計(jì)算河流工程學(xué)

第1章  河流數(shù)學(xué)模型原理概述 1
1.1  河流研究方法簡(jiǎn)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(xué)模型 6
1.2.1  一維混合流水沙數(shù)學(xué)模型的原理 6
1.2.2  非均勻沙計(jì)算的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié) 10
1.3  二維(2D)水沙數(shù)學(xué)模型 14
1.3.1  二維水沙數(shù)學(xué)模型的原理 14
1.3.2  二維水沙計(jì)算的若干前沿問(wèn)題 16
1.4  三維(3D)水沙數(shù)學(xué)模型 19
1.4.1  三維水沙數(shù)學(xué)模型的原理 19
1.4.2  復(fù)合型三維泥沙計(jì)算模式 23
1.4.3  非均勻沙不平衡輸移的三維計(jì)算 26
1.5  常用水沙數(shù)學(xué)模型辨析 29
1.5.1  非靜壓與靜壓水動(dòng)力模型 30
1.5.2  一二維耦合水動(dòng)力模型 31
1.5.3  不同耦合程度的水沙數(shù)學(xué)模型 33
參考文獻(xiàn) 35
第2章  河流計(jì)算的基礎(chǔ)性技術(shù) 43
2.1  河湖斷面及其阻力動(dòng)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(fù)式明渠斷面阻力的變化規(guī)律 44
2.1.3　復(fù)式明渠斷面糙率動(dòng)態(tài)變化的計(jì)算 46
2.2  平面網(wǎng)格剖分與干濕動(dòng)邊界處理方法 47
2.2.1  高分辨率灘槽優(yōu)化的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格 48
2.2.2  模擬平面上干濕動(dòng)邊界的記憶補(bǔ)償法 49
2.3  精細(xì)床沙級(jí)配平面分布的構(gòu)建方法 52
2.3.1  床沙級(jí)配平面分布問(wèn)題概述 52
2.3.2  耦合物理機(jī)制的機(jī)器學(xué)習(xí)思想 53
2.3.3  構(gòu)建床沙級(jí)配分布的機(jī)器學(xué)習(xí)方法的執(zhí)行 55
2.3.4  構(gòu)建天然河流床沙級(jí)配分布的實(shí)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(xì)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(xì)建模方法 74
2.6  河道變異水沙過(guò)程的重構(gòu)方法 77
2.6.1  水庫(kù)下游河道水沙過(guò)程重構(gòu)概述 77
2.6.2  河道含沙量過(guò)程的減沙重構(gòu) 77
2.6.3  河道水位過(guò)程的降水位重構(gòu) 79
參考文獻(xiàn) 81
第3章  河流數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)方法 85
3.1  河流數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)概述 85
3.1.1  河流數(shù)學(xué)模型的參數(shù)與數(shù)值試驗(yàn)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(xué)模型試驗(yàn) 89
3.2  二維數(shù)學(xué)模型的數(shù)值試驗(yàn) 93
3.2.1  天然河道的精細(xì)二維建模 93
3.2.2  二維水流模型的率定與驗(yàn)證 95
3.2.3  二維泥沙模型的率定與驗(yàn)證 96
3.3  三維數(shù)學(xué)模型的數(shù)值試驗(yàn) 100
3.3.1  河道多層流動(dòng)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(dòng)力數(shù)值試驗(yàn) 108
3.4.1  潮流宏觀水動(dòng)力過(guò)程的模擬 108
3.4.2  潮流三維水動(dòng)力過(guò)程的模擬 112
3.5  河口水沙輸移數(shù)值試驗(yàn) 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(xué)模型的數(shù)值試驗(yàn) 118
3.5.3  河口水沙數(shù)學(xué)模型的參數(shù)敏感性分析 120
參考文獻(xiàn) 123
第4章  河道的演變與治理 124
4.1  彎曲型河道的水沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律與模擬 124
4.1.1  彎曲型河道水沙運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn) 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(yù)測(cè) 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(yùn)動(dòng)規(guī)律與模擬 143
