一、二维耦合数学模型在水闸自动调度中的应用
一维河网嵌套二维洪水演进数学模型应用研究
数 学模 型为蓄滞 洪 区 提供 边 界 条 件 ， 运 用平 面二 维 再
模 型模拟 蓄滞 洪 区运 用 的洪 水 演 进 ， 还 未能 实 现 一 但 维模 型 和平 面二维模 型在 分洪 口门水力 要素 的实 时交
摩 阻 比降 ； 为动量 校 正系数 ； 重力加 速度 。 Ｏ ｔ ｇ为
我 国存 在众 多 河网交 错 的水 系 ， 比如 长 江洞庭 湖 、 珠江 三角 洲等地 区 ， 这些地 区洪 水期 水流 在河 道 、 分蓄 洪 区和湖泊 内运 动 ， 流 流 态 复杂 ， 流 方 向不 定 ， 水 水 并 可能 还受 到堰 、 闸等建 筑 物 的影 响 。研究 洪水 在河 道 、 湖泊 、 分蓄洪 区的演进 过程 是一 项重要 而 复杂 的工作 ， 对 防洪决策 能起 到一 定 的参 考作 用 。河 网水流模 型是 该地 区防洪 调度 的 主要 技 术 手段 ， 维河 网模 型 能 从 一
一
维 河 网嵌 套 二 维洪 水 演进 数 学模 型 应 用 研 究
杨 芳 丽 ， 小 峰２ 张 艳 霞。 张 ，
（ ． 江 航 道 规 划 设 计 研 究院 航 道 一 所 ， 北 武 汉 ４０ １ ２ 武 汉大 学 水 资 源 与水 电工 程 国家 重 点 实验 室 ， １长 湖 ３ ００； ．
也 表 明 模 型 构 建 合 理 、 用 方便 、 定 性 好 ， 合 实 际物 理过 程 ， 备 推 广 应 用 价值 。 运 稳 符 具
关 键 词 ： 维 河 网 ；数 学 模 型 ；洪 水 演进 ；分 蓄 洪 区 ；洪 水调 度 一
中 图 法 分 类 号 ：Ｔ ７ Ｖ８ 文 献 标 志 码 ：Ａ
湖北 武汉 ４０７ ； ３ 湖北省水利厅 ， 北 武汉 ４０７ ） ３ ０ ２ ． 湖 ３ ０ ２
非恒定一、二维耦合水质数值模拟技术研究
式中： & 为单元边界的外法向单位向量， !! 和 ! $ 为面积分和线积分微元， （ !） " # 为法向数值通量， （ !） （ ， （ !） ｝。 " #｛ % !） & 离散后， %&’ 基本方程的最终形式为
$
!! ) （ !） （)） ’) % $ % " # $ "（ & !） !! )"( 式中： （ !） 为单元的源项平均值； $% ( 为单元边总 ’ 数； $) 为第 ) 单元边的长度。 单元边法向通量为 （ !） "（ % !） *+, ,-. & ! ）" （ "% & " （/） 式中： " 为法向向量 # 与 * 轴的夹角。 根据通量向量 （ 和& （ !） 的旋转不变性， 有： % !） ( & # （"） （ （0） "（ % !） & ! ）" ( 将式 （0） 代入式 （)） ， %&’ 方程表达为 !+ ’ "# !!
提供水质计算必需的流速、 流量等水力参数， 并通过 水动力学模拟产生的外部文件把水力、 水质模拟连 接起来。水质模型在每一个单元中计算水质浓度， 在连接单元的交界面上计算水质输运率。
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"0!
［.］ 二维水质模型
控制方程
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控制方程由二维浅水方程和污染物对流 扩散 " 方程组成， 它的守恒形式可表达为 （ 34 ） ! （ 35 ） !3 ) ! ) # 0 " % ! ! !’ ( ( （ ） （ ） 63 34 34 7 ( 345 ) ! )! （ 8 0 % $ 89% ） )! # 63 !" !% !’ （ 345 ） ! （ 35( ) 63( 7 (） !35 ) ! （ 8 0 ’ $ 89’ ） （3） ) # 63 " % ’ ! ! ! （ ） （ ） （ 3! 34! ! : ! ! 35!: ） ! : !!: ) ) # ) ; 3 !% :% !% !" !% !’ ! ; 3 !!: $ . 3! ) + !: : : !’ :’ !’ 式中： 3 为水深； 4， 5 分别为 % ， ’ 向平均流速分量； （ 456， 的垂 !: 为污染物 7856， 4856， 79. :7， 65 等）
数学模型在城市排水系统中的应用研究
数学模型在城市排水系统中的应用研究城市排水系统是城市基础设施的重要组成部分，其主要功能是有效地将雨水和污水排放出城市，以保障城市的正常运行和居民的生活质量。
然而，随着城市化的不断推进和人口的增长，城市排水系统面临着越来越大的挑战，例如城市内涝、水质污染等问题。
为了解决这些问题，数学模型被引入到城市排水系统中，以提供科学的决策支持和优化方案。
一、数学模型在城市排水系统中的基本原理数学模型是通过建立一系列数学方程来描述城市排水系统的运行机理和行为规律的工具。
它将复杂的城市排水系统简化为数学问题，通过数值计算和仿真模拟来预测和优化系统的性能。
具体而言，数学模型主要包括水动力学模型、水质模型和水文模型三个方面。
1. 水动力学模型水动力学模型是研究水流运动的数学模型。
它通过描述水流的流速、流量、液位等参数之间的关系，来模拟城市排水系统中水的流动情况。
水动力学模型可以帮助我们了解水流的速度、流向、压力等信息，从而预测城市内涝、堵塞等问题的发生概率，并提供相应的解决方案。
2. 水质模型水质模型是研究水体污染传输和转化的数学模型。
它通过描述污染物的浓度、扩散、降解等参数之间的关系，来模拟城市排水系统中污染物的传输和转化过程。
水质模型可以帮助我们了解污染物的分布、变化趋势，从而提前预警水质污染问题，并制定相应的治理策略。
3. 水文模型水文模型是研究降雨径流过程的数学模型。
它通过描述降雨量、产流量、径流量等参数之间的关系，来模拟城市排水系统中的降雨径流过程。
水文模型可以帮助我们了解降雨径流的产生、流向、储存等情况，从而预测和优化城市排水系统的设计和管理。
二、数学模型在城市排水系统中的应用案例数学模型在城市排水系统中的应用已经取得了显著的成果，并在实际工程中得到广泛应用。
下面以某城市的排水系统为例，介绍数学模型在城市排水系统中的具体应用。
1. 针对城市内涝问题的应用数学模型可以对城市内涝问题进行分析和预测。
通过在城市排水系统中建立水动力学模型，可以确定易涝点的位置和范围，预测内涝的发生概率，并提出相应的改善方案，例如增加下水道的容量、优化雨水管网布局等。
多源洪水耦合模型在防洪保护区洪水分析中的应用
