荆江-洞庭湖耦合系统水动力学研究

程永舟，男，1974年7月出生，副教授，硕士研究生导师，2007年毕业于大连理工大学港口、海岸及近海工程专业，获博士学位。

主要从事河流海岸动力过程以及波浪-海床-建筑物相互作用研究，作为技术负责人或主要研究人员参加了国家自然科学基金课题、交通部科技攻关课题等10余项省部级项目。

2005年获中国航海科技奖二等奖一项，2007年获湖南省科技进步奖二等奖一项。

2008年入选湖南省高校骨干青年教师。

已发表论文20多篇，其中SCI、EI收录第一作者论文7篇。

在波浪与沙质底床、波浪与多孔介质结构物（抛石潜堤、抛石基床防波堤）相互作用方面取得一定成果。

发表的主要论文[1] CHENG Yong-zhou,JIANG Chang-bo, WANG Yong-xue, 2009. A CoupledNumerical Model of Wave Interaction with Porous Medium. Ocean Engineering.36(12-13), 952-959./10.1016/j.oceaneng.2009.06.001（SCI、EI收录）[2] CHENG Yongzhou, WANG Yongxue, JIANG Changbo, Chen Chun. Anexperimental investigation of the velocity field under cnoidal waves over the asymmetric rippled bed. Acta Oceanologica Sinica，2007，26（1）. （SCI收录）[3] CHENG Yong-zhou(程永舟), WANG Yong-xue(王永学) , JIANG Chang-bo(蒋昌波).A Coupling Model of Nonlinear Wave and Sandy Seabed Dynamic Interaction. China Ocean Engineering, 2007，21（1）. （SCI、EI收录）[4] 程永舟,王永学,蒋昌波,陈纯.浅水非线性波作用下沙纹床面底层流动特性试验研究. 水科学进展.2007，18（6）（EI收录）[5] 程永舟,王永学,蒋昌波.非线性波作用下沙纹床面底层流动特性数值分析.大连理工大学学报.2008，48（3）.(EI收录)[6] 程永舟,王永学,陈智杰，蒋昌波.高渗透性海床对波浪衰减作用的数值分析.大连海事大学学报.2008，34（3）. (EI收录)[7]程永舟,王永学,蒋昌波.浅水非线性波作用下沙质底床孔隙水压力响应数值分析.海洋工程.2008，26（2）[8] 程永舟，李建习，资津，何方.风浪作用下库岸孔隙水压力响应试验研究.水利水运工程学报，2008，（3）[9] Cheng Yongzhou,Wang Yongxue, Jiang Changbo, Chen chun, 2006. A Study ofNear Seabed Flow Field Induced by Nonlinear Water Waves.7th ISOPE Pacific/Asia Offshore Mechanics Symposium, Dalian：321-328. (EI、ISTP收录) [10] 程永舟,江诗群,周一平,黄伦超.水利工程流体实验教程.人民交通出版社，2009.获得奖励情况[1]“桥区河段航道整治技术研究”，2005年获中国航海科技奖二等奖。

溃堤洪水分析的一、二维水动力耦合模型及应用苑希民;薛文宇;冯国娜;李长跃【摘要】A coupled one-and two-dimensional hydrodynamic model was developed to simulate the flood wave propagation through the breaches. The Preissmann scheme was used for the one-dimensional model and the Roe scheme on unstructured meshes was used for the two-dimensional model. The special boundaries, such as roads and irrigation ditches, were generalized as broad crested weirs and were linearized. A coupled model with real terrain was established through coupling the unstructured mesh and special boundaries, and the dry and wet depth theory was used to optimize this model. The model was applied to simulation of a levee-breach flood that occurred in the West Irrigation Area of the Qingtongxia Gorge of the Yellow River. The results show that the model can truly simulate the flood wave propagation and flood inundation area in the calculation area, and can simulate the water-blocking effect of roads and irrigation ditches and water-passing effect of bridges and culverts.%建立一、二维水动力耦合数学模型以模拟溃堤洪水的演进过程，其中一维模型采用Preissmann格式离散，二维模型利用基于非结构网格的Roe格式离散。

洞庭湖湖泊环境系统的演变及驱动因子研究的开题报告一、研究背景和意义洞庭湖位于中国南方，是中国第二大淡水湖，水域面积3600平方公里，是重要的生态保护区和经济发展区。

然而，由于人类活动和自然环境的变化，洞庭湖环境系统已经发生了许多变化，例如水质恶化、湖泊面积缩小和水生生物减少等。

因此，探究洞庭湖湖泊环境系统演变及其驱动因素是十分必要的，可以为湖泊的管理和保护提供科学依据。

二、研究内容和方法1. 研究内容（1）探究洞庭湖湖泊环境系统演变的历史和现状。

（2）分析洞庭湖湖泊环境系统变化的驱动因素，包括自然环境因素和人类活动因素。

（3）研究湖泊环境系统演变对区域生态和经济的影响。

2. 研究方法（1）收集和分析洞庭湖湖泊环境系统的历史和现状的数据。

（2）利用回归模型和遥感技术分析湖泊环境系统变化的驱动因素。

（3）通过场地调查和问卷调查研究湖泊环境系统演变对区域生态和经济的影响。

三、研究计划和进度安排1. 研究计划时间节点研究内容第1-2个月收集和整理洞庭湖湖泊环境系统的历史和现状的数据第3-4个月利用回归模型和遥感技术分析湖泊环境系统变化的驱动因素第5-6个月通过场地调查和问卷调查研究湖泊环境系统演变对区域生态和经济的影响第7-8个月撰写毕业论文和制作答辩PPT2. 进度安排第1-2个月完成数据收集和整理工作第3-4个月完成回归模型和遥感技术分析第5-6个月完成场地调查和问卷调查研究第7个月完成毕业论文的初稿第8个月完成毕业论文的修改和答辩PPT制作四、预期成果1. 研究洞庭湖湖泊环境系统演变及其驱动因素，为湖泊管理和保护提供参考依据。

