复式河道一维洪水演进数值模拟

复式河道水流特性数值模拟研究的开题报告一、研究背景及研究意义随着城市化进程不断加快，城市河道的治理也变得非常重要。

目前大部分城市河道的设计采用的都是复式河道，它不仅可以提高水环境质量，还可以起到缓解城市水logging等问题的作用。

然而，复式河道在设计时需要考虑更多的因素，如岸线、流速、流量等，以确保复式河道的稳定运行。

因此，进行复式河道的水流特性数值模拟研究，可以更好地了解复式河道在不同条件下的水流特性，为复式河道的设计和治理提供依据。

二、研究内容本研究将采用数值模拟方法，研究复式河道在不同条件下的水流特性，包括：1. 复式河道的几何形态和水动力学参数的建模与计算。

2. 复式河道的水流特性的数值模拟，并对比实测数据进行验证。

3. 分析不同复式河道参数对水流特性的影响，如岸线形状、宽度、深度、流量等。

4. 探讨复式河道的优化设计方案，提出针对性的治理建议。

三、研究方法1. 建立复式河道的几何模型，包括岸线形状、宽度、深度等参数。

2. 根据模型的几何形态和水动力学参数，建立水流模型，采用有限体积法等数值方法进行计算。

3. 对比模拟结果和实测数据进行验证，分析误差来源和改进方法。

4. 将不同参数进行组合，分析复式河道在不同条件下的水流特性变化，提出复式河道的优化设计方案。

四、预期结果研究预期可以得出以下结论:1. 复式河道的水流特性会受到不同设计参数的影响，如岸线形状、宽度、深度、流量等。

2. 可以通过数值模拟方法预测复式河道的水流特性，并与实测数据进行对比验证，为复式河道的设计和治理提供依据。

3. 可以提出复式河道的优化设计方案，减少水logging等问题的发生，提高复式河道的治理效果。

五、研究难点1. 建立复式河道的准确数学模型，包含复杂的几何形态和水力特性。

2. 采用数值模拟方法进行计算和分析，需要考虑多种物理条件的交互作用。

3. 实验数据的获取与验证，需要保障实验条件的一致性和可靠性。

六、论文结构1. 绪论：对复式河道的研究背景和意义进行介绍，提出研究的目的和意义。

基于MIKE21 FM模型的防洪区洪水演进数值模拟摘要：本文以梯形断面河道为背景，应用MIKE21 FM软件计算桥梁在防洪区洪水演进中，桥墩的雍水情况。

对比讨论了三种桥墩概化方式：桥墩作为陆地边界，桥墩网格内部不参与数值计算、不进行剖分；桥墩作为陆地边界，桥墩网格内部不参与数值计算、不进行剖分；关键词：MIKE21 FM模型；洪水演进；数值模拟MIKE21模型在近几年的应用中体现出精度高、稳定性强、计算效率高等优点，模拟结果具有合理性。

本次通过MIKE21 FM模型的模拟计算及结果分析，可以看出将桥墩边界作为陆地边界处理，内部不参与数值计算的方法，与实际情况较为吻合。

模拟结果具有参考性。

通过对比3种桥墩概化方式在MIKE21 FM中的模拟结果可知：一般情况下，修正局部糙率模拟结果偏小；修正局部地形模拟结果精确度在网格足够精细条件下，可以得出较好的模拟结果。

一、MIKE21 FM模型概述MIKE21 FM是丹麦水利研究所研发的一种平面二维模型，该方法以水动力研究为基础，进过了几十年的发展与改进，MIKE21 FM模型的应用己经成为一种比较成熟及普遍的洪水演进数值模拟模型。

三角形网格是MIKE21 FM模型的基础，网格剖分灵活多变是该方法的优点，可以实现对现实中弯曲多变的地形条件进行实际模拟[1]。

二、工程背景本次选用怀沙河为研究区域，所在流域为怀沙河流域，该流域总面积为175.2km2，其中平原为17.2 km2，怀沙河全长28.7公里。

河流发源于怀柔县沙峪乡南、北苇滩，经三岔村进入长城，后与响水湖支流汇合，形成的干流经沙峪、辛营，最后于城关乡凯甲村附近入怀柔水库。

沿河有多处泉水汇入。

年均流量4765万立方米。

1972年在口头村的洪峰达1751 m3/s。

考虑到MIKE21 FM在工程中已得到广泛的应用，并在洪水演进研究中模拟结果比较稳定，本文基于MIKE21 FM模型，就3种不同的桥墩概化方式：①桥墩视为陆地边界，桥墩内部网格不剖分，不参与数值计算；②桥墩处局部地形修正法；③桥墩处局部糙率修正法，通过增大桥墩处糙率值来模拟桥墩的阻水作用。

