河网非恒定水沙数学模型研究

建立了能够适用于多种情况的河网非恒定流水沙数学模型。推导提出了河网泥沙方程组的分级解法,提出了适用于河网计算的汊点分沙模式,分析和对比了多种分沙模式的适用性,对河网区域中可蓄水汊点也提出了相应的处理办法。采用汉江杜家台分蓄洪区的资料作了模型的验证和应用。     

河网海湾水动力联网数学模型

在一维显式、二维隐式水动力联网数学模型的基础上,建立了一种一维、二维全隐河网海湾水动力联网数学模型。该一维河网模型采用Preissmann四点隐式格式,用节点水位控制法进行数值计算,二维海湾模型采用改进型双向隐式(DSI)法进行数值求解。在河口一维、二维连接处,水力因子通过接口断面法传递,无需重叠一个一维河段来传递水力因子,避免了口门处二维网格需取较小尺度的问题。模型在珠江三角洲河网及横门、洪奇沥口门海域做了检验,验证结果表明,建立的河网海湾水动力联网数学模型是可行的,可以用于河网、河口治理工程的数值研究。     

复杂河网水动力数值模型

利用汊点水位预测-校正(junction-point water stage prediction and correction,JPWSPC)法处理缓流河网汊点处的回流效应,采用Preissmann格式离散Saint-Venant方程组,并采用Newton-Raphson方法求解非线性离散方程,构建了非恒定河网水动力模型.模型既无需特殊的河道编码,又避免了建立和求解总体矩阵.与常用的分级解法模型相比,保留了其既适用于树状又适用于环状河网的优点,同时克服了分级解法需要建立和求解河网总体矩阵的缺点,显著提高了稳定性和计算效率.     

河网水流数值模拟方法研究

讨论了河网概化的一般原则,并在分析单一河段水流数学模型的基础上,建立了可以适用于一般河网体系水流数值计算的数学模型,并采用荆江—洞庭湖的相关资料进行了验证.结果表明,模型的计算值与实测值吻合较好,说明该模型具有较好的适用性.     

河流型水库垂向二维水沙数学模型

在垂向二维水动力模型的基础上,叠加了泥沙模型,建立了垂向二维泥沙模型,该模型的主要特点是水动力模型采用斜压模式,可以模拟由于水库水温度分布时空变化对其水动力结构及泥沙沉降速度的影响;泥沙模型采用分步法求解,简化了计算;独立求解粘性泥沙及非粘性泥沙的沉降速度及水土界面交换通量;运用经验公式估算泥沙及水动力模型参数,弥补了资料不足的缺点。最后运用实测资料对所建泥沙模型进行了有效性验证,结果表明:悬沙模拟值与实测值相对误差较小,时空分布特征相似;同时,模型能较为准确反映由于水库出入流引起的库首与库尾水温及泥沙分布特征。     

葛洲坝下游宜昌-杨家脑河段平面二维水沙数学模型

采用有限体积法,基于曲线网格,建立了葛洲坝枢纽下游宜昌-杨家脑河段平面二维水沙数学模型。利用三峡工程蓄水前后2002-2004年河段实测水沙资料对数学模型进行了验证,预测了三峡工程运用2005-2014年本河段河床冲淤变化趋势,分析了河道冲刷后宜昌站枯水位、芦家河浅滩枯水比降等可能的变化趋势,模型成果可为河段治理对策及措施提供科学依据。     

长江中游瓦口子至马家咀河段二维水沙数学模型

针对长江中游瓦口子至马家咀河段(弯曲分汊河段)的水沙运动特点,给出了二维水沙数学模型尤其是推移质不平衡输沙计算的模式,主要包括推移质不平衡输沙方程、床沙级配方程、河床变形方程;对模型中的几个关键问题提出了处理方法,如非均匀沙起动及输移规律、床面混合层厚度等.利用大量的水流及河床变形资料,率定了模型的一些参数,进行了水面线、流速分布及河床变形的详细验证.在此基础上,根据设计部门提供的进出口水沙边界条件,预测了三峡工程蓄水初期该河段的冲淤过程与分布及航道条件的变化.     

