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多沙河流洪水演进与冲淤演变数学模型研究及应用
发布人:管理员 发布时间:2012-10-22 审核人:管理员

获奖类型:大禹水利科学技术一等奖

项目名称:多沙河流洪水演进与冲淤演变数学模型研究及应用

任务来源:水利部科技重点项目、国家自然基金及攻关项目等

课题编号:SZ98-57,SZ9860、59890200,50339020,85-926-02-01,98-928-0201

课题起止时间:1992年10月15日-2006年12月31日

完成单位:黄河水利委员会黄河水利科学研究院、武汉大学、华北水利水电学院

主要完成人:江恩惠 赵连军 张红武 韦直林 刘雪梅 谈广鸣

张 清 陈书奎 赵新建 曹永涛 马怀宝 董其华 

黄鸿海 余 欣 郑春梅

??? 1、立项背景

近半个多世纪以来,随着流体力学、数值计算方法的发展和计算机计算速度的提高,河流泥沙数学模型的研究也有了很大进步,并在许多河流治理开发工作中得到了广泛应用。目前数学模型已成为河流治理规划与水利水电工程开发建设中不可或缺的研究手段之一。

黄河是世界瞩目的多沙河流。大量泥沙的输移及沉积给多沙河流水资源的开发利用及水利水电工程建设与安全运行带来了诸多困难。特别是近二十年来,黄河下游河道的淤积抬升,“二级悬河”态势日益加剧,河势游荡不定,给防洪安全带来了巨大压力。

鉴于多沙河流来水来沙与河床演变规律的复杂性,原有许多数学模型在模拟水沙运动时,仍存在许多困难,主要原因是泥沙基本理论的发展相对滞后,如在对多沙河流河床变形方程、水流挟沙能力、动床阻力、悬移质泥沙与床沙交换、河道断面形态调整等关键环节的处理上,大多处于依赖经验,缺乏一定的理论基础。虽然国内外开发的河流泥沙数学模型参数都得到了部分实测资料的率定,但模型运用于象黄河这样的多沙河流时,计算结果与实际情况往往相差较大,特别是对高含沙洪水和一些异常现象的预测预报更是无能为力,大大影响了模型的可预测性和推广应用价值。

2、详细科学技术内容

该成果针对数学模型泥沙输移模拟的关键技术问题开展专项攻关,修正和完善了多沙河流泥沙连续方程与河床变形方程、建立了附加系数K1及泥沙非饱和系数f1通用表达式;对流速、含沙量及悬沙组成沿垂线分布规律、泥沙起动流速、水流紊动强度沿垂线分布规律、高含沙水流挟沙力、多沙河流动床阻力、含沙量与悬沙组成沿河宽分布规律、冲积性河流河床综合稳定指标等进行了深入探讨,提出了符合实际的理论和经验公式。该课题还完成了悬沙与床沙级配、非均匀沙浑水沉速、悬沙与床沙交换基本方程及计算方法的研究。

基于上述成果,开发与研制“河道洪水演进与冲淤演变准二维泥沙数学模型”采用大量黄河干支流典型洪水及系列年实测资料进行了系统验证,结果表明,无论是一般洪水还是高含沙洪水,该模型均能成功复演沿程水位变化、洪峰与沙峰传播过程、河道冲淤量时空分布。

该模型已广泛应用于黄河干支流洪水演进与河床冲淤演变预测,使诸多复杂的水沙演进过程得到了成功复演,更重要的是许多预测成果已被实测资料印证。另外,利用该模型,复演了黄河下游20世纪90年代漫滩洪水演进及小浪底水库异重流排沙期洪峰增值等异常现象,科学地解释了异常现象发生的机理,为学科发展做出了贡献。

3、技术创新点

(1)经过理论分析,提出了多沙河流床沙与悬沙级配分布的计算公式,为反映非均匀沙的影响提供了新的途径,实用性强。

(2)以异质粒子与紊流场的相互作用关系为理论基础,提出了泥沙非饱和系数 与附加系数 计算公式,改进了河床变形方程,提高了数学模型的实用性。

(3)针对黄河河道冲淤特点,研究了多沙河流动床阻力变化规律,建立了河道糙率计算公式,提高了计算结果的可靠性。

(4)建立了非均匀沙混合沉速及挟沙水流流速、含沙量、悬沙平均粒径、中值粒径沿垂线分布公式;提出了新的床沙与悬沙交换模式和河床综合稳定性指标计算公式。这些成果对拓展模型功能,提高模型长系列预报精度起到了重要作用。

(5)在上述成果基础上,开发了多沙河流准二维水沙数学模型,进行了多场典型洪水和不同水沙系列的验证,广泛应用于洪水演进预报与河床冲淤演变预测及科学研究,产生了巨大的社会经济效益。

4、成果应用情况及社会经济效益

本成果运用水力学、流体力学、河流动力学、河床演变学基本原理,以黄河及支流为样本深入研究了多沙河流水沙运动基本特性与河床演变基本规律,探讨了直接影响数学模型成败的泥沙沉降、泥沙起动、水流流速与紊动强度沿垂线分布、含沙量及悬沙组成沿垂线分布与河宽分布规律、动床阻力、水流挟沙力、悬移质泥沙与床沙交换基本方程及计算方法、河床综合稳定指标等关键性理论与技术,建立了理论计算公式。

以上述成果为依托,构建了适应于多沙河流洪水演进与河床冲淤演变准二维泥沙数学模型与黄河下游河道平面二维水沙数学模型,实现了模型研发与水沙运动基本理论研究的有机结合,特别是该模型通过引入附加系数K1及泥沙非饱和系数f1,完善了河床变形方程和泥沙连续方程,使其更适用于多沙河流水沙运动特性,大大提高了模型可预测性。

??? 应用该数学模型,成功开展了黄河下游汛期洪水实时作业预报、调水调沙方案计算、宁蒙河道冲淤演变预测、黄河下游滩区治理、南水北调沁河改道方案论证、小浪底水库与泾河东庄水库运用方式研究等项目,表明该项目成果可信,具有显着的社会、经济与环境效益,为黄河治理开发方案的科学论证提供科技支撑,对学科的发展有极大促进作用,推广应用前景广阔。