应用MIKE对河流一、二维的数值模拟的开题报告开题报告1. 研究背景和意义河流是一种重要的自然水文系统，对生态环境、水资源管理等方面具有重要的影响。

水文模型是研究河流水文过程和水资源管理的重要工具之一，而数值模拟则是水文模型中的重要手段，可以用来模拟河流的一些关键过程，例如洪水演进过程、水质变化过程等。

与传统的物理模型相比，数值模拟具有计算效率高、可靠性强、操作简便等优点，因此在河流水文研究和水资源管理方面具有广泛应用前景。

MIKE是一种常用的水文模型软件，可用于河流、湖泊、海洋等自然水文系统的模拟。

在MIKE软件中，一、二维模型能够准确地刻画河流、湖泊的流域形态、水文过程和水质变化等关键过程，特别是对于复杂的河流水文系统，二维数值模拟技术能够更加准确地描述洪水的演进和河道的冲淤变化，因此在河流水文研究和水资源管理方面具有广泛的应用前景。

2. 研究内容和目标本研究旨在运用MIKE软件对河流一、二维的数值模拟进行研究。

具体研究内容如下：1）构建河流一、二维数值模型，包括建立河流几何形态模型、确定水力参数、确定边界条件等。

2）验证数值模拟的准确性，采用实际河流的资料进行验证，通过对比实际观测值和数值模拟结果，评估数值模拟的可靠性。

3）利用建立的数值模型进行水位、流量、水质变化等关键过程的数值模拟，分析洪水时系数、流量和水位的变化规律，评估河流对环境的影响，为河流水资源的科学管理提供决策支持。

3. 研究方法本研究将采用系统的实验研究方法，具体包括：1）资料收集：收集实际河流的资料，包括地形、水文、水质等方面的观测数据。

2）数值模型构建：利用MIKE软件建立河流一、二维数值模型，包括参照实际河流的地形数据建立几何形态模型、确定水力参数和边界条件等。

3）模型验证：利用实际河流的资料进行模型验证，通过对比实际观测值和数值模拟结果，评估数值模拟的可靠性。

4）模型应用：通过建立的数值模型进行水位、流量、水质变化等关键过程的数值模拟，分析洪水时系数、流量和水位的变化规律，评估河流对环境的影响，为河流水资源的科学管理提供决策支持。

一维数字模拟在山区河道型水库溃坝洪水中的运用应凯;周斌;李双江【摘要】阐述了Saint-Venan方程差分求解山区河道型水库溃坝洪水的基本方法,说明了该方法在池芦水库溃坝洪水模拟的情况,并与传统概化抛物线法计算溃口流量过程进行了对比.对比结果表明该方法较传统溃坝洪水计算方法精度有所提高,可供设计同行参考.【期刊名称】《江西水利科技》【年(卷),期】2016(042)003【总页数】4页(P208-211)【关键词】洪水;溃坝;数值模拟;池芦水库【作者】应凯;周斌;李双江【作者单位】江西省南昌市水利规划设计院,江西南昌330009;广东省汕尾市水利水电规划设计院,广东汕尾516600;河南省三门峡市水利勘测设计有限责任公司,河南三门峡472000【正文语种】中文【中图分类】TV122+.4坝体溃决后，突然失去阻拦的水体以立波形式向前推进，其运动速度和破坏力远比一般洪水大，造成的灾害往往是毁灭性的，溃坝洪水的分析也是部分水利工程设计的一项重要内容。

溃坝洪水过程与水库蓄水容积、坝上、下游水位、溃决过程及坝址上、下游河道的两岸地形有密切关系。

工程设计中传统溃坝洪水的计算通常都是先用理论或经验公式计算溃口最大流量，再采用抛物线概化流量过程线，推求近似的溃坝洪水过程。

对于山区河道型水库，库区和下游河道断面狭窄，水流可近似视为一维流动，溃坝洪水可采用一维非恒定流(Saint-Venan方程)推算，方法并不复杂，精度较传统方法有一定的提高，可供设计同行参考。

池芦水库[1]拟建于黄河流域洛河水系支流永昌河上，坝址控制流域面积18.10 km2，是一座以灌溉、供水为主，兼有防洪任务的小(1)型水库。

池芦水库正常蓄水位616.00 m(黄海高程，下同)，兴利库容185.00万m3；水库设计洪水位618.00 m(30年一遇)、校核洪水位618.80 m(200年一遇)，总库容284.40万m3；死水位602.00 m，死库容38.50万m3。

