具有守恒特性的二维溃坝洪水演进数值模型

基于结构网格,采用有限体积法建立了二维水动力学模型,模拟溃坝洪水在复杂实际地形条件下的流动过程。该模型采用中心迎风格式求解界面通量,并结合对界面变量的线性重构,使其具有空间上的二阶精度。分别采用中心差分方法和半隐式方法对底床坡度项和摩擦阻力项进行离散,保证了模型的和谐性和稳定性。对于复杂地形条件下溃坝洪水的模拟,负水深的产生是影响模型稳定的关键因素。当库朗特数小于0.25时,模型能够保证任何时刻的计算水深都是非负的,而无需对负水深单元进行特殊处理。因此,相比于现有的大部分溃坝洪水模型,该模型具有更强的鲁棒性和稳定性。     

基于Godunov格式的溃坝水流数学模型

为了更好地把握溃坝洪水风险,减小因溃坝洪水而造成的人员生命和财产损失,建立了基于Godunov格式的一维、二维溃坝水流耦合数学模型。一维溃坝水流模型采用HLL格式的有限体积法求解,二维溃坝水流模型采用基于非结构网格的Roe格式离散求解,在一维、二维模型的链接处采用重叠计算区域的方法实现一维模型和二维模型之间的水力要素信息交换。经弯道溃坝算例和断面突变溃坝算例验证,该耦合模型具有良好的可靠性和适用性,验证后的耦合模型为大尺度的溃坝水流数值模拟打下了基础。     

基于结构网格的溃坝水流数值模拟

针对溃坝水流数值模拟面临的复杂地形和不规则边界等问题,基于结构网格建立了适应复杂地形和不规则边界的溃坝水流数值模拟有限体积模型（HydroM2D）。模型基于具有守恒特性的二维浅水方程,利用HLLC格式的近似Riemann解计算网格界面通量,利用MUSCL-Hancock法不断向前积分,使模型在时空上具有二阶精度;对源项进行离散处理确保模型的稳定性;模型引入有效干湿边界和不规则地形边界处理方法,准确模拟了干湿单元的动态交替和复杂边界上的水流特性。最后分别利用水槽试验、物理模型和实际算例对模型进行验证。结果表明,该模型对不同情景下的溃坝洪水模拟结果和实测资料以及现有模型模拟结果具有较高的一致性,模拟精度较高,稳定性较好,具有推广应用价值。     

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。     

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。     

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。     

非结构网格上的三维浅水流动数值模型

针对当前复杂环境水流模拟的需求,建立了新型的基于特征型高分辨率数值算法的三维非结构网格浅水动力模型。模型采用有限体积法离散sigma坐标下的三维浅水方程,运用Roe黎曼近似解评估水平界面通量。模型网格拟合边界能力强,可根据需要局部加密;格式数值性能优良,具有守恒性、单调迎风性、高数值分辨率等特性。同时,应用干湿判别法处理动边界,以适应浅滩地形漫/露过程模拟的需要。封闭水池内部风生环流、干河床上溃坝过程和长江口实际潮流场的模拟从不同侧面展示了模型的特点,结果表明它能够准确地预测水流的三维流动结构,而且计算简单高效,具有良好的数值稳定性。     

溃坝洪水分析及影响研究——以陕北地区瑶镇水库为例

为研究溃坝洪水带来的影响,以陕北地区的瑶镇水库为例,采用洪水演进模拟和GIS技术等先进的溃坝分析技术,对水库遭遇五十年一遇洪水下右岸与非溢流坝连接的副坝段溃坝洪水演进过程、水深及淹没范围、流速分布及流速矢量分布展开评估,重点对溃坝洪水对水库下游产生的影响进行分析,从而得出相应结论。研究结果认为:受溃坝洪水影响最大的是瑶镇地区,水流最大流速均发生在主河道区域,五百年一遇洪水淹没范围与五十年一遇洪水淹没面积相比增加明显。瑶镇水库溃坝不会对下游的采兔沟水库安全产生很大影响。研究结果对本区域溃坝洪水及未来研究提供了参考依据。     

基于黎曼近似解的溃堤洪水一维-二维耦合数学模型

采用一维-二维耦合数学模型对溃堤洪水进行模拟,可以发挥两者优势,提高计算效率。将基于黎曼近似解Godunov格式的一维、二维水流数学模型通过堰流公式进行耦合,实现交界面的水力要素交互;一维、二维模型均采用中心形式的有限体积法求解,分别采用HLL格式和Roe格式计算界面通量,具有一致的空间同步性。通过经典算例验证了模型的可靠性和稳定性,应用耦合模型对1998年松花江干流胖头泡溃堤洪水进行了模拟计算,较好地模拟了溃堤洪水的演进过程与淹没范围,对200年一遇洪水的分洪效果进行了分析,为此区域的分洪利用及松花江中上游防洪调度提供参考依据。     