2. 建立回归模型和遥感技术分析洞庭湖湖泊环境系统演变的驱动因素，为其他水域环境系统研究提供参考。

3. 研究湖泊环境系统演变对区域生态和经济的影响，为地方政府和相关部门制定政策提供支持。

五、参考文献1. 高峻，陈强，谢锋，等. 洞庭湖流域水环境特征，问题与治理[J]. 环境科学与技术, 2009, 32(6):1-6.2. 刘曼，邢丽蕊，宋援，等. 洞庭湖区湿地景观格局演变及其生态效益[J].地理与地理信息科学,2016,32(04):45-52.3. 刘霞, 童礼强, 何仲华. 洞庭湖盆地晚新世以来环境演变研究进展[J]. 生态与农村环境学报, 2015, 31(1):34-43.4. 李霞，刘敬龙，彭海洋. 基于遥感技术分析洞庭湖湖泊面积变化及其驱动因素[J].环境科学与技术，2016,39(04):29-33.。

洞庭湖区的江湖关系二洞庭湖区的江湖关系作者：郭辉东一、荆江河道的形成与变迁据《荆江大堤志）（河海大学出版社1989年10月第一版）所载的史实表明，荆江河道形成与变迁的大致情况是：荆江统一河床形成的时间，在学术上仍是个需要探讨的问题。

有关这方面的记载，为复旦大学袁激方的（下荆江河曲的形成与演变初探）和1982年出版的（中国自然地理?历史自然地理）。

前者云：“荆江统一河床，早在先秦业已形成”；后者云：“战国时代……已经形成。

”这两种说法基本一致，但记述却都比较简单。

另外一种说法则是复旦大学张修桂在（云梦泽的演变与下荆江河曲的形成）一文中所阐述的观点，该文认为：荆江统一河床的形成过程，大致经历了漫流阶段、三角洲分流阶段和统一河床形成阶段，经历了由西向东逐渐形成的过程，即首先是在江陵境内，其后是在石首、监利境内的形成过程。

史前时期，荆江尚未形成明显的河床形态，那时江流在今湖北江陵县边缘进入浩瀚的古云梦泽，然后以漫流形式向东南倾注。

至周秦两汉时期，由于江水所携带的泥沙在云梦泽长期沉积，以致首先在水泽西部形成以江陵为顶点的荆江三角洲，并在洲上发育了分流水系。

当时在这块三角洲上，古荆江水系呈扇状向东扩展，汇注云梦泽。

由于受新构造运动自北向南倾斜下降的影响以及倾斜力的作用，扇状分流水系的主汛道，逐渐迁移至三角洲的酉南边缘，从而形成江陵以下上荆江的明显河床。

此时，下荆江地区则尚处在高度湖沼阶段，洪水季节主流横穿湖沼区至城陵矾与洞庭湖诸水相会。

至魏晋时期，因北岸水系继续分泄泥沙的结果，荆江三角洲在向东继续延伸的同时，迅速向南扩张，迫使位于石首县东北境内的云梦泽主体向下游推移，自此荆江在石首境内始摆脱漫流状态，逐步形成河床，其形态发展到南北朝时已极为清晰。

