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洞庭湖地区水系水动力耦合数值模型

第39卷第1期

2008年1月

海洋与湖沼

OCEANOLOGIAETLIMNOLOGIASINICA

V_o1-39.No.1

洞庭湖地区水系水动力耦合数值模型

赖锡军①姜加虎黄群

(中国科学院南京地理与湖泊研究所南京210008)

提要针对洞庭湖地区复杂水系和复杂水情下的实际水流运动特征,建立了完全基

于水力学方法

的洞庭湖地区水系的一,二维耦合的全局水动力学模型,实现了不同水体数值模拟

的自动有机衔接.

模型包括湖泊,河网水系两部分.对长江干流荆江段,湘资沅澧四水,三口分流河道,

运用能够反

映河道主槽和边滩不同行洪特征的扩展一维水量模型进行模拟;对于洞庭湖湖区

部分,采用二维非

结构的有限体积法建立水动力模型;应用重叠投影法实现模型的耦合.模型具有动

边界的自动处理,

河道分区计算,分洪,溃堤过程实时模拟等功能.剖分的网格较为细致地刻画了湖

区的地形,使模型

能够模拟高水湖相,低水河相的湖流特征.运用1996年7月的实际洪水过程,进行

了模型的验

证,较为准确地模拟了实际水流特征.

关键词洞庭湖,一维,二维,水动力学模型

中图分类号P731

洞庭湖地区水系洪水受长江,湘资沅澧四水来流

量和长江下泄量的共同影响.该区域内的洪水研究必

须综合考虑河网与湖泊之间的相互影响,相互作用问

题.开发涵盖长江干流荆江段,湘资沅澧四水,三口

分流河道以及洞庭湖湖区的大系统全局水动力学模

型,实现各种数值模拟的自动有机衔接,是研究洞庭

湖地区洪水运动特征的基础.长江中下游水动力学模

拟模型常见的有:一维和一二维连接的水动力学模

型(龙超平等,2002;仲志余等,1999;吴作平等,

2003;胡四一等,1998,2002;郭熙灵等,2002;谭

维炎等,1996).其中以谭维炎,胡四一等人(谭维炎

等,1996;胡四一等,1998)于20世纪90年代中期构

建的长江中下游防洪系统数学模型较为突出.它利用

一

维,二维非恒定水动力学模型和水文学方法相结合

的方法设计了模拟模型.之后,胡四一等(2002)又对

原模型中河网算法,内外边界条件的处理,水流阻力

计算等问题进行了改进和完善.该模型为长江中下游

复杂水情计算提供了一套非常有价值的思路.但是仍

存在一些问题:(1)该模型加入的一些水文经验模型

修正计算技巧忽视了水动力学特性本身的相互作用

机制.(2)一维河网计算仍显粗糙,不能体现平原区河

道低水时主槽过流,高水边滩主槽共同行洪的典型的

过流特征.(3)内部边界处理和区块连接不够完善,例

如河湖耦合计算采用直接显式连接等.(4)湖区二维模

型网格设计简单,不能反映湖区水动力特征.

为了进一步提高洞庭湖地区复杂水系和复杂水

情下的实际水流运动特征的模拟能力和实用性能,

减少人工干预,自动模拟各区水体之间的水动力交

互作用.本文中作者建立了完全基于水力学方法的洞

庭湖地区水系一,二维耦合的全局水动力学模型.该

模型包括湖泊,河网水系两部分,对长江干流荆江

段,湘资沅澧四水,三口分流河道的水流运用能够反

映河道主槽和边滩不同行洪特征的扩展一维水力模

型进行模拟,采用Preissman四点隐式差分格式进行

离散;对于洞庭湖湖区部分,采用非结构的有限体积

法,以Roe平均的通量向量差格式(FDS)建立二维水

力模型,模型采用Roger提出的方程组形式,成功克

服了静水计算不和谐问题,同时实现了露滩和漫滩

中国科学院知识创新工程方向性项目,KXCX3一SW一331号和中国科学院南京

地理与湖泊研究所知识创新工程特别支持重

大项目我国不同气候区湖泊演变与重大环境问题,发生机制及其控制对策研究

,2003--2006年.

①通讯作者:赖锡军,助理研究员,博士,E—mail:***************.crl

收稿日期:2006.01—20,收修改稿日期:2007—01—26

1期赖锡军等:洞庭湖地区水系水动力耦合数值模型75

的高效处理;对于整个水域,利用重叠一投影法在河

网与湖泊水力模型的连接处动态耦合一维,二维模型,

实现一,二维数值模型的自动准确衔接.本文中将重

点论述模型的构建,并展示洞庭湖洪水计算的部分

成果.

1基本方程

1.1水深平均的二维流动的基本方程

在静水压强假定下,沿水深积分三维

Navier—Stokes方程可得水深平均的二维流动方程组.

为解决非平底坡引起的静水计算不和谐问题,采用

以下守恒形式的方程组(Rogersetal,2003):

+V.,(