永定河泛区洪水调度数值模拟李大鸣;王笑;赵明雨;张建中;刘思清;刘江侠【摘要】The one-dimensional and two-dimensional linkup model of many diversion entrances nested was put for-ward,which has independent river network computing with side discharging,and the mathematical model of one-dimensional river coupled with two-dimensional horizontal flood routing was established. Combining with the histori-cal flood investigation data,model validation was carried out on the evolution of Yongding river detention basins, and the results are basically consistent with the measured results. The proposed model was applied to the simulation of flood dispatching scheme in Yongding river detention basins,simulating the flood routing process under three work-ing conditions,that is,without the airport,after recent construction and after long-term construction. By analyzing and comparing the variation of flood level,detention volume,submerged area before and after the construction of the airport,the simulation results show that each flood diversion entrance opens earlier,that the opening order of Sifaxinzhuang village diversion entrance changes,and that higher water level,increment of flood diversion and variation of submerged areas have little effect on the dispatching scheme,indicating the feasibility of the airport con-struction. The study provides necessary parameters and basis for the flood damage assessment of flood inundation area and the amendment of corresponding dispatching scheme.%提出了具有旁侧出流的河网独立计算的一、二维多口门嵌套衔接模式，建立了一维河道嵌套于平面二维永定河泛区洪水演进水流数学模型。

中文摘要溃决预报和洪水演进预报是防洪减灾工作中基础性的内容，合理预报大坝溃决过程对于制定防御措施、保护下游人民生命财产安全具有重大意义。

本文提出了基于人工粘性的修正MacCormack数值格式，方法简洁，精度高且计算速度快，可用于一维溃坝波的模拟中；针对“5.12”四川汶川地震后可能的堰塞湖溃决次生灾害，应用所建立的瞬间溃决模型，为肖家桥、老鹰岩等多个堰塞湖和病险水库进行了不同溃坝工况下的洪水波演进计算，计算结果应用于实际应急方案的制定；建立了堰塞体溃口发展概化模型，描述堰塞体溃决过程中泄流槽在纵向、垂向以及侧向的发展过程，并和水动力学模型耦合建立了一维土水耦合计算模型，应用于唐家山堰塞湖的溃决过程模拟，合理预报了溃口最大流量及其出现时间，为唐家山堰塞湖的泄流除险和下游防灾减灾工作提供了计算依据。

关键词：溃决洪水演进堰塞湖溃口发展模型 MacCormack格式ABSTRACTForecast of dam breach and outburst flood routing is of fundamental work in flood defense and hazards prevention, which is essentially important for dealing with ill reservoirs and quake lakes. A modified numerical scheme with artificial viscosity based on the MacCormack predictor-corrected method was developed. This new scheme has its advantages including simple form, high precision, and good efficiency and was applied to simulation of 1-D outburst flood routing. Dam-break scenarios of barrier dams, caused by the “5.12” Sichuan Wenchuan Earthquake, were examined through using the 1-D flood routing model. The calculation results were adopted in establishing urgent action scheme to mitigate potential flood hazards from quake lakes. Meanwhile, a one-dimensional conceptual model for breach development was built up for predicting dam erosion processes in the longitudinal, vertical, and transverse directions. The breach process of the Tangjiashan barrier dam, the largest one formed in the “5.12” Sichuan Wenchuan Earthquake, was then simulated and reasonable predictions of critical parameters including peak discharge and its occurrence time were achieved. This contributes to effective emergency management of barrier dams for quake relief.Keywords：dam breach, flood routing, quake lake, breach developing model, MacCormack scheme目录第1章绪论 (1)1.1研究背景 (1)1.2研究现状 (1)1.2.1国内外研究现状 (1)1.2.2溃坝水流数值模拟研究进展[1-2] (2)1.2.3溃决过程研究[6] (4)1.3问题提出 (5)第2章一维溃坝洪水波的数值计算 (7)2.1控制方程 (7)2.2基于MacCormack的有限差分格式 (8)2.2.1MacCormack预测校正方法[4,8] (8)2.2.2修正的MacCormack预测校正方法 (9)2.2.3添加人工粘性的修正MacCormack预测校正方法 (10)2.3针对地形的特殊处理 (11)2.3.1非矩形棱柱形断面的处理 (11)2.3.2复合断面的处理 (12)2.3.3底坡源项的处理 (12)2.4经典算例验证 (13)2.4.1格式捕捉间断和处理虚假振荡 (13)2.4.2格式的精度比较 (15)第3章一维溃决过程数值模拟 (16)3.1溃坝侵蚀机理 (16)3.2溃口纵向、垂向的变形 (17)3.3溃口侧向展宽过程模拟 (19)3.4土水耦合计算 (21)第4章四川地震灾区堰塞湖应急计算 (23)4.1堰塞湖溃决应急计算的重要性 (23)4.2溃坝洪水演进计算 (24)4.2.1计算方法 (24)4.2.2唐家山溃坝洪水计算 (25)4.2.3肖家桥溃坝洪水计算 (28)4.2.4灌滩堰塞湖溃坝洪水计算 (32)4.2.5老鹰岩、灌滩串联堰塞湖相继溃洪水计算 (32)4.2.6莲花洞病危水库溃坝洪水计算 (36)4.2.7东河病危水库溃坝洪水计算 (39)4.3唐家山溃决过程模拟 (42)4.3.1流量过程预报 (42)4.3.2坝前相对水位变化 (43)4.3.3溃口型态分析 (44)第5章结论 (47)插图索引 (48)表格索引 (50)参考文献 (51)致谢52附录A 外文资料的调研阅读报告（或书面翻译） (1)第1章绪论1.1 研究背景我国是世界上建坝最多的国家，各种大坝为地区的社会经济发展提供了不可替代的清洁水源以及能源保证，同时也为区域的防洪安全提供了保障。

