当前位置：文档之家 › 河网水流数值模拟方法研究

河网水流数值模拟方法研究

  • 格式：pdf
  • 大小：118.32 KB
  • 文档页数：4

河网水流数值模拟方法研究

吴作平1,杨国录1,甘明辉2

(11武汉大学水利水电学院,湖北武汉　430072;21湖南省水利厅,湖南长沙　410007)

摘要: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。

关　键　词:河网;概化;节点;数值模拟中图分类号:TV13312 文献标识码:A 文章编号:100126791(2003)032350204

收稿日期:2002201210;修订日期:2002206230作者简介:吴作平(1969-),男,湖北咸宁人,武汉大学博士研究生,主要从事流域水、沙、电调度和河流数值模拟方面的研究。E2mail:wzp710@sina1com我国大型湖泊众多,如洞庭湖、鄱阳湖、太湖等。这些湖泊,往往与许多河流交织在一起,形成复杂的河

网。例如洞庭湖,北有松滋、藕池、太平三口分泄长江来水来沙,西南有湘、资、沅、澧四水入汇,入湖水沙

经调蓄后,由城陵矶注入长江。湖区内河道、湖泊众多,有些河道,中、小水时为河,而大水时则与其它河道

一起形成湖泊。河道相互交错,在有的交汇处,汇流河段多达6条(如南咀),多数情况下为3～4条。交汇范围

大小不一,整个湖区形成一个复杂的河网体系。

由于河网中各河段纵横交错,相互干扰,在实测资料不足或难以取得的情况下,对各单一河段的计算就显

得较为困难。为了研究湖区的淤积情况,以往通常采用地形图套绘的方法计算淤积分布,或者根据进、出湖区

的水沙过程计算总淤积量,前者受到地形图资料不易取得及时间间隔长的影响,后者则难以得到淤积分布情

况。本文用数值模拟的方法,力图建立一个适用于各种类型河网的水流计算的数学模型,为湖区的水情预报、

洪水调度以及淤积计算提供条件。

1　模型的建立

111　河网的概化迄今,任何模型都只能模拟经过概化的原型,河流模型也不例外。对复杂河网的概化,应注意两点:(1)河网的概化　在河网的概化中,应根据地形条件及水流情况,着重考虑主要的河道,那些水量较小,对整个河网影响不大的短小河段或不予考虑,或与其它河道结合考虑。

(2)节点的概化　河网模拟中,节点的概化决定河网计算成果的准确程度。实际计算时可采用几何原则,根据河道交汇范围的大小来定。当该范围大于某一数值时,则将其视为堰泽或湖泊,否则将其作节点考虑。

一般河网都可概化为如图1所示的网络,图中的每条线既可代表单一河段,也可代表湖泊,而每个交汇点

既可代表河网中的节点,也可代表湖泊。需要说明的是,图中线段的方向仅代表水流在初始时刻的方向,在实

际河网中可能出现的逆流、倒灌的反向流情形,仍可用图1概化,但在建立模型的过程中,应考虑这种情况。

112　单一河段水流模型[1,2]

采用一维、非恒定、非均匀模型。

(1)基本方程　水流连续方程 5A5t+5Q5x=ql(1)第14卷第3期2003年5月 水科学进展ADVANCESINWATERSCIENCEVol114,No13 May,2003　

© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 水流运动方程5Q5t+55xQ2A+gA5h5x+=gA(ib-if)+ulql(2)

式中　A为过水断面面积;Q为流量;h为断面水深;ib、if分别为河床比降及水力比降;ql、ul分别为源汇

流的单宽流量和流速;g为重力加速度。

(2)差分格式与差分方程[3]　采用Preissman格式将水流连续方程和运动方程按格式离散并线性化[2],得:αjΔZj+1+bjΔQj+1=cjΔZj+djΔQj+tj(3)

α′jΔZj+1+b′jΔQj+1=c′jΔZj+d′jΔQj+t′j(4)

式(3)和式(4)中,aj、bj、cj、dj、tj和a′j、b′j、c′j、d′j、t′j为系数,其值与第n时刻断面j和j+1的值有关。

河网计算中,单一河道的计算不用单独提边界条件,而是考虑每条河道的连接情况,即河网内联结条件。

113　河网模型在经过概化的河网中,对每个内节点及边界节点,应满足以下条件:(1)水流连续性条件　即进、出节点的水量相等,可表示为

6l(m)

i=1Qi-Qcx=Qm(5)