漫溃堤洪水联算全二维水动力模型及应用

为应对河道洪峰流量增大和漫溃堤长历时相伴发生的洪灾现象,借鉴全二维气相色谱理论提出全二维水动力模型概念,建立了模拟河道和灌区洪水演进的漫溃堤洪水联算全二维水动力模型,并采用Roe格式的近似Riemann解对界面通量进行数值求解。模型内通过漫溃堤堰流公式成功实现河道与灌区的耦联,考虑溃口展宽变化,加密处理河道网格,采用热启动与干湿水深理论对模型进行优化,并利用加大糙率法对村庄较为密集的地形进行优化处理,尽可能反应地面真实情况。将该模型应用于黄河宁蒙段河道与左右岸灌区的漫溃堤洪水演进模拟,计算结果合理可靠,流场分布均匀光滑,初步验证了模型的精度及可靠性,研究成果对河道溃决洪水的精细仿真模拟和该地区洪水风险分析决策具有重要意义。     

瞬时溃坝最大流量计算新通式推导及验证

为了计算瞬时溃坝最大流量,基于堰流与波流量相等原理,建立了瞬时溃坝最大流量与堰流关系,理论推导得到同一公式可以计算大坝全溃、横向局部溃坝、垂向局部溃坝及横垂向局部溃坝的瞬时最大流量的新通式,给出了该通式的基本和上限、下限及一般等通式。研究发现:瞬时溃坝流量与溃口堰坎类型有关,可以把瞬时溃坝最大流量、逐渐溃坝洪水或漫坝洪水的计算公式和相应系数统一到不同堰坎类型的堰流量计算中;而这些新通式相应系数的取值是被实验确认和经典著作肯定的,保证了系数取值的可靠和准确。这些新通式容易理解、形式简单、计算简便,参数取值可靠,把溃坝洪水计算的复杂问题转变为处理经典水力学的简单堰流计算。同时通过对比分析,充分论证了一般通式的合理性,并用国内外溃坝实例验证了计算方法和成果较科学、可靠、合理。     

长江中游堤防溃口沉积物的磁组构特征

通过对 1998年 8月 1日湖北 竹牌 洲湾溃口沉积物的系统采样和磁组构测量与计算 ,发现溃口沉积物的磁组构特征为 :由溃口扇的扇顶→扇缘 ,磁组构参数各向异性度 P、磁面理度 F、磁线理度 L、水流速度函数因子 Fs的统计平均值均具有由大逐渐变小的特点 ;在溃口扇的不同部位磁化率量值椭球的主轴平均方向具有不同的特点 ,其规律是 :在扇顶或扇缘处平均方向变化较大 ,尤其在扇缘处 ,最大磁化率主轴方向比较随机 ,没有明显的主方向 ,而在扇中磁化率量值椭球的主轴平均方向比较稳定 ,最大主轴的优选方向比较明显。初步探讨和建立了长江中游现代溃堤溃口沉积物的磁组构特征识别标志     

溃坝模型试验研究综述

从溃坝洪水、溃坝机理等方面对溃坝模型试验研究情况进行了详细回顾,概括总结了国内外在溃坝模型试验方面所取得的主要成果,并从研究内容、相似理论、模型比尺及测试手段等方面对溃坝模型试验的现有水平及未来发展动向进行了分析,认为今后仍需大力开展溃坝模型试验研究,并以溃坝机理研究为重点,不断提高试验研究水平,为大坝安全提供有力的技术保障。     

Modelling flash flood propagation in urban areas using a two-dimensional numerical model

This paper reports on the numerical modelling of flash flood propagation in urban areas after an excessive rainfall event or dam/dyke break wave. A two-dimensional (2-D) depth-averaged shallow-water model is used, with a refined grid of quadrilaterals and triangles for representing the urban area topography. The 2-D shallow-water equations are solved using the explicit second-order scheme that is adapted from MUSCL approach. Four applications are described to demonstrate the potential benefits and limits of 2-D modelling: (i) laboratory experimental dam-break wave in the presence of an isolated building; (ii) flash flood over a physical model of the urbanized Toce river valley in Italy; (iii) flash flood in October 1988 at the city of Nîmes (France) and (iv) dam-break flood in October 1982 at the town of Sumacárcel (Spain). Computed flow depths and velocities compare well with recorded data, although for the experimental study on dam-break wave some discrepancies are observed around buildings, where the flow is strongly 3-D in character. The numerical simulations show that the flow depths and flood wave celerity are significantly affected by the presence of buildings in comparison with the original floodplain. Further, this study confirms the importance of topography and roughness coefficient for flood propagation simulation.     

