荆江洞庭湖河网水沙数学模型及应用初步研究.pptVIP

模型初步应用 * 荆江-洞庭湖河网水沙数学模型及应用初步研究 穆锦斌 浙江省水利河口研究院 二○○八年十月 ※河网水沙模型研究现状 ※荆江-洞庭湖河网水沙数学模型研究 ※模型初步应用 主要内容 河网水沙研究现状 长江中游区域概况 三峡工程建成后，坝下游年径流分配过程将发生改变，必将引起水沙输移、江湖关系等发生重大变化，从而影响整个河网系统防洪、航运、生态及工农业用水规划。 为准确预测长江中游水沙输移和防洪形势变化，动态模拟洪水在江河、湖泊和分蓄洪区的演进过程，揭示洪水与防洪系统之间的相互作用，需开展荆江-洞庭湖水沙输移数学模型这一基础性课题研究。 水流模型 泥沙模型 水文模型 水动力学模型 恒定流 非恒定流 整体模型 分块联结模型 局部模型 荆江-洞庭湖水沙输移模型 经验(水文)模型 代表模型：上世纪70年代提出的“大湖演算”模型 原理：水量守恒，槽蓄经验关系 优点：资料需求少，长期以来积累了丰富经验 局限：经验性强，难以适应冲淤等边界条件变化，对于没有水文资料的洪道、堤垸无法准确计算。 必须从根本上改进和扩展模型功能：使模型精度提高、信息量扩大，将其功能从简单的水量蓄泄模拟扩展为河湖边界改变、非恒定流演进、人类调控等互动反馈过程的综合模拟 代表性模型： 荆江洞庭湖区：南科院模型、长委与丹麦水力研究所（DHI）合作开发MIKE11-HD模型、中澳模型 原理：圣维南方程组 优点：适应性强，计算精度较高，克服了人为经验性，在简单河道水力模拟的基础上，能实现复杂河网水力计算，与原型更为接近 缺陷： （1）计算速度太慢 （2）国外模型商业化程度高，难以因地制宜进行修改 水动力学模型 恒定流泥沙模型 代表模型：水科院、长科院模型 原理：非恒定水沙过程概化为梯级式恒定过程 优点：减少计算量，在水库淤积等方面能取得较好效果 局限：对于流量变化较快的情况，模型精度较低 特点：多是针对三口洪道等局部重点区域，难以反映江湖之间水沙交换的非恒定过程 制约泥沙模型发展的主要矛盾：冲淤模拟历时长、计算量大；模型计算速度慢 非恒定流泥沙模型 长江中游汛枯分明、水情变化快，对水沙输移及河床变形模拟采用更接近于实际物理过程的非恒定模型非常必要。 代表模型：长科院模型、南科院模型、武汉大学 非恒定泥沙输移模拟方法尚不完善，许多环节中需要处理，计算效率低 引入国外模型的弊病： 对河床变形问题考虑较少或较粗 如：HEC-RAS模型中计算泥沙的模块以HEC-6泥沙模型为基础，目前的版本中该功能仍未正式形成，这从一个侧面说明了泥沙计算的难度 其它模型虽具有计算泥沙功能，但其中泥沙起动判别、水流挟沙力、非均匀沙级配等关键环节多采用国外学者提出的模式，对国内以悬移质为主的大型冲积河流难以适用 适应性较差 国内在泥沙模拟方面积累的丰富经验无法移植 荆江-洞庭湖河网水沙数学模型研究 河网模块上始宜昌下至汉口，中间包括整个洞庭湖区，湖区断面概化为一维河道计算，河网总节点为52个，共72河段 ☆水流连续方程 ☆水流运动方程 控制方程 ☆泥沙连续性方程 ☆河床变形方程 ☆辅助方程 水流方程求解采用基于线性化Preissmann四点偏心隐式差分格式 的三级解法。其思想是将问题归结于关于节点水位(或水位增量)的方程组，然后再求解节点间断面的水位、流量。 一维河道泥沙连续性方程的离散采用隐式逆风差分格式，当河道流速大于零时采用隐式后差，当河道流速小于零时采用隐式前差 。 河网泥沙模型求解 对于单一河道而言是先通过求解非恒定流各断面水力要素和挟沙力，然后利用上游含沙量从上至下依次推求至出口断面，但对于河网，逐河段进行计算就显得过于繁琐。 求解思想 泥沙方程求解时，借用河网水流分级解法的思想，利用递推关系，使河段进口和出口断面直接发生联系，结合汊点处沙量守恒方程，将问题归结于关于各河段进口断面(水流方向)含沙量的方程组，可得各河段进口断面含沙量。 求解原理 汊点输沙平衡 汊点分沙模式 河网中M个汊点，可以列出M个汊点输沙平衡方程，而未知数却有L个(河段数)，方程组不封闭，需补充汊点分沙模式 分流比模式 丁君松模式 挟沙力模式 汊点分沙模式 分流比模式是丁君松模式和挟沙力模式的一种特列，处理比较粗糙；丁君松模式主要考虑含沙量沿垂线分布的不均匀和分流口门地形的差别，造成含沙量的不同；挟沙力模式注重了水力条件不同导致含沙量的区别。天然情况下，水流、泥沙的相互作用影响，河流发生自调整作用。分流口门挟沙力的调整通常是通过口门附近河段的淤积或冲刷来实现的，而这种调整过程又表现为河床的泥沙冲淤，口门高程的变化。从某种角度来讲