溃坝洪水演进一维水动力模型吕佳豪;侯精明;李东来;荆海晓;陈光照【期刊名称】《山地学报》【年(卷),期】2024(42)1【摘要】中国是受洪水灾害影响最严重的国家之一。

洪水数值模型可准确地反映洪水的演进与致灾过程。

本研究针对天然河道洪水过程存在的尺度大、水流流态复杂、河道断面形式多变以及计算建模困难等问题,提出一套基于Godunov格式的有限体积法离散圣维南方程组的一维水动力模型,并采用求解复杂断面水力要素之间关系的方法,提高了一维水动力模型求解的精度与效率,精确地反映了复杂断面河道的水流运动特性。

将模型模拟得到的数值解与算例中的解析解或实测数据进行对比,结果表明:(1)构建的一维水动力模型模拟结果与理想算例解析解及实验实测数据吻合程度均较高,所有算例的E NS均大于0.5,说明模型具有良好的稳定性和适应性;(2)将模型应用至金沙江白格堰塞湖溃坝洪水算例中,模拟得到的流量峰值及整体洪水过程均与实测过程吻合较好,在叶巴滩和苏洼龙两个测点处E NS分别为0.633和0.812,证明了模型在实际应用中的适用性与可靠性。

结果表明,开发的一维水动力模型对溃坝洪水等水流流态复杂、突发性强的洪水过程具有良好的模拟效果。

本研究可为河道及溃坝洪水风险的初步、快速评估等工作提供有效的模拟支撑。

【总页数】9页(P123-131)【作者】吕佳豪;侯精明;李东来;荆海晓;陈光照【作者单位】西安理工大学西北旱区生态水利国家重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TV133.2【相关文献】1.整体模型法在城市水库溃坝洪水演进数学模型研究中的应用2.平面二维数学模型在土石坝溃坝洪水演进中的应用3.溃坝洪水演进及溃坝水流对下游坝体冲击研究4.基于改进SPH模型的溃坝洪水演进模拟方法因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

武汉大学硕士学位论文一二维洪水演进数学模型研究及应用姓名：谢作涛申请学位级别：硕士专业：水力学及河流动力学指导教师：张小峰谈广鸣20030501 内容提要中国是一个水灾频繁的国家，上世纪末１９９８年长江、嫩江、松花江流域均发生了大洪水，给国民经济造成了重大损失。

为有效防御洪水，保证人民生命和财产及水利工程的安全，除大力加强堤防、分蓄洪区及河道整治等防洪基础设施建设外，水文预报等非工程措施也是必不可少的。

洪水演进是水文预报的重要研究课题之一，因此建立洪水演进模型，准确预报河段洪水传播过程，控制分蓄洪区运用，掌握河段洪水演进规律，对减少洪灾损失具有重要意义。

论文研究建立了一二维洪水演进数学模型，并将模型应用于长江荆江河段洪水演进计算及糯扎渡溃堰洪水计算中，主要内容如下：第１章介绍了洪水演进计算研究现状，对洪水演进计算的的主要方法包括水文学方法、水动力学方法等传统方法及人工神经网络等新方法均进行了叙述。

第２章对数值格式进行了初步探讨。

从一维对流方程的数值求解方法出发，针对Ｈｏｌｌｙ．Ｐｒｅｉｓｓｍａｒｍ格式，运用待定系数法对Ｈｏｌｌｙ．Ｐｒｅｉｓｓｍａｎｎ格式进行了改进，补充了流速为负时的Ｈｏｌｌｙ—Ｐｒｅｉｓｓｍａｎｎ格式，并在该格式基础上建立了新的计算保守型对流方程的数值格式。

第３章本章采用有限体积法建立了模拟洪水演进的一维数学模型及平面二维数学模型，并分别对一二维模型进行了精度分析，结果表明模型模拟洪水演进时具有较高精度。

第４章首先运用一维模型进行荆江干流洪水演迸计算，计算河段为长江宜昌至螺山河段。

严格讲应采用江湖联算的方法，但由于洞庭湖区地形复杂，河网交错，缺少地形资料，比较难以实现，有效的办法是将江湖分离只计算长江干流的洪水传播过程，将三口分流与洞庭湖城陵矾入流作为旁侧分汇流处理。

