三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究

针对大部分水库调度模型中水沙输移计算大幅简化且与库水位计算过程间只有单向耦合的问题,本研究构建了基于激波捕捉式有限体积法与河网算法的库区水沙调度模型.该模型采用河段连接单元内水沙质量与动量守恒方程的准二维求解算法,河网算法可以反映干支流交汇角的影响,并且使用OpenMP技术实现了并行求解.该模型的水库调度模块将调度方案表示为5个触发条件和4个调度指令参数构成的调度规则表,由水沙动力学模型向调度模块提供入库监测断面的水沙条件与实时更新的水位库容关系,水库调度模块为水沙动力学模型提供库区下游边界条件,从而实现两者双向耦合.采用2020年三门峡库区实测水沙数据进行了模型验证,库区三个河段的水位、流量和含沙量计算结果与实测值相符,在坝前水位最快下降速度达到2.3 m/h的敞泄排沙时段,数值计算过程稳定且成功预测了出库沙峰.针对近年黄河来沙量减少而潼关高程下降趋势并不稳定的问题,应用模型开展了三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究,通过对不同的汛期和非汛期调度方案的模拟分析,初步确定了坝前控制水位对于年内库区冲淤量和潼关高程影响显著的时期,研究结果可以为三门峡水库调度方案进一步优化提供思路.     

沙波形态及运动特征的概化数学模型研究

水库修建后坝下游水沙条件发生显著变化,推移质补给大量减少,悬移质占输沙量的主要部分.在河床持续冲刷过程中,沙波运动从以推移质为主逐渐转变为推移质与悬移质共同输移.建立了一维沙波形态及运动特征的概化数学模型,对比了基于推移质和悬移质输移的沙波运动特征,采用已有公式对基于推移质运动的沙波形态变化和运动速度进行了验证,并讨论了不同参数对沙波运动的影响.模拟结果表明：(1)基于推移质运动的沙波向下游运动,沙波上各点的运动速度与其高程正相关,迎流面冲刷,背流面淤积,沙波形态逐渐向不对称发展,沙波运动临界时间为31.78h,与已有解析解误差仅为1.5%;基于悬移质运动的沙波未向下游运动,以垂向冲刷为主,沙波上各点冲刷强度与其高程正相关,波高逐渐减小,沙波形态基本对称且趋于消亡;(2)基于推移质运动的沙波波峰和波谷的运动速度计算值分别为51m/d和17m/d,与已有公式的最大相对误差小于26%,形态曲线的平均相对误差小于19%,故计算结果能较好地反映沙波运动特征;(3)水沙参数对沙波的影响比沙波初始形态参数更显著,增大单宽流量和减小水深均能使沙波运动增强,且对水深变化的响应更加敏感.     

经济发展前提下的私人车辆与公共交通问题研究

<正>改革开放以来,我国GDP以稳定的高增长率逐年递增,相应地人均收入也迅速增长,带动着社会消费量的增加。进入21世纪之后,汽车成为新的消费热点,私家汽车需求迅速增长,中国汽车工业迅猛发展。随之而来的是各种矛盾丛生,能源、交通、环境等问题层出不穷。因此,如何让汽车工业健康发展,并解决好城市发展的一系列负面问题,在人口庞大的中国显得尤为重要。     

下荆江急弯段凸冲凹淤演变过程与机理

三峡工程运用后,下荆江急弯河段出现凸冲凹淤的弯道演变现象,威胁防洪与航运安全.下荆江8个弯道为急弯(相对曲率B/R>0.5), 6个急弯段的弯顶上游区域发生了明显的凸冲凹淤过程,且主要表现为凸岸边滩冲刷下切、河岸持续崩退,凹岸深槽回淤并形成长条形心滩,导致断面形态由不对称的三角形变为W形.本文采用水沙及实测流场资料,从水流流速重分布、来沙组成变化及河岸土体组成等3个方面研究了急弯段凸冲凹淤的演变机理.结果表明:(1)急弯段水流流速重分布规律有利于弯顶上游凸冲凹淤现象的形成,在弯顶上游段流速分布主要受曲率变化控制(贡献率占67%),导致主流长期偏靠并冲刷凸岸,凹岸流速较小且易形成水流分离区,利于泥沙落淤;(2)由于上游来沙量减少约82%,细沙比例减小,粗沙比例增加,导致弯顶上游凸岸边滩冲刷后,无法及时回淤,故凸岸边滩总体呈冲刷下切趋势,但粗沙可在流速较小的凹岸侧落淤形成心滩;(3)在凸冲凹淤过程长期作用下,河床横比降减小,曲率变化对流速横向分布的贡献率增大,主流继续向凸岸摆动,进一步促进了凸冲凹淤过程的发展.因此,在水沙条件相对稳定的情况下,下荆江急弯河段凸冲凹淤过程会继续发展,在...     