多源洪水耦合模型在防洪保护区洪水分析中的应用苑希民;李长跃;田福昌;王丽娜【摘要】针对防洪保护区单一洪水风险分析的不足,以一、二维非恒定流基本控制方程为理论基础,采用有限体积法对网格进行离散求解,建立溃堤洪水和暴雨多源洪水耦合的数学模型.在一、二维模型的链接处选用堰流公式实现河槽与保护区水流的实时交互,借助干湿水深理论对模型进行优化,利用遥感影像解译处理保护区内复杂地形条件下糙率对洪水演进的影响,概化处理区域内道路和过水涵洞对洪水的阻水或导水作用,并利用历史实测洪水资料进行模型验证.将验证后的模型应用于淮河干流凤台段防洪保护区多源洪水运动耦合模拟,分析了单一洪水与多源洪水对防洪保护区的损失比较结果,说明该区域受暴雨内涝影响较为严重.%Aiming at the shortcomings of the single flood risk analysis in the flood protection zone, in this paper the one-dimensional and two-dimensional unsteady flow basic control equations are taken as a theoretical base for analysis of flood risk. In order to solve the discrete grid problem, the finite volume method ( FVM) is used for solving discrete grids. A multi-source coupling mathematical model for levee-breach flood and rainstorm has been established at the same time. The 1D and 2D models are jointed through a weir flow equation to calculate the real-time interaction between the river and the flood protection zone. It is optimized by dry depth and wet depth theories for the sake of making faster and better results. And this model has also utilized a remote sensing image interpretation method to deal with the complicated roughness having important impacts on the flood routing. And a generalized method is used to deal with the roads andwater culverts which prevent or guide the flowing of water in the flood protection zone. This model is tested by historically measured flood data, which are the basic requirements in actual engineering simulation, and then the verified model is applied to simulate the multi-source flood occurring in the flood protection zone at Fengtai reach. Analysis of the big difference between the serious damages caused by a single flood and a multi-source flood is carried out. The research findings are of great significance in analyzing the multi-source flood and simulating flood motion coupling. And researchers can use the analysis results to make risk evaluation of the flood in the research area and also in some similar flood control protection areas.【期刊名称】《水利水运工程学报》【年(卷),期】2016(000)005【总页数】7页(P16-22)【关键词】防洪保护区;多源洪水;耦合模型;干湿水深;糙率分区【作者】苑希民;李长跃;田福昌;王丽娜【作者单位】天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室, 天津 300072;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室, 天津 300072;天津大学前沿技术研究院有限公司, 天津 301700;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室, 天津300072【正文语种】中文【中图分类】TV122;TV87防洪保护区是防洪减灾体系中的重要组成部分，往往是国家重点设施所在，是保护人民财产的重要屏障。
一二维联解潮流数学模型在防洪评价中的应用
～ ．
珠 江 三角 洲 网河 区 内水 闸众 多 ， 由 于大 多 无 观 但 理 ， 小 的水 闸不予 考 虑 。本 文 计 算 采用 １ ９ ２ ０ 较 ９ ７～ ０ ５
年 地形 资 料 。
３ ｍ。 ０ｍ Ｘ ８
测 资料 ， 因此 ， 模 型 验 证 中较 大 的 水 闸作 内 边 界 处 ～ 将
型 工 程 的 防洪 评 价 计 算 ， 能 够得 出较 为 可 靠 的计 算 结 果 。 并
关 键 词 ： 、 维联 解 ；潮 流数 学模 型 ； 位 ；流速 ；潮 量 一 二 水 文献 标 志码 ：Ａ 中 图法 分 类 号 ：Ｐ ３ ３
１ 研 究 背 景
某港 区 三 期 工 程 占 用 岸 线 总 长 ３ ２ ０ ｍ， 深 ０ 纵 １１６ ８ｍ， ７ ． 分为 大码 头和 驳船码 头 两部 分 。大 码 头布 置在 作业 区中段 、 开挖 人 式 小港 池 布 置 在 二期 工 程 隔 下 游南侧 ， 大码 头 岸 线长 ２２ ８ ｍ， １ 前沿 停泊 水 域 宽度
