計算河流工程學

目  錄

 

第1章  河流數學模型原理概述 1

1.1  河流研究方法簡介 1

1.1.1  河流研究的主要方法 1

1.1.2  河流水沙數值模擬概述 2

1.2  一維(1D)混合流水沙數學模型 6

1.2.1  一維混合流水沙數學模型的原理 6

1.2.2  非均勻沙計算的幾個關鍵環節 10

1.3  二維(2D)水沙數學模型 14

1.3.1  二維水沙數學模型的原理 14

1.3.2  二維水沙計算的若乾前沿問題 16

1.4  三維(3D)水沙數學模型 19

1.4.1  三維水沙數學模型的原理 19

1.4.2  復合型三維泥沙計算模式 23

1.4.3  非均勻沙不平衡輸移的三維計算 26

1.5  常用水沙數學模型辨析 29

1.5.1  非靜壓與靜壓水動力模型 30

1.5.2  一二維耦合水動力模型 31

1.5.3  不同耦合程度的水沙數學模型 33

參考文獻 35

 

第2章  河流計算的基礎性技術 43

2.1  河湖斷面及其阻力動態的描述方法 43

2.1.1  天然河流不規則地形斷面的描述 43

2.1.2  復式明渠斷面阻力的變化規律 44

2.1.3　復式明渠斷面糙率動態變化的計算 46

2.2  平面網格剖分與乾濕動邊界處理方法 47

2.2.1  高分辨率灘槽優化的非結構網格 48

2.2.2  模擬平面上乾濕動邊界的記憶補償法 49

2.3  精細床沙級配平面分佈的構建方法 52

2.3.1  床沙級配平面分佈問題概述 52

2.3.2  耦合物理機制的機器學習思想 53

2.3.3  構建床沙級配分佈的機器學習方法的執行 55

2.3.4  構建天然河流床沙級配分佈的實例 58

2.4  河道立面二次流的提取與分析方法 61

2.4.1  河道二次流提取與分析概述 61

2.4.2  提取立面環流的零通量規則 62

2.4.3  河道立面環流提取與分析方法 66

2.5  河流工程的二維精細建模方法 69

2.5.1  河流工程二維建模概述 69

2.5.2  攔河溢流閘/壩的常規建模方法 71

2.5.3  水利樞紐的二維精細建模方法 74

2.6  河道變異水沙過程的重構方法 77

2.6.1  水庫下游河道水沙過程重構概述 77

2.6.2  河道含沙量過程的減沙重構 77

2.6.3  河道水位過程的降水位重構 79

參考文獻 81

 

第3章  河流數學模型試驗方法 85

3.1  河流數學模型試驗概述 85

3.1.1  河流數學模型的參數與數值試驗種類 85

3.1.2  大範圍模擬中模型參數的率定方法 87

3.1.3  平原河網的一維數學模型試驗 89

3.2  二維數學模型的數值試驗 93

3.2.1  天然河道的精細二維建模 93

3.2.2  二維水流模型的率定與驗證 95

3.2.3  二維泥沙模型的率定與驗證 96

3.3  三維數學模型的數值試驗 100

3.3.1  河道多層流動的三維數值模擬 101

3.3.2  河道立面環流的提取與分析 103

3.3.3  河流水沙輸移的三維數值模擬 105

3.4  感潮河段水動力數值試驗 108

3.4.1  潮流宏觀水動力過程的模擬 108

3.4.2  潮流三維水動力過程的模擬 112

3.5  河口水沙輸移數值試驗 115

3.5.1  大型河口的建模與開邊界條件 115

3.5.2  河口水沙數學模型的數值試驗 118

3.5.3  河口水沙數學模型的參數敏感性分析 120

參考文獻 123

 

第4章  河道的演變與治理 124

4.1  彎曲型河道的水沙運動規律與模擬 124

4.1.1  彎曲型河道水沙運動的特點 124

4.1.2  彎道環流的模擬與分析 126

4.1.3  彎曲型河道切灘撇彎的模擬 132

4.2  彎曲型河道整治的模擬研究 134

4.2.1  變異水沙條件下的彎道沖淤預測 134

4.2.2  彎道整治工程的模擬研究 138

4.3  分汊型河道的水沙運動規律與模擬 143

4.3.1  分汊型河道水沙運動的特點 143

4.3.2  河道中洲灘運動的模擬 144

4.3.3  主支汊道轉換的模擬 149

4.4  分汊型河道整治的模擬研究 152

4.4.1  汊道分流比的工程調節 153

4.4.2  江心洲灘的工程守護 156

4.5  辮狀河道的模擬與整治 159

4.5.1  辮狀河道水沙運動與模擬概述 159

4.5.2  辮狀河道流場的精細模擬方法 162

4.5.3  辮狀河道的約束整治 167

參考文獻 169

 

