一、二维耦合水沙数学模型的研究与应用

论文摘要

在我国,许多河流都是多沙河流,河流中泥沙的运动,既关系到河流本身的发展与演变,也影响着重大水利工程建设的成败。在流域规划、防洪设计、水土保持与水资源保护等方面,河流泥沙都是必须考虑的问题。因此,河道水沙的模拟研究具有特殊的重要地位。本文基于HydroInfo水利信息系统,建立一、二维耦合水沙数学模型,精确有效地模拟长河段、长时期条件下水流泥沙的运动情况。该模型将一维河网与平面二维流域作为统一系统进行处理,综合发挥了一、二维模型各自的优势,既利用了一维模型计算经济的优点,又达到二维模型能够细致模拟的特点,分别采用对应控制方程,解决河道冲淤、河床演变等实际工程问题。文中水利信息系统采用有限体积方法对控制方程进行离散求解,保证了较好的精度。模拟过程中,讨论处理一些关键问题,分析比较各类经验公式,根据实际情况,采取较为合理的计算参数,确保模型的真实性、可靠性。通过建立珠江三角洲河网水沙模型、渤海二维潮流场模型以及长江藕池口一、二维水沙模型,将水流流场、含沙量及河床冲淤等模拟结果与实际测量结果进行对比验证,充分表明：HydroInfo水利信息系统下所建立的模型可靠、准确,具有较好的工程适用性。本文将模型应用于景洪电站下游水道的水沙工程试验中,利用实测数据对参数进行合理化率定,对下游河道2007年大断面地形变化进行冲淤验证,结果吻合良好。为满足工程需要,对景洪水道橄榄坝建坝后上游河段泥沙淤积情况进行预测,对比分析建坝前后坝上游河段泥沙淤积情况。最后,通过对景洪下游河道不同流量级进行水沙预报,展示二维流域的水深分布、流速分布、含沙量分布以及整个流域沿程水位变化过程,很好的为工程方案的实施和优化提供数据支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 研究目的及意义
• 1.2 水沙数值模拟的研究综述
• 1.2.1 水沙数值模拟的发展回顾
• 1.2.2 水沙数值模拟的分类及特点
• 1.3 数值计算方法综述
• 1.3.1 特征线法（MOC）
• 1.3.2 差分法（FDM）
• 1.3.3 有限元法（FEM）
• 1.3.4 有限体积法（FVM）
• 1.4 本文研究内容
• 2 HydroInfo水利信息系统简介及原理
• 2.1 一、二维耦合水沙数学模型
• 2.1.1 一维非恒定流的水沙模型
• 2.1.2 二维河口水流泥沙数学模型
• 2.1.3 河床变形方程
• 2.1.4 一、二维耦合非恒定流的水沙数学模型
• 2.2 一、二维水沙模型离散求解
• 2.2.1 河道单元的离散
• 2.2.2 一维模型的隐式求解
• 2.2.3 二维模型的数值求解
• 2.2.4 一、二维模型耦合连接条件
• 2.2.5 一、二维模型耦合求解
• 2.3 模型求解步骤
• 2.4 本章小结
• 3 模型中关键问题的处理
• 3.1 初始条件及边界条件的处理
• 3.2 泥沙沉降速度
• 3.3 悬移质水流挟沙力
• 3.4 推移质输沙率
• 3.5 恢复饱和系数α的选取
• 3.6 本章小结
• 4 模型验证
• 4.1 珠江三角洲一维水沙验证
• 4.1.1 建立模型
• 4.1.2 珠江河网泥沙输移特征
• 4.2 渤海二维潮流场验证
• 4.2.1 渤海海域概况
• 4.2.2 建立模型
• 4.3 长江藕池口一、二维水沙验证
• 4.4 本章小结
• 5 景洪电站下游水道水沙研究
• 5.1 工程概况
• 5.1.1 工程背景
• 5.1.2 景洪水道现状
• 5.1.3 研究目的
• 5.2 建立模型及结果分析
• 5.2.1 一维恒定水流模型参数率定
• 5.2.2 水沙参数的率定及河道冲淤验证
• 5.2.3 景洪下游河道一、二维模型
• 5.3 修建橄榄坝后河道冲淤预报
• 5.4 景洪下游河道各流量级水沙计算
• 3/s时水沙模型预报'>5.4.1 流量2000m³/s时水沙模型预报
• 3/s时水沙模型预报'>5.4.2 流量5000m³/s时水沙模型预报
• 3/s时水沙模型预报'>5.4.3 流量10200m³/s时水沙模型预报
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