4.3.1  分汊型河道水沙運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn) 143
4.3.2  河道中洲灘運(yùn)動(dòng)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(hù) 156
4.5  辮狀河道的模擬與整治 159
4.5.1  辮狀河道水沙運(yùn)動(dòng)與模擬概述 159
4.5.2  辮狀河道流場(chǎng)的精細(xì)模擬方法 162
4.5.3  辮狀河道的約束整治 167
參考文獻(xiàn) 169
第5章  河網(wǎng)水沙調(diào)控：二維計(jì)算 172
5.1  平原河網(wǎng)的特點(diǎn)與數(shù)值模擬概述 172
5.1.1  平原河網(wǎng)水沙運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn) 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(yàn) 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(jì)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(jì)算 184
5.4  河網(wǎng)水利樞紐泥沙的精細(xì)模擬 188
5.4.1  松滋口閘的概況及樞紐精細(xì)建模 188
5.4.2  閘址附近流場(chǎng)的精細(xì)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(duì)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(jì)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(shè)計(jì)的模擬研究 201
5.5.3  長(zhǎng)距離疏浚對(duì)河網(wǎng)不均衡發(fā)展的調(diào)節(jié)計(jì)算 205
參考文獻(xiàn) 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(yàn) 213
6.1.3  湖區(qū)河床沖淤演變的數(shù)值試驗(yàn) 217
6.2  湖泊容積與濕地變化預(yù)測(cè)——以洞庭湖為例 221
6.2.1  洞庭湖沖淤演變趨勢(shì)的二維模型預(yù)測(cè) 221
6.2.2  洞庭湖未來(lái)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(jì)算——以鄱陽(yáng)湖為例 227
6.3.1  鄱陽(yáng)湖及其支流入湖尾閭整體的二維模型 228
6.3.2  鄱陽(yáng)湖入湖尾閭改道對(duì)湖區(qū)的擾動(dòng)分析 231
6.4  湖濱民垸潰堤洪水過(guò)程的復(fù)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(tuán)洲垸潰堤洪水復(fù)演 238
6.4.3  錢團(tuán)間堤潰決洪水危險(xiǎn)性計(jì)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(xué)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(shí)效性 248
參考文獻(xiàn) 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(yùn)動(dòng)及治理工程的特點(diǎn) 254
7.1.2  河口水沙數(shù)值模擬的技術(shù)要點(diǎn)與研究進(jìn)展 256
7.1.3  長(zhǎng)江口水沙數(shù)學(xué)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(zhǎng)江口南北支水沙倒灌過(guò)程的模擬 260
7.2.2  長(zhǎng)江口南北支水沙倒灌的通量計(jì)算及機(jī)理研究 264
7.3  工程對(duì)河口旋轉(zhuǎn)流的擾動(dòng)機(jī)制研究 268
7.3.1  入?？陂T整治工程的精細(xì)建模 268
7.3.2  入?？陂T整治的工程效應(yīng)分析 270
7.3.3  入?？陂T整治對(duì)潮流的擾動(dòng)計(jì)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(duì)入海口整治工程的響應(yīng)計(jì)算 277
7.4.2  工程作用下河口泥沙通量的變化計(jì)算 281
7.4.3  工程對(duì)河口水沙運(yùn)動(dòng)的總體影響分析 285
參考文獻(xiàn) 286
第8章  水庫(kù)庫(kù)區(qū)淤積：喀斯特河流 290
8.1  水庫(kù)泥沙淤積數(shù)值模擬概述 290
8.1.1  明渠與伏流水庫(kù)淤積的特點(diǎn)與問(wèn)題 290
8.1.2  水庫(kù)水沙運(yùn)動(dòng)的常規(guī)模擬方法 293
8.1.3  水庫(kù)一維、二維水沙模型的聯(lián)合應(yīng)用 297
8.1.4  喀斯特河流水庫(kù)水沙數(shù)值模擬方法 299
8.2  喀斯特河流水庫(kù)淤積的模擬方法 301