摘 要 ： 对 单 纯 使 用一 维 或 二 维 数 学 模 型 难 以准 确 高效 模 拟 大 型 涉水 工 程 对 水 域 影 响 的 问题 ， 过 利 用一 、 针 通 二
维 联 解 潮 流 数 学模 型 ， 珠 江 口 某港 区码 头 工程 附近 使 用二 维模 型 ， 在 对该 区域 流 场和 流速 变化 范 围进 行 模 拟 ， 其 余 水 域 采 用 一 维 模 型 模 拟 。 结 果表 明 ， 程 对 珠 江 东 四 口 门及 工 程 周 边 水 域 水位 、 工 流速 、 道 潮 量 及 分 流 河 比、 潮排 、 灌 、 涝等 影响 不 大 。 结论 认 为 ， 、 维数 学模 型联 解 计 算 可 以 用 于 大 型 工 程 ， 其 是 海 域 内 大 潮 排 一 二 尤
基于RBF代理模型的调水过程优化研究
基于RBF代理模型的调水过程优化研究高学平;朱洪涛;闫晨丹;孙博闻;张晨【摘要】调蓄工程通过泵站调水过程中, 需要通过合理的控制泵站启闭时间来调节水位, 从而不断优化调水过程, 但以往的优化方法效率低而且不易得到最优方案.为解决这一问题, 本文以南水北调东线山东段南四湖下级湖为研究对象, 基于径向基函数(Radial Basis Function, RBF) 代理模型建立调水过程优化模型, 得到了调水过程方案参数区间内的最优方案, 并基于实际调水情况求得不同起调水位下的调水过程最优方案.首先根据调水过程方案参数区间自动选取80个调水过程方案样本, 并利用一维二维耦合水动力模型算出每个方案的水位变化过程;其次采用RBF代理模型建立并验证调水过程方案与最高水位、最低水位的响应关系;最后基于RBF代理模型, 以泵站工作总时间最短为目标, 考虑水量平衡和水位约束建立优化模型, 采用粒子群算法求解.研究结果表明, 基于RBF代理模型的调水过程最优方案结果与耦合模型计算该方案结果的绝对水深误差不超过0.05 m, 相对水深误差不超过0.99％, 模型计算精度高.基于RBF代理模型的调水过程优化模型, 求解得到调水过程参数区间内的最优方案, 解决了传统方法在人为设定有限个方案内得到较优方案的局限性.%In the water transfer process of the regulating and storage project through the pump station, the water level needs to be adjusted through reasonable control of the opening and closing time of the pump station, so as to constantly optimize the water transfer process. However, previous optimization methods are inefficient and difficult to obtain an optimal solution. In order to solve this problem, this paper takes the Lower Nansi Lake in Shandong reach of the eastern route of South-to-North Water Transfer Project as the research object, and establishes theoptimization model of water transfer process based on RBF (Radial Basis Function) surrogate model to study the optimal water transfer process of the Lower Nansi Lake. The method is used to obtain the optimal scheme within the parameter range of the water transfer process, and the optimal scheme for the water transfer process under different starting water levels is obtained based on the actual water transfer situation. Firstly, 80 samples of the water transfer process are selected automatically according to the parameter interval of the water transfer process scheme, and the water level of each scheme is calculated using the 1 D-2 D coupled hydrodynamic model. Secondly, the RBF surrogate model is adopted to establish and verify the relationship between the water transfer process scheme and the response of the highest and lowest water levels. Finally, based on the RBF surrogate model, taking the shortest working time of the pump station as the objective, the optimization model was established considering water balance and water level constraints, and particle swarm optimization was adopted to solve the problem. The research results show that the absolute depth error is no more than 0.05 m and the relative depth error is no more than 0.99％ compared with the calculation results of the scheme water level and the coupled model in the optimized water transfer process, and the optimization model of water transfer process based on RBF surrogate model has high accuracy. Based on this model, the optimal solution within the parameter interval of the water transfer process is obtained, which solves the limitation of the traditional methodto obtain the optimal solution within a limited number of artificially set schemes.