洪水泥石流数值分析软件RiverFlow 2D溃坝洪水与泥石流计算操作与对比
油罗口水库溃坝洪水计算与风险评估
油罗口水库溃坝洪水计算与风险评估作者：董建良吴欢强傅琼华来源：《南水北调与水利科技》2014年第06期摘要：针对5000年一遇校核洪水副坝可能发生管涌导致溃坝的情况，应用Breach数学模型和River2D二维洪水演进计算软件，计算了最初7 h溃口流量与时间关系过程线，建立了坝址至下游赣州钴冶炼厂段有限单元数值模型，模拟了副坝溃决后研究范围内的洪水演进过程，估算了生命损失值，分析了生命社会风险。
结果表明，副坝发生溃坝后，洪水将影响到2个行政村（镇）、15个自然村（区），受灾人口达70 462人，溃坝警报时间小于或等于5 h，生命损失值达百人以上，生命社会风险是不可容忍的。
该研究成果可作为水库制定大坝安全管理应急预案的参考依据。
关键词：溃坝洪水；洪水演进；淹没范围；风险评估；数值模拟；生命损失中图分类号：TV122 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2014）06-0189-03水库是防洪体系与水利基础设施的重要组成部分，在防洪、灌溉、供水、发电和改善生态与环境等方面发挥着巨大的作用，但是水库也存在着溃坝风险；而随着社会和国民经济的迅速发展，洪水灾害所造成的损失越来越大，洪水灾害风险研究已成为灾害研究中的一个重要内容。
因此模拟溃坝洪水，准确预测堤坝的溃决过程及其坝下游洪水演进，对于处置溃坝突发性洪水灾害，提升应对突发安全事件能力，具有十分重大的意义。
江西省油罗口水库作为章江流域的控制性工程，担负着下游大余县城、南康市10余万人口、2 533.33 hm2农田生命财产安全及京九铁路、赣韶高速、323国道等重要设施的安全重任。
本文在已有溃坝洪水数学模型的基础上，对油罗口水库溃坝洪水进行模拟与分析，旨在为水行政主管部门制定大坝防洪减灾工作规划及水库大坝管理应急预案提供依据。
1 溃坝洪水数值模型1.1 溃坝坝址处洪水模型本文采用美国国家气象局基于预报土坝洪水过程线而开发的Breach数学模型[1-2]。
溃坝水流作用下急弯河道泥沙输移数值模拟
溃坝水流作用下急弯河道泥沙输移数值模拟曾琳;陈日东【摘要】Finite element characteristics split ( CBS) algorithm was used to solve the equation of two dimensional shallow flow and a mathematical model for simulating the sediment transport under dam-break flow was established. CBS algorithm has good stability and accuracy in solving convection dominated problems, which can be applied to dam break flow that is characterized as large velocity, rapid change of water level and river bed. The validity of the model was verified by comparison of the calculated result with the experiment data of a full dam break flow in 90° sharp flume. On this basis, the model was further used to calculate flood routing and sediment transport under dam break flow field in 180° sharp bend at gentle slope and steep slope respectively. The results show that the model can simulate the dam break flow movement, and the results comply with the laws of flow and sedi-ment movement.%将有限元特征分裂算法( CBS)应用于二维浅水控制方程的求解中，建立了模拟溃坝水流泥沙输移的数学模型。
土石坝溃口流量计算模型的比较研究_黄金池
