黄河三门峡水库水沙电耦合模型研究及应用

为实现多沙河流水库短期兴利效益和长期减淤效益的平衡,采用数学模型研究水库减淤与发电综合效益具有重要意义。充分考虑水沙输移和河床变形的耦合作用,通过结合一维水沙计算模块、水库调度模块以及发电计算模块,建立了考虑水库调度的水沙电耦合计算模型。将该模型应用到三门峡水库,采用2019水文年和2020水文年实测水沙资料分别对模型进行率定及验证。并应用该模型研究了不同水沙条件和调度方式对水库冲淤和发电的影响。计算结果表明:各测站流量、水位以及含沙量的计算过程与实测过程符合较好,发电量计算值误差均在15%以内,该模型能较为准确地模拟库区冲淤及电站发电过程;较丰水枯沙过程,其余3种典型水沙条件下冲淤量和发电量变幅分别达129%~360%及18%~52%,受入库水沙条件影响大;降低非汛期起调水位有利于控制非汛期库区淤积,提高汛期敞泄的临界入库流量有利于提高减淤及发电综合效益。

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。

基于遥感数据源的大凌河分布式水沙耦合模型的构建与运用

以大凌河大城子水文站以上流域为例,将改进的垂向混合产流模型和改进的通用土壤侵蚀方程进行耦合,基于流域数字高程、土地利用及土壤类型分布等遥感数据,构建了基于水文模型的大凌河流域分布式水沙耦合模型,运用大城子水文站2001~2010年水文资料对模型参数进行率定和校验,并基于土壤侵蚀空间模拟结果,设定三种土地利用模式情景定量分析土地利用变化对流域土壤侵蚀的影响。结果表明,基于遥感数据源的分布式水沙耦合模型适合于大凌河流域的水土流失模拟,在率定期和验证期模拟的年含沙量相对误差均在20%以内,确定性系数都在0.5以上,可满足泥沙模拟的精度要求;三种土地利用模式情景中旱地面积增加10.0%,土壤侵蚀模数增加12.9%,林地和草地面积增加10.0%,流域土壤侵蚀模数分别减少14.63%和6.78%,为流域水沙耦合模拟和水土流失预测和防治提供了参考。

基于水沙耦合模型河道采砂影响数值模拟研究

文章结合二维水沙耦合模型,对辽河铁岭段采砂影响进行数值模拟,考虑河道安全对开采砂量进行优化。结果表明:采砂后,河道沙坑局部易产生横向水流,对侧向河床冲刷深度作用明显,影响河道安全。沙坑面积影响度最大,其次是冲刷深度,进口流量影响程度最小。为保障河道安全,辽河铁岭段年开采最优量应控制在400万t以下。

皇甫川流域下垫面变化对水沙过程的影响

为了深入认识不同下垫面变化对流域产水产沙的影响,以黄土高原地区的典型流域皇甫川流域为例,在分析了1990—2016年水沙变化特征的基础上,构建适用于皇甫川流域的分布式水沙耦合模型,分析皇甫川流域下垫面变化特征,探讨下垫面变化对流域产水产沙的影响。结果表明,流域降水量变化趋势不明显,径流量和输沙量在2000年后呈明显减少趋势,植被覆盖度总体呈增加趋势。构建的分布式水沙耦合模型能够较好地模拟流域内产水产沙过程,4种土地利用类型整体上林地、草地和耕地都比裸土的蓄水减沙能力强,林地的蓄水减沙能力最优,其次是草地,耕地相对较差。

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。

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。

水沙耦合模型在辽宁小流域水土流失模拟的适用性分析

通过构建水沙耦合模型,对小流域水土流失量进行预测,并结合实测水土流失数据对模型进行验证。验证结果表明:相比于单一产沙模型,水沙耦合模型可综合考虑降雨侵蚀量和坡面产沙量,水土流失精度较传统单一产沙模型明显改善。研究成果可为小流域治理设计提供参考。

基于局部分级时间步长方法的水沙耦合数学模拟

基于局部时间步长(LTS)技术(即在每个计算网格采用局部允许的最大时间步长),建立新的水沙数学模型,提高计算效率.用非结构三角形网格离散计算区域,采用充分反映水-沙-床相互作用的平面二维完整控制方程组,利用有限体积法求解控制方程,用HLLC近似黎曼算子估算界面数值通量.对动床溃坝算例的计算表明,当选取合适的局部时间步长级数时,计算效率明显提高(节省计算时间幅度达到68%),精度满足要求.长江中游太平口水道的工程应用表明,该模型能够在保证精度的前提下,节省高达92%的计算时间.

围垦工程地理位置对杭州湾水沙环境的影响

针对围垦工程地理位置对河口水沙环境特征的影响问题,本文基于杭州湾三维水沙耦合数值模型,分析杭州湾邻近海域不同地理位置的围垦工程,对局地和全湾的潮差、流速、悬沙浓度等水沙环境特征的影响。结果显示:杭州湾湾顶(澉浦)以上区域的围垦对杭州湾水动力、悬沙浓度的影响最大,且影响程度自湾顶至湾口逐渐降低;M 2、M 4分潮振幅在湾顶的局地变幅分别高达15%、-37%,M 2、M 4分潮最大流速在湾顶的局地变幅分别高达-39%、44%,对应的悬沙浓度减幅高达40%。其他区域围垦工程实施后,全湾的潮差、流速及悬沙浓度变化较为均匀,且变幅较小。不同区域的围垦对杭州湾悬沙净通量的影响均较为明显,其中湾顶以上区域的围垦工程影响最为显著。各区域围垦工程对杭州湾水沙环境特征参数的影响具有叠加效应。

