、经验公式等方法计算下游水库溃坝可能发生的时间以及连续溃坝流量过程,为类似梯级水库工程的设计和现有梯级水库的调度管理提供参考。

三维溃坝洪水在复杂淹没区域演进的数值模拟

溃坝数值模拟为溃坝洪水的灾害性分析提供科学依据。针对溃坝洪水在复杂淹没区域中的演进过程,建立了耦合VOF法的三维k-ε紊流数学模型,采用等效糙率法处理了复杂下垫面,兼顾考虑了建筑物群的滞水及阻水作用。运用无结构贴体网格划分技术,建立了六面体单元网格模型。离散格式为二阶LUD空间离散格式和二阶Crank-Nicholson时间离散格式,并采用PISO算法进行了数值求解。通过Testa等人的物理模型的实验结果验证了该模型的准确性。结合东武仕水库溃坝在下游复杂淹没区域中的洪水演进过程进行了数值模拟和分析,并绘制了溃坝洪水风险图。

无测量资料地区溃坝洪水分析及淹没图绘制

文章以内蒙古自治区东北部某条河流上的土石坝工程为例,分析了水库从溃决至下游淹没图绘制的全过程,特别在洪水演进分析时利用了已发布的全球DEM数据结合Google earth来弥补测量资料的不足,并以Google earth为底图绘制出了直观的洪水淹没图。