而这一时期监利东境的荆江河段，则依旧横穿云梦泽向东南方向漫流。

到唐宋时期，云梦泽完全解体演变成若干星罗棋布的小湖沼，自此监利境内的荆江河床最后塑造完成。

荆江自形成明显河道以迄于今，历经河型上的沧桑之变，但其基本流向与流路却是比较稳定的。

2007年4月14日，以“长江和洞庭”为主题的第二届长江论坛在湖南长沙拉开帷幕. 长江水利委员会主任蔡其华在第二届长江论坛开幕式上指出，正确处理江湖关系是维护健康长江的关键.蔡其华指出，洞庭湖复杂的水网、复杂的水沙关系和复杂的人水关系交织在一起，构成复杂的江湖关系，近年变化很大. 上世纪90年代以来，受长江上游修建水库、水土保持、河道采砂以及主产沙区降雨量减少等因素的综合影响，长江上游来沙量减少，宜昌站年均输沙量也大幅减少. 2003年6月，三峡工程开始蓄水运用后至2006年12月，三峡水库入库泥沙7.31亿吨，年均入库泥沙1.83亿吨，较多年平均输沙量减少约50%；由于三峡水库拦蓄，出库泥沙2.60亿吨. 不考虑三峡库区区间来沙，水库淤积泥沙4.71亿吨，水库排沙比约35%. 由于长江上游来沙量大幅减少，加上三峡水库拦蓄约65%的入库泥沙，宜昌站输沙量比多年平均值减少约80%. 受其影响，江湖关系发生一系列新的变化：荆江河段深泓以冲深为主；下荆江深泓冲淤相间，城陵矶附近深泓有所淤积；城陵矶至汉口河段总体表现为冲刷；洞庭湖区受荆江三口入湖沙量减小等因素影响，年均淤积量明显减少；荆江河段一些站点水位流量关系发生一定的变化.蔡其华表示，发生变化的江湖关系影响到长江防洪、洞庭湖生态系统和洞庭湖区水资源的利用. 处理好江湖关系是长江中下游防洪的关键. 三峡工程建成后，长江中游各地区防洪能力将有较大提高. 同时清水下泄冲刷河床，一定程度上增加了造床流量，荆江以下河道的下泄流量加大，下游河道承受洪水的压力加大；大坝下游河道沿程普遍冲刷，影响已有护岸及堤防工程的稳定；局部河势调整，可能出现新的险情；河道蓄泄关系发生变化，可能影响防洪总体布置.江湖关系变化也对洞庭湖生态系统产生影响：洞庭湖湿地生态系统正处于不稳定的调整时期. 洞庭湖水沙条件的变化，将引起江湖复合生态系统的生态过程发生一定程度的变化，从而对洞庭湖湿地生态系统的稳定性产生一定影响；三口分流、分沙量即进入洞庭湖的水沙减少；经湖区调蓄后，湖区仍以淤为主，但淤积趋缓，洞庭湖区年淤积量明显减少；洞庭湖湿地生态系统快速萎缩趋势将得到延缓；入湖水沙的大量减少，会造成洞庭湖湖泊湿地结构发生新的演变，影响珍禽候鸟越冬栖息地的环境；季节性水位变化使鱼类生长期的湖泊水面减小，影响长江繁殖的鱼苗进入湖泊生长发育.江湖关系变化还影响洞庭湖区水资源的利用. 当前，洞庭湖区部分地区工程性缺水和水质性缺水的问题会更加突出，需要引起足够的重视：受枯水期三口分流减少的影响，三口洪道季节性缺水的矛盾会进一步加剧；江湖关系的变化将在一定程度上影响江湖季节性水位变化，对现有取水设施的正常运行以及局部航道通航带来影响；由于长江进入洞庭湖的水沙大量减少，洞庭湖水文情势发生变化，部分水体水环境承载能力减小，会在一定程度上加剧局部地区水质污染和水环境恶化，从而导致水质性缺水的范围和程度进一步增加.蔡其华强调，江湖关系的变化受自然因素和人类活动双重影响. 研究长江与洞庭湖的治理保护问题，必须抓住荆江河段冲淤、三口分流分沙、洞庭湖冲淤和城汉河段泄流能力变化这4个关键问题，及时采取有效的处理措施.（易蓉蓉；2007－04－15科学时报）。

