一维-二维耦合的防洪保护区洪水演进数学模型

针对防洪保护区溃堤及漫堤洪水演进数值模拟面临复杂计算域、河道-防洪保护区洪水耦合作用等问题,建立了基于侧向联解的一维-二维耦合水动力学模型.通过构造并求解Riemann问题实现一维-二维模型耦合,有效克服了基于堰流公式的传统方法难以处理模型间动量交换的缺点,也避免了堰流公式中流量系数选取的不确定性;提出了时间步长自适应匹配方法,解决了一维模型和二维模型时间步长不一致问题.算例研究表明,该模型可有效模拟河道-防洪保护区耦合系统中漫堤洪水和具有任意溃口形状的溃堤洪水演进过程,具有较好的推广应用价值.     

基于水动力学模型的沿海城市洪水实时演进模拟

为了准确分析洪涝灾害对防洪体系现状的影响，做出相应的防洪减灾措施，以浙江省台州市灵江下游流域为研究区域，构建了基于Saint-Venant方程的水动力学耦合模型，对河道溃决洪水过程进行实时仿真模拟。综合考虑研究区域地形、气象、水文资料、水利工程、下垫面条件等因素，在一维河网模型和二维水动力学模型耦合衔接中，最大程度还原真实地形中河槽内外的水流交互淹没，借助研究区域内典型台风暴雨资料，率定验证本文建立的一维-二维耦合水动力学模型，检验后的模型可实现灵江下游沿岸城市不同量级设计洪水及历史洪水的实时淹没过程模拟。模型计算结果表明，该模型模拟复杂地形条件情况下流域洪水实时演进过程达到了较高精度，在水系沿程典型断面水位计算值与实测值误差不超过0.1 m。     

动态实时洪水风险分析及管理系统

当前洪水风险分析按照典型设计标准洪水进行计算的模式难以满足实际防洪管理需要,为了提高洪水风险分析的实时性以及适应洪水演进的动态性,设计了动态实时洪水风险分析框架。在本框架中,先采用一维和二维动态耦合水动力学数值方法耦合溃堤模型,然后在樵桑联围防洪保护区建立洪水演进模拟模型,通过灵活处理模型计算边界条件以及动态设置溃堤功能,计算不同设计标准洪水发生时,堤防出现单一溃口或者组合溃口后保护区内洪水演进过程。按照上述框架开发了樵桑联围动态实时洪水风险图编制与管理应用系统,并利用历史洪水资料开展模型验证,验证结果表明,2008-06洪水马口站、三水站、大熬站、甘竹（一）站的实测最高水位和模型计算最高水位的绝对误差分别为-0.10、0.10、0.09、0.04 m,均满足洪水模拟精度要求。利用模型计算了西江发生200年一遇的洪水情况下,江根堤防出现溃口后的洪水流量及溃口内外洪水水位变化过程,模拟溃口宽度168 m,最大溃口洪水流量达到5 190 m³,分析了堤防溃决后3、6和24 h洪水漫延导致村落淹没情况,结果表明其满足合理性分析。     

主槽一维和滩地二维侧向耦合洪水演进模型

为实现对复式河道大尺度漫滩洪水的快速模拟,结合洪水在滩槽行洪特点和河道一维、二维水动力学模型研究成果,在主槽与滩地分别划分为矩形和三角形网格,以左右滩唇为分界实现两网格系统嵌套;建立主槽一维水动力学数学模型,内插大断面间网格处的水力因子,在滩地采用简化的二维水动力学模型模拟滩槽间、滩地网格间水量交换,实现主槽一维与滩地二维模型侧向耦合。利用黄河下游“96·8”大洪水实测资料,对花园口至夹河滩河段洪水演进过程验证,结果表明该方法模拟精度较高,能够利用该模型模拟复式河道大漫滩洪水过程。     

复杂边界及实际地形上溃坝洪水流动过程模拟

建立了基于无结构三角网格下采用有限体积法求解的二维水动力学模型,用于模拟溃坝洪水在复杂边界及实际地形上的流动过程。该模型采用Roe格式的近似Riemann解计算界面水流通量,结合空间方向的TVD-MUSCL格式及时间方向的预测-校正格式,可使模型在时空方向具有二阶计算精度。模型中引入最小水深概念,提出了有效的干湿界面处理方法。模拟了理想条件下溃坝水流过程,研究不同最小水深取值对干河床上洪水演进的影响,并用两组简单溃坝水流的水槽试验资料对模型进行验证。采用该模型模拟了实际溃坝洪水的流动过程,所得计算结果与实测资料及已有模型计算结果较为符合。     

