河网水动力及水质模型的研究及应用

摘要

数值模拟方法是研究河网水流及水体中污染物输移扩散规律的主要方法之一,其结果可为人们进一步进行水环境管理规划提供了必要的技术支持。建立可靠、高效的水动力及水质模型是准确模拟实际问题的关键,具有重要的理论意义和很高的实用价值。
　　 本文基于描述明渠非恒定流的Saint—Venant方程,采用Preissmann四点偏心隐格式及河网三级联解法建立了河网一维水动力模型；利用一维对流扩散方程建立了河网一维水质模型；讨论了河网中闸坝、堰等水利设施的处理方法和河道断面概化等问题；对所建立的模型进行了验证,结果表明所建模型切实可靠,可以用于复杂一维河网水动力及污染物输移扩散的模拟和预测。
　　 对于湖泊、水库及河口等开阔水域,基于二维浅水方程和二维对流扩散方程、利用坐标变换法建立了一般曲线坐标系下的二维河网水动力及水质模型,解决了由于复杂边界条件处理不当带来的模型误差；通过解析解对二维模型进行了验证,结果表明所建立的二维模型基本能反映二维水域水流运动及污染物输移扩散规律,可以进一步应用于实际的二维水域的模拟。
　　 在所建立的一、二维模型的基础上利用重叠——投影法进行了一、二维模型的耦合求解,解决了河网中水库、湖泊等局部开阔水域的二维计算问题,并对模型进行了验证。
　　 将所建立的一维水动力模型应用于北运河流域,对北运河北关闸至土门楼段、榆林庄至土门楼段进行了水动力模拟预测,并与实测数据进行了比较分析,进一步验证了模型的可靠性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究的背景和意义

1.2 国内外研究概况

1.2.1 一维水动力及水质模型研究进展

1.2.2 二维水动力及水质模型研究进展

1.2.3 一、二维耦合模型的研究进展

1.3 本文的主要工作

第二章 河网水动力及水质模型的建立

2.1 河网水动力基本控制方程

2.2 河道控制方程的离散求解

2.3 河网的三级联解法及其求解

2.4 几个问题的讨论

2.4.1 边界条件

2.4.2 断面的概化

2.5 一维水动力模型的验证

2.5.1 单一河道水流计算分析

2.5.2 分叉河道水流计算分析

2.6 河网水质基本控制方程及其离散求解

2.7 一维水质模型的验证

2.7.1 静止流体瞬时源的扩散

2.7.2 静止流体连续源的扩散

2.8 本章小结

第三章 二维水动力及水质模型的建立

3.1 正交曲线网格及平面二维水流控制方程

3.1.1 正交曲线网格的生成

3.1.2 平面二维水流基本控制方程

3.1.3 水流控制方程的坐标变换

3.2 模型的定解条件

3.3 水流控制方程的离散求解

3.4 对流扩散模型

3.4.1 二维对流扩散基本控制方程

3.4.2 对流扩散方程的离散求解

3.5 模型验证

3.5.1 均匀定常流检验

3.5.2 定常流柯氏力检验

3.5.3 瞬时点源扩散检验

3.5.4 连续点源扩散检验

3.6 本章小结

第四章 一、二维耦合模型及一维模型的应用

4.1 一、二维模型的耦合原理

4.1.1 水动力模型连接问题

4.1.2 耦合的实现步骤

4.2 耦合模型的算例验证

4.3 一维模型在北运河的应用

4.3.1 北运河流域概况

4.3.2 计算河段

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