考虑橡胶坝和翻板坝影响水动力学方法在洪水演进中的研究与应用——以淠河流域为例

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橡胶坝、翻板坝具有美化城市景观、提升水环境等功能。因此,近年来许多河道建设了大量橡胶坝、翻板坝等河道拦水建筑物。水动力学模型可以模拟水流在河道及河漫滩的演进过程。然而,橡胶坝、翻板坝等对河道行洪产生了复杂的阻水影响,给含橡胶坝、翻板坝的河道洪水演进数值模拟带来了很大困难。然而,专门考虑橡胶坝、翻板坝内边界条件的河网水动力学模型并不多见,需要展开深入研究。考虑橡胶坝、翻板坝影响的水动力学模型可以有效地预测河道水流过程,模拟河网中复杂水利工程的调度控制功能,对刻画水位、流量等水力要素的时空分布变化具有重要的实用价值,能够为相关部门提供科学精准的技术支撑,对保障流域经济社会平稳发展具有重要意义。本文以淠河流域橡胶坝、翻板坝为主要研究对象,基于水动力学方法,研究洪水演进数值模拟的计算方法,主要研究内容及成果如下:(1)通过查阅大量文献,对国内外水动力学数值模拟方法在洪水演进的发展和研究现状进行较为详细的综合评述,并指出开展考虑堰坝等阻水建筑物复杂调度影响的水动力学数值模拟研究的必要性和重要性。(2)本文基于Preissmann四点有限差分隐格式离散方法,构建一维水动力学河网模型。重点介绍了一维河网模型的基本计算原理、河网水流模拟的计算方法、特殊河段内边界条件的处理方法、干湿边界处理方法、计算流程等。为了综合考虑橡胶坝和翻板坝影响,提高模型的稳定性和精确性,研究开发橡胶坝模块和翻板坝模块嵌入一维水动力学河网模型,并给出具体求解流程及计算方法。(3)考虑橡胶坝影响的模型验算分析。根据课题组已有的橡胶坝物理模型试验成果进行不同工况下数值模拟,并分析计算结果。结果表明,模型具有较好的计算精度和适用性,可以稳定计算模拟含有单一橡胶坝的河道水流运动。并以淠河流域下游六安城区河道两座串联橡胶坝为工程实例,应用本文所建立的考虑橡胶坝影响的水动力学模型,利用历史洪水率定模型参数并对近年来淠河发生的实测典型洪水过程进行模拟验证,各工况下模拟的水位过程与实测数据拟合情况相较于洪水期间未按塌坝运行,计算结果得到显著改善。结果表明本模型可以有效模拟橡胶坝调度影响下的洪水演进过程。(4)考虑翻板坝影响的模型验算分析。以淠河流域淠河支流西淠河河段的独山翻板坝工程为例,研究并应用本文所建立的考虑翻板坝影响的水动力学模型,利用历史洪水率定参数并对近年来淠河发生的实测典型洪水过程进行模拟验证,得到不同工况下模拟的水位、流量过程与实测数据拟合情况相较于洪水期间未考虑翻板坝运行结果得到了显著改善,表明本模型具有模拟考虑翻板坝调度影响下的洪水演进的能力。(5)本文研究构建的考虑橡胶坝、翻板坝影响的水动力学模型在淠河流域洪水预报预警调度系统中取得较好的应用效果,为含有橡胶坝、翻板坝影响的河网洪水预报提供科学方法和技术支撑,具有工程实用价值。本文建模的方法和思路基于传统的一维水动力模型进行一定改进,实现模拟橡胶坝、翻板坝在汛期受到调度影响下的水动力学洪水演进过程,可推广应用于其他含有橡胶坝、翻板坝河段的洪水预报一维水动力学模型。
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