复杂边界条件多洪源防洪保护区洪水风险分析

为了定量获取防洪保护区在多洪源和复杂边界条件下的溃堤洪水风险信息,以非恒定流控制方程为理论基础,建立了多洪源一维河网水动力学模型和防洪保护区二维洪水演进模型,利用溃坝模型实现河道与保护区的耦联,并采用局部网格加密和相似建筑物模拟等方法处理保护区内道路等复杂边界的导阻水作用。利用所建模型模拟了长江、汉江和东荆河3种不同洪水来源, 在4种不同位置溃堤情况下汉南至白庙长江干堤防洪保护区的洪水淹没情景,采用基于淹没水深的损失率关系法对比分析了4种计算方案的淹没面积、经济损失和受灾人口。结果表明:模型构建合理、稳定性和适应性好,复杂边界对洪水演进过程影响明显,不同洪源溃堤情形的风险信息差异较大;在计算条件下,以长江发生1954年型300年一遇洪水向新溃口情形下的淹没损失最严重,其淹没面积达3 790 km2,受灾人口为196.8万人,经济损失约802亿元。研究成果可为洪水风险管理与避洪转移决策提供有力的技术支撑。     

可变网格下的堤防溃口展宽二维数学模型

传统固定结构的计算网格不适于处理计算边界动态变化的问题,利用动网格技术,结合土力学中粘性土河岸的崩塌机理,建立了可变网格下的堤防溃口展宽二维数学模型,在对模型进行验证对比的基础上,对北江下游的大塘围蓄滞洪区口门处的崩塌展宽过程进行了模拟,模型计算结果表明:随着溃堤水流对堤防土体的冲蚀,堤防发生崩塌破坏,溃口洪水流量迅速增大,与实际相符,说明通过采用可变网格与土力学中粘性土河岸崩塌机理相结合的计算方法,使得模型具备准确模拟蓄滞洪区口门处横向崩塌展宽过程的优点。     

中国蓄滞洪区洪水管理与可持续发展途径

蓄滞洪区的行蓄洪启用频率和蓄水方式决定着洪水管理与可持续发展途径,影响流域经济社会的可持续发展.根据各大流域蓄滞洪区的设计启用频率,设置了未来35年内蓄滞洪区发展的3种情景:维持现状、部分水库化和部分湿地化,构建了涵盖防洪、社会经济和生态发展等因子的途径选择指标体系,运用数据包络分析法(DEA),识别了不同设计启用频率的蓄滞洪区洪水管理与可持续发展的最优途径.结果表明:① 不同设计启用频率的蓄滞洪区在建成35年内,部分湿地化情景是中国70%蓄滞洪区的最优发展途径.② 设计启用频率50年一遇是蓄滞洪区发展途径选择的边界值;当等于或低于50年一遇时,部分湿地化是其最优途径;当高于50年一遇时,维持其现状是最优途径.     

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。     

立节北山滑坡地震稳定性及破坏过程三维有限元分析

针对甘肃省舟曲县立节镇北山滑坡在地震情况下的稳定性及失稳后可能威胁的范围问题，笔者使用显式有限元及动力学大变形方法分析了该滑坡在地震情况下的稳定性及失稳后的破坏过程。首先基于滑坡纵剖面建立二维平面应变模型分析滑坡稳定性及破坏过程，之后使用航测点云数据建立三维滑坡模型进行计算分析。地震条件下三维计算确定的滑坡安全系数结果低于1.0，较二维计算结果低7.7%；三维情况计算出的滑动距离达1.73 km，高于二维情况17%，说明滑坡灾害问题使用二维小变形方法得出结果偏于危险。笔者采用显式有限元、三维及大变形计算方法分析更符合实际，可为滑坡灾害的工程防治提供科学理论依据。     