在１９９３年河道地形的基础上，根据１９９３年资料对模型糙率进行了率定，进一步对宜昌至螺山河段１９９６年、１９９８年大洪水过程进行了复演，复演结果表明模型能较好地模拟河段洪水传播过程。

燕子河流域洪水演进数值模拟
韩松;张威;王豪;刘玉玉;桑国庆
【期刊名称】《济南大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2024(38)1
【摘要】为了对中小河流流域洪水风险进行预测分析,以山东省临沂市燕子河流域为研究对象,利用水动力学模型对洪水演进进行数值模拟;采用MIKE 11软件建立一维水动力学模型,分别模拟洪水重现期为5、10、20、50、100 a的河道洪水演进
过程;利用MIKE 21软件对燕子河防洪保护范围构建二维模型;利用MIKE FLOOD
软件侧向耦合一、二维模型,模拟不同洪水重现期洪水从河道漫溢至岸边的演进过程,对模拟结果进行分析,得到洪水的淹没范围、水深、流速等信息。

结果表明:洪水重现期为5、10、20、50、100 a时洪水淹没范围分别为0、4.09、7.59、13.87、18.44 km^(2),最大淹没深度分别为0、4.56、5.46、6.20、6.49 m,洪水最大流速分别为0、3.04、3.58、3.98、4.70 m/s;罗庄区西陆庄村、为儿桥村以及兰陵县
西庄村、松山东村等村落为淹没风险较大区域。