【期刊名称】《水利学报》【年(卷),期】2019(050)004【总页数】9页(P439-447)【关键词】水动力学;调水过程优化;RBF代理模型;粒子群算法;调蓄工程【作者】高学平;朱洪涛;闫晨丹;孙博闻;张晨【作者单位】天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350【正文语种】中文【中图分类】TV131.21 研究背景南水北调东线输水干线总长1466.24 km，从江苏省扬州附近的长江干流引水，利用洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖和沿线的运河、淮河以及周边水库等调蓄工程，采用梯级泵站逐级提水与自流输水结合完成东线调水任务。
二维水流数学模型在船厂工程防洪影响评价中的应用
二维水流数学模型在船厂工程防洪影响评价中的应用
邱居华;李阳;朱士江;王海银
【期刊名称】《水利科学与寒区工程》
【年(卷),期】2024(7)2
【摘要】本文通过采用MIKE21模型软件建立二维水流数学模型对长江某船厂工程洪水的流势、流态变化,以及洪水对船厂工程的影响进行数值模拟研究。
经模拟分析,汛期遇100 a一遇洪水时,工程局部最大壅水值为0.43 cm,壅水影响长度为105 m,流速最大增加值为0.06 m/s,工程前后河道水动力特性和流场的变化不大,水流流态及水流流速分布无明显变化,对防洪影响不大。
结果表明,使用MIKE21模型软件建立二维水流数学模型方法分析合理,为建设项目对防洪影响的计算与分析提供了可靠的方法,为建设项目安全运行提供了保障。
【总页数】7页(P15-21)
【作者】邱居华;李阳;朱士江;王海银
【作者单位】湖北欣瑞工程咨询有限公司;湖北昊源建设工程有限公司;三峡大学【正文语种】中文
【中图分类】TV87
【相关文献】
1.二维水流数学模型在码头工程防洪影响计算分析中的应用
2.二维水流数学模型在码头工程防洪评价中的应用
3.二维水流数学模型在马家咀航道整治工程防洪评价
中的应用4.基于有限体积法的二维水流数学模型在桥梁防洪评价中的应用5.平面二维水流数学模型在分散式亲水平台防洪评价中的应用
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考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型
第35卷第2期2024年3月㊀㊀水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCE Vol.35,No.2Mar.2024DOI:10.14042/ki.32.1309.2024.02.006考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型王小杰1,夏军强1,李启杰1,侯精明2(1.武汉大学水资源工程与调度全国重点实验室,湖北武汉㊀430072;2.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室,陕西西安㊀710048)摘要:为准确模拟城市洪涝过程,以地表二维流动模型和SWMM 一维管流模型为基础,同时考虑地表径流与地下管流交换的3种模式,构建了城市地表与地下管流双向耦合的水动力学模型㊂采用水槽试验算例和理论算例对耦合模型进行验证,并将耦合模型应用到英国Glasgow 城市街区,分析排水管网和不同地表地下水流交换模式对城市洪涝过程的影响㊂结果表明:模型在试验算例和理论算例的模拟中均具有较好的精度和可靠性,模型能够准确地模拟具有排水管网的城市洪涝演进过程;与无排水系统相比,检查井简化法㊁雨水口法和雨水口-检查井法3种水流交换模式下Glasgow 城市街区模拟的最大淹没面积分别减少9.3%㊁23.2%和24.5%,其中对重度积水的消减作用更显著,淹没面积分别减少43.6%㊁79.9%和80.9%;检查井简化法的消减作用要远小于雨水口法和雨水口-检查井法,后两者差异较小㊂雨水口法和雨水口-检查井法比较符合实际情况,且雨水口-检查井法的计算效率更高更简单,因此,在城市洪涝模拟中采用雨水口-检查井法考虑地表径流与地下管流交换过程更符合实际㊂关键词:城市洪涝;SWMM;地表二维模型;模型耦合;地表径流与地下管流交换中图分类号:TU992;P333.2㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:1001-6791(2024)02-0244-12收稿日期:2023-07-30;网络出版日期:2023-12-19网络出版地址:https:// /urlid /32.1309.P.20231219.1110.002基金项目:国家自然科学基金资助项目(41890823;52209098)作者简介:王小杰(1995 ),女,陕西西安人,博士研究生,主要从事城市洪涝方面研究㊂E-mail:wangxiaojie@ 通信作者:夏军强,E-mail:xiajq@受全球气候变化和人类活动的双重影响,短历时强降雨引起的洪涝灾害频发,造成了严重的经济损失和人员伤亡[1-2]㊂据‘中国水旱灾害公报“统计显示,2000 2022年中国平均每年因洪涝死亡1008人㊁受灾11549万人和直接经济损失1737亿元[3]㊂城市暴雨洪涝模拟是制定城市防洪减灾措施和暴雨洪涝预报的重要手段,及时准确地模拟城市暴雨洪涝过程,对提高洪涝风险防范能力和减少洪涝灾害损失具有重要意义[4]㊂城市洪涝模拟中,美国环保署(EPA)开发的暴雨洪水管理模型(Storm Water Management Model,SWMM)应用最为广泛,但该模型不能准确给出地表水深及淹没范围[4-5]㊂基于二维浅水方程的水动力模型可以表征复杂地形条件下地表径流运动过程,但该模型未考虑地下排水管网的影响㊂近年来,国内外众多学者集2种模型的优势,将SWMM 