长江中下游水沙输运及其调控数学模型研究

论文摘要

根据长江中下游水系复杂，涉及范围广，地域差异显著，空间尺度变化大，区域组成复杂多样，且耦合作用强，相互影响，相互制约等实际情况，从探索长江中下游水沙输运规律包括河道水沙和湖泊水沙运动规律入手，针对一维非恒定流非均匀沙河网水沙输运和河床演变模型，二维湖泊水沙有限控制体积法数学模型，以及在数值模拟框架内对区域内各种水力单元或环节的计算模式，包括分流口、汇流口水沙计算模式，河网动边界及其计算模式，湖泊泥沙输沙率计算模式，动床阻力计算模式和河道横断面变形计算模式，进行了深入研究，从而构建了长江中下游水沙输运数学模型。所得研究成果通过长江中下游长历时水沙输运和河床变形的模拟计算，并与实测资料相比较，取得了良好成果。在上述研究的基础上，开展了长江中下游防洪若干规划方案的论证计算，论证计算的成果已运用长江中下游防洪规划之中，并将所研究的数学模型延伸到长江中下游实时环境下的洪水预报与调度仿真模拟，并以此为内核建立了长江中下游实时洪水预报调度系统，该系统已在长江中下游防汛中进行试运行，取得了良好的效果。 论文共分为六章进行讨论。第一章绪论，重点讨论研究课题的背景、科学意义及其研究现状；第二章长江中下游江河湖泊水沙特性，重点讨论长江中下游水沙特性的复杂性和建模难点；第三章一维河网水沙数值模拟的核心算法，针对复杂水系水沙模拟存在的问题，讨论复杂水系水沙计算模式的建立和关键环节的科学技术处理；第四章平面二维水沙数值模拟核心算法，利用目前高性能水流计算方法，建立二维水沙数值模拟的有限控制体积算法，并对二维湖泊泥沙淤积规律及其特性，提出湖泊泥沙淤积计算模式；第五章模型的率定与检验，通过长江中下游水沙资料对所建模型算法进行检验；第六章模型的应用，重点讨论研究成果的实际运用。