洞庭湖地区水系水动力耦合数值模型第39卷第1期2008年1月海洋与湖沼OCEANOLOGIAETLIMNOLOGIASINICAV_o1-39.No.1洞庭湖地区水系水动力耦合数值模型赖锡军①姜加虎黄群(中国科学院南京地理与湖泊研究所南京210008)提要针对洞庭湖地区复杂水系和复杂水情下的实际水流运动特征,建立了完全基于水力学方法的洞庭湖地区水系的一,二维耦合的全局水动力学模型,实现了不同水体数值模拟的自动有机衔接.模型包括湖泊,河网水系两部分.对长江干流荆江段,湘资沅澧四水,三口分流河道,运用能够反映河道主槽和边滩不同行洪特征的扩展一维水量模型进行模拟;对于洞庭湖湖区部分,采用二维非结构的有限体积法建立水动力模型;应用重叠投影法实现模型的耦合.模型具有动边界的自动处理,河道分区计算,分洪,溃堤过程实时模拟等功能.剖分的网格较为细致地刻画了湖区的地形,使模型能够模拟"高水湖相,低水河相"的湖流特征.运用1996年7月的实际洪水过程,进行了模型的验证,较为准确地模拟了实际水流特征.关键词洞庭湖,一维,二维,水动力学模型中图分类号P731洞庭湖地区水系洪水受长江,湘资沅澧四水来流量和长江下泄量的共同影响.该区域内的洪水研究必须综合考虑河网与湖泊之间的相互影响,相互作用问题.开发涵盖长江干流荆江段,湘资沅澧四水,三口分流河道以及洞庭湖湖区的大系统全局水动力学模型,实现各种数值模拟的自动有机衔接,是研究洞庭湖地区洪水运动特征的基础.长江中下游水动力学模拟模型常见的有:一维和一二维连接的水动力学模型(龙超平等,2002;仲志余等,1999;吴作平等, 2003;胡四一等,1998,2002;郭熙灵等,2002;谭维炎等,1996).其中以谭维炎,胡四一等人(谭维炎等,1996;胡四一等,1998)于20世纪90年代中期构建的长江中下游防洪系统数学模型较为突出.它利用一维,二维非恒定水动力学模型和水文学方法相结合的方法设计了模拟模型.之后,胡四一等(2002)又对原模型中河网算法,内外边界条件的处理,水流阻力计算等问题进行了改进和完善.该模型为长江中下游复杂水情计算提供了一套非常有价值的思路.但是仍存在一些问题:(1)该模型加入的一些水文经验模型修正计算技巧忽视了水动力学特性本身的相互作用机制.(2)一维河网计算仍显粗糙,不能体现平原区河道低水时主槽过流,高水边滩主槽共同行洪的典型的过流特征.(3)内部边界处理和区块连接不够完善,例如河湖耦合计算采用直接显式连接等.(4)湖区二维模型网格设计简单,不能反映湖区水动力特征.为了进一步提高洞庭湖地区复杂水系和复杂水情下的实际水流运动特征的模拟能力和实用性能, 减少人工干预,自动模拟各区水体之间的水动力交互作用.本文中作者建立了完全基于水力学方法的洞庭湖地区水系一,二维耦合的全局水动力学模型.该模型包括湖泊,河网水系两部分,对长江干流荆江段,湘资沅澧四水,三口分流河道的水流运用能够反映河道主槽和边滩不同行洪特征的扩展一维水力模型进行模拟,采用Preissman四点隐式差分格式进行离散;对于洞庭湖湖区部分,采用非结构的有限体积法,以Roe平均的通量向量差格式(FDS)建立二维水力模型,模型采用Roger提出的方程组形式,成功克服了静水计算不和谐问题,同时实现了露滩和漫滩中国科学院知识创新工程方向性项目,KXCX3一SW一331号和中国科学院南京地理与湖泊研究所知识创新工程特别支持重大项目"我国不同气候区湖泊演变与重大环境问题,发生机制及其控制对策研究",2003--2006年.①通讯作者:赖锡军,助理研究员,博士,E—mail:***************.crl收稿日期:2006.01—20,收修改稿日期:2007—01—261期赖锡军等:洞庭湖地区水系水动力耦合数值模型75的高效处理;对于整个水域,利用重叠一投影法在河网与湖泊水力模型的连接处动态耦合一维,二维模型,实现一,二维数值模型的自动准确衔接.本文中将重点论述模型的构建,并展示洞庭湖洪水计算的部分成果.1基本方程1.1水深平均的二维流动的基本方程在静水压强假定下,沿水深积分三维Navier—Stokes方程可得水深平均的二维流动方程组.为解决非平底坡引起的静水计算不和谐问题,采用以下守恒形式的方程组(Rogersetal,2003):+V.,():S(1)S:=式中,=IhuI,:\hu"+要(+2)huvhvhuvV+要(+2)O—g4So—ghS詹+V￡bl+Cw(02sino~+fvhP一y-ghSfy+V2Ehv+cwPa(02coso,-扣h其中,为向通量向量;Fy为Y向通量向量;S为源项向量;为自由面高度;h为水深;h=h—为基准面至床底的深度;12,v分别为X和Y向水深平均的流速分量;g为重力加速度;So=_dzb,为向的水底底坡;So:___Ozb,为Y向的水底底坡;oyr_=——_S肛:—pn—Z万U2一+Vz,为向的摩阻底坡为糙率);.厂—:,为Y向的摩阻底坡.c为风的阻力系数;Pa为空气的密度:为风速;为风速与Y轴的夹角.该形式以自由面高度代替水深h作为困变量,能解决高程急剧变化带来的计算失稳.1.2一维非恒定流方程洪水泛滥的中下游平原地区的较大的江河水系,由于江河长期演化形成了复杂多变的河道过流断面. 这些天然河道在长期的演化中形成了在低水位时主槽过流,高水位时滩地和主槽共同行洪的典型过流特征.为了能够真实地模拟预测这些河道的水流,必须扩展当前模型对复式河道非恒定流的模拟能力.将河道水流根据其过水特征在空间上划分为几个过流通道(如左边滩+主河槽+右边滩),各过流通道水流满足一维近似.假定全断面上的水位相等,即断面上水流横向比降可以忽略不计;河段的纵向坡度很小(图1).在这些假定基础上,对二维水深平均的水流方程沿横断面积分导出各过流通道沿横向(断面方向1平均的一维非恒定流动的扩展方程.连续性方程:++:0(2)^,.