与地表二维模型进行耦合㊂根据二维模型是否对一维模型产生反馈,模型耦合可分为单向耦合和双向耦合[6]㊂对于单向耦合方式,模型间水流只能从节点处溢出到地表流动,而地表水流不能通过节点重新回流到管网中㊂例如,Hsu 等[7]采用单向耦合方式将SWMM 与地表二维模型耦合,水流从检查井处只能溢流到地表,而不能重新回流到管网;廖如婷等[8]采用单向松散耦合将SWMM 节点的溢流过程作为点边界条件输入InfoWorks ICM-2D 模型;王兆礼等[9]将SWMM 和TELEMAC-2D 模型进行单向耦合构建了TSWM 模型㊂对于双向耦合方式,地表水流与地下管流可通过节点进行相互交换㊂例如,Seyoum 等[10]采用双向耦合方式将SWMM 与地表二维模型进行耦合,地表与地下水流通过检查井相互交换;黄国如等[11]和Chen 等[12]采用动态链接库文件方式将SWMM 与地表二维模型进行侧向㊁正向和垂向耦合;Wu 等[13]以SWMM 和LISFLOOD-FP 模型为基础,采用双向耦合方式构建了城市洪涝水动力模型;Li 等[14]和侯精明等[15]将地表二维水动力模型和SWMM 管网一维水动力模型进行双向耦合,构建了GAST-SWMM 耦合模型㊂随着技术的不断发展,一㊁二维模型的耦合研究逐渐从早期单向耦合发展到双向耦合㊂此外,SWMM 与地㊀第2期王小杰,等:考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型245㊀表二维模型的时间步长不同,目前的研究主要集中在采用SWMM运行时间作为地表与地下水流交换的同步时间[7-10],SWMM与地表二维的耦合模型大部分在时间上未能实现实时同步㊂对于地表二维模型与一维管网模型的水流交换,国内外最常用的有检查井简化方法㊁雨水口方法和雨水口-检查井方法等[16]㊂例如,黄国如等[11]和Borsche等[17]将地表径流直接排入检查井,通过检查井进行地表径流与地下管流的相互交换(简称检查井简化方法);Dong等[18]模拟英国Glasgow城市洪涝时将地表径流通过雨水口流入距离最近的检查井,采用雨水口-检查井方法实现了地表径流和管道水流之间的相互交换;Bazin等[19]在城市洪涝演进概化模型试验和一㊁二维耦合水动力模型验证中将每个雨水口通过连接管与排水管道上的节点相连,进行地表与地下水流交换(简称雨水口方法)㊂地表径流与地下管流之间有多种交换模式,而考虑不同地表地下水流交换模式的研究较少㊂本文将地表二维模型与SWMM一维管网模型进行双向耦合,同时考虑地表径流与地下管流交换的3种模式,实现了一维与二维模型实时同步㊁严格对应和动态双向的数据交互㊂采用水槽试验算例和理论算例对耦合模型的可靠性和适用性进行验证,然后使用该耦合模型对英国Glasgow城市街区的洪涝事件进行模拟,分析排水管网和不同地表地下水流交换模式对城市洪涝过程的影响㊂1㊀模型构建1.1㊀二维地表水动力模型1.1.1㊀控制方程地表水动力模型控制方程为二维浅水方程,忽略风应力㊁科氏力和紊动项的影响,可表示为[20]:水流连续方程:∂η∂t+∂q x∂x+∂q y∂y=R-q m-q f(1)水流运动方程:∂q x ∂t+∂(βq2x/h)∂x+∂(βq x q y/h)∂y=-gh∂η∂x-gq x q2x+q2yh2C2(2)∂q y ∂t+∂(βq x q y/h)∂x+∂(βq2y/h)∂y=-gh∂η∂y-gq y q2x+q2yh2C2(3)式中:x㊁y分别为水平方向的横㊁纵坐标;t为时间;η为水位;q x㊁q y分别为流体在x㊁y方向的单宽流量;R为降雨强度;q m为排水强度;q f为下渗强度;β为动量修正系数;g为重力加速度;h为水深;C为谢才系数㊂1.1.2㊀数值方法采用TVD-MacCormack格式有限差分法求解二维圣维南方程组㊂MacCormack有限差分格式使用预测-校正两阶段方案可以很容易地处理源项,实现时间和空间上的二阶精度㊂在MacCormack格式的校正步骤中增加一个五点对称TVD项,可有效消除陡坡附近可能产生的数值振荡现象㊂模型能在急流㊁缓流㊁临界流各种流态条件中进行精确求解,可用于模拟急流和缓流共存的地表径流复杂流动情况[21]㊂在数值模拟过程中通过设置最小水深和判别计算网格干湿状态的阈值水深,将计算网格分为干网格㊁半干网格和湿网格,在每个时间步长对计算网格的干湿状态进行判别[20]㊂TVD-MacCormack格式为显式数值格式,计算时间步长在x㊁y方向上需同时满足CFL(Courant-Friedrichs-Lewy)限制条件,模型采用自适应动态变化时间步长,确保在满足数值稳定性的同时提高计算效率[22]㊂本研究采用霍顿方程进行下渗计算,霍顿方程比较适合城区,且率定参数少,在国内外得到了广泛使用[4]㊂霍顿下渗公式为246㊀水科学进展第35卷㊀q f=fɕ+(f0-fɕ)exp(-k d t)(4)式中:fɕ为稳定下渗强度;f0为初始(最大)下渗强度;k d为衰减系数,与土壤的物理性质有关㊂参考SWMM 的水文模块,使用Newton-Raphson迭代法求解霍顿下渗公式㊂1.2㊀一维排水管网模型SWMM的管网水动力模块作为一款成熟且被广泛使用的一维水动力模块,适合各种复杂条件下的一维水流模拟,包括明渠流㊁有压流㊁明满交替流㊁枝状管网水流和环状管网水流等,对城市复杂管网的模拟能力得到广泛的验证和认可[23]㊂此外,SWMM具有能够处理各种水工建筑物(如泵站㊁水闸和堰等)㊁允许各种管渠几何形状(如圆形㊁矩形和三角形等)的优势,对不同连接方式的复杂人工管道具有很强的适应性和较好的模拟效果,且其源代码开放㊂因此,本研究采用SWMM的管网水动力模块作为耦合模型的一维排水管网模块㊂SWMM提供了恒定流㊁运动波和动力波3种水流运动模拟方法,用于支持不同复杂度管网系统中水流运动过程演算㊂动力波方法是通过求解完整的一维圣维南方程,从而得到理论上的精确解,能够计算管道蓄水㊁回水㊁有压满管流㊁逆向流㊁出口水位顶托和检查井溢流等,适合任何排水管网较短时间步长模拟,结果准确,适用性较强,本研究采用动力波法进行管网汇流计算[4,24]㊂SWMM将复杂的排水管网系统概化为由 节点 和 管渠 2种要素构成㊂在 管渠 上满足连续方程和动量方程,在 节点 上满足连续方程㊂基于有限差分法离散方程,利用隐式欧拉法进行迭代求解㊂求解的圣维南方程为一维明渠非恒定流方程,当处理有压流问题吋,该方程不再适用,而需采用一维有压非恒定流方程㊂SWMM基于 管渠-节点 