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.     

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。     

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。     

无资料地区水文预报研究的方法与出路

无资料地区的水文研究是最近国际上水资源水环境研究的热点.总结了中国过去在流域洪水预报和设计洪水计算中针对无资料地区研究所取得的相关成果,指出现代水文学应该充分运用新的系统理论和方法,依靠计算机技术和遥感手段,在水文数值模拟方向上寻找无资料地区水文预报的新出路.对无资料地区的水文研究要从有充分实测资料的流域开始,人为隐去部分站点的实测数据以检验依靠剩余少量数据而建成的水文模型的适用性和精度.最后分析了流域分布式水文模型、空间插值、四维同化技术等方法在无资料地区水文预报中的意义和作用.     

太平庄河流域设计洪水推求方法探析

太平庄河流域无水文观测站,属于无资料地区,根据《辽宁省中小河流(无资料地区)设计暴雨洪水计算方法》,对太平庄河流域的设计洪水采用典型频率设计和水位流量关系推求设计洪水,采取典型频率法对天然河道及非天然河道的设计洪水进行计算,并对计算成果进行合理性分析,旨在为做山洪灾害预测预警及分析评价提供科学依据。     

北江中下游洪水计算耦合模型探讨

针对北江中下游流域的特点的复杂性,建立了以水力学方法为主的河网一维及对无资料区间采用水文学方法为辅的洪水计算耦合模型,同时说明了区间洪水的作用。经“97·7”典型年洪水验证的结果表明,模型的精度较高。     

环状河道二维浅水流动的全隐数值求解方法

基于通用河网二维水流模式,采用全隐式矩阵追赶与回代技术,提出了环状河道单元二维数值模拟的通用模型。该模型仿照一维河网的建模方法,通过建立节点水位方程组,能方便地实现全流域二维河网或者一二维河网的隐式耦合求解。通过对长江下游南京八卦洲段分汊河道的数值模拟,表明该方法精度较高,切实有效,能满足实际工程的需要。     

基于MikeFlood的行洪区调度运用研究

行蓄洪区承担着分泄洪水,保护堤防的重任,历年以来行蓄洪区的科学调度运用都是困扰着水利部门的一大难题。本文以《淮河干流行蓄洪区调整规划》实施后的正阳关至峡山口河段为研究对象,利用DHI MIKE系列软件建立规划河道的一、二维耦合水动力学模型。设置行洪区闸门不同开启次序,及该段行洪区开启时间和启用次序组合的不同调度运用工况,分析不同工况下行洪区行洪效果对淮河干流影响效果。结果表明:对于正峡河段,先开启董峰湖行洪区,且适当的延后行洪区的开启时间和退洪闸的开启时间,更有利于发挥行洪效果。本文研究内容可为行洪区调度运用提供参考。     

通用河网二维水流模拟模式研究

通过对流域河网二维水流模拟问题的分析,提出了一个通用化的河网二维模拟概化模式,该模式将河网二维概化为"树状"河道计算单元、"环状"河道计算单元、"十字型"河道计算单元等河网二维基本单元,对这些河道计算单元的求解,构建流域型河网一二维耦合模式的求解模型,并由此建立了通用化的河网二维水流数学模型软件系统。通过"树状"河道二维计算单元求解模型的推导与实现,验证了概化模式的可行性,表明该思路可以应用于大型流域河网一、二维水流模拟,具有很好的应用推广价值。     

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。     

淮河临淮岗洪水控制工程洪水调度模型研究

为了建立临淮岗工程洪水调度运行模型,建立了淮河中游润河集至鲁台子区段一维和二维嵌套式洪水演进模型,利用1982年和1991年实测洪水过程,验证所建立的数学模型。验证结果表明,所采用的数学模型能够较好地预报洪水演进过程,可为临淮岗工程运行调度方案确定提供科学依据。     

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.     

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。     

长江中游洞庭湖防洪系统水流模拟——Ⅰ．建模思路和基本算法

针对长江中游洞庭湖防洪系统规模庞大、水流复杂、资料短缺和预报时限紧迫的实际条件,提出了具有层次和模块结构特点、一维与二维水流模拟、水力学与水文学方法、理论模型与补充信息相结合的建模途径.所建模型的湖泊部分采用无结构网格二维非恒定流高性能有限体积格式,以适应湖区复杂的边界形状和保持水量平衡;河网部分采用一维非恒定流守恒型显格式,避免隐格式矩阵算法的复杂性,同时有利于与二维模型的耦合及与各种复杂连通关系的显式连接.这种一、二维混合非恒定流模型可用于长江干流、洞庭湖河网及湖泊、堤垸区的洪水演进和防洪调度的水流仿真.     