区别在于模型各系数的表达方式和计算取值。
对于土坝逐渐溃决 的情况, 实际 计算得到 的 最大溃坝流量不仅与流量计 算公式的形式和 经验
系数选取有关, 还 与溃坝发 展模式紧 密相关。美
国 H EC - RAS模型中处理漫顶溃决是假 定一个溃 口发展完成全过程所需要的时间 DT, 按照线性发 展的假定, 以一 个假 定 的初 始溃 口底 宽和 深度, 在 DT 时间内溃口达到最大溃口形态。显然, 溃坝
[ 5] 中推荐的宽顶堰 基本公式 ( 1) 中 m 值 的最 大值 (m = 01385) 和最小值 (m = 0132), 第四组
是为了比较分析的方便, 选取里特公式系数的 2倍
值 ( 01592) 。土坝逐渐溃模式采用梯形溃口假设,
以直接冲刷和崩塌展宽结合模拟溃口的发展过程,
计算了我国石漫 滩水库的溃坝情 况, 得到的 溃口
是一个变化过程, 其最大流量 出现的时间并 不一
定与溃口基本特 征值的最 大值一致, 因此, 土 石 坝逐渐溃的最大流量并不能 简单的用溃口几 何形
状参数来计算。采用上述式 ( 3) 的梯形溃口流量
公式, 以不同流量系数计算其 溃口流量过程 如图
2。计算中采用了四个不同的流量系数, 第一组是
里特 公 式系 数 ( 01296 ) , 第 二 和 第三 组 是 文 献
式也是影响溃坝洪水过 程的重要因素。对于土石 量状态一般是基 本平衡的微冲微 淤。对于土 石坝
坝溃口发展, 实质问题是溃口泥沙冲刷问题。表 1 逐渐溃坝洪水问 题, 溃口冲刷 扩展过程具有 明显
列出了国外一些主要溃坝水流计算模 型对溃口冲 的非平衡和非饱 和特点, 冲刷 水流与含沙量 状态
刷扩展过程 的处理方 式, 从中 可以看出, 绝大多 几乎没有关系。
二维溃坝洪水波的演进绕流和反射的数值模拟
(3)
f*m(x,y,t;i,j,n)=(fm)ni,j+(fmx)ni,j(x-xi)+(fmy)ni,j(y-yi)+(fmt)ni,j(t-tn)
(4)
g*m(x,y,t;i,j,n)=(gm)ni,j+(gmx)ni,j(x-xi)+(gmy)ni,j(y-yi)+(gmt)ni,j(t-tn)
2 算例
由于二维溃坝洪水演进缺乏实测的资料和数据，本文应用CE/SE法对一维的溃坝洪水波的演进进行了 模拟，并与理论解进行了比较，考虑瞬间全溃问题：等宽矩形断面河道上有一底坡为S0=0，摩阻为Sf=0的 低坝，坝址位于1000m处，溃决前上下游均为静水，水深分别为H0=10m和H1=0.1m，取计算域长2000m。从图 4可以看出用本方法得到溃坝洪水波的水跃间断分辨率高，得到的波高和速度与理论解符合的好，没有产 生数值振荡和非物理扭曲。然后考虑瞬间部分溃坝问题；在长200m，宽200m的河道上有一底坡为S0x=0.03， S0y=0.02，曼宁粗糙度n=0.02的低坝，坝址位于x方向100m处，坝宽为10m，溃决前上下游均为静水，水深 分别为H０=10m和H1=5m。计算网格点数为41×41，网格尺寸为5m×5m，计算结果如图4所示。图3所示为下游 加了多个障碍物，计算结果如图5所示。固体边界条件取无粘反射条件，从模拟结果可以看出：坝体瞬时 溃决后，形成了正、负水波。正波向下游传播，负波向上游传播，而且受负波影响水域的水深下降。溃口 下游两边的水深小于中部的水深。水流向两边扩散，并形成回流。模拟结果表明，物理量的分布符合物理 规律。
H*m(x,y,t;i,j,n)=[u*m(x,y,t;i,j,n),f*m(x,y,t;i,j,n),g*m(x,y,t;i,j,n)]
洪水泥石流数值分析软件RiverFlow2D应用
海地某处的水文模拟
› 源头和沟渠 › 随空间变化的降雨、蒸发和渗透
› 风载荷应力
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输入数据格式
› 公制或英制单位 › ASCII X, Y, Z › ESRI ASCII 网格文件
› USGS DEM 初始条件选项 › 干涸河床 › 用户自定义水平面 数值算法引擎
› 利用三角形单元的空间离散法 › 高性能有限体积计算 › 双精度精算达到更高准确率
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RiverFlow2D MD 为非牛顿和颗粒流体提供了八种不同的摩擦公式，用于对复杂地形中的滑 移距离进行实际预测。
RiverFlow2D PL 污染物运移模块（Pollutant Transport Module）
