計算河流工程學

第1章  河流數(shù)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(shù)值模擬概述 2
1.2  一維(1D)混合流水沙數(shù)學模型 6
1.2.1  一維混合流水沙數(shù)學模型的原理 6
1.2.2  非均勻沙計算的幾個關鍵環(huán)節(jié) 10
1.3  二維(2D)水沙數(shù)學模型 14
1.3.1  二維水沙數(shù)學模型的原理 14
1.3.2  二維水沙計算的若干前沿問題 16
1.4  三維(3D)水沙數(shù)學模型 19
1.4.1  三維水沙數(shù)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(shù)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(shù)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(tài)的描述方法 43
2.1.1  天然河流不規(guī)則地形斷面的描述 43
2.1.2  復式明渠斷面阻力的變化規(guī)律 44
2.1.3　復式明渠斷面糙率動態(tài)變化的計算 46
2.2  平面網(wǎng)格剖分與干濕動邊界處理方法 47
2.2.1  高分辨率灘槽優(yōu)化的非結構網(wǎng)格 48
2.2.2  模擬平面上干濕動邊界的記憶補償法 49
2.3  精細床沙級配平面分布的構建方法 52
2.3.1  床沙級配平面分布問題概述 52
2.3.2  耦合物理機制的機器學習思想 53
2.3.3  構建床沙級配分布的機器學習方法的執(zhí)行 55
2.3.4  構建天然河流床沙級配分布的實例 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(huán)流的零通量規(guī)則 62
2.4.3  河道立面環(huán)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(guī)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(shù)學模型試驗方法 85
3.1  河流數(shù)學模型試驗概述 85
3.1.1  河流數(shù)學模型的參數(shù)與數(shù)值試驗種類 85
3.1.2  大范圍模擬中模型參數(shù)的率定方法 87
3.1.3  平原河網(wǎng)的一維數(shù)學模型試驗 89
3.2  二維數(shù)學模型的數(shù)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(shù)學模型的數(shù)值試驗 100
3.3.1  河道多層流動的三維數(shù)值模擬 101
3.3.2  河道立面環(huán)流的提取與分析 103
3.3.3  河流水沙輸移的三維數(shù)值模擬 105
3.4  感潮河段水動力數(shù)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(shù)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(shù)學模型的數(shù)值試驗 118
3.5.3  河口水沙數(shù)學模型的參數(shù)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(guī)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(huán)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(guī)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(zhuǎn)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(diào)節(jié) 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(wǎng)水沙調(diào)控：二維計算 172
5.1  平原河網(wǎng)的特點與數(shù)值模擬概述 172
5.1.1  平原河網(wǎng)水沙運動的特點 172
5.1.2  河網(wǎng)的數(shù)值模擬方法概述 174
5.2  河網(wǎng)分流分沙的數(shù)值試驗 176
5.2.1  河網(wǎng)分流的二維數(shù)值模擬 176
5.2.2  河網(wǎng)分沙的二維數(shù)值模擬 179
5.3  河網(wǎng)局部流路調(diào)控計算 182
5.3.1  河網(wǎng)內(nèi)局部流路調(diào)控工程的建模 182
5.3.2  河網(wǎng)流路調(diào)控工程的效果與影響計算 184
5.4  河網(wǎng)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(guī)律 191
5.4.4  建閘對河網(wǎng)沖淤及分流的影響 194
5.5  河網(wǎng)大范圍整治工程的水沙計算 199
5.5.1  河網(wǎng)大范圍整治數(shù)值模擬研究概述 199
5.5.2  河網(wǎng)大范圍航道整治設計的模擬研究 201
5.5.3  長距離疏浚對河網(wǎng)不均衡發(fā)展的調(diào)節(jié)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(shù)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(qū)水、物質(zhì)、泥沙輸移的二維數(shù)值試驗 213