The Influence of Floodplain Compartmentalization on Flood Risk within the Rhine–Meuse Delta

The present compartmentalization layout within the river polders in the Dutch Rhine–Meuse delta is the result of abandonment and partial removal of secondary dikes and the construction of modern infrastructure embankments. These structures will guide the flow of water in case the polder would inundate. Through the application of a 2-D flood propagation model in the polder Land van Maas en Waal this study explores whether restoration or removal of old dike remnants would contribute to a reduction of the risk and damage during an inundation. A systematic set of 28 flood scenarios was simulated and for each scenario an additional damage and risk assessment was carried out. It is concluded that a simple removal or total restoration will not reduce flood damage, but that this must be achieved by a strategic compartment plan. With such a plan old dike remnants and present embankments can be used to keep water away from vulnerable and valuable areas for as long as possible and to guide the floodwater to areas that are considered less vulnerable.     

Building a 3-D model of a flood basalt: an example from the Etendeka, NW Namibia

Flood basalts represent large outpourings of lavas which often cover, and interact with, sedimentary basins. For this reason areas with significant flood basalt cover are often targets for hydrocarbon exploration. Problems exist, however, when trying to image sediments and structures in offshore regions covered by basalts. Here we present preliminary 3-D models of the Etendeka flood basalt province from NW Namibia, which can act as an aid in understanding the internal and external architecture of the flood basalt cover. Satellite images, digital elevation models, measured geological logs, sections and maps, are used to create the geological model. Models are presented in 2 parts; 1) models created using topography with images such as Land Sat and geological maps draped over them, and 2) a 3-D model of key lava and sediment surfaces in the basin as defined by measured geological sections. Initial results show a palaeo-volcanic feature early in the flood basalt history which is onlapped by later Iavas. The modelling also allows a simple correction for post emplacement subsidence by assuming an original sub horizontal position for the first basin wide silicic flow unit.     

长江中下游河湖洪水演进的数值模拟

以长江中下游(宜昌-大通)防洪系统为对象,在水文、河道及湖盆地形现状条件下,建立了一个能适应各种复杂条件的一二维非恒定流模型,来进行长江干流、河网、湖泊、分蓄洪区垸及水库的洪水演进和调度仿真.所建模型的洞庭湖部分采用无结构网格二维非恒定有限体积格式,以适应湖区复杂的边界形状和保持水量平衡.河网区部分采用一维非恒定流显隐结合的分块三级算法,以准确实现河网汊点流量的自动分配和往复流动.为了提高模拟精度和扩展模拟功能,在水流数值模拟的范围内侧重讨论了内外动边界处理、分蓄洪运用及阻力项计算等环节,提出了合理可行的数值处理方法.采用20世纪80年代至90年代共6年汛期洪水资料对所建模型进行了严格的率定和检验,高精度的模拟结果证实了模型的合理性和有效性.     

三峡为中心的长江防洪系统实时优化调度模型研究

主要介绍以三峡为中心的长江防洪系统联合调度运行的数学模型--洪水模拟模型和水库优化调度模型.前者包括水文学洪水演进模型,一维非恒定流模型,一维和二维组合洪水模拟模型,荆江分洪区与洪湖分洪区联合运用模型,用于反映洪水在河湖中的运动及防洪措施蓄泄效果;后者由总体控制模型与模糊决策,大系统解耦以及网络分析等模型组成,用于确定使库群起到最佳防洪效果的优化调度策略.     

三峡区间入库洪水实时预报系统研究

三峡区间的数字流域水系模型采用基于格网型的数字高程模型坡面流模拟方法和处理"洼地"的最短流程法构建,并以新安江模型为基础建立具有诸多特点的三峡区间流域水文模型;以水动力学理论为基础建立考虑水利工程影响的河川型水库洪水演进模型,并实现这两者的有机耦合。在GIS平台上,将三峡区间流域水文模型、库区洪水演进模型和流域水系生成模型在底层集成,研制了功能先进和完善的三峡水库实时洪水预报系统。该系统已安装在三峡总公司梯级水库调度中心,投入试运行。