^,jK动量方程:一I-妾(譬]+Mk=-要一c北+(3)其中,下标k表示第k条过流通道;A为过水断面面积; Q为流量;Z为水位;q为流道和外界的质量交换;M为流道和外界的动量交换量;动量校正系数;S,为阻力坡降;S能量耗散项;F为流道的侧向剪切力;g为重力加速度.然后,沿断面纵向积分得到各流道的河段积分方程.同时,在各流道在断面首尾端的水位相等的假设基础上,忽略紊动引起的能量耗散项,经化简,导出如下的某河段全断面上水流的积分控制方程(赖锡军等,2005):a∑—一十一QB:Q,.(4)3tAfuD一gA(5)其中,上标"一"表示河段XkBXkE上的均值;下标k表示第k条流道;下标B,E分别表示河段的首,末断面;V为河段上流道的蓄水容量:为流道的流量76海洋与湖沼39卷分布系数,=Ok/O;K为流量模数;全断面的总流量模数K=∑Kk;等效河段长=[∑]『c首断向图1河段的过流通道Fig.1Explanatorysketchshowingaflowpathofareach2数值求解首先分别对一,二维水流基本方程进行数值离散,建立河网一维水量模型和二维水动力模型;然后利用模型耦合技术实现一,二维模型的准确衔接.2.1河网水流数值模型2.1.1方程离散采用四点加权Preissmann隐格式离散,并经线性化处理,可得到离散化的代数方程组(汪德燧,1989).2.1.2节点方程节点(河道交汇区)处通常满足流量的连续性条件和能量守恒条件.为简化计,常以水位处处相等来近似能量守恒条件.则有:A7∑一AJ(6)Z,=ZN,J=1,2, (7)式中,Z为汇合处各河道的水位;ZⅣ为汇合处水位, 又称节点水位:O,j为各河道进入(取负号)或流出(取正号)节点的流量;A为节点水面面积._/-IL_N为节点△水位变化率.当节点面积很小,可忽略不计.若节点面积A较大,则需考虑节点调蓄能力.2.1.3河网算法根据节点水位法求解河网的算法形成节点水位方程组,应用预条件最小化残差算法(PGMRES)(陈杨等,2003)求得各节点水位:最后回代求得各河道断面水位和流量.2.2二维水流数值模型二维方程应用非结构网格有限体积法求解.界面通量采用基于Roe平均的黎曼近似解评估.先对方程在任意控制体积其边界为A)作体积分,利用高斯定理将体积分化成面积分,有:UdV=-LFUndA+SdV(8)式中,n为单元边界A的外法向单位向量,()?n为法向数值通量.对控制体单元取平均后,可得到有限体积法的空间离散化方程为dU=一m,Aj+(9)dt△一其中△为单元体积,为单元面总数,A为单元面的面积,为单元的源项平均值,单元面.,的法向对流通量为.=Fj(U)xn.对流通量,=【",huu+寺g(+),hvu+1g(+)n,(10)利用Roe型通量差分裂格式(FDS)(Roe,1981),则对流通量可以表示成:F=0.5(F(U)+F(U一)-NIAIL(u一U一))(11)式中,上标一,十分别表示界面的左右状态.人为Jacobi矩阵J:的特征矩阵.L,R为左右特征向0U量,L=R～.Al=$ltl+vny—cl0j"n+1,ny10R=l"一Cn"n+vnv+c—nv"+衄(12)式(12)qb的变量",v,C按Roe状态平均方法计算,定义如下:++u-v+//=———产=?—:=一,1,=———产=—1==一,√++√一√++√一1期赖锡军等:洞庭湖地区水系水动力耦合数值模型77 c=√水动力学模型2.3模型耦合技术对于在大系统的非恒定水动力模拟,不同模型接口的准确衔接是计算成功的关键要素之一.作者利用重叠一投影法(赖锡军等,2002),在一,二维水域公共边界点的连接处建立了一维,二维耦合的整体模型.设定一,二维计算的耦合区,在其内进行一,二维精确解的投影,准确实现模型的连接(图2).可以选用不同的方式实现,如水位耦合和流量耦合.但是在实际计算中,一,二维连接点处的水力要素和几何要素的对接必须协调一致.2一二维模型耦合Fig.2The1-Dand2-Dmodelcoupling2.4动边界处理洞庭湖洪枯水情悬殊,水位变幅大,洲滩漫露过程交替进行.动态处理这类运动边界,就成为了洞庭湖地区水动力学模型的关键点之一.根据有限体积法特点,以水深为判别标准设定单元界面的类型,并运用相应的方法计算跨界面的法向通量,以保证水量平衡.在每一时间步判断单元界面两侧单元的水深h,』,h月,当hL和h月均为0,则通量为零;当hL和h月有一为零,则结合两侧单元的底高程,交界面类型可能为固壁边界,跌水,漫流等形态的边界,根据不同类型可选择瞬时溃坝解析解,堰流公式等方式估算通量;当hL和h均不为零时,则按正常的方法估算通量.开发模型时,设定某一水深限值占(本文中取为0.01m),以此来判断单元的干湿情况.如果相邻单元的水深均小于,则认为该单元为干单元,不进行计算.同样地,河网内部河道也随着水流涨落会出现断流情况,如不模化,计算将不能进行.判断首,尾节点水位是否高于首,尾断面的底高程,若皆不满足,则就将该河段计算冻结,退出河网节点计算:否则按正常河网计算,但是,如若出现负水深,则冻结3.1研究区域本次建模区域包括洞庭湖整个湖区,长江干流宜昌至螺山段,湘江湘潭至湖区,资水桃江至湖区,沅水桃源至湖区,澧水津市至湖区等四水河尾闾和三口分流河道.3.2水动力学模型建立洞庭湖地区水动力学模型将湖泊,河网水系,分蓄洪区(堤垸)形成一个有机联合的整体进行水力模拟计算.它能够模拟湖泊深水槽道的过流以及河道主槽和边滩的不同过流特征:模拟堤垸溃决和分蓄洪区运用的效果等.3.2.1河网水系的概化和湖区二维网格图3为洞庭湖水动力学模型的概化,包含河网水系的拓扑关系和湖区二维网格.图3洞庭湖地区水动力学模型概化图(图中下带下划线数字表示节点,不带下划线的数字表示河段编号)Fig.3SchematicofthewatersystemintheDongtingLakearea (1)河网水系采用前面导出的河网一维水量模型.长江干流宜昌至螺山段,三口分流河道f如松滋河,虎渡河,藕池河等)和四水尾阊概化成49个节点,56条河段,313个断面.