【总页数】10页(P68-77)
【作者】韩松;张威;王豪;刘玉玉;桑国庆
【作者单位】济南大学水利与环境学院;山东省水旱灾害防御中心
【正文语种】中文
【中图分类】TV877
【相关文献】
1.基于Mike模型珲春河洪水演进数值模拟
2.吉林省饮马河洪水演进数值模拟研究
3.塔里木河干流上游洪水演进规律分析与数值模拟
4.长江中下游河湖洪水演进的数值模拟
5.共渠西蓄滞洪区洪水演进数值模拟研究——以海河“23·7”流域性特大洪水为例
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河道、滞洪区洪水演进数学模型李大鸣;林毅;徐亚男;周志华【摘要】采用有限体积法建立了适应河道、滞洪区复杂情况的洪水演进一、二维衔接数学模型.构造了适合河道洪水计算的一、二维河道型网格和滞洪区二维地面型网格,网格具有多点、多面,既镶嵌又衔接的特点.阻水建筑物对洪水演进速度影响较大,所以,将其模化成特殊通道,提出了洪水演进过程中渗流所造成的水体损失的计算模式.将该模型应用于大清河滞洪区,讨论了洪水边界条件,确定了模型糙率,率定了模型渗流参数.结合大清河"96.8 实测洪水资料"进行了洪水演进数值模拟,分别对河道的水位、流量和滞洪区来水时间进行了模型验证,验证结果基本吻合.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2009(042)001【总页数】9页(P47-55)【关键词】滞洪区;洪水演进;一、二维衔接数学模型;有限体积法;渗流【作者】李大鸣;林毅;徐亚男;周志华【作者单位】天津大学建筑工程学院港口与海洋工程教育部重点实验室,天津,300072;天津大学建筑工程学院港口与海洋工程教育部重点实验室,天津,300072;天津大学建筑工程学院港口与海洋工程教育部重点实验室,天津,300072;天津市水利科学研究所,天津,300061【正文语种】中文【中图分类】TV122为了防御洪水的侵袭，减小洪水造成的危害，适时疏导洪水运动路径，研究洪水运动规律是十分必要的．随着计算科学的发展，滞洪区洪水演进模型已成为防洪减灾保障体系理论的重要组成部分和强有力的分析工具．洪水演进数值模拟是掌握洪水演进规律的重要方法之一．Cunge[1]应用改进的马斯京根方法模拟河道洪水演进．Akanbi等人[2]使用有限元法模拟洪水波在干河床上的演进．Caleffi等人[3]采用二维浅水方程对 Toce河的洪水演进进行了模拟．刘树坤等人[4]用有结构网格对小清河分洪区洪水演进进行了模拟．王船海等人[5]用有限体积法对行蓄洪区洪水演进进行了研究．周孝德等人[6]用二维洪水演进的隐式差分模型，对君山滞洪区进行洪水演进的模拟计算．李大鸣等人[7]用有限元质量加权集中法计算河道二维洪水演进．曹志芳等人[8]在洪水干涸河床模拟中采用有限差分法的逆风格式离散控制方程．槐文信等人[9]对于非规则区域的二维非恒定流，采用了曲线坐标系下的有限分析法离散数值格式进行了数值模拟．谢作涛等人[10]从求解一维对流方程的Holly-Preissmann格式出发，结合有限差分法建立了一维洪水演进数学模型．河道、滞洪区洪水演进计算的难点在于对洪水运动的连续过程和多方向洪水遭遇所产生的相互影响进行研究，特别是滞洪区内铁路、公路、河流、堤防、水闸和各种防洪措施的使用，对适用于河道计算的圣维南方程组、整体求解的有限元或差分方法也提出了新的要求．鉴于滞洪区洪水演进具有干涸床面、不连续地面流和河道与洼淀多点水量交换的特征，采用无结构不规则网格的有限体积方法对模拟区域进行剖分计算，真实反映地形地物特点，描述点与点、点与面和面与面的洪水演进和交换过程，对不同情况的洪水和复杂的地形，能够更灵活地进行洪水计算和行洪控制，具有明显的优越性．笔者采用有限体积法建立河道、滞洪区洪水演进的一、二维衔接数学模型．针对滞洪区的复杂地形和防洪工程的情况，形成了与之相适应的河道型网格与洼淀地面型网格既镶嵌又衔接的多点、多面可进行有条件连接的模型网格．根据不同的洪水情况，如在河道来水较少的情况下，可单独对河道进行行洪控制．而在遇到汛期较大洪水的情况下，由于河道蓄满，为保证下游河道和城市的安全，需要运用滞洪区分洪、滞洪的时候，可以把一、二维河道同二维滞洪区地面衔接起来，考虑铁路、公路、河流、堤防、水闸和各种防洪措施的使用，进行分洪和滞洪计算，形成河道型网格与地面型网格多点连接的河道滞洪区洪水演进数学模型．1.1 基本控制方程1）二维非恒定流基本方程连续方程动量方程式中：h为水深；z为水位，z = z0 + h，z0为底高程；q为源汇项，M、N分别为 x、y方向上的单宽流量，且M = hu，N = hv；u、v分别为 x、y方向上的平均流速；n为糙率；g为重力加速度．2）一维非恒定流基本方程连续方程动量方程式中：Q为截面流量；A为计算断面的过水面积；Sf为摩阻坡降．1.2 有限体积离散按照有限体积法网格布置方式，单元网格为控制体，在网格中心处计算水深h，在网格周边通道计算流量Q．应用水量平衡原理，控制体每一边的法向通量沿环路积分与控制体内的蓄水量平衡．周边通量由相邻控制体形心水位比降所形成的流量来确定（见图 1）．时间层面的计算采用单元、通道交错计算方式（见图2）．1．2．