阻水障礙物群影響下的洪水和泥沙運動數(shù)值模擬研究.pdf

1、實際情況下，洪水在演進(jìn)過程中會不可避免地會遇到阻水障礙物群（如植被群和建筑群等），阻水障礙物群的存在對洪水運動和泥沙輸移都有很大的影響。本文通過引入透水密度系數(shù)以考慮阻水障礙物群對洪水運動過程中水流通量的影響，建立了二維動力波洪水和泥沙運動數(shù)值模型，通過對不同情況下帶有阻水障礙物群的洪水演進(jìn)和泥沙運動進(jìn)行模擬分析，主要研究成果和結(jié)論如下:
　　(1)分析總結(jié)了植被群和建筑群作為阻水障礙物群在洪水運動過程中的阻力作用，植被群在單位體

2、積上的阻力可以表示為→fd=Cdραv2cv/πD|U|→U，植被群對水流的阻力會因植被自身特性（剛性，柔性，有無樹葉）的不同而變化;而建筑物群在單位體積上的阻力為→fd=1/2ρξ/Lcb|U|→U，阻力會因建筑物分布的疏密程度以及形狀尺寸的不同而變化。
　　(2)在二維淺水運動和泥沙輸移方程的基礎(chǔ)上引入透水密度系數(shù)以綜合考慮阻水障礙物群對水流通量和泥沙輸移通量的影響，從而建立一個新的基于透水密度系數(shù)法的二維動力波洪水和泥沙運動

3、數(shù)值模型。同時，模型還考慮了水流的粘性和紊動擴(kuò)散作用，以及考慮地形變化影響的水沙耦合作用。本模型采用中心迎風(fēng)格式求解單元界面上的流量和動量通量，并結(jié)合對界面變量的線性重構(gòu)，使其具有空間上的二階精度。單元界面上的泥沙輸移通量采用迎風(fēng)格式進(jìn)行求解。為保證模型的和諧性和穩(wěn)定性，底床坡度項采用中心差分法離散，底床摩擦項和障礙物的阻力項用半隱式法離散。粘性和紊動擴(kuò)散項，泥沙運動擴(kuò)散項均采用中心差分格式處理。當(dāng)庫朗特數(shù)滿足條件時，模型能保證計算水深

4、在任何時刻是非負(fù)的，使得模型具有良好的穩(wěn)定性。
　　(3)模型分別對帶有不同類型阻水障礙物群的定床洪水算例進(jìn)行驗證分析，結(jié)果表明:透水密度系數(shù)法可以將阻水障礙物群視為一個整體考慮，配置相同的計算參數(shù)，網(wǎng)格劃分的疏密對透水密度系數(shù)法下的模擬結(jié)果影響較小，而設(shè)定高程法受網(wǎng)格粗細(xì)影響十分顯著。在計算精度和誤差相近的范圍內(nèi)，相比設(shè)定高程法，透水密度系數(shù)法具有較高的計算效率，計算耗時僅為其1/50，這表明在洪水演進(jìn)數(shù)值模擬中，透水密度系數(shù)法

5、比設(shè)定高程法更具優(yōu)勢，這對于洪水風(fēng)險評估和快速防災(zāi)決策極為重要。
　　(4)通過算例對考慮水沙耦合作用的洪水和泥沙運動數(shù)值模型進(jìn)行驗證，分析其水動力特征、泥沙運動以及河床變形特征，并利用該模型對阻水障礙物群—水生植被群影響下的洪水和泥沙運動進(jìn)行計算模擬，分析探討水生植被群的存在及其分布方式對洪水運動、泥沙輸移及底床沖淤的影響。結(jié)果表明:水生植被群的存在雖能有效減小上游河床的沖刷，但由于不利于過流，會使上游水位抬高而增加洪災(zāi)風(fēng)險。同