第5章  河網水沙調控：二維計算 172

5.1  平原河網的特點與數值模擬概述 172

5.1.1  平原河網水沙運動的特點 172

5.1.2  河網的數值模擬方法概述 174

5.2  河網分流分沙的數值試驗 176

5.2.1  河網分流的二維數值模擬 176

5.2.2  河網分沙的二維數值模擬 179

5.3  河網局部流路調控計算 182

5.3.1  河網內局部流路調控工程的建模 182

5.3.2  河網流路調控工程的效果與影響計算 184

5.4  河網水利樞紐泥沙的精細模擬 188

5.4.1  松滋口閘的概況及樞紐精細建模 188

5.4.2  閘址附近流場的精細模擬與分析 190

5.4.3  閘址附近的河床沖淤規律 191

5.4.4  建閘對河網沖淤及分流的影響 194

5.5  河網大範圍整治工程的水沙計算 199

5.5.1  河網大範圍整治數值模擬研究概述 199

5.5.2  河網大範圍航道整治設計的模擬研究 201

5.5.3  長距離疏浚對河網不均衡發展的調節計算 205

參考文獻 209

 

第6章  平原湖泊的演變與治理 210

6.1  平原湖泊水沙數值模擬概述 210

6.1.1  大型平原湖泊的一維與二維建模 211

6.1.2  湖區水、物質、泥沙輸移的二維數值試驗 213

6.1.3  湖區河床沖淤演變的數值試驗 217

6.2  湖泊容積與濕地變化預測——以洞庭湖為例 221

6.2.1  洞庭湖沖淤演變趨勢的二維模型預測 221

6.2.2  洞庭湖未來調蓄能力變化分析 224

6.2.3  洞庭湖濕地面積的變化分析 226

6.3  入湖尾閭整治的工程計算——以鄱陽湖為例 227

6.3.1  鄱陽湖及其支流入湖尾閭整體的二維模型 228

6.3.2  鄱陽湖入湖尾閭改道對湖區的擾動分析 231

6.4  湖濱民垸潰堤洪水過程的復演 234

6.4.1  洞庭湖2024年潰堤洪水及模擬方法概述 234

6.4.2  洞庭湖團洲垸潰堤洪水復演 238

6.4.3  錢團間堤潰決洪水危險性計算 243

6.5  平原江湖河網系統整體模擬的討論 246

6.5.1  江湖河網系統整體數學模型的發展 246

6.5.2  江湖系統整體數值模擬的精度與時效性 248

參考文獻 251

 

第7章  入海河口的演變與治理 254

7.1  河口水沙數值模擬研究概述 254

7.1.1  入海河口水沙運動及治理工程的特點 254

7.1.2  河口水沙數值模擬的技術要點與研究進展 256

7.1.3  長江口水沙數學模型的研究與發展 259

7.2  分汊型河口汊道間水沙交換的模擬 260

7.2.1  長江口南北支水沙倒灌過程的模擬 260

7.2.2  長江口南北支水沙倒灌的通量計算及機理研究 264

7.3  工程對河口旋轉流的擾動機制研究 268

7.3.1  入海口門整治工程的精細建模 268

7.3.2  入海口門整治的工程效應分析 270

7.3.3  入海口門整治對潮流的擾動計算 273

7.4  工程調控下河口沖淤規律變化研究 277

7.4.1  河口沖淤對入海口整治工程的響應計算 277

7.4.2  工程作用下河口泥沙通量的變化計算 281

7.4.3  工程對河口水沙運動的總體影響分析 285

參考文獻 286

 