化为增量形式为

6l(m)

i=1ΔQi-ΔQcx=ΔQm(6)

式中　l(m)为某节点连接的河段的数目;Qi、ΔQi为各河段进(或出)节点的流量及增量;Qm、ΔQm为连结河段

以外的流量(如源汇流等)及增量;Qcx为节点槽蓄量;ΔQcx为槽蓄量增量,与节点的面积Ajd,水位增量ΔZ及时间步长Δt等因素有关,可近似由式ΔQcx=AjdΔZ/Δt来计算,当节点可以概化为几何点时,Qcx、ΔQcx为0。

(2)动量守恒条件[4,5]　认为连接节点各河段的端点水位及增量与节点的水位及增量相同,可采用下式表

示:

Zi,1=Zi,2=……Zi,l(m)=Zi(7)

ΔZi,1=ΔZi,2=……ΔZi,l(m)=ΔZi(8)

式中　Zi,1、ΔZi,1分别为与节点相连的第1条河段近端点的水位及增量,Zi、ΔZi分别为节点i的水位及增量,其

余符号意义类似。

联立求解差分方程(3)及方程(4),通过内消元,将未知量集中在各节点上,结合河网各节点的流量和动量

守恒条件,可得到河网节点方程组:

A3ΔZ=B(9)式中　A为系数矩阵,其各元素与递推关系的系数有关;ΔZ为节点水位增量;矩阵B中各元素与河网各河段

的流量及其增量,以及其它流量(如边界条件、源、汇等)及其增量有关。

边界条件的提法:在河网计算中,不应对每一条单一河道单独提外边界条件。整个河网的外边界条件为:①进入河网的流量过程;②河网总汇出点的水位过程。

根据对河网边界条件分析可知,河网总汇出点的节点方程中,其未知量应为节点流量增量。而水位增量为

已知条件。

求解式(9),可求出河网各节点的流量、水位增量,进而可推求出各河段各计算断面的流量和水位的增量。

2　模型的验证

为检验模型的正确性,以长江中游荆江—洞庭湖水系为例。荆江洞庭湖河网概化图如图1。

洞庭湖位于长江中游荆江南岸,跨湘、鄂两省。湖区总面积约18780km2,它对调蓄长江洪水,

保护长江中游及武汉市起着十分重要的作用。153　第3期吴作平等:河网水流数值模拟方法研究

© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net洞庭湖是一个复杂的水系,其北面依次有松滋、太平、藕池三口分泄长江来水来沙,西面和南面有湘、

资、沅、澧四水入汇。另外,湖区周围还有汨罗江、新墙河等中小河流直接入湖。以上来水来沙经湖泊调蓄

后,由城陵矶注入长江[6]。

由于洞庭湖来水来沙情况复杂多变,湖区内湖泊众多,河道交织。因此在数值计算时,首先要对其进行概

化。概化过程中考虑的主要因素包括:地形条件,河流交汇情况及河网中各湖泊、堰泽的分布等。本文对湖区

中有众多河道汇合的交汇处如杨家档、小河口、南咀、北景港等,由于交汇范围不大,故将其概化为节点(即

不计交汇范围内的槽蓄、水位差及淤积等),将七里湖、目平湖、南洞庭湖及东洞庭湖作为湖泊型河道考虑,如

图2中虚线部分所示,其中目平湖、南洞庭湖和东洞庭湖又根据河道的入汇情况分为2～3段河道。

图2　荆江洞庭湖河网概化图Fig1

2RiversystemrecapitulationoftheJingjiang2Dongtinglake图1　河网网络示意图Fig11Sketchoffluvialmeshwork

洞庭湖区的河道和湖泊地形资料采用1995年的实测资料,荆江河段由于缺乏相应资料,枝城至沙市段采

用1993年地形资料,沙市至螺山段采用1998年地形资料;进口中四水流量采用1997年6月15日至9月2日的

实测值,由于缺乏枝城站实测资料,计算中用宜昌站同期实测流量资料代替(包括长江本年度最大的洪水过

程);出口(螺山站)控制水位则采用相应时段的实测值。长江干流各断面的糙率采用0102,洞庭湖区各河段糙

率相差较大,经率定和参考有关资料,除河段南嘴-注滋口、杨家档-七里湖采用0104,七里湖-目平湖(即

澧水洪道)、小河口-南嘴采用0103外,其余均取01025。

采用螺山站同期实测流量和监利站同期实测水位资料进行验证,其结果如图3、图4所示。

由图3、图4可看出,模型计算值与实测值吻合较好,其中监利站的计算水位与实测值的吻合更好;整个

洪水过程,不管是流量还是水位,计算值与实测值的波形较为吻合,但是在流量(水位)的波峰及波谷处,模拟

情况相对差一些,其中在波峰处计算值偏大,而在波谷处则相反;第1次洪峰的模拟情况稍差。同时在退水期

(图4中第51～59d),螺山站流量的计算值小于实测值,差值较大,而监利站水位在退水期的吻合情况相当好。分析其原因,主要由于洞庭湖区四大湖泊、堰泽、圩垸及河道对四水及长江入湖水流的调蓄作用在模型中尚未

得到充分的体现。在退水期,螺山站流量由于洞庭湖调蓄作用的影响,洪水的退落速度,必然比没有湖泊调蓄

时小。而监利站由于不受洞庭湖调蓄作用的影响,计算水位与实测值吻合较好。另外,地形概化及实测资料的

不配套所带来的影响也不容忽视。在对洞庭湖进行数值模拟计算时,如何处理众多湖泊、堰泽、圩垸及河道调

蓄作用的影响,是一个非常关键的问题。鉴于洞庭湖区域的复杂性,这方面的研究仍有待深入。253水科学进展第14卷

© 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net图4　1997年6月15日～9月2日螺山站实测流量与计算值比较Fig14ComparisonofcalculatedandobserveddischargeinLuoshanindurationonJune15～September2in1997图3　1997年6月15日～9月2日监利站实测水位与计算值比较Fig13ComparisonofcalculatedandobservedlevelinJianliindurationonJune15～Septemer2in1997

3　结 语

从研究河网中各河段间的相互连接关系出发,通过节点方程,由单一河段的非恒定非均匀水流数值模型,建立了可应用于整个河网的计算的数值模型,并采用地形情况复杂的荆江—洞庭湖水系进行了验证,计算结果

与实测资料吻合较好。运用此模型,在河网的外边界条件(即进入河网的流量过程和河网总汇出点的水位过程)已知的情况下,即可计算出河网中各河段各计算断面的水流各要素,在使用上较为方便,可广泛应用于洪水预

报、蓄滞洪区调度等领域。同时所建模型的理论基础和方法也是成熟和严谨的,因此具有较好的适用性。

河网中河道交汇处的水沙条件是相当复杂的,作为湖泊或堰泽考虑的交汇处,采用二维模型与一维模型嵌

合集下载

一维河网嵌套二维洪水演进数学模型应用研究

一维河网嵌套二维洪水演进数学模型应用研究

第４２卷第１期　２　０　１　１年１月　人　民　长　江　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｒｉｖｅｒ　Ｖｏ１．４２，Ｎｏ．１　Ｊａｎ．，２０１１　

文章编号：１００１—４１７９（２０１１）０１—００５９—０４　

一维河网嵌套二维洪水演进数学模型应用研究　

杨芳丽　，张小峰２，张艳霞。　

（１．长江航道规划设计研究院航道一所，湖北武汉４３００１０；　２．武汉大学水资源与水电工程国家重点实验室，　湖北武汉４３００７２；　３．湖北省水利厅，湖北武汉４３００７２）　

摘要：建立了一维河网嵌套平面二维洪水演进数学模型，并以长江干流螺山一汉口河段和汉江支流东荆河水　系作为应用对象，对该地区分蓄洪区调度方案进行模拟。对东荆河分洪民垸、杜家台分蓄洪区等实施分洪后　汉江、长江干流洪水位变化和各分洪区进洪后洪水演进、淹没过程进行了初步模拟。结果表明，分洪对降低距　分洪闸较近的分洪口门河道水位最为明显，对下游水位也有较明显的降低效果，但对上游水位影响较小，同时　也表明模型构建合理、运用方便、稳定性好，符合实际物理过程，具备推广应用价值。　

关　键　词：一维河网；数学模型；洪水演进；分蓄洪区；洪水调度　中图法分类号：ＴＶ８７　文献标志码：Ａ　

我国存在众多河网交错的水系，比如长江洞庭湖、　

珠江三角洲等地区，这些地区洪水期水流在河道、分蓄　

洪区和湖泊内运动，水流流态复杂，水流方向不定，并　

可能还受到堰、闸等建筑物的影响。研究洪水在河道、　

湖泊、分蓄洪区的演进过程是一项重要而复杂的工作，　

对防洪决策能起到一定的参考作用。河网水流模型是　

该地区防洪调度的主要技术手段，一维河网模型能从　

整体上模拟河网中各河段断面水力要素（流量、水位　

等）随时间变化过程，对于分蓄洪区洪水演进，则需要　

在平面二维洪水演进模拟的基础上，掌握分洪区洪水　

淹没历时、淹没深度、流场分布等情况，才能制定相应　

的分洪调度方案。因此，为获取更多的信息，需采用一　

维河网嵌套平面二维洪水演进模型的手段来进行研　

洪泽湖中低水位下泄流能力数值模拟

洪泽湖中低水位下泄流能力数值模拟

第38卷第5期Vol．38No．5水　资　源　保　护WaterResourcesProtection2022年9月Sep.2022

基金项目:国家自然科学基金(51779074);江苏省水利科技项目(2019031);安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2019A1279)

作者简介:

薛联青(1973—),女,教授,博士,主要从事环境水文及生态水文研究。E-mail:lqxue@DOI:10．3880/j.issn．10046933．2022．05．005

洪泽湖中低水位下泄流能力数值模拟

薛联青1,2,成　诚1,汪　露3,张　敏3,张　开3

(1.河海大学水文水资源学院,江苏南京　210098;2.皖江工学院水利工程学院,安徽马鞍山　243031;3.江苏省洪泽湖水利工程管理处,江苏淮安　223100)

摘要:为研究淮河中下游发生中小洪水时洪泽湖的泄流能力,建立淮河蚌埠至洪泽湖出湖口三河闸

段一二维耦合水动力模型,模拟分析了重点河段切滩对洪泽湖中低水位下泄流能力的影响及切滩

前后的流域行洪过程。结果表明:在5年一遇洪水过程下,洪峰时刻淮河干流蚌埠、临淮关、香庙、

浮山和洪山头等水文站水位较切滩前分别下降0．02m、0．07m、0．21m、0．55m和0．70m,漫滩时间

分别减少1d、4d、9d、9d和17d;洪泽湖三河闸站水位最高值为13．33m,相比切滩之前升高0．07m,湖泊对应的下泄流量为8300m3/s,较切滩前增大800m3/s,泄流能力提高11%。

关键词:行洪模拟;泄流能力;切滩工程;漫滩时间;水动力模型;洪泽湖

中图分类号:TV213．4 文献标志码:A 文章编号:10046933(2022)05003207

NumericalsimulationofdischargecapacityundermiddleandlowwaterlevelsofHongzeLake∥XUELianqing1,2,CHENGCheng1,WANGLu3,ZHANGMin3,ZHANGKai3(1.CollegeofHydrologyandWaterResources,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.SchoolofHydraulicEngineering,WanjiangUniversityofTechnology,Maanshan243031,China;3.JiangsuHongzeLakeWaterConservancyProjectManagementOffice,Huaian223100,China)Abstract:InordertostudythedischargecapacityofHongzeLakeinthemiddleandlowerreachesofHuaiheRiverduringmediumandsmallfloods,aone-dimensionalandtwo-dimensionalcouplinghydrodynamicmodelwasestablishedfortheSanhezhasectionfromBengbuofHuaiheRivertotheoutletofHongzeLake.TheimpactofkeyriverreachescuttingbeachondischargecapacityundermiddleandlowwaterlevelsofHongzeLakeandtheflooddischargeprocessinwatershedbeforeandaftercuttingbeachweresimulatedandanalyzed.Theresultsshowthatunderthefive-yearfloodprocess,thewaterlevelofBengbu,Linhuaiguan,Xiangmiao,FushanandHongshantouhydrologicstationsinthemainstreamofHuaiheRiverdecreasedby0．02m,0．07m,0．21m,0．55mand0．70m,respectivelyaftercuttingbeachduringthefloodpeakperiod,andthefloodplaintimedecreasedby1day,4days,9days,9daysand17days,respectively.ThemaximumwaterlevelofSanhezhaStationinHongzeLakewas13．33m,whichwas0．07mhigherthanthatbeforecuttingbeach.Thedischargevolumecorrespondingtothelakewas8300m3/s,whichwas800m3/shigherthanthatbeforecuttingbeachandthedischargecapacityincreasedby11%.Keywords:flooddischargesimulation;dischargecapacity;cuttingbeachproject;floodplaintime;hydrodynamicmodel;HongzeLake

我国河流水流泥沙数值模拟技术进展与应用

我国河流水流泥沙数值模拟技术进展与应用

第３２卷第５期　

２０１１年１０月　水道港　口　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒｗａｙ　ａｎｄ　Ｈａｒｂｏｒ　Ｖｏ１＿３２　Ｎｏ．５　

Ｏｃｔ．２０１１　

我国河流水流泥沙数值模拟技术进展与应用　

张明进　一，张华庆　，白玉川　

（１．天津大学建筑工程学院，天津３０００７２；２．交通运输部天津水运工程科学研究所工程　泥沙交通行业重点实验室，天津３００４５６）　

摘要：文章对我国水运工程领域河流水流泥沙数值模拟技术的发展过程和技术创新成果进行了系统的　总结。对一维、二维和三维水沙模型在模拟系统和计算方法等方面近年来的技术进展给予了归纳，并对几　个模拟系统的一些具体工程应用进行了简要介绍。目前，一、二维水沙数学模型已相对比较成熟，三维模　型也能应用来解决一些具体问题。河流水沙数值模拟技术今后的发展主要在于基础理论的创新，观测技　术的提高，观测资料的系统化与公开化，以及数值模拟成套技术的标准化，实现数学模型的开放性检验与　应用等。　关键词：河流；水流泥沙；数学模型；模拟技术　中图分类号：ＴＶ　１４２；０　２４２．１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—８４４３（２０１１）０５—０３２９—０７　

河流水流泥沙数值模拟始于２０世纪６０年代，２０世纪７０年代以后逐步成熟。一维水沙数学模型发展最　

早，目前已建立了相对比较成熟的不同输沙理论体系的模拟系统…；在２Ｏ世纪８Ｏ年代末也建立起平面二　

维水流泥沙数学模型和针对水流和泥沙侧向变化较小的立面二维模型。２０世纪９０年代以来，随着计算机的　

发展和水流泥沙研究领域的扩展和研究水平的不断深入，三维水流泥沙数学模型在河流局部河段、湖泊泥沙　

问题研究方面得到了一定的发展与工程应用［１　。目前，一、二维泥沙数学模型已相对比较成熟，三维模型也　

能应用来解决一些具体问题。近几十年、尤其是近２０年来，我国水利水运工作者就内河航道与港口泥沙输　

移、河床演变与航道整治等进行了大量的研究，在数值模拟领域取得了许多重要的成果＿８　。在模拟系统发　

非恒定一、二维耦合水质数值模拟技术研究

非恒定一、二维耦合水质数值模拟技术研究

第２２卷第４期　２００６年７月　水　资　源　保　护　ＷＡＴＥＲ　ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ　ＰＲＯＴＥＣ１１ＯＮ　Ｖｏ１．２２　Ｎｏ．４　Ｊｕ１．２００６　

非恒定一、二维耦合水质数值模拟技术研究　

杨　丽　

（南京工业大学城市建设与安全环境学院，江苏南京２１０００２）　

摘要：真实环境中的湖区和周边河网通常是相互联系的，水中污染物会随水流在湖区和河道间发生迁移；为　

了更客观地模拟预测这类区域中的水质变化规律，从一、二维耦合区内公共单元的水质浓度应满足相容条件　

出发，对一、二维连接区利用重叠一投影法，建立了基于美国国家环保局ＷＡＳＰ５模型的污染物迁移扩散机理　

以及有限体积法的一、二维耦合水质模型，并应用于苏北洪泽湖水系水质模拟，模拟成果验证了该耦合水质　

模型具有较高的可靠性与实用性的特点。　

关键词：一维；二维；ＷＡＳＰ５模型；有限体积法；耦舍；水质模型　

中图分类号：Ｘ１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４—６９３３（２００６｝０４—００７８—０４　

Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　１一Ｄ　ａｎｄ　２一Ｄ　ｃｏｕｐｌｅｄ　ｕｎｓｔｅａｄｙ　ｗａｔｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　

ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　

ＹＡＮＧ　Ｌｉ　

（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｕｒｂａｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓａｆｅｔｙ＆Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｆｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅ￣ｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　

２１０００２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ｌａｋｅｓ　ａｒｅ　ｕｓｕａｌｌｙ　ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｉｖｅｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ａｒｏｕｎｄ．ｔｈｅ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ　ｉｎ　ｗａｔｅｒ　ｗｏｕｌｄ　ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　ｂｅｔｗｅｅｎ　

ｒｉｖｅｒｓ　ａｎｄ　ｌａｋｅｓ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ　ｉｎ　ＣＯｌｌｌｎｌｏｎ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　ｓｅｇｍｅｎｔｓ