断面间距约为6km. (2)洞庭湖湖区运用非结构网格上的二维78海洋与湖沼39卷水动力学模型.二维计算区域包括澧水津市站至城陵矶口的澧水洪道,西洞庭湖,南洞庭,东洞庭整个湖区,以及东洞庭湖和长江交汇区域.由于交汇区水流非常复杂,尤其在洪水期,常会形成江湖窜流等现象, 为反映洞庭湖和长江的实际蓄泄关系,在计算中必须把它并入二维模块计算.为了能够准确地评估模拟高/低水位时不同流态特征和湖体动态调蓄量的能力, 依据洞庭湖水下地形特征,在DEM地形资料基础上对计算网格进行了地形的自适应剖分,较为细致地刻画了主要的深水洪道.剖分得到的网格单元共计3266个,节点3346.网格步长从几十米到几公里不等.3.2.2定解条件(1)初始条件河网水系的初始条件按如下方式求得:根据邻近水文(位)站点的水位资料,设定节点水位初值.应用恒定流条件,计算出各断面的初始流量和水位;如果误差较大,再进行局部调整.湖区二维单元的水位初值按水文(位)站代表站点值设定.初始流速设定为零.f2)外部边界条件包含外部来水和区间来水.外部来水有:长江干流上游来水:给定宜昌流量边界,控制长江上游来水;宜昌至枝江段的区间人流包括清江,宜搬枝区间;枝江至沙市段主要人流为沮漳河来水.这些区间来水,因缺乏实际资料,宜昌至枝江段按2%的宜昌流量作为旁侧人流计;没有考虑沮漳河水量. 湘江来水:给定湘潭流量边界.资水来水:给定桃江流量边界.沅江来水:给定桃源流量边界.澧水来水:给定津市流量边界.长江干流下游边界:给定螺山水位过程线.(3)内部边界条件包括一,二维连接边界,集中旁侧人流(~lltJ,河支流,堤垸溃决,分洪蓄水和排涝等工程情况),闸坝,桥涵工程等.其中一,二维连接边界及运动边界问题已经在前面论及.分洪和溃堤模拟是洞庭湖数值计算中的一个重要组成部分.分洪和溃堤条件采用附近代表站的水位值控制,若该站水位高于某一给定值,则堤垸一次性溃决至最大口门,溃口流量根据断面水位和垸内水位选择相应的堰流公式计算.当垸内外水位平齐时, 溃堤边界转化成调蓄水面计算.3.2.3糙率计算f1)河道糙率确定参照以往的长江中下游洪水演算经验以及相关研究成果确定.根据主槽和边滩的不同过流能力,设定主槽区和边滩区的不同分区流道的糙率值.同时考虑到长江及三口四水河道洪水水位涨落幅度大,糙率随水深会发生较大的变化,本文中还按不同分层水深给定相应的变化的糙率值.(2)洞庭湖二维单元糙率确定洞庭湖地区二维单元计算糙率确定也较为困难.对于不同水位湖区洪道和过流深槽的糙率给定常数值显然是不合理的, 因此,作者按以下公式确定湖区二维单元的计算糙率值:=no/h,为待定指数.4模型验证及讨论为了检验建立的洞庭湖水动力学模型能否反映实际的水流运动特征,如三口分流比是否在误差范围内,江湖蓄泄关系是否合理等,作者对1996年7月1—29日的洞庭湖地区水情进行了分析计算.其中,计算边界条件为1996年的水情资料.洞庭湖湖区地形采用基于1995年实测地形制作的DEM数据:长江宜昌至螺山河段断面资料除石首至监利河段为1987年的实测断面数据外,其余断面均为1985年实测断面数据;三口水系和四水尾闾河道断面均为1995年实测断面数据.水动力模型的计算糙率分为湖区和河网两部分:湖区二维单元计算糙率公式中, ,z=0.021,=1/6.河网部分取值如下:长江干流河段的主河槽低水位n在0.022—0.026之间取值; 高水位n在0.018—0.022之间,河漫滩,z值随水深在0.025—0.05之间变化.四水和三口分流河道的主河槽糙率,2取值在0.02—0.03之间;河漫滩糙率取值同长江.首先,统计了计算与实测的三口分流比(占枝江来流tg),见表1.松滋口分流比和实测值相等;太平口实测高出0.2%;藕池口高出0.5%.再参照长江干流主要站点的流量过程比较(图4).可以得出模型能够自动计算分流比,动态地模拟长江和洞庭湖的江湖关系.然后,从四水尾间和湖区选取主要站点进行了水位的验证比较(图5),可以看出计算洪水过程和实测的相位吻合,除湖区的几个站点在计算的前期误差较大之外,峰谷数值吻合较好;河网流量分配准确,江湖蓄泄关系较为合理.仔细分析计算过程以及后续的研究表明,湖区水位误差较大的原因主要有:(1)资料不完善:在计赖锡军等:洞庭湖地区水系水动力耦合数值模型79 表1三口分流对照表65:13蜒l∈迁*E*070607】60726时问,月fl44;{z2125/,1''200'''i[_————————————————一070607160726时i'nl/~J.r=}时i'~lJq.翻网4长江干流主要站点流量过程线Fig.4ThehydrographofdischargeatmainhydrologicstationsoftheChangjiang(Y angtze)Ri verE*3837363534333】302928…E*7}一3}/2安乡水位卦^.,,—/.o}/..?...../.7}/,..城陵矶水位6.070607160726时间/月.口冈5湖区及四水尾间主要站点水位过程线Fig.5ThehydrographofwaterlevelatmainhydrologicstationsoftheLake 算1996年7月洞庭湖特大洪水时,因资料所限,只考虑了荆江段洲滩的漫溢情况,并没有考虑湖区洪水漫溢,堤垸溃决对洪水的影响.实际情况却是1996年洪水造成了湖区大量洪水漫溢和堤垸溃决的情况.这一点可以通过收集资料加以克服.(2)网格地形分辨率不够:地形是水动力学计算最为重要参数之一,所采用的计算网格仍相对较粗,还不能真实地反映实际的湖区地形.通过细化网格可以获得理想的计算●一广.一雅\.移一一\一厂一一谴一OOOOOOO333333333.u/3333322222uv晕80海洋与湖沼39卷精度,这也在作者的后续研究中得到证实.(3)初始条件设定不够合理:因为观测资料所限,不可能获得全面地初始计算条件,只能依靠人为设定进行计算.