基于不同溃口形态的尾矿坝溃决泥浆流动特性试验研究

以云南玉溪矿业有限公司秧田箐尾矿库设计资料为依托,依据相似原则,采用重庆大学自行研制开发的尾矿坝溃决破坏模拟试验台,基于尾矿坝溃决的口门形态,探索了坝体在1/4、1/2以及全部瞬间溃决3种情况下的下泄泥浆流动特性。试验结果表明：（1）溃坝口门形态对下泄泥浆的冲击力、淹没范围以及演进规律有较大的影响;（2）泥浆在下游各特征过流断面处的演进规律具有较明显的龙头衰减过程,龙头速度较大,泥深以及泥浆冲击力呈现小-大-小的分布,具有较长的拖尾衰减现象;（3）随着溃口逐渐加大,泥浆在下游同一过流断面处的冲击力和泥深呈明显增大趋势,其增大趋势表现为非线性;（4）泥浆流态在下游90°弯道处发生强烈扰动,在弯道内侧出现涡流现象,而在外侧出现反射现象,瞬间全溃下泄泥浆形成的涡流范围和反射波强度较坝体1/2和1/4溃决情况明显;（5）受溃口形态影响,下泄泥浆龙头到达同一过流断面的时间也不同,全溃泥浆龙头到达下游同一过流断面处的时间远小于坝体1/2和1/4溃决情况。同时,随着溃口的不断减小,同一断面处泥浆冲击力峰值呈减弱趋势,到达峰值的时间也相应推迟。研究成果为不同溃坝口门形态下的尾矿坝溃决泥浆流动特性的深入认识提供了参考。同时,对指导矿山企业的防灾减灾工作具有重要的现实意义。     

云南山区水库溃坝洪水及其演进分析

受地形影响,西南山区水源以水库为主,由于大部分水库修建时间较早,在西南季风气候降水集中影响下,存在较大的溃坝风险。溃坝洪水突发性与破坏性极强,进行水库溃坝洪水计算及洪水演进分析,是在水库大坝发生突发性安全事故时科学应对的基础。结合西南山区实际,优选溃坝洪水计算与洪水演进模型,并以云南省昌宁县河西水库为例,分析确定相关参数,分析指出了西南山区水库溃坝形态以全溃为主,具有溃坝洪水量极大、洪水演进迅速的特点。研究不仅可为河西水库制定大坝安全管理应急预案提供技术支撑,也能为该地区水库溃坝洪水及其演进分析提供参考借鉴。     

溃坝水流数值模拟研究进展

溃坝问题在水利工程的设计管理中具有重要地位,也是广大学者长期以来一直关注和研究的课题。回顾和总结了国内外对溃坝水流演进问题的研究进展:介绍了溃坝水流的数学模型及解析解法存在的困难,进而讨论了数值解法的最新进展;论述了求解溃坝水流一维问题的有限差分法、近似黎曼解的Godunov格式法、Boltzmann法、KFVS法和二维问题的TVD格式法、间断有限元法、有限体积法、特征线法,并分析了各种方法的适用范围和优缺点,及讨论了限制函数的使用;介绍了利用自由水面追踪方法计算溃坝水流的研究进展,并根据目前存在的不足和实际工程的需要,提出了进一步研究的方向和发展趋势。     

Analysis of human risks due to dam-break floods—part 1: a new model based on Bayesian networks

Dam breaks have catastrophic consequences for human lives. This paper presents a new human risk analysis model (HURAM) using Bayesian networks for estimating human risks due to dam-break floods. A Bayesian network is constructed according to a logic structure of loss-of-life mechanisms. The nodes (parameters) and the arcs (inter-relationships) of the network are quantified with historical data, existing models and physical analyses. A dataset of 343 dam-failure cases with records of fatality is compiled for this purpose. Comparison between two existing models and the new model is made to test the new model. Finally, sensitivity analysis is conducted to identify the important parameters that lead to loss of life. The new model is able to take into account a large number of important parameters and their inter-relationships in a systematic structure; include the uncertainties of these parameters and their inter-relationships; incorporate information derived from physical analysis, empirical models and historical data; and update the predictions when information in specific cases is available. The application of this model to the study of human risks in a specific dam-break case is presented in a companion paper.     

Study of the comprehensive risk analysis of dam-break flooding based on the numerical simulation of flood routing. Part I: model development

Dam-break floods have been of increasing concern to safety engineers and decision makers. The presence of complex terrain in inundation areas multiplies the simulation difficulty of flood routing. In previous studies, representing the flood routing parameters empirically does not reflect the characteristics of flood routing, which strongly influences the accurate assessment of the dam-break consequences. The basis for carrying out dangerous reservoir reinforcement is just engineering safety, without considering the actual situation of downstream areas. In this study, a comprehensive risk analysis of the dam-break flood was implemented based on the numerical simulation of flood routing. First, coupled with the volume of fluid method, a three-dimensional k–? turbulence mathematical model was developed for flood routing in complex inundation areas. Then, based on the flow parameters obtained through computational fluid dynamics modeling, the attribute measure methodology was used for the evaluation of consequences combined with the calculation of the dam-break consequences (loss of life, economic loss, social and environmental influence). Furthermore, a methodology containing the combined weight method and the technique for order performance by similarity to ideal solution method was proposed for risk ranking of dangerous reservoirs due to its logical consideration of scalar values that simultaneously account for both the best and worst alternatives. Finally, a sensitivity analysis was performed to provide information about the stability of risk ranking. The aforementioned model and methodology are applied to a case involving five reservoirs in the Haihe River Basin in China for Part II of this study.