RiverFlow2D PL 污染物运移模块可以模拟污染物在水中的运动。该模块与 RiverFlow2D 流 体力学计算完全结合，并以对流、分散和反应的方式考虑溶质运输。RiverFlow2D PL 模块依赖 于 RiverFlow2D 计算的深度和速度，并计算所有单元每个时间步长的溶质浓度。该模块可以考虑 基于一阶反应条件可以彼此交换质量的多个反应性污染物。
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RiverFlow2D ST 沉积物运移模块（Sediment Transport Module）
RiverFlow2D ST 沉积物运移模块是 RiverFlow2D 的附加模块，作为 RiverFlow2D 流体动力 学计算的补充，具有模拟河流、河口和港湾侵蚀和沉积的功能。RiverFlow2D ST 模块包含了在 悬浮液中细小沉积物的运输、使用床载荷方法较粗糙的沉淀物以及组合的悬浮的和河床载荷运移 等多种描述公式。该模块提供了使用多种沉淀物颗粒粒度的选项。
溃坝淹水及泥石流的数值模拟
建筑技术开发Building Technology Development第46卷第11期 施工技术2019年6月Construction Technology溃坝淹水及泥石流的数值模拟王福良，曹文明(水发规划设计有限公司，济南250014 )［摘 要］以有限差分法求解一含有源项的二维浅水波方程组，模拟中为了减少数值震荡，将数值通量以一阶精度与二阶精 度餉型态相结合，以符合二阶精度混和型态总变量消减(TVD)格式，搭配若干数值通量限制式，并加入干、湿交界面处理， 使其能有效处理在实际复杂地形底床坡度剧忍变化及干湿锋面的演变过程。
［关键词］泥石流；浅水波方程组；总变量消减［中图分类号］TU201.4 ； U 443.22 ［文献标志码］A ［文章编号］1001-523X (2019) 11-0070-02Numerical Simulation of Dam Breakwater and Debris FlowWang Fu-liang , Cao Wen-ming［Abstract ］ A two-dimensional shallow water wave equation system with source terms is solved by finite difference method. In order to reduce numerical oscillation, numerical flux is combined with first-order accuracy and second-order accuracy in order to conform to the second-order accuracy mixing state total variable subtraction (TVD) scheme. Several numerical flux restriction formulas are combined with the dry-wet interface treatment, which can effectively deal with the practical complexity. The sharp change of slope and the evolution of w et and dry front of shaped bed.［Keywords ］ low carbon concept ； interior art design ； application1研究目的与方法本研究主要以数值模拟的方法模拟流域中发生泥石流或 淹水时，其流动速度、堆积深度以及影响范围，利用二阶流变 模式配合有限差分法结合总变量消减(TVD)方法，建立二 维数值模式。
水库防洪调度与溃坝计算软件的开发
水库防洪调度与溃坝计算软件的开发张新建（山西省防汛抗旱办公室太原030002）摘要：水库防洪调度与溃坝计算软件应是水库规划设计、日常管理和防洪调度中常用的工具，但目前只有水利设计部门和部分大型水库才有，这种状况在计算机日益普及的今日应该改变。
文中主要介绍了作者开发的软件的基本功能、水库防洪调度计算方法、不同调度计算方法的误差分析以及土坝溃坝简化计算功能。
关键词：水库防洪调度、误差分析、溃坝计算中图分类号：TP311 文献标识码：B1软件的基本功能本软件的基本功能是在已知各种频率入库洪水过程的前提下，对水库的各种洪水调度方案实现调度过程的模拟计算。
