考虑下渗的河道水沙数学模拟研究

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河道洪水演算分析研究了洪水波在河道中的传播规律,是水文预报的重要组成部分,河道洪水演算的结果在防洪减灾和水资源的综合利用等方面都有着非常重要的现实意义。基于圣维南方程的河道洪水演进模拟是河道汇流计算与洪水预报的主要研究手段和关键技术,然而使用传统的不考虑下渗的河道水流数学模型无法准确模拟干旱和半干旱地区下渗强烈河道上的洪水运动。因此,本文旨在对强烈下渗河段上的洪水运动及河床变形的数值模拟做出一些研究。首先,本文采用Green-Ampt入渗模型描述河道下渗,并将土壤入渗模型与现有的河道水沙数学模型进行集成,建立了考虑下渗的一维河道水沙数学模型。为准确求解控制方程解中可能包含的激波与间断,本文采用有限体积法离散控制方程,采用具有总变差最小特性(Total Variation Diminishing:TVD)的SLIC方法(Slope Limited Centred scheme)求解数值通量。接下来,通过模拟三个实验算例:坡面产流实验、短渠道中的洪水演进数值实验以及溃坝洪水波在透水坡面上的传播实验来验证本文模型。数值计算结果显示,本文建立的数学模型可以较好地模拟坡面产流过程,而使用本文提出的模型模拟的短渠道中洪水演进的过程与之前的模拟结果吻合良好,对于溃坝洪水波在透水坡面上的传播过程的模拟结果也与实测结果吻合较好。最后,将应用本文模型对浊漳河西南源两场典型场次洪水进行数值模拟,可以看出相较传统的不考虑下渗的河道水流数学模型,使用本文所建立的考虑下渗的河道水沙数学模型进行模拟时所得到的模拟结果与实测洪水过程更为吻合,说明本文所建立的数学模型可以较好地模拟下渗较为强烈的河道上的洪水演进过程。且通过对比两者的模拟结果可以看出,考虑下渗情况下洪峰流量小、洪水历时短、洪水总量小、河床更易产生淤积。并对模型参数进行敏感性分析,计算结果显示糙率、上扬通量修正系数、恢复饱和系数、Green-Ampt压力水头以及前期土湿等模型中的参数均对计算结果有一定的影响。本文模型相较传统模型能更准确地模拟下渗强烈河道上的洪水演进过程,具有一定的推广应用价值。
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