中国防洪若干重大问题的思考

为配合中国水利部组织编制全国主要江河防洪规划工作,对与编制防洪规划有关的若干重大问题进行了研究。提出用20世纪发生过的大洪水淹没范围作为界定防洪区的基础;风险管理最重要的是规避风险和应对风险,而规避风险的核心是约束人类不合理的经济社会活动,降低洪水灾害造成的风险;当防洪区受到两种洪水风险威胁时,应当采用二维概率分布核查防洪区的标准;合理提高城市防洪标准,是城市防洪的首要任务;要协调城市防洪与城市建设的关系,充分发挥城市拦蓄雨洪的作用(如保留必要的水面率、雨水利用等),蓄排兼顾,而不宜过分强调城市排水;建议根据淹没水深、淹没历时和洪水频率组成的洪水风险度因子划分蓄滞洪区风险区,并结合蓄滞洪区自然地理条件比选安全建设模式。     

An Assessment of Structural Measures for Flood-prone Lowlands with High Population Density along the Keelung River in Taiwan

Midstream of the Keelung River Basin in Northern Taiwan has become highly urbanized and densely populated area. Flood inundation along riversides frequently occurred during typhoons or rainstorms. Three protection measures, including constructions of high-level protection levees, a diversion channel, and a detention reservoir, were proposed for flood mitigation. The main purpose of this study is to evaluate the flood mitigation performance of the three proposed structural measures by using combined hydrologic analyses and hydraulic routings. A semi-distributed parallel-type linear reservoirs rainfall-runoff model was used for estimating the surface runoff. Furthermore, a 1-D dynamic channel routing model was coupled with a two-dimensional inundation model to simulate the hydraulic characteristics of river flooding and overland flow. Simulation results of flood stages, runoff peak discharges, and inundation extent under design rainfall scenarios were chosen as the criteria for evaluation. The results showed a diversion channel is superior to the other two measures for flood mitigation of the study area. After the process of environmental impact assessment, a revised diversion channel approach has been approved for construction as the major structural measure.     

太湖流域应对特大洪水防洪工程效益模拟

防洪效益评估对防洪工程投资决策与减灾对策制定具有重要意义。建立集成了与太湖流域防洪效益评估相关的系列模型和方法,包括含降雨产流与平原净雨计算的水文分析方法、由河网水动力学模型和平原区域洪水分析模型组成的大尺度水力学模型、综合流域社会经济和淹没因素的洪灾损失评估模型。模拟了太湖流域遇特大洪水的灾害损失,开展了不同防洪工程应对流域性特大洪水减灾效益的预测分析。结果表明：1999年型200年一遇降雨将会给太湖流域造成高达568.29亿元的直接经济损失,外排动力增强30%至100%的防洪效益介于26.69亿元到45.70亿元之间,新建圩区、太浦河拓宽的防洪效益依次减小,而圩区泵排能力增加30%的防洪效益仅为0.65亿元。基于研究成果提出了增设外排泵站、加强圩区科学调度、通过保险分担风险等应对特大洪水的对策措施建议,为太湖流域特大洪水的防治提供支撑和参考。     

设计暴雨雨型对城市内涝影响数值模拟

为分析设计暴雨雨型对城市内涝的影响,应用耦合了水文和水动力过程的数值模型,以陕西省西咸新区为研究区域,对不同重现期及峰值比例设计暴雨条件下的内涝过程进行模拟,并对内涝积水总量、不同积水深度内涝面积等量值进行对比分析。结果表明:设计暴雨重现期短于20年时,峰值比例较小的设计暴雨内涝积水总量较大,而重现期长于20年时,规律相反;除2年一遇设计暴雨外,峰值比例较大的设计暴雨致涝总面积较大,但其中影响严重的Ⅳ级致涝面积较小;设计暴雨峰值比例越小,重现期越长,积水总量峰值时刻相对于暴雨峰值时刻的迟滞时间越长。揭示了暴雨雨型与内涝积水程度的量化规律,对更合理地开展城市雨洪管理工作具有指导意义。     

Assessment of flood inundation mapping of Surat city by coupled 1D/2D hydrodynamic modeling: a case application of the new HEC-RAS 5