8.2.1  伏流型水庫(kù)庫(kù)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(kù)入庫(kù)水沙過(guò)程推求 305
8.2.3  庫(kù)區(qū)混合流河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)值試驗(yàn) 307
8.2.4  伏流型水庫(kù)水沙數(shù)學(xué)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(kù)庫(kù)尾三角洲穿過(guò)伏流洞的過(guò)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(kù)區(qū)伏流洞保持過(guò)流的動(dòng)力機(jī)制 315
8.3.4  喀斯特河流水庫(kù)淤積的實(shí)地調(diào)研 317
參考文獻(xiàn) 319
第9章  水庫(kù)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(yùn)動(dòng)特點(diǎn)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(shù)要點(diǎn) 323
9.1.3  壩區(qū)水沙運(yùn)動(dòng)典型場(chǎng)景的三維數(shù)值模擬 325
9.2  水庫(kù)全生命周期壩區(qū)三維水沙計(jì)算 331
9.2.1  真實(shí)水庫(kù)壩區(qū)三維數(shù)學(xué)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(jī)理 334
9.3  水庫(kù)(壩區(qū))減淤優(yōu)化調(diào)度 337
9.3.1  水庫(kù)減淤調(diào)度運(yùn)用方式研究概述 337
9.3.2  增加排沙時(shí)長(zhǎng)對(duì)壩區(qū)減淤的作用 341
9.3.3  優(yōu)化孔洞出流比例對(duì)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(kù)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(xì)部改造的減淤作用 349
9.5  水庫(kù)泥沙數(shù)值模擬技術(shù)討論 351
參考文獻(xiàn) 353
第10章  涉河工程的擾動(dòng)計(jì)算 355
10.1  涉河工程擾動(dòng)計(jì)算的基本方法 355
10.1.1  普通涉河工程(碼頭)的二維精細(xì)建模 355
10.1.2  工程對(duì)河道水流的擾動(dòng)計(jì)算 357
10.2  淹沒(méi)式涉河工程的擾動(dòng)計(jì)算 361
10.2.1  潛丁壩對(duì)河道水流的擾動(dòng)計(jì)算 361
10.2.2  護(hù)灘帶群對(duì)河道水流的擾動(dòng)計(jì)算 364
10.2.3  航道整治工程的擾動(dòng)計(jì)算 364
10.3  非淹沒(méi)式涉河工程的擾動(dòng)計(jì)算 367
10.3.1  跨河橋梁對(duì)河道水流的擾動(dòng) 367
10.3.2  河道岸線調(diào)整對(duì)水流的影響 369
10.4  河道灘地內(nèi)港池的影響及回淤計(jì)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(duì)水流的擾動(dòng) 374
10.4.3  河道灘地內(nèi)港池的泥沙沖淤計(jì)算 377
10.5  河道采砂的影響及回淤計(jì)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(duì)河道水流的擾動(dòng)計(jì)算 380
10.5.3  河道采砂的動(dòng)床沖淤計(jì)算 382
參考文獻(xiàn) 384
第11章  洪水演進(jìn)模擬與在線計(jì)算 385
11.1  流域大范圍洪水演進(jìn)的實(shí)時(shí)模擬 385
11.1.1  流域洪水演進(jìn)及模擬的特點(diǎn) 385
11.1.2  長(zhǎng)江中下游整體洪水演進(jìn)計(jì)算 387
11.2  開闊陸域淹退水過(guò)程的精細(xì)模擬 391
11.2.1  河道向蓄滯洪區(qū)分洪的一二維耦合計(jì)算 391
11.2.2  城鎮(zhèn)淹退水過(guò)程的精細(xì)模擬 395
11.3  流域洪水場(chǎng)景的實(shí)時(shí)模擬與可視化 400
11.3.1  流域洪水場(chǎng)景模擬與可視化概述 400
11.3.2  河/湖斷面洪水?dāng)?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(gòu)造淹沒(méi)場(chǎng)景 403
11.3.4  基于WebGIS的洪水淹沒(méi)場(chǎng)景可視化 408
11.4  河流在線計(jì)算的設(shè)想 412
11.4.1  多維復(fù)合河流數(shù)值模擬方法 412
11.4.2  流域洪水演進(jìn)在線計(jì)算初探 413
參考文獻(xiàn) 416
附錄A  荊江—洞庭湖系統(tǒng)及其水文站點(diǎn)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