机制对节点水头的计算进行改进,从而实现一种简便的有压流模拟方法㊂SWMM管网模型控制方程及求解过程详见参考文献[24]㊂1.3㊀模型双向耦合地表二维模型与一维管网模型耦合实现的关键在于一㊁二维模型的时间同步及空间对应的水量交换[25],空间上对应的水量交换主要表现为地表径流与地下管流交换㊂1.3.1㊀时间同步SWMM管网模型和地表二维模型的时间步长不一致,且管网模型的时间步长一般大于地表二维模型㊂SWMM与地表二维模型耦合的时间同步方法大致可以分为3类[12]:第1类采用SWMM运行时间作为地表与地下水流交换的同步时间;第2类采用一维模型与二维模型中最小时间步长作为一㊁二维模型和水流交换时间步长,即耦合模型实时同步;第3类为设置固定同步时间,一维模型和二维模型的时间步长可采用两模型的最小时间步长,也可采用模型自身的时间步长[14]㊂本研究采用第2种方法进行一㊁二维模型耦合的时间同步㊂SWMM源代码采用C语言编写,二维模型代码采用Fortran语言编写㊂SWMM的时间步长是固定的,结果输出时间最小为1s;而地表二维模型的时间步长是动态变化的,计算时间步长可采用小数秒㊂为了实现一㊁二维模型和地表地下水流交换在时间上实时同步,SWMM管网水动力模块采用Fortran语言重新编写,并对时间步长㊁节点进流量和结果输出等部分进行修改㊂采用地表二维模型的动态变化时间步长作为管网模型和水流交换的时间步长,实现2项水动力过程实时同步㊁严格对应及动态双向的数据交互㊂自适应动态变化时间步长计算公式:Δt2D=CrΔx|q2x+q2y/h|+gh (5)Δt1D=Δt e=Δt2D(6)T1D=T e=T2D(7)式中:Δt2D为地表二维模型的自适应动态变化时间步长,s;Cr为库朗数;Δx为网格大小,m;Δt1D为一维管网模型的时间步长,s;Δt e为水流交换的时间步长,s;T2D㊁T1D和T e分别为二维模型㊁一维模型和水流交㊀第2期王小杰,等:考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型247㊀换的计算时间,s㊂1.3.2㊀地表径流与地下管流交换地表径流和地下管流模型是通过在节点处发生的溢流和泄流现象来交换水流㊂当地表水位大于管网节点水位时,进行泄流计算,水流从地表流向管网;当地表水位小于管网节点水位时,进行溢流计算,水流从管网流向地表;当地表水位等于管网节点水位时,不进行流量交换㊂(1)节点泄流近年来,众多学者基于水槽试验和理论分析开展了节点泄流能力研究,提出了适用于不同水流条件下的节点泄流计算公式㊂陈倩等[26]提出的雨水口泄流公式和姚飞骏[27]提出的孔流堰流公式适用于水深较大的计算工况,且与标准图集中雨水口泄流能力曲线相符效果较好,得到了广泛应用[22]㊂雨水口泄流公式:Q s=auAFr b(8)式中:Q s为节点泄流量,m3/s;a和b为泄流参数;A为节点过水面积,m2;u为箅前流速,m/s;Fr为箅前弗劳德数,Fr=u/gh㊂孔流堰流公式:Q s=min(C w Ph1.5,C o A2gh)(9)式中:C w为堰流系数;P为节点湿周,m;C o为孔流系数㊂为保证模型计算的稳定性,对节点泄流量添加限制性条件[11]:Q s=min(Q s,V c/Δt e)(10)式中:V c为节点所在地表网格内的当前水量,m3㊂(2)节点溢流采用孔口流量公式计算节点溢流量,公式如下所示:Q o=C o A m2g(h nod-h sur)(11)式中:Q o为节点溢流量,m3/s;A m为节点过水面积,m2;h nod为节点水位,m;h sur为地表水位,m㊂为保证模型计算的稳定性,对节点溢流量添加限制性条件[11]:Q o=min(Q o,V o/Δt e)(12)式中:V o为SWMM节点的溢流水量,m3㊂(3)地表径流与地下管流交换模式地表径流与地下管流之间有多种交换模式,检查井简化方法㊁雨水口方法和雨水口-检查井方法是最常用的3种交换模式[16],如图1所示㊂检查井简化方法忽略了雨水口作用,地表径流和地下管流直接通过检查井进行交换,即节点泄流和溢流均通过检查井进行(图1(a))㊂雨水口方法中,地表径流通过多个雨水口泄流至单个检查井后流向排水管网,管网水流通过检查井分流至与之相连的多个雨水口后溢流到地表(图1 (b))㊂雨水口-检查井方法中,地表径流通过多个雨水口泄流至单个检查井后流向排水管网,管网水流直接通过检查井溢流到地表(图1(c))㊂地表水流进入排水系统节点的流量为Q j=ðN i=1Q i,s-Q m,o(13)式中:Q j为地表水流进入排水系统单个节点的流量,m3/s;Q m,o为与排水系统节点相对应的检查井溢流量, m3/s;Q i,s为与检查井相连的第i个雨水口的泄流量,m3/s;N为检查井相连的雨水口个数,若为检查井简化方法,N=1,此时Q i,s表示检查井的泄流量㊂地表单个网格进入排水系统的流量为Q c=ðK k=1Q k(14)248㊀水科学进展第35卷㊀Q k =Q k ,s -Q k ,o (15)Q k ,o =Q m,o ,检查井简化方法/雨水口-检查井方法Q m,o /N ,雨水口方法{(16)式中:Q c 为地表单个网格进入排水系统的流量,m 3/s;K 为单个网格中的节点个数;Q k 为网格中第k 个节点进入排水系统的流量,m 3/s㊂Q k ,s ㊁Q k ,o 分别为节点的泄流量和溢流量,若为雨水口-检查井法,当节点为雨水口时Q k ,o =0,当节点为检查井时Q k ,s =0;若为雨水口法,当节点为检查井时Q k ,s ㊁Q k ,o 均为0;若为检查井简化法,当节点为雨水口时Q k ,s ㊁Q k ,o 均为0㊂图1㊀地表径流与地下管流交换模式Fig.1Exchange modes of surface runoff and underground pipe flow 1.3.3㊀模型双向耦合实现方式耦合模型是以水量交换为纽带,将节点泄流/溢流量作为源项加入地表二维模型中,同时也作为一维管网模型节点的外部入流/出流量加入排水管网系统中[11]㊂地表二维模型和一维管网模型双向耦合过程中具体步骤如下:(1)设置地表二维模型和一维管网模型的边界条件和初始条件㊂设置地表径流与地下管流交换模式,将地表节点坐标和地下管网节点坐标进行对应,保证地表节点泄流/溢流和管网节点入流/出流在空间位置上严格对应㊂此外,还需要注意的是SWMM 排水管网模型需启用节点积水功能㊂(2)读取地表二维模型和一维管网模型输入文件,获取并初始化地表和排水管网的属性信息㊂(3)根据地表网格水位和单宽流量等,采用CFL 