维持黄河流域水沙平衡的调控指标阈值体系研究

推进黄河流域系统治理与黄河水沙协同调控是确保黄河长久安澜的关键。因受气候、生态、地形地貌和强人类活动等多系统耦合影响,约束黄河水沙整体行为的分系统协调以及各单系统水沙关系协调的表征指标筛选及其阈值确定,一直是治黄实践的难题。基于维持黄河全流域水沙平衡,构建了黄土高原-干流河道-河口水沙协同调控三级指标阈值体系,包括1个一级指标、8个二级指标和20个三级指标。结果表明：(1)流域侵蚀防控指标阈值体系中,60%的林草梯田覆盖率下可致产沙的次降水量阈值为57 mm;可基本遏制流域产沙的林草有效覆盖率和梯田比阈值分别为60%和40%;淤地坝拦沙减蚀阈值为三级沟道控制率40%～50%。(2)河道水沙调控指标阈值体系中,近期宁蒙河段平滩流量阈值约为2 000 m³/s,远期黑山峡水库建成后宁蒙河段平滩流量阈值约为2 500 m³/s;近期潼关高程调控阈值约为328 m,远期古贤水库建成后潼关高程可冲刷下降至326 m左右;下游河道平滩流量阈值约为4 000 m³/s。(3)考虑黄河三角洲淤蚀动态平衡,河口稳定沙量阈值约为2.6亿t/...     

洞庭湖水沙变化分析及影响初探

水沙变化是洞庭湖演变和江湖关系调整的关键因子。综合运用数理统计、小波分析、Mann-Kendall法和累加过滤器等方法,分析1956～2008年洞庭湖入湖和出湖径流和输沙量的变化特征。结果表明:①洞庭湖入湖水量以湘、资、沅、澧四水入流为主,洞庭湖入湖泥沙以荆江三口分沙为主。四水年均入湖水量约占洞庭湖出湖总水量的59.2%;三口入湖沙量约占入湖总沙量的80.9%。②由于荆江裁弯、葛洲坝工程运用、三峡水库拦蓄以及长江上游的水土保持措施的影响,从三口河道进入洞庭湖的水沙呈现明显的衰减趋势,入湖水量所占比重已由荆江裁弯前的42.6%下降到了三峡水库运用初期的21.7%;入湖沙量所占比重已由荆江裁弯前的87.7%下降到了三峡水库运用初期的59.6%。③近50年洞庭湖的泥沙沉积总量达52.9×108t,但泥沙沉积比已由荆江裁弯前的73.3%下降到了三峡水库运用初期的34.0%,洞庭湖泥沙淤积的趋势明显减弱,有利于保持洞庭湖的调洪湖容,延长洞庭湖的寿命;但三峡水库运用初期,三口分流的衰减将加剧洞庭湖区西部地区枯水供水的紧张态势,并使水环境容量下降;同时城陵矶下游长江河道的淤积导致洞庭湖洪水位抬升。     

基于未确知信息的环状河网水质数学模型研究

以圣维南方程组、对流扩散方程以及未确知信息理论为基础,建立了环状河网一维水动力与未确知水质数学模型。采用Preissman四点隐格式法对圣维南方程组进行离散和采用显式差分对对流扩散方程进行离散,对河网水动力与水质分别进行了合理的编码,并考虑了泵闸等控制工程、降雨径流的影响,采用河网的三级解法编制河网非恒定流的计算程序求解各断面的水位Z和流量Q,实现了水动力和水质两模块之间的数据连接,且对微分形式的水质模型运用未确知数学理论进行了含有两个未确知参数的水质计算,从而不仅能获得污染物浓度区间值,还能得到相应的可信度。实例研究表明,建立的河网水动力模型和未确知信息的水质模型是可靠的,可以用于河网水质治理工程的数值模拟研究和水环境评估。     

湖泊调蓄作用对河网计算的影响

分析了Muskingum法及其衍生的水动力学模型在水流计算中的优缺点,以及湖泊调蓄作用的计算方法,在此基础上建立了能够反映湖泊调蓄作用的河网模型,并采用荆江洞庭湖河网水系1996和1997年的相关资料进行了对比计算.结果表明,考虑湖泊的调蓄作用时,模型的计算值与实测值吻合较好,说明对湖泊调蓄作用的处理是较为符合实际情况的,所建模型具有较好的适用性.分析了湖泊调蓄作用对河网水沙数值计算影响的复杂性.     