软件可算出在不同频率入库洪水在不同调度方式下各时段的库水位、蓄水量和下泄流量过程。
软件计算结果有数据表和曲线图形两种方式，其中有来水--泄水过程对比曲线图、水位变化过程曲线图、蓄水量变化过程曲线图、泄量变化过程曲线图。
软件可对洪水调节模拟计算所需的基础数据进行管理，并可将这些数据转变为水位--库容曲线图、洪水过程曲线图、水位--泄量曲线图等，并可对水位、库容、库水面积进行插值计算。
本软件提供的土坝溃坝简化计算方法主要是根据我国水利科研机构研究的经验公式，该计算方法避免了常规溃坝计算中解算微分方程的复杂过程，可用于精度要求不太高的土坝溃坝计算。
本软件提供水库基本情况如自然地理、工程设施、工程效益、特征水位、防洪调度规则、流域地图等文字、图形信息功能。
本软件适用于入库洪水数据、水位—库容—库水面积—泄量数据齐全的水库，并可在各种版本的Windows环境下安装运行。
2 水库洪水调度计算方法用精确的数学方法进行水库洪水调度计算是困难的，这是因为依地势而建的水库作为一个盛水载体本身是不规则的，难以用数学函数来描述，而洪水进库过程是一个随降雨大小涨消的非恒定流，出库流量过程不仅受到出水闸门开启度的控制，而且与不同库水位所形成的压力相关。
在河道狭长型水库中，洪水入库处的水位要高出坝前库水位许多，这种水位差形成的库容称为动态库容，由于此部分库容计算比较困难，对于一般水库可忽略此部分的计算，本软件也不考虑此部分库容的计算。
泥石流流速计算与模型设计方法
目前， 关于泥石流运动及动力机理的研究还不成 熟， 许多方面的认知尚不清晰， 完全从理论上得到的泥 石流输移与堆积计算结果很难同实际符合。同时， 特 殊的沟道地形对泥石流运动过程影响很大， 由于沟道 边界条件复杂， 难以运用解析法定量描述泥石流运动 过程， 因此研究和论证泥石流问题必须借助于模型 试验。 不少学者认为泥石流模型设计可参照河工模型的 设计方法， 原因是泥石流的物理特性和运动特性在若 干方面与高含沙水流相差不大， 如胡平华等［］通过泥 石流试验提出的相似条件与一般的挟沙水流相似律基 本相同； 王协康等［］认为稀性泥石流试验可参考一般 挟沙水流， 而黏性泥石流应以高含沙泥浆为基础， 其相 似条件可近似采取张红武提出的某些模型比尺。 研究发现， 泥石流的运动规律有其自身特性。大 部分情况下， 泥石流不仅会出现高含沙洪水与一般挟 沙水流的输沙， 而且还有较大规模的推移质输沙。因 此， 现有的河工模型设计方法不能直接用于泥石流模 型设计。对泥石流的模型设计， 除与常规河工模型设 计方法一样需要满足水流运动相似条件外， 还应有独 特的相似要求， 尤其要把握泥石流运动特点， 抓住对泥 石流起支配作用的物理法则并确定相似条件。为此， 笔者在寻求泥石流流速计算方法的基础上， 对泥石流 模型的设计方法进行了探讨。
Ｖｏｌ ． ３７ Ｎ
【 水文泥沙】
泥石流流速计算与模型设计方法
张罗号 ， 张红武 ， 张锦方 ， 张廷伟
１ ２ ２
２
（ 江苏 南京 ２１００９８； １． 河海大学 水利水电学院， 北京 １０００８４） ２． 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，
１ ２
似， 分为启动、 运动、 堆积 ３ 个阶段。从运动形式上看， 水平运动是其基本的运动形式， 垂向和横向运动则是 派生的和不稳定的。野外观察表明， 泥石流在大比降 沟道内运动时， 容易挟持沿途巨石随流而下， 同时可冲 蚀、 淘空深数米至数十米的沙质沟床， 能携带许多石块 在比较狭窄的条带上作直线运动， 但在运动过程中还 会出现弯道超高和冲高现象， 以很大的动能冲击和破 坏流路上的障碍物， 迅速通过峡谷直泻山口之外。其 运动过程中既有水流、 泥沙、 石块不断汇入、 侵蚀下切 的形成阶段， 又有沙、 石停息于边岸、 凸岸的堆积阶段。 泥石流流速 ｖ 是反映泥石流运动力学的最重要 的特征值， 同时也是泥石流防治工程设计的基本参数， 只有它才能在实际工程中综合表征上述泥石流运动过 程中的动力学特征。 尽管确定 ｖ 对把握泥石流动力特征起着至关重 要的作用， 但受测试手段和学科研究水平的限制， 尚难 直接建立既有一定理论基础又有实用价值的泥石流流 速计算公式。目前工程上常见的泥石流流速公式分为 黏性泥石流流速公式和稀性泥石流流速公式。 １． ２ 黏性泥石流流速计算公式 吴积善等［］分析了国内的黏性泥石流流速公式， 认为可按泥石流阻力大小分为低阻型、 中阻型及高阻 型泥石流计算公式。