条件计算动态时间步长㊂(4)将时间步长㊁管网节点水深和溢流量等信息与地表网格水位和单宽流量等信息输入到地表径流与地下管流交换模块,根据地表径流与地下管流交换模式,计算地表径流与地下管流交换水量㊂(5)将计算得到的交换水量和时间步长输入到排水管网模型㊂运行排水管网模型,推进1个时间步长㊂计算得到节点水深和管道流量等信息,用于下一时间步长模拟㊂(一维模型演进1步)(6)获取排水管网模型计算得到的节点水深和溢流量等信息,用于水量交换计算㊂(7)计算地表网格下渗率㊂(8)将计算得到的时间步长交换水量和下渗率输入到地表二维模型㊂运行地表二维模型,推进1个时间步长㊂计算得到网格水位和单宽流量等信息,用于下一时间步长模拟和水量交换计算㊂(二维模型演进1步)(9)判断模拟时间是否到达结束时刻㊂若未到达结束时刻,重复上述(3) (8)计算步骤;若到达结束时刻,输出计算结果,关闭程序㊂2㊀模型验证采用试验算例和理论算例对构建的城市地表径流与地下管流双向耦合模型进行验证㊂选取的试验算例水流在地表演进过程中部分从节点下泄至排水管网,汇流至管道出口排出;选取的理论算例管网水流从节点顶㊀第2期王小杰,等:考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型249㊀部溢出,在地表上流动,并经其余节点重新汇入管道,在管网溢流量和回流量达到平衡后,管道顶部地表区域水流最终趋于平衡状态[28]㊂2.1㊀试验算例采用Dong等[18]开展的城市洪涝地表与地下排水系统双层结构试验数据对耦合模型进行验证㊂试验模型整体几何比尺为1ʒ10,地表部分包含水库㊁闸门㊁道路㊁人行道㊁房屋等结构,地下部分包含雨水箱㊁连接管㊁排水干管等结构,地表和地下排水管道之间采用10个雨水口连接,雨水口沿水槽中轴对称分布,前后间距1.8m(模型布置平面示意图详见文献[18])㊂地表水槽从上游至下游布置了7个水位测点(P1 P7),排水干管底部布置了1个压力水头测点(P8),8个测点的具体坐标详见文献[18]㊂水库内初始水深为0.3m,闸门下游和地下排水管道内初始水深为0m,模拟时间为340s㊂地表和排水管道的曼宁系数均为0.011s/m1/3㊂建筑物采用真实地形法表示,地表下游边界和排水系统下游出口边界均为自由出流,其余边界为固壁边界条件㊂节点泄流和溢流中的参数随着节点型式的不同而变化,因此,在不同的算例中需对公式中的参数进行率定㊂经过率定,采用综合流速公式(a=0.225,b=-2.063)和孔口流公式(C o=0.15)进行节点泄流和溢流计算㊂不同测点模拟水深与实测水深变化过程对比结果如图2所示(仅展示了部分测点,P1 P7为地表测点, P8为管道测点)㊂将采用二维模型动态变化时间步长作为管网模型和水流交换时间步长(Δt2D,即耦合模型实时同步)的模拟结果与采用固定时间步长(1㊁0.6㊁0.2s)的模拟结果进行对比,分析耦合模型是否实时同步对洪涝过程的影响㊂管网模型采用固定时间步长时,管网模型运行时间作为地表与地下水流交换同步时间的具体实现过程可参考文献[10]㊂可以看出,固定时间步长的大小对模拟结果有着显著影响,且对管道的影响要大于地表㊂当固定时间步长较小时,固定时间步长与动态变化时间步长的模拟结果基本一致,即耦合模型是否实时同步对洪涝过程基本无影响㊂随着固定时间步长的增大,固定时间步长与动态变化时间步长的模拟结果相差越来越大,且与实测水深的误差也在增大㊂总的来说,固定时间步长的准确性取值对于模拟结果的精度至关重要,且相较于固定同步时间,实时同步的耦合模型模拟的水深与实测水深更为接近㊂图2㊀不同测点模拟和实测水深比较Fig.2Comparisons of simulated and measured water depths at different measuring points250㊀水科学进展第35卷㊀将实时同步的耦合模型模拟结果与实测值进行对比,地表测点P1 P7的水深模拟值与实测值变化过程基本一致,上游水库水深随时间不断降低,下游城市街区水深随时间先增加后减小,其中地表测点的水深模拟值在上下游水深较小时略微低于实测值,且测点P3模拟结果相对较差㊂这是因为测点P3位于房屋上游边壁处,水流撞击边壁后产生强烈的紊动与空气掺混现象,具有三维特征水流运动,本文模型使用的二维浅水控制方程难以反映此类现象[22]㊂管道测点P8的水深模拟值与实测值变化过程较为一致,相比于地表水深变化,管道模拟结果的误差相对更大,这可能是因为地表水流下泄汇流至管道过程中产生的误差对管道模拟结果造成了一定的影响㊂相较于实测水深,管道测点的水深模拟值略大,退水过程略微滞后,其原因可能与管道水流的进口流量有关㊂在水槽试验中地表水流经雨篦子流入雨水井后,通过侧支管与排水干管相连接㊂本文模型未考虑雨水井内部的水量平衡过程及其产生的水头损失,从而使得管道的水深模拟值略大,退水过程略微滞后㊂此外,采用纳什效率系数(E NS )进一步评估模型的计算精度㊂地表测点P1 P7的水深模拟值与实测值的E NS 均在0.90以上,其中测点P3的E NS 最小,为0.92,管道测点P8的水深模拟值与实测值的E NS 为0.76,表明本模型的计算精度较高,能够准确模拟具有排水管道的城市洪涝演进过程㊂2.2㊀理论算例采用喻海军[28]开展的理论算例对耦合模型进行验证㊂该算例地表区域为边长200m 的正方形,管网系统由6个节点和6条管道组成(图3)㊂地表与管道水流之间通过节点2㊁3㊁4和5的泄流和溢流来进行交换㊂节点1㊁6分别为入流节点和出口节点,节点1的入流流量在模拟开始前10min 内由0逐渐增加至1.0m 3/s,随后保持恒定不变,节点6设置为自由出流㊂地表和管道初始水深为0m,地表曼宁糙率系数为0.025s /m 1/3,地表区域四周为固壁边界条件,模拟时间为48h㊂管道和节点属性信息详见文献[28]㊂经过率定,采用综合流速公式(a =0.046,b =-0.935)和孔口流公式(C o =0.67)进行节点泄流和溢流计算㊂图3㊀算例示意[28]Fig.3Diagram of theoretical case 将本文模型与InfoWorks ICM 计算结果进行对比,表1为稳定状态时管道流量和节点水深㊂可以看出,管道流量和节点水深最大相对误差不超过10%,节点水深相对差值更小,不超过5%,误差可能来源于地表地下耦合算法及网格划分的差异㊂本文模型与InfoWorks ICM 计算的稳定状态时地表区域水位分布基本一致,地表内均存在约0.12m 的水深,节点2的顶部区域水位较高,节点3㊁4和5的水位略低于平均水位,其他区域水位基本相等㊂总的来说,本文模型与InfoWorks ICM 计算结果基本吻合,耦合模型具有较高的可靠性㊂表1㊀稳定状态时管道流量和节点水深Table 1Pipe discharge and node water depth in steady state 编号管道流量节点水深本模型/(m 3/s)InfoWorks /(m 3/s)绝对差值/(m 3/s)相对差值/%本模型/m InfoWorks /m 绝对差值/m 相对差值/%1 1.000 1.0000㊀㊀0㊀㊀ 1.521 1.5000.021 