防洪系统洪水行为的数值模拟

摘要

本文以长江中下游防洪系统为对象，概述了作者近年来在防洪系统水沙运动数值模拟方面取得的主要进展。在水沙运动数值模拟的核心算法方面，提出了一维显隐结合的分块三级河网差分算法，准确地实现了河网汊点流量的自动分配；针对感潮河网区建立了一维非恒定流水沙数学模型，成功地模拟了感潮河网区水沙运动的往复输运特征和河道冲淤的宏观效应。为适应复杂几何形状流场和泥沙浓度场的计算要求，提出了无结构网格上二维水沙模拟的高性能有限体积算法，实现了二维FVM算法与单元悬床沙交换以及分组挟沙力的计算模式的有机耦合。针对长江中下游防洪系统，建立了长江干流、洞庭湖河网以及洞庭湖湖泊水沙输运和河床变形模拟模型，所建模型较好地反映了河湖流动特征、水位流量关系、泥沙冲淤量和冲淤厚度的时空分布规律。通过长江中下游防洪总体布局、分蓄洪运用和江湖关系等模拟实例，较好地解决了防洪措施蓄泄后效评估和工程优化调控模式等关键难题，为防洪规划和实时调度方案的制定和实施提供了定量的设计依据，主要成果已应用于长江中下游防洪规划中。