(4)地形资料不匹配.鉴于此,为了提高水动力学模型计算精度,需要进一步提高模型基础资料的收集工作;同时,研究数据同化技术和洪水计算模型的结合, 充分利用各类观测资料,提高模型计算和预测的精度.计算过程还发现,长江水位和流势对东洞庭湖的水位影响非常大.为了更为准确计算洞庭湖地区洪水特征,需要对东洞庭湖和长江交汇口进一步细化, 以反映出交汇口复杂水动力特征对江湖水位和泄量的影响.5结语针对洞庭湖地区复杂水系和复杂水情下的实际水流运动特征,建立了完全基于水力学方法的洞庭湖地区河网水系一维和湖泊二维耦合的全局水动力学模型,实现了不同水体数值模拟的自动有机衔接.该模型实现了动边界的自动处理,河道分区计算,分洪,溃堤过程模拟等功能.同时,它较为细致地刻画了湖区的地形,使其能够模拟洪水期和枯水期的不同流动形态,以真实地反映"高水湖相,低水河相"的湖流特征.验证计算表明,模型较为准确地模拟了实际水流特征.今后,为了提高水动力学模型的计算精度,需要进一步提高基础资料的收集工作;解决建模过程中的一些问题,如螺山站作为下游控制边界的合理性,分洪,溃口流量过程模拟等问题.研究数据同化技术和洪水模型的结合,加强模型与观测资料的融合,充分利用各类观测资料,提高模型计算和预测的精度.对东洞庭湖和长江交汇口进一步细化研究,鉴于}[口流态的复杂性,有条件地可耦合三维模型以研究交汇口的复杂水动力特征对江湖水位和泄量的影响.参考文献陈扬,汗德耀,赖锡军,2003.GMRES解法在大型河网数值计算中的应用.水利水运工程,4:45—48郭熙灵,龙超平,吴新生,2002.长江中下游防洪模型研究——可行性及规划方案简介.长江科学院院报,19(1):7—9胡四～,王银堂,谭维炎,l996.长江中游洞庭湖防洪系统水流模拟——Ⅱ.模型实现和率定检验.水科学进展,7(4):346--353胡四一,施勇,王银堂等,2002.长江中下游河湖洪水演进的数值模拟.水科学进展,l3(3):278～286胡四一,施勇,1998.长江中游洪水系统反演及高洪水位形成原因探讨.水科学进展,l0(3):242～250赖锡军,汪德耀,2002.非恒定水流的一维,二维耦合数值模型.水利水运程,2:48—51赖锡军,姜加虎,黄群,2005.漫滩河道洪水演算的水动力学模型.水利水运工程.4:29—35龙超平,孙贵洲,段文刚,2002,长江中下游防洪模型研究——关键技术问题初步探讨.长江科学院院报,19(2):47—49,6l谭维炎,胡四一,1996.长江中游洞庭湖防洪系统水流模拟一I.建模思路和基本算法.水科学进展,7(4):336--345汪德耀,1989.计算水力学理论及应用.河海大学出版社,南京:l6l～l67吴作平,杨周录,甘明辉,2003.荆江一洞庭湖水沙数学模型研究.水利,7:96一l00仲志余汪新宇,1999.长汀中下游洪水演进方法探讨.水利水电快报,20(19):31---33RogersBD,BorthwickAGL,TaylorPH,2003.Mathematical balancingoffluxgradientandsourcetermspriortousingRoe'SapproximateRiemannsolver.JCompPhys,192:422—45lRoePL,1981.ApproximateRiemannsolvers,parametervectors, anddifferenceschemes.JComputPhys.43:357—372赖锡军等:洞庭湖地区水系水动力耦合数值模型81 ACoUPLINGHYDRoDYNAMICMoDELoN,)lTERSYSTEMoFTHE DoNGTINGLAKEAREALAIXi—Jun.JIANGJia—Hu.HUANGQun(NanjingInstituteofGeography&Limnology,CASNanjing,210008) AbstractHydrodynamicsintheDongtingLakeareaisverycomplicatedwithrivers/lakesinte rlacement.Acoupling1一Dand2一DunsteadyflOWmodelwasdevelopedtosimulatethefloodroutinginthisarea.Themodelinc ludestwoparts:keflOWSwerecalculatedwith2一Dunstructuredfinitevolumemethod,whichcanfitcom- plexgeometryboundaryandtreatwetting/dryingprocess.1-Dapproachwasappliedinthenet workwithsurroundingriversTheSaint-V enantequationsusedintheapproachcancalculatefloodplainandmainchannelco nvergence.whichworksfine especiallyinthecalculationofnaturalcompoundrivers.Themodelwascoupledusingoverla ppingproiectingmethod.Tovalidatethepresentmode1.itranforthefloodinJuly1996inthestudyarea.Shownbytheresult s,thismodelhassimu—latedsuccessfullythecharacteristicsOfflOWSinthelakesandthefloodroutinginthissystem .KeywordsDongtingLake,flood,0ne—Dimensional,TwO—dimensional,Hydrodynamicmodel。