1.4020.4530.4130.0409.69 1.447 1.3960.051 3.6530.4530.4130.0409.690.9740.991-0.017-1.7240.4820.4710.011 2.340.9740.990-0.016-1.6250.4820.4720.010 2.120.7720.779-0.007-0.9060.993 1.000-0.007-0.700.5700.574-0.004-0.70㊀第2期王小杰,等:考虑不同水流交换模式的城市洪涝一维二维双向耦合模型251㊀3㊀模型应用3.1㊀研究区概况采用城市地表径流与地下管流双向耦合模型,模拟英国Glasgow城市街区(1.0kmˑ0.4km)发生在2002年7月30日的洪涝过程㊂该过程水流从Q点处涵洞溢出到研究区域的街区中,最大流量为10m3/s,总泄水量约8554m3,持续时间不超过60min,Q点流量曲线详见文献[29]㊂因缺少实际管网资料,本文根据室外排水设计标准[30]和文献[18],在城市主要道路两侧每隔50m添加1对尺寸为0.75mˑ0.45m的雨水口,主要道路中间每隔100m添加1个检查井,相邻2个检查井之间添加直径为1.0m的圆管㊂排水系统由140个雨水口㊁36个检查井㊁2个排放口和38条管道组成(图4)㊂由带有建筑物高度的2m分辨率地形图可看出,研究区整体东部高西部低,按照地表高程将检查井㊁雨水口和排水管道沿道路由东北向西南布置㊂地表和排水管道的曼宁糙率系数分别为0.020和0.013s/m1/3㊂建筑物采用真实地形方法表示,研究区域四周设为固壁边界条件,地表设置了4个水深监测点(ST1 ST4,与文献[29]位置相同)㊂地表和管道初始水深为0m,模拟时间为2h㊂采用综合流速公式(a=0.302,b=-0.816)[26]和孔口流公式(C o=0.67)[27]推荐的参数计算节点泄流和溢流㊂图4㊀英国Glasgow某街区地形及排水系统布置Fig.4Topography and sewer drainage system structure in Glasgow,UK3.2㊀结果分析采用检查井简化方法㊁雨水口方法和雨水口-检查井方法分别计算地表径流与地下管流之间的交换水流,对比无排水系统的结果,分析排水管网和不同地表地下水流交换模式对城市洪涝过程的影响㊂4种情况下各监测点处的水深变化过程如图5所示㊂检查井简化方法㊁雨水口方法和雨水口-检查井方法与无排水系统的对比,最大水深在测点1处分别减小了3.16%㊁12.7%和12.7%,在测点2处分别减小了4.87%㊁20.2%和20.4%,在测点3处分别减小了23.4%㊁49.3%和50.3%,在测点4处分别减小了7.62%㊁27.4%和28.5%㊂此外,3种水流交换模式对洪涝到达时间有一定的延迟作用,检查井简化方法的延迟作用最小,其次为雨水口方法和雨水口-检查井方法,且离洪涝源头越远延迟作用越显著㊂总的来说,排水管网可以有效地减少地表水深,3种水流交换模式对地表水深的影响存在显著差异,检查井简化方法对地表水深的减少作用要远小于雨水口方法和雨水口-检查井方法,雨水口方法比雨水口-检查井方法略低,但两者差异较小,且2种方法的地表水深变化过程基本一致㊂与此同时,对4种情况下研究区域的最大淹没范围及水深进行分析,结果如图6所示㊂检查井简化方法㊁雨水口方法和雨水口-检查井方法与无排水系统对比,最大淹没面积分别减小了9.25%㊁23.2%和。
溃堤洪水分析的一、二维水动力耦合模型及应用
溃堤洪水分析的一、二维水动力耦合模型及应用苑希民;薛文宇;冯国娜;李长跃【摘要】A coupled one-and two-dimensional hydrodynamic model was developed to simulate the flood wave propagation through the breaches. The Preissmann scheme was used for the one-dimensional model and the Roe scheme on unstructured meshes was used for the two-dimensional model. The special boundaries, such as roads and irrigation ditches, were generalized as broad crested weirs and were linearized. A coupled model with real terrain was established through coupling the unstructured mesh and special boundaries, and the dry and wet depth theory was used to optimize this model. The model was applied to simulation of a levee-breach flood that occurred in the West Irrigation Area of the Qingtongxia Gorge of the Yellow River. The results show that the model can truly simulate the flood wave propagation and flood inundation area in the calculation area, and can simulate the water-blocking effect of roads and irrigation ditches and water-passing effect of bridges and culverts.%建立一、二维水动力耦合数学模型以模拟溃堤洪水的演进过程，其中一维模型采用Preissmann格式离散，二维模型利用基于非结构网格的Roe格式离散。
一、二维耦合数学模型在水利枢纽通航水流条件研究中的应用
为使船舶在正常操作条件下安全通畅过闸，《船 闸总体设计规范》【９ｊ中规定：Ⅲ级船闸引航道口门区 平行航线的纵向流速应不大于２．０ｍ／ｓ，垂直航线的 横向流速应不大于０．３ ｍ／ｓ，回流流速应不大于 ０．４ｍ／ｓ；Ｖ级船闸平行航线的纵向流速应不大于 １．５ｍ／ｓ，垂直航线的横向流速应不大于０．２５ｍ／ｓ，回 流流速应不大于０．４ｍ／ｓ；引航道内纵向流速一般应
警＝一（ｇＡ百ａｈ．＋ｇ咪）（６）
２．２模型范围 二维模型分别建立了大小２套模型，大模型主
水流连续方程：
挚否ｉ＋＋百警＋—＋万警ｉ‘：２ｏｕ
（‘３３，）
水流