1 连续方程的离散1）地面型、河道型单元地面型单元指不过水单元，是对地面、道路、田野、山地的模化；河道型单元是对河流、一级河道的模化．地面型单元有从有水到无水的过程，而河道型单元始终有水．地面型单元和河道型单元均采用式（6），但地面型单元应考虑下渗流量，包含在式（6）中的 qi项中．式（1）沿环路积分后离散为式中： Hi为第i个网格的单元模化水深； Ai为第 i个网格的单元面积；Lik为 i号网格的第 k号通道的长度； Qik为i号网格的第k号通道的单宽流量；iq为第i 个网格的抽排水量；t为起算时刻；dt为时间增量．2）特殊通道单元特殊通道是指窄河道型通道，模型中将其模化为线性单元来处理．式中： Hd、 Ad分别为特殊单元的平均水深和面积；分别为沿线性单元的流量及线性单元侧通道与网格间交换的各流量之和；qd为特殊单元的源汇项；b为通道宽度；L为通道长度．1．2．2 动量方程的离散控制体周边通量计算依赖河道或滞洪区内各种地形条件，如铁路、公路、桥涵、潜堤、堤防、水闸等建筑物情况，对不同类型的通道模型应用不同的理论模式进行横化，如地面型通道、河道型通道、连续堤防、缺口堤防、各类闸门等．通道主要模化为4种情况.（1）浅水地面型通道，即通道两侧单元为陆地且水深小于 0.5 m，通道上没有堤防等阻水建筑物．考虑到滞洪区内的地形起伏不大，地面洪水演进主要受到重力和阻力的作用，忽略掉加速度项，利用差分方法离散得到地面型通道的动量离散方程式中和分别为通道两侧单元的水深；sign为符号函数，表示 Qt+dt的正负与(Z− Z)的正负相j 同；dLj为相邻单元形心到通道中心的距离之和．（2）深水地面型通道或宽河道型通道，即通道两侧单元为陆地且水深大于0.5 m，或通道两侧网格均为较宽的河道型网格，通道为过流断面．动量方程沿通道法线方向离散为式中：V和 V分别为通道两侧单元中心沿通道法线的投影速度；H j为通道上的平均水深．（3）窄河道型通道，对于滞洪区内宽度较小的河流，不便于将其划分成独立的单元网格，也不能忽略不计，为了方便计算，模型中将其模拟成具有深度和长宽尺寸的线性单元，以反映水流沿河而流以及河道与两侧陆地之间水量交换的现象．如果通道两侧有阻水建筑物，可以将其设为堤防．沿河道动量方程离散为特殊通道与两侧网格之间的流量计算，采用宽顶堰流公式[11]，即式中：m为流量系数；σs为淹没系数．（4）闸门型通道，行洪闸门通道的开启与关闭依赖于洪水调度条件，防潮闸的开启与关闭通过河道水位与海区潮位的差值来调节，闸门过流量由流量和闸上、闸下水位关系曲线确定．1.3 洪水期模型渗流量的计算由于滞洪区常年干枯，当洪水流入洪区，会有一部分洪量下渗损失，因此滞洪区的洪水演进应考虑洪水期渗流的影响．采用微元体的方法推导渗流量公式．在地表面与地下水位或不透水层之间，土壤孔隙是填充下渗水流的主要体积．在下渗表面积下取地表与地下水位或不透水层之间的体积为控制体推导下渗流量公式．控制体见图3．水流下渗是通过地表裂隙渗透到控制体中，在不考虑与周围孔隙在水平方向上的水量交换情况下，考虑垂向渗流体积变化与土壤饱和度之间的关系．根据土壤饱和度定义得到饱和度增量与孔隙中水体增量之间的关系为式中：S为地表至地下水位间的平均饱和度；VS为地表至地下水位间的含水体积；A为微体面积；m为地表裂隙率；εm为地下孔隙率；h为地下水深度；k20为渗透系数．将式（12）化简、积分并代入初始时刻土壤饱和度 S0，得由含水量定义和土壤颗粒密度的关系得式中：ω为地表至地下水位间的平均含水量；V为地表至地下水位间的控制体体积；VK为地表至地下水位间的孔隙体积；ρS为水的密度；ρd为土壤颗粒的干密度；ρT为土壤颗粒的天然密度．下渗流量为饱和度与含水量间的关系为将初始饱和度 S0替换为初始含水量ω0，则下渗流量为得到单位面积渗流流量公式孔隙率参考沙玉清《泥沙运动力学引论》[12]中最大、最小孔隙率公式计算得式中：εmax 为最大孔隙率；εmin 为最小孔隙率；d为土壤粒径．2.1 大清河计算域情况简介天津市南部大清河流域位于海河流域的中部，是海河流域防洪的重点地区，在历次较大洪水总量比重上，都占 30%～50%，是对天津市威胁最大的主要河系．总流域面积为4.513 1×104km2，山区1.88×104km2，丘陵0.265,5×104km2，平原区2.367×104km2．大清河滞洪区中的 5洼是指东淀、文安洼、贾口洼、团泊洼、北大港．5洼以中亭提为界，东以独流减河右堤为界，南以子牙河左堤为界，面积为7×103km2．2.2 网格的剖分河道型网格与地面型网格多点连接的河道滞洪区洪水演进数学模型网格剖分的最大特点是把河道和滞洪区进行独立剖分．其中，河道型一、二维网格是把河网按照河流的宽度概化处理，较宽的河道概化成二维河道单元，较窄的河道概化成一维河道线性单元，河道过流面积随水位升降而变化，形成了一、二维衔接的河道运算模式（见图4）．对于滞洪区内地面型二维模型网格剖分，首先采用正方形网格对计算域覆盖的最大矩形范围进行网格自动划分，依照各洼淀分洪前各自独立、行洪时根据调度条件相衔接的地形特点，用洼淀控制边界来切割正方形网格，生成与复杂地形较吻合的边界网格，并消除计算域外网格，自动整理单元、通道、节点信息．考虑铁路、公路、堤防等延伸较长的建筑物阻水和对水流形态的影响，用穿越模型计算区域的铁路、公路、堤防切割域内单元，并适当增减单元、通道和节点，自动修整计算信息．