6.1.3  湖區(qū)河床沖淤演變的數(shù)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(diào)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(qū)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(wǎng)系統(tǒng)整體模擬的討論 246
6.5.1  江湖河網(wǎng)系統(tǒng)整體數(shù)學模型的發(fā)展 246
6.5.2  江湖系統(tǒng)整體數(shù)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(shù)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(shù)值模擬的技術要點與研究進展 256
7.1.3  長江口水沙數(shù)學模型的研究與發(fā)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(zhuǎn)流的擾動機制研究 268
7.3.1  入?？陂T整治工程的精細建模 268
7.3.2  入?？陂T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(diào)控下河口沖淤規(guī)律變化研究 277
7.4.1  河口沖淤對入?？谡喂こ痰捻憫嬎?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(qū)淤積：喀斯特河流 290
8.1  水庫泥沙淤積數(shù)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(guī)模擬方法 293
8.1.3  水庫一維、二維水沙模型的聯(lián)合應用 297
8.1.4  喀斯特河流水庫水沙數(shù)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(qū)混合流河網(wǎng)一維建模 301
8.2.2  資料稀缺地區(qū)水庫入庫水沙過程推求 305
8.2.3  庫區(qū)混合流河網(wǎng)水動力數(shù)值試驗 307
8.2.4  伏流型水庫水沙數(shù)學模型參數(shù)敏感性研究 308
8.3  壅水條件下伏流的沖淤規(guī)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(guī)律 313
8.3.3  庫區(qū)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(diào)研 317
參考文獻 319
第9章  水庫壩區(qū)泥沙：沖刷漏斗 321
9.1  壩區(qū)水沙三維數(shù)值模擬概述 321
9.1.1  壩區(qū)水沙運動特點及模擬研究方法 321
9.1.2  壩區(qū)三維水沙數(shù)值模擬的技術要點 323
9.1.3  壩區(qū)水沙運動典型場景的三維數(shù)值模擬 325
9.2  水庫全生命周期壩區(qū)三維水沙計算 331
9.2.1  真實水庫壩區(qū)三維數(shù)學模型建模 331
9.2.2  壩區(qū)水沙輸移規(guī)律及沖刷漏斗形成機理 334
9.3  水庫(壩區(qū))減淤優(yōu)化調(diào)度 337
9.3.1  水庫減淤調(diào)度運用方式研究概述 337
9.3.2  增加排沙時長對壩區(qū)減淤的作用 341
9.3.3  優(yōu)化孔洞出流比例對減淤的作用 343
9.4  壩區(qū)樞紐布置的防沙優(yōu)化 345
9.4.1  水庫壩區(qū)出流孔洞淤堵的原因剖析 345
9.4.2  樞紐平面位置優(yōu)化的減淤作用 347
9.4.3  建筑物細部改造的減淤作用 349
9.5  水庫泥沙數(shù)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(diào)整對水流的影響 369
10.4  河道灘地內(nèi)港池的影響及回淤計算 372
10.4.1  河道灘地內(nèi)港池的工程建模 373
10.4.2  河道灘地內(nèi)港池工程對水流的擾動 374
10.4.3  河道灘地內(nèi)港池的泥沙沖淤計算 377
10.5  河道采砂的影響及回淤計算 379
10.5.1  河道及采砂坑的二維建模 379
10.5.2  河道采砂對河道水流的擾動計算 380
10.5.3  河道采砂的動床沖淤計算 382
參考文獻 384
第11章  洪水演進模擬與在線計算 385
11.1  流域大范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(qū)分洪的一二維耦合計算 391
11.2.2  城鎮(zhèn)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(shù)據(jù)向水平面的映射 402
11.3.3  基于河/湖斷面水力數(shù)據(jù)快速構造淹沒場景 403
11.3.4  基于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(shù)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(tǒng)及其水文站點分布 418
附錄B  Tecplot軟件可視化數(shù)據(jù)輸出 419
附錄C  AutoCAD軟件可視化數(shù)據(jù)輸出 422