松花江白山河段冰情数值计算及分析

根据水动力学、河流动力学、热力学、河冰水力学及固体力学等原理,针对松花江上游白山河段具体特征,建立了河冰数学模型,并应用有限差分计算方法,对白山河段冬季冰情演变进行了精确模拟。应用该河段1958-1973年共15年完整的地形、气象、水文、热力、冰情等原型观测资料,分别进行了模型参数率定及冰情数值模拟。研究结果表明:白山河段的封冻首先开始于白山坝址下游4 km的大崴子河段,然后封冻边缘逐渐上溯,最终到达松14断面;计算的白山河段冰花堆积体外形与河床纵剖面呈相似趋势;各种水力及冰情要素的数值计算结果和实测值吻合较好,所建立的数值模型能较好地模拟该河道的冰情。研究结果对东北地区河流冬季冰情研究及冰害防治具有一定的借鉴意义。     

水沙变异条件下的河流系统调整及其研究进展

保持河流各方面整体协调是流域开发研究的重点和必然趋势,研究水沙变异条件下河流系统的调整机理,对于河流健康的保障具有重要意义.总结分析了水沙变异与河流系统的作用特性,明确了河流系统中水文、水力、地貌、生态等方面的各种调整实际上是与系统输入特性的特定变化相联系的;回顾了对河流系统及其功能的认识过程与研究现状,展望了将来的研究趋势.     

山区河流平面二维流场的数值模拟

针对山区河流边界地形复杂、水位及流速变化剧烈的特点,用"混合五对角法"建立平面二维数学模型并求解,进行水位和流速的数值模拟.利用嘉陵江重庆金刚碑-朝阳桥河段地形及5个横断面的水位和水深平均流速资料对此模型进行了验证,模型快速、准确地再现了该河段的水位和水深平均流速情况.     

急缓流态交替的陡坡河道水动力模型

为解决河道水动力模拟中由于局部急、缓流态交替可能导致计算不稳定、模拟过程无法实施的问题,提出根据实际河段存在的缓流、急流、水跌以及水跃4种流态,采用基于特征线、水量平衡等原理在各流态分界处添加内部边界的思路,建立基于Preissmann方法的复杂流态自适应模拟模型。所构建的模型能保持Preissmann方法的特点,即相邻断面离散模板以及河道首末断面各需给定一个边界条件,该特点有利于方法直接与现有成熟河网水动力模型连接。理想算例的计算结果表明方法能够模拟急、缓流之间的渐变过渡;而石亭江的实际算例表明在急、缓流态频繁交替时,采用单河道模式及河网模式均能收敛到恒定状态,满足模拟实际复杂流态时的稳定性要求。     

Semi-two-dimensional numerical model for river morphological change prediction: theory and concepts

This paper presents a new numerical model for river morphological predictions. This tool predicts vertical and lateral cross-section variations for alluvial rivers, which is an important task in predicting the associated hazard zone after a flood event. The Model for the HYdraulics of SEdiments in Rivers, version 1.0 (MHYSER 1.0) is a semi-two-dimensional model using the stream tubes concept to achieve lateral variations of velocity, flow stresses, and sediment transport rates. Each stream tube has the same conveyance as the other ones. In MHYSER 1.0, the uncoupled approach is used to solve the set of conservation equations. After the backwater calculation, the river is divided into a finite number of stream tubes of equal conveyances. The sediment routing and bed adjustments calculations are accomplished separately along each stream tube taking into account lateral mass exchanges. The determination of depth and width adjustments is based on the minimum stream power theory. Moreover, MHYSER 1.0 offers two options to treat riverbank stability. The first one is based on the angle of repose. The bank slope should not be allowed to increase beyond a certain critical value supplied to MHYSER 1.0. The second one is based on the modified Bishop’s method to determine a safety factor evaluating the potential risk of a landslide along the river bank.     

多沙河流的非恒定一维水沙数学模型及其应用

介绍多沙河流上非恒定一维水沙数学模型采用网格上流量与水位交错布置的方案,应用Total Variation Diminishing(TVD)格式求解基本方程,模型具有守恒性好、无虚假振荡、算法简单的优点,克服了断面急剧变化时计算容易失稳的困难。同时,由于采用了适合于多沙河流的泥沙运动基本方程及相关参数,因此,该一维模型能够适应多沙河流高浓度输沙及大幅度冲淤变化的特征,成功模拟了黄河干、支流上的洪水传播。