第8章  水庫庫區淤積：喀斯特河流 290

8.1  水庫泥沙淤積數值模擬概述 290

8.1.1  明渠與伏流水庫淤積的特點與問題 290

8.1.2  水庫水沙運動的常規模擬方法 293

8.1.3  水庫一維、二維水沙模型的聯合應用 297

8.1.4  喀斯特河流水庫水沙數值模擬方法 299

8.2  喀斯特河流水庫淤積的模擬方法 301

8.2.1  伏流型水庫庫區混合流河網一維建模 301

8.2.2  資料稀缺地區水庫入庫水沙過程推求 305

8.2.3  庫區混合流河網水動力數值試驗 307

8.2.4  伏流型水庫水沙數學模型參數敏感性研究 308

8.3  壅水條件下伏流的沖淤規律研究 312

8.3.1  水庫庫尾三角洲穿過伏流洞的過程 312

8.3.2  壅水條件下伏流洞封閉斷面的沖淤規律 313

8.3.3  庫區伏流洞保持過流的動力機制 315

8.3.4  喀斯特河流水庫淤積的實地調研 317

參考文獻 319

 

第9章  水庫壩區泥沙：沖刷漏鬥 321

9.1  壩區水沙三維數值模擬概述 321

9.1.1  壩區水沙運動特點及模擬研究方法 321

9.1.2  壩區三維水沙數值模擬的技術要點 323

9.1.3  壩區水沙運動典型場景的三維數值模擬 325

9.2  水庫全生命周期壩區三維水沙計算 331

9.2.1  真實水庫壩區三維數學模型建模 331

9.2.2  壩區水沙輸移規律及沖刷漏鬥形成機理 334

9.3  水庫(壩區)減淤優化調度 337

9.3.1  水庫減淤調度運用方式研究概述 337

9.3.2  增加排沙時長對壩區減淤的作用 341

9.3.3  優化孔洞出流比例對減淤的作用 343

9.4  壩區樞紐佈置的防沙優化 345

9.4.1  水庫壩區出流孔洞淤堵的原因剖析 345

9.4.2  樞紐平面位置優化的減淤作用 347

9.4.3  建築物細部改造的減淤作用 349

9.5  水庫泥沙數值模擬技術討論 351

參考文獻 353

 

第10章  涉河工程的擾動計算 355

10.1  涉河工程擾動計算的基本方法 355

10.1.1  普通涉河工程(碼頭)的二維精細建模 355

10.1.2  工程對河道水流的擾動計算 357

10.2  淹沒式涉河工程的擾動計算 361

10.2.1  潛丁壩對河道水流的擾動計算 361

10.2.2  護灘帶群對河道水流的擾動計算 364

10.2.3  航道整治工程的擾動計算 364

10.3  非淹沒式涉河工程的擾動計算 367

10.3.1  跨河橋梁對河道水流的擾動 367

10.3.2  河道岸線調整對水流的影響 369

10.4  河道灘地內港池的影響及回淤計算 372

10.4.1  河道灘地內港池的工程建模 373

10.4.2  河道灘地內港池工程對水流的擾動 374

10.4.3  河道灘地內港池的泥沙沖淤計算 377

10.5  河道採砂的影響及回淤計算 379

10.5.1  河道及採砂坑的二維建模 379

10.5.2  河道採砂對河道水流的擾動計算 380

10.5.3  河道採砂的動床沖淤計算 382

參考文獻 384

 

第11章  洪水演進模擬與在線計算 385

11.1  流域大範圍洪水演進的實時模擬 385

11.1.1  流域洪水演進及模擬的特點 385

11.1.2  長江中下游整體洪水演進計算 387

11.2  開闊陸域淹退水過程的精細模擬 391

11.2.1  河道向蓄滯洪區分洪的一二維耦合計算 391

11.2.2  城鎮淹退水過程的精細模擬 395

11.3  流域洪水場景的實時模擬與可視化 400

11.3.1  流域洪水場景模擬與可視化概述 400

11.3.2  河/湖斷面洪水數據向水平面的映射 402

11.3.3  基於河/湖斷面水力數據快速構造淹沒場景 403

11.3.4  基於WebGIS的洪水淹沒場景可視化 408

11.4  河流在線計算的設想 412

11.4.1  多維復合河流數值模擬方法 412

11.4.2  流域洪水演進在線計算初探 413

參考文獻 416

 

附錄A  荊江—洞庭湖系統及其水文站點分佈 418

 

附錄B  Tecplot軟件可視化數據輸出 419

 

附錄C  AutoCAD軟件可視化數據輸出 422