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和泥沙運動進行模擬分析，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格式進行求解。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。粘性和紊動擴散項，泥沙運動擴散項均采用中心差分格式處理。當庫朗特數(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，而設定高程法受網(wǎng)格粗細影響十分顯著。在計算精度和誤差相近的范圍內(nèi)，相比設定高程法，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，這表明在洪水演進數(shù)值模擬中，透水密度系數(shù)法

5、比設定高程法更具優(yōu)勢，這對于洪水風險評估和快速防災決策極為重要。
　　(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風險。同