钱塘江河口段含沙量变化特征模拟分析

钱塘江为强涌潮、高含沙、强冲淤的冲积性河口,认识潮流作用下含沙量变异特征对河口防灾减灾、资源利用保护和治理具有重要意义。结合水沙实测资料分析和二维数值模拟的方法,研究了钱塘江河口段含沙量时变特性和空间分布规律,探讨了其纵向分布对潮流动力、尖山河段河势的响应。结果表明,在潮周期内含沙量呈强烈的时变特征,半月潮周期内含沙量与潮差呈明显的正相关;含沙量纵向分布表现为“仓前至曹娥江口含沙量高、两头低”的最大浑浊带分布特征,横向分布的随潮变化与断面形态密切相关。研究结果对丰富河口输沙规律和治理与管理具有参考价值。

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。

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。

辽河铁岭段河道采砂影响模拟及开采量优化

为降低采砂对河道行洪安全的影响,优化河道开采量,以辽河铁岭段为具体实例,通过建立水沙耦合模型对采砂影响进行模拟,建立优化函数对河道采砂量进行优化计算。结果表明:建立的水沙耦合模型可实现河道采砂影响的评估,通过优化采砂量可一定程度降低采砂对河道行洪安全的影响。

可冲刷坡面滚波影响因素的数值模拟研究

运用能够模拟可冲刷坡面滚波的一维水沙耦合数学模型,对床面形态起伏、冲淤厚度及含沙量沿程变化等因素对滚波形态的影响进行研究,并比较水沙耦合与非耦合模型数值模拟结果的差异.结果表明床面形态起伏越大,滚波的波幅及周期变化越剧烈,滚波周期与床面形态起伏的对应关系越明显;冲淤厚度对滚波运动特性的直接影响不明显,但河床发生冲淤变化后,床面的起伏形态发生相应变化,进而对滚波的运动特性产生较大影响.水沙耦合与非耦合数学模型相比,滚波形态模拟结果差异较大,因此对坡面起伏明显、水沙输移强度较大的山区坡面流数值模拟应采用能够更好的模拟水沙输移规律的水沙耦合模型.

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。

不同土地利用模式情景下贵州印江河流域生态水文响应研究

为定量分析不同土地利用模式情景对贵州印江河流域生态水文的影响,将降雨径流模型(SCS模型)和通用土壤侵蚀方程进行耦合,构建基于栅格的分布式水沙耦合模型,通过设定3种不同土地利用模式情景,定量分析不同土地利用模式情景下的生态水文响应。研究结果表明:构建的水沙耦合模型在研究流域具有较好的模拟精度,径流模拟相对误差均在10%以内,确定性系数0.7以上,泥沙负荷模拟相对误差均在20%以内,确定性系数0.5以上,模型满足水量和泥沙负荷模拟的精度要求;3种土地利用模式情景中,旱地面积增加10%,流域径流深增加11.5%,土壤侵蚀模数增加12.9%;林地和草地面积增加10%,流域径流深分别减少7.5%和6.3%,流域土壤侵蚀模数分别减少14.63%和6.78%,模型研究成果可以为贵州印江河流域生态保护提供参考价值。

大凌河流域水土流失模拟研究

以大凌河流域为例,将改进的通用土壤侵蚀方程与垂向混合产流模型相结合构建水沙耦合模型,并以土地利用、土壤类型、数字高程等流域地理信息数据为基础,运用朝阳水文站2006—2015年水文资料率定和验证了模型参数;为进一步探究流域土壤侵蚀受土地利用变化的影响,利用土壤侵蚀空间模拟结果设定3种土地利用情景模式。研究表明:对于流域水土流失的模拟该模型表现出较好适用性,验证期和率定期内模拟的确定性系数均超过0.50,年含沙量相对误差都低于20%,能够达到泥沙模拟的预期精度;3种土地利用情景模式中草地、林地和旱地面积均增大12.0%,土壤侵蚀模数依次减少6.82%、15.37%、13.40%,为保护流域生态环境、土壤侵蚀现状调查以及合理规划区域经济发展提供科学指导。

特征流量级对窜沟形成和发展影响的数值研究

分汊河道心滩常常出现窜沟,使滩体活动性变强,影响河势稳定。窜沟的形成与发展主要是对不断变化的径流流量的综合响应,为了探究窜沟对于不同流量级径流响应的敏感程度,基于平面二维水沙耦合数值模型,研究不同流量级条件下初始为完整高大心滩的冲淤过程,数值再现了窜沟的形成和发展。研究表明,窜沟的形成与发展和特征流量紧密相关:(1)流量较小、水流不能漫滩时,水流走心滩左右两汊的主槽,窜沟无法生成;(2)中等流量、水流能漫滩,但滩面水深较小时,左右两槽水流交换在低洼的滩面发生,冲刷生成窜沟;(3)在大流量下,心滩基本没于水下,左右两槽水流交换减弱,没有窜沟生成。研究结果还显示,在不同的特征流量下,窜沟发生的位置会有摆动,且窜沟生成和发育的特征流量的量级在一定程度上取决于滩体的平面形态。在分汊河道心滩滩体稳定性研究方面,方法及结论具有参考价值。