目录第一章水质模型概述 (2)1.1 我国水污染现状概述 (2)1.2 水质模型的意义 (3)1.3 河流水质模型介绍 (3)1.4 国内外对水质模型的应用研究 (9)第二章一维稳态多河段BOD-DO耦合水质模型 (12)2.1 sterete-rphelps模型 (12)2.2 Thomas(托马斯)模型 (13)2.3 Dobbins-Camp(多宾斯一康布)模型 (13)2.4 O’Conner(欧康奈尔)模型 (14)2.5一维稳态多河段BOD-DO耦合水质模型 (14)第三章荆江监利段BOD-DO耦合模型的建立 (19)3.1 荆江监利河段概况 (19)3.2 监利段沿河污染企业分布 (20)3.3 监利段BOD-DO耦合模型计算 (22)3.4 BOD-DO耦合响应矩阵模型Matlab程序 (23)3.5 BOD-DO耦合响应矩阵模型计算结果分析 (26)3.6 模拟的不足之处 (27)参考文献 (28)BOD-DO耦合模型模拟荆江监利段摘要河流水质恶化已成为现行我国一个突出的环境问题，在治理水体污染时，必须掌握污染物质是随水流如何掺混、迁移和分布的，以便进行预测及处理。

本文主要总结了常见的河流水质模型和简要叙述了其发展趋势，同时概述了国内外对水质模型的应用研究。

最后运用一维有限段BOD-DO耦合模型模拟了荆江监利段稳态时各段面沿河段的BOD和DO浓度变化情况。

关键词水环境水质模型荆江监利段BOD-DO耦合BOD-DO coupling model to simulate the Jianli reach ofJingjiang riverAbstract River water quality deterioration has become a prominent environmental problem in our country, the current in the governance of water pollution. In order to forecast and deal with the water pollution, must grasp how pollutants flow mixing, migration and distribution. This paper summarizes the common river water quality model and introduces its developing trend. Finally，we use one-dimensional finite segment BOD-DO coupling model to simulate the change of the concentration of BOD and DO of Jingjiang reach Jianli period of each section along the river on steady state.Key words Water environment; Water quality model; Jingjiang reach Jianli, BOD- DO coupling第一章水质模型概述近几十年来，随着我国人口的增加和工农业快速地发展，工农业污水以及生活废水的不合理排放导致了严重的水质污染，为了更加定量化的研究水质污染的过程以便更好地预测和处理水质污染这一问题，这样使得水质模型的研究得到了很快的发展，从而为水质定量且准确判断提供理论依据，进一步促进了污水的处理。

不同来水条件下洞庭湖二维水动力水质模拟
盛东;伍佑伦;周天文;薛联青;李娜
【期刊名称】《水资源研究》
【年(卷),期】2024(13)1
【摘要】为研究不同来水条件对洞庭湖水动力水质的影响,本文构建了洞庭湖二维水动力–水质耦合模型,通过改变模型水动力边界和水质边界过程,模拟并分析了江湖水量交换变化和入湖污染负荷变化下洞庭湖水动力水质的响应过程,研究结果表明:① 三峡运行后三口入湖水量、江湖连接处的水力特性发生变化,进而影响湖区水动力水质的时空分布情况,如10月份三峡进入蓄水期,入湖水量减少,湖区TP、TN 浓度整体呈上升趋势,但由于长江干流来水减少,出湖口水力坡度加大,东洞庭湖站至出湖口区域的TN、TP浓度有明显的减少趋势;② 当保持基准年入湖流量过程不变,使入湖污染负荷量整体减少10%时,西洞庭湖北部、南洞庭湖南部区域TP、TN浓度下降幅度较明显,东洞庭湖站6、7月份,万子湖站5、10月份TP将达到III类水标准,东洞庭湖站9月份、小河咀站7~10月份TN将达到III类水标准。

【总页数】11页(P21-31)
【作者】盛东;伍佑伦;周天文;薛联青;李娜
【作者单位】湖南省水利水电科学研究院长沙;河海大学水文水资源学院南京【正文语种】中文
【中图分类】X52
【相关文献】
1.基于二维水动力水质模拟下水环境容量的求解研究
2.鄱阳湖二维水动力和水质耦合数值模拟
3.石佛寺水库二维水动力及水质数值模拟与分析
4.赤山湖区二维水动力-水质耦合数值模拟研究
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湖泊水动力模型研究进展湖泊水动力模型是研究湖泊水体运动和水质变化的重要工具。

随着计算机技术的发展和相关研究的深入，湖泊水动力模型的研究取得了较大的进展。

下面将介绍湖泊水动力模型研究的主要进展。

湖泊水动力模型在数学理论和计算方法上取得了重要的突破。

传统的湖泊水动力模型主要基于二维水动力方程和输运方程，但由于湖泊的复杂形状和环境变化，这种模型往往难以准确地模拟湖泊的水动力过程。

近年来，学者们提出了基于三维水动力方程和输运方程的湖泊水动力模型，能够更准确地模拟湖泊的水流和水质变化。

湖泊水动力模型在湖泊生态系统研究和管理中的应用也取得了显著的进展。

湖泊是重要的生态系统，其水动力过程对湖泊生态环境的稳定和水质状态的变化起着重要作用。

通过建立湖泊水动力模型，可以模拟湖泊水体中沉积物、营养物和有机物的输运和分布，研究湖泊的水质变化和富营养化问题，为湖泊环境保护和水资源管理提供科学依据。

湖泊水动力模型在灾害预测和管理中的应用也得到了广泛关注。

湖泊水动力模型可以预测湖泊中的洪水、暴雨和台风等灾害事件的发生和变化过程，为灾害预警和应急管理提供支持。

湖泊水动力模型可以模拟湖泊中的径流过程，预测湖泊水位的变化和洪水的扩展范围，提前采取相应的措施来减轻灾害的影响。

湖泊水动力模型的参数识别和模拟结果验证也是研究的重要内容。

湖泊水动力模型的参数识别是确定模型参数的过程，需要采集湖泊的水文、水质和水动力数据，并通过参数优化算法确定最佳的参数值。

模拟结果验证是比较模拟结果与实际观测数据的一致性，评估模型的可靠性和适用性。

湖泊水动力模型的研究进展为湖泊水动力过程的理解和湖泊管理提供了重要的支持。

未来的研究可以进一步完善湖泊水动力模型的数学理论和计算方法，加强湖泊水动力模型与湖泊生态系统研究和灾害管理的整合，提高模型的准确性和可靠性，为湖泊的环境保护和可持续发展提供科学依据。