长江中游河道床面冲淤及河岸崩退数学模型研究及其应用

三峡工程运用后,长江中游河段持续冲刷,局部河段崩岸现象较为突出,尤其在荆江河段.崩岸不仅影响局部河段河势的稳定,同时还影响两岸防洪及航运安全.本研究通过耦合一维水沙动力学模块、潜水位变化模块以及二元结构河岸稳定性分析模块,建立了模拟坝下游冲积河道床面冲淤及河岸崩退的一维耦合数学模型.采用该模型分别计算了不同年份长江中游荆江段的河床变形过程,对模型进行较为详细地率定和验证.计算结果表明:该模型能较好地反演研究河段内的水沙输移过程,并能模拟出主要崩岸发生区域及崩岸宽度;崩岸主要受近岸水流冲刷作用控制,但河岸土体内潜水位变化对上荆江河段崩岸的影响也较为显著;在下荆江河段,超过50%的河岸在洪峰期发生绕轴崩塌现象.此外,还分析了河段出口水位及河岸土体特性参数变化对崩岸计算结果的影响,这些参数的敏感性测试结果表明:当出口断面水位由于洞庭湖入汇而上升时,河段水面纵比降及平均流速减小,导致研究河段内崩岸宽度会有所降低;土体起动切应力的减小对河岸崩塌的影响最为显著,尤其在下荆江河段.     

基于圆弧与平面滑动模式的上荆江崩岸过程模拟对比分析

基于平面滑动与圆弧滑动模式，构建了具有最危险滑动面搜索过程的崩岸概化模型.该模型耦合了坡脚冲淤、潜水位及河岸稳定性计算模块，其中圆弧滑动模式考虑了土体的垂向分层结构.采用该崩岸模型计算了2014年上荆江典型断面的崩岸过程，结果表明：在坡度较缓的断面，圆弧滑动模式的计算误差更小；在荆55断面，圆弧和平面滑动模式计算的崩塌次数分别为10次和2次，崩岸宽度的相对误差分别为21.5%和29.9%;在荆61断面分别为7次和1次，崩岸宽度的相对误差分别为1.0%和6.1%.最后开展了河岸土体参数的敏感性数值试验，分析了土体抗剪强度参数及土体垂向分层结构对崩岸过程的影响：随着抗剪强度参数的增加，模拟的总崩岸宽度呈减小趋势，单次崩岸宽度和崩岸次数的变化趋势与黏聚力及内摩擦角代表的力学特性有关；另外砂土层作为软弱夹层会通过增大单次崩岸宽度或崩岸次数来增加总崩岸宽度.     

降雨和外江水位变化对城市洪涝的联合影响分析——以武汉市为例

降雨和外江水位是影响城市洪涝灾害的主要因素.为了更好地评估洪涝灾害风险，分析了降雨和外江水位变化对城市洪涝的联合影响.以武汉市为研究对象，采用Copula函数定量评估了不同时段降雨与外江水位的联合分布特征，并基于2016年典型降雨过程验证后的青山区SWMM模型，模拟了不同降雨和外江水位变化下武汉市青山区的洪涝过程.计算结果表明，同一重现期降雨下外江水位从21.7m升高至28.0m,研究区域的致涝率增加了0.5%～2.2%;相同外江水位下降雨重现期从5a增加至100a一遇，研究区域的致涝率增加了28.5%～29.1%,泵站运行对区域致涝率的消减作用从20.6%～21.0%减少至4.1%～4.9%;表明暴雨是区域内涝的主要因素，外江水位越高对区域内涝造成的不利影响越显著，且随降雨重现期增大泵站对区域的排涝作用越来越小.武汉市汛期降雨量和长江水位的联合风险率大于单个因素的风险率，且2010～2020年强降雨与高水位联合风险率和同现风险率相较于2000～2009年的均呈增加趋势，增长率超过了70%,表明近几年来极端降雨和高水位事件频发，且未考虑降雨和长江水位的联合作用可能会低估洪涝的危险程度....