县城和具有高围堰的大面积村镇可以按堤防处理，小面积低高程村镇用修正单元高程和糙率的方法处理．最后将一、二维河道同二维洼淀放置在同一坐标系中，形成河道型网格与洼淀地面型网格既镶嵌又衔接的多点、多面可进行有条件连接的洪水演进计算模型网格（见图5）．2.3 边界条件1）入流边界条件（1）新盖房来水：代表大清河北支来水，最大流量 5 000 m3/s，多余部分向兰沟清分洪，包括中易水、北易水、南、北拒马河、小清河及永定河向小清河分洪的水量．（2）枣林庄泄水：是南支来水的一部分，包括潴龙河、唐河、府、漕、瀑萍和孝义河来水经白洋淀调蓄后下泄水量．（3）小关分洪：是南支来水经白洋淀调蓄后，枣林庄闸来不及下泄的那部分洪水．500年一遇最大分洪量达18 882 m3/s．（4）清南沥水：本地区降雨沥水（547 m3/s）．2）出流边界条件5洼洪水经行洪河道的出路有 2个：① 从西河闸入海河干流，通过海河闸入海；② 经独流减河进洪闸入独流减河，通过工农兵防潮闸入海．本次计算按现状和设计两种情况．（1）现状：按河道现状过流能力，其中独流减河2 000 m3/s，西河400 m3/s；（2）设计：尾闾泄量按治理后考虑，其中独流减河3 600 m3/s，西河400m3/s．3）一、二维衔接处边界条件一、二维衔接处物理量的传递关系为水位相等，即z = z1 = z2，流量连续，即2.4 糙率本模型在确定河道糙率时，考虑了各河道的特征和历史资料，得到模型范围内河道糙率值（见表1）．在新盖房分洪道和独流减河各河段上，采用主槽和边滩糙率的综合糙率[13]，即中：n为糙率；χ为湿周；无下标表示综合糙率，下标z表示主槽值，下标b表示边滩值．2.5 渗流参数的选取为配合洪水运动时期的模型渗流计算，在主要行洪区东淀采取土样进行实验室分析，以获得渗流参数的选取依据．2004年6月在东淀选取3个土样，取土位置分别为1号试样在台头附近、2号试样在左各庄附近、3号试样在东杨庄附近，实验室分析的渗透系数和含水量等主要结果见表2和表3．3.1 一维河网洪水演进模型的验证一维河道水流模型的验证主要采用1996年7月31日至 9月 11日大清河水情资料和洪水调度方案中近似边界条件验证河网模型．上游控制流量，下游控制水位，对台头、进洪闸、西河闸、二道闸4个地方进行计算验证．在验证过程中适当地调整了水力参数，并且把河道沿途的泵站模化加入到计算模型中，充分考虑泵站和不确定排水在河道洪水演进中的入汇作用．图 6和图 7分别是独流减河进洪闸的流量和水位的实测值与计算值比较图．4个验证点的最大流量的实测值与计算值见表4．3.2 二维滞洪区洪水演进模型的验证二维滞洪区洪水演进模型的验证主要通过对东淀来水过程进行数值模拟，进而对东淀来水时间进行验证．1996年8月份洪水主要自大清河北支新盖房分洪道流入东淀，于 8月 5日 17时开始下泄，洪水进入东淀后，推进速度相当缓慢，8月7日11时到达新镇，8月8日晨7时到达苏桥，8月12日20时到达廊大公路（胜芳），8月13日20时到达我市境内台头镇，8月17日6时到达第六堡．根据现有的 1996年 8月份洪水实测资料，从 8月5日17时开始推算，经过模型的调试计算，得到了东淀洪水来水时间与实测资料的比较结果（见表5）．图8～图12为模拟1996年8月份洪水过程的东淀内各点来水水深分布．为了尽快排除东淀内滞洪量，为恢复农业生产创造条件，8月 19日至 22日在我市境内先后破除 4个口门向大清河和西河泄水，最大出流量达到 350 m3/s．计算结果与实测值基本吻合．所建立的河道、滞洪区洪水演进数学模型可以较好地模拟复杂流域的洪水演进过程．考虑了窄、宽河道以及洼淀等不同情况的嵌套和衔接，构造了适合河道洪水计算的一、二维河道型网格和滞洪区二维地面型网格，具有多点、多面，既镶嵌又衔接的特点．考虑了渗流对洪水期模型水量损失的影响，计算渗流量，从而使得模型验证更为符合实际，具有一定的理论意义和较好的应用价值．［1］ Cunge J A. 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一维模型模拟局部溃坝洪水方法的合理性验证
杨芳丽;谢作涛
【期刊名称】《中国农村水利水电》
【年(卷),期】2013(0)1
【摘要】用一维非恒定流数学模型进行局部溃坝水流模拟计算时,由于坝址断面的水流存在间断,溃口处的流量不能通过模型本身算出,须引用水力学中的堰流流量公式。

为验证宽顶堰流流量计算公式用于局部溃口流量过程计算的合理性,采用平面二维数学模型对其进行了验证计算。

一维数学模型与二维模型计算得到的溃坝流量过程符合良好,流量峰值差值在5%以内,与局部溃坝坝址最大流量计算经验公式结果也很接近。

表明一维数学模型模拟局部溃坝时,溃口断面处的流量采用一般宽顶堰流量计算公式是可行的。

【总页数】5页(P90-93)
【关键词】局部溃坝;溃坝洪水;堰流公式;一维模型;二维模型
【作者】杨芳丽;谢作涛
【作者单位】长江航道规划设计研究院;长江水利委员会长江勘测规划设计研究院【正文语种】中文
【中图分类】TV122.4
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