Surat city of India, situated 100 km downstream of Ukai Dam and 19.4 km upstream from the mouth of River Tapi, has experienced the largest flood in 2006. The peak discharge of about 25,770 m³ s^?1 released from the Ukai Dam was responsible for a disaster. To assess the flood and find inundation in low-lying areas, simulation work is carried out under the 1D/2D couple hydrodynamic modeling. Two hundred ninety-nine cross sections, two hydraulic structures and five major bridges across the river are considered for 1D modeling, whereas a topographic map at 0.5 m contour interval was used to produce a 5 m grid, and SRTM (30 and 90 m) grid has been considered for Surat and the Lower Tapi Basin. The tidal level at the river mouth and the release from the Ukai Dam during 2006 flood are considered as the downstream and upstream boundaries, respectively. The model is simulated under the unsteady flow condition and validated for the year 2006. The simulated result shows that 9th August was the worst day in terms of flooding for Surat city and a maximum 75–77% area was under inundation. Out of seven zones, the west zone had the deepest flood and inundated under 4–5 m. Furthermore, inundation is simulated under the bank protection work (i.e., levees, retaining wall) constructed after the 2006 flood. The simulated results show that the major zones are safe against the inundation under 14,430 m³ s^?1 water releases from Ukai Dam except for the west zone. The study shows the 2D capability of new HEC-RAS 5 for flood inundation mapping and management studies.     

A coupled high-resolution hydrodynamic and cellular automata-based evacuation route planning model for pedestrians in flooding scenarios

Flooding is now becoming one of the most frequent and widely distributed natural hazards, with significant losses to human lives and property around the world. Evacuation of pedestrians during flooding events is a crucial factor in flood risk management, in addition to saving people’s lives and increasing time for rescue. The key objective of this work is to propose a shortest evacuation path planning algorithm by considering the evacuable areas and human instability during floods. A shortest route optimization algorithm based on cellular automata is established while using diagonal distance calculation methods in heuristic search algorithms. The Morpeth flood event that occurred in 2008 in the UK is used as a case study, and a highly accurate and efficient 2D hydrodynamic model is adopted to discuss the flood characteristics in flood plains. Two flood hazard assessment approaches [i.e., empirical and mechanics-based and experimental calibrated (M&E)] are chosen to study human instability. A comprehensive analysis shows that extreme events are better identified with mechanics-based and experimental calibration methods than with an empirical method. The result of M&E is used as the initial condition for the Morpeth evacuation scenario. Evacuation path planning in Morpeth shows that this algorithm can realize shortest route planning with multiple starting points and ending points at the microscale. These findings are of significance for flood risk management and emergency evacuation research.

     

三峡水库动态汛限水位洪水调度风险指标及综合评价模型研究

汛限水位是综合利用水库运行和调度的重要参数之一,也是协调防洪和兴利矛盾的焦点所在。现行的汛限水位过多地考虑了小概率洪水事件,不能充分挖掘水库汛期的兴利效益,因此,采用动态汛限水位进行调度,对综合利用水库的运行具有重要的理论意义和实用价值。根据三峡水库围堰发电期的调度规程,建立预报预泄调度模型,采用宜昌站1882-2001年汛期实测日流量资料,实现了考虑预报信息的动态汛限水位洪水调度模拟;提出了多目标风险指标体系;计算了9种动态汛限水位方案下的风险指标值,通过综合评价模型对各方案进行比较和优选,得到了相对合理的动态汛限水位方案。     

珠江三角洲近年地形不均匀变化对洪季水动力特征的影响

为探明在新水沙条件和人类活动的影响下珠江三角洲河网地形变化与洪季水动力特征变化之间的关系,以1999-2008年为研究时段,基于1999年地形建立一维河网数学模型,复演珠江三角洲地区"08·6"洪水,并与"08·6"实测资料进行对比,分析河网地形变化对洪季水动力特征的影响。结果表明:①珠江三角洲河网地形整体下切加强了河道行洪能力,在遭遇洪峰30年一遇的"08·6"洪水时洪水位整体下降,三角洲顶部马口站洪水位最大降幅达到0.9 m;②河网内潮差和潮汐传播速度增大,潮区界上移至马口、三水以上;③西江河网地形下切幅度大于北江河网,地形不均匀下切导致河网节点分流比改变,西江河网洪水期分流增加2%,马口站和天河站洪峰流量增幅分别接近1 500 m^3/s和1 000 m^3/s;④西江马口站分流比随上游洪水流量增大而减小的趋势没有改变,但地形不均匀下切导致其变化梯度增大。珠江三角洲近年地形的不均匀下切,是近年珠江三角洲河网地区,特别是河网腹地洪水灾害有所减轻的主要原因之一。