论文目录

• 前言
• 摘要
• ABSTRACT:
• 第一章 绪论
• 1.1 问题背景、科学意义
• 1.1.1 问题背景
• 1.1.2 研究的必要性和科学意义
• 1.2 研究现状评述
• 1.2.1 水沙计算方法及其若干关键技术模式综述
• 1. 一维水流控制方程及其计算格式
• 2. 二维水流控制方程、网格及其计算格式
• 3. 一、二维水沙控制方程及其计算模式
• （1） 床沙质与冲泻质的划分
• （2） 床沙质水流挟沙力
• （3） 恢复饱和系数α与河道断面的冲淤修正
• （4） 汊道分流分沙模式
• （5） 河段断面的划分、可动层厚度的确定
• （6） 河网区内“动边界”的问题
• （7） 河床阻力及其计算方法
• 1.2.2 近年来河流模型回顾
• 1.2.3 长江中下游水沙数学模型研究现状
• 1.3 本文主要研究内容及其关键技术
• 1. 一二维水沙核心算法
• 2. 河网动边界及其数值模拟技术
• 3. 感潮河网数值模拟的关键技术
• 4. 河网汊点的分流分沙模式
• 5. 湖泊泥沙冲泻质与床沙质输沙率计算模式
• 6. 河道断面变形计算模式
• 7. 动床阻力计算模式
• 第二章 长江中下游江河湖泊水沙特性
• 2.1 河流水系
• 2.2 长江中下游河道特征
• 2.3 长江中下游径流特性
• 2.3.1 干流
• 2.3.2 洞庭湖水系
• 1. 四口过流特点
• （1） 荆江四口分流
• （2） 四口分流对荆江洪峰的削峰作用
• 2. 洞庭湖
• （1） 洞庭湖容积变化
• （2） 洞庭湖的调蓄作用
• （3） 洞庭湖的水流特性
• 2.3.3 汉江洪水
• 2.3.4 鄱阳湖水系洪水
• 1. 鄱阳湖容积变化
• 2. 鄱阳湖的调蓄作用
• 2.4 长江中下游泥沙输运及其河床演变特征
• 2.4.1 荆江四口分沙
• 2.4.2 分流河道及四水、七里山输水输沙过程分析
• 2.4.3 分流河道年淤积情况
• 2.4.4 洞庭湖复杂的水沙运动特征
• 2.5 小结
• 第三章 一维河网水沙数值模拟核心算法
• 3.1 一维显隐结合分块三级河网水流算法
• 3.1.1 基本方程
• 3.1.2 Preissmann隐式差分格式及离散方程
• 3.1.3 分块三级河网水流算法
• 1. 汊点连接方程
• 2. 边界方程
• 3.1.4 显隐结合分块三级河网水流算法
• 3.2 一维非恒定河网水沙运动和河床演变数值模式
• 3.2.1 河网水沙及河床变形方程组
• 3.2.2 河网泥沙输运算法
• 3.2.3 河网动边界及其计算模式
• 3.2.4 动床阻力计算方法
• 3.2.5 河道断面的冲淤计算模式
• 3.2.6 水库调度（闸坝控制）计算模式
• 3.3 感潮河网水沙运动数值模拟的几个关键问题
• 3.3.1 进口断面含沙量的确定
• 3.3.2 内边界点含沙量计算模式
• 3.3.3 感潮河网挟沙力公式的选用
• 3.4 小结
• 第四章 平面二维水沙数值模拟核心算法
• 4.1 二维浅水方程组
• 4.1.1 水流方程组
• 4.1.2 泥沙对流扩散方程
• 4.1.3 河床变形方程
• 4.2 计算格式及其离散方程组
• 4.2.1 二维浅水方程组的有限体积离散
• 4.2.2 泥沙对流扩散方程的有限体积离散
• 4.2.3 水沙法向数值通量计算
• 4.3 分组挟沙力计算模式
• 4.3.1 悬沙与床沙的交换模式
• 4.3.2 分组挟沙力的计算模式
• 4.4 冲泻质与床沙质转化模式
• 4.5 包含冲泻质在内的湖泊泥沙输运计算模式
• 4.6 河湖水沙交换处理模式
• 4.7 二维水沙计算的动边界处理
• 4.8 小结
• 第五章 模型的率定与检验
• 5.1 长江中下游防洪系统河湖水沙模型的构建
• 5.2 若干关键环节的技术处理
• 5.2.1 断面资料处理及其数据集的形成
• 5.2.2 内外边界条件的处理
• 5.2.3 荆江三口分流分沙计算模式
• 5.2.4 模块及模块组合
• 5.2.5 长江干流分汊河道的处理
• 5.2.6 水文学调蓄计算
• 5.2.7 大湖区间入流的处理
• 5.2.8 沿江排涝入江水量模块处理
• 5.2.9 分洪模块
• 5.2.10 洪水预报实时校正方法
• 1. 水动力学实时校正的特点
• 2. 水动力学实时校正的方法
• 5.3 模型的率定与验证
• 5.3.1 河道糙率率定检验结果
• 5.3.2 干流一维河网水沙模型率定结果
• 5.3.3 干流一维河网水沙模型检验结果
• 5.3.4 湖泊二维水沙模型率定结果
• 5.3.5 湖泊二维水沙模型验证结果
• 5.3.6 荆江河道地形率定结果
• 5.3.7 河道地形验证结果
• 5.4 小结
• 第六章 模型的应用
• 6.1 防洪规划与若干重要防洪措施的后效分析
• 6.1.1 长江中下游防洪总体布局研究
• 6.1.2 洞庭湖泥沙淤积时空分布模拟
• 6.1.3 1998年长江中游洪水的模拟分析
• 6.1.4 98洪水灾后重建防洪对策蓄泄效果的模拟分析
• 6.1.5 四口建闸方案研究（其中调弦口已封堵）
• 6.1.6 簰洲裁弯对防洪总体布局的影响预测
• 6.1.7 城陵矶附近区洪湖分割对区域防洪影响的分析
• 6.1.8 水阳江、青弋江和漳河中下游防洪系统研究
• 6.2 长江中下游实时洪水预报与调度模拟
• 6.2.1 防洪系统洪水行为的数值模拟
• 6.2.2 防洪系统调度模式的集成与开发
• 6.2.3 防洪系统水库群和分蓄洪区防洪优化调度
• 6.2.4 洪水预报调度的实时校正
• 6.2.5 计算机化的防洪调度实验室
• 6.2.6 长江中下游防洪调度系统的功能组成
• 6.3 小结
• 第七章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 博士研究生期间发表的论文
• 附图