基于GIS的二维水沙数学模型及其在黄河下游应用的研究

论文题目: 基于GIS的二维水沙数学模型及其在黄河下游应用的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 水文学及水资源

作者: 朱庆平

导师: 芮孝芳

关键词: 二维水沙数学模型,有限体积法,浅水方程,格式,黎曼解,挟沙力,洪水演进,黄河下游

文献来源: 河海大学

发表年度: 2005

论文摘要: 针对黄河下游河道水沙运动的特点,以“IT”技术为平台,研制了基于GIS的黄河下游二维水沙数学模型。 通过对现有国内外水沙模型的比较,选取了适合多沙河流水沙特点的方程离散格式及数值方法:采用Osher及LSS格式计算对流项水沙数值通量,借助高斯积分确定扩散项中控制体形心处的梯度矢量,通过预测、校正二步格式求解方程组,以保证水流计算格式的解具有良好的物理基础,符合解的特征构造,并具有守恒性、逆风性、单调保持性和对间断的高分辨率等优良特性。对于由水压力与底坡项不平衡所导致的动量不守恒问题,采用三点高斯积分法来计算各边的平均法向通量。本文对非均匀沙沉速、床沙级配调整、横向冲刷坍塌变形等关键技术问题进行了深入分析,研制的二维水沙模型不但适用于低含沙水流的计算,而且适用于多沙河流的模拟计算。通过对ArcGIS软件的二次开发,设计和开发出了基于GIS的二维数学模型的前后处理系统。基于GIS的前后处理系统,不仅极大的提升了前期工作效率,而且在地形高程的生成精度、信息查询速度和可视化程度方面有了明显提高。 为检验所建模型的合理性和精度,利用国内外试验资料对其进行了测试,测试案例包括恒定流、非恒定流、溃坝、压缩水流、弯道、复式河道及复杂边界等不同情况。此外,利用黄河下游不同时期的实测资料和专题测验资料,对泥沙沉速模块、动床阻力模块、分组挟沙力模块等进行了测试,在此基础上,又将所建立的模型应用于黄河下游实测调水调沙洪水的模拟计算,结果表明,计算精度满足防洪调度的实际要求。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 选题的意义

1.2 国内外研究综述

1.2.1 国外研究主要进展

1.2.2 国内研究主要进展

1.3 本文的研究思路与主要内容

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究思路

1.3.3 主要研究内容

第二章 控制方程的离散与求解

2.1 守恒型控制方程

2.2 有限体积法

2.3 控制方程离散

2.4 对流项求解

2.4.1 FVM基本方程

2.4.2 Osher格式

2.4.3 LSS格式

2.4.4 “斜底”模型处理

2.5 扩散项求解

2.5.1 最小二乘法

2.5.2 一阶精度

2.5.3 二阶精度

2.6 时间积分及方程求解

2.6.1 隐格式求解

2.6.2 显格式求解

2.7 地形模化及初边界条件处理

2.7.1 地形模化设计

2.7.2 边界条件

2.7.3 动边界模拟

2.8 计算流程图

2.9 本章小结

第三章 黄河泥沙运动主要特征分析

3.1 概述

3.2 非均匀沙沉速

3.2.1 单颗粒沉速

3.2.2 挟沙水流单颗粒沉速

3.2.3 非均匀沙混合沉速

3.3 悬移质水流挟沙力

3.4 床沙级配调整

3.5 动床阻力变化

3.6 紊动粘滞性系数

3.7 泥沙扩散系数

3.8 河床纵向变形

3.9 河床横向变形

3.9.1 粘性土河岸冲刷过程模拟

3.9.2 非粘性土河岸冲刷过程模拟

3.9.3 混合土河岸冲刷过程模拟

3.10 本章小结

第四章 GIS与二维水沙数学模型的结合

4.1 概述

4.2 基于 Delaunay原理的网格生成系统

4.2.1 Delannay方法基本原理

4.2.2 Delaunay三角网的定义及其特征

4.2.3 Delaunay三角网格自动生成算法

4.2.4 给定边界及内点集的 Delaunay三角形剖分

4.2.5 工程应用中的一些问题处理

4.2.6 关于网格光滑的计算

4.3 燕于GIS的数字高程生成系统

4.3.1 地形概化的数据准备

4.3.2 地形概化的过程

4.3.3 概化出的地形与实际地形的比较及存在的问题

4.3.4 从概化出的地形上提取高程值

4.4 基于 GIS的动态可视化系统

4.4.1 流场动态可视化

4.4.2 泥沙过程可视化

4.5 基于 GIS的模型数据库

4.6 本章小结

第五章 模型测试及其在黄河下游的应用

5.1 概述

5.2 模型测试

5.2.1 丁坝附近流场模拟

5.2.2 突然放宽的渠道流场模拟

5.2.3 正弦生成弯道流场模拟

5.2.4 复式河道流场模拟

5.2.5 90°弯道流场模拟

5.2.6 收缩渠道流场模拟

5.2.7 压缩~扩展相间河槽流场模拟

5.2.8 水跃过程模拟

5.2.9 局部溃坝水流模拟

5.3 黄河下游洪水演进计算验证

5.3.1 花园口-利津

5.3.2 夹河滩-高村

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 主要研究结论

6.2 本文的创新点

6.3 有待进一步研究的问题

6.4 展望

参考文献

作者论文发表情况

致谢

发布时间: 2006-01-16

参考文献

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• [4].GIS支持下的东江典型流域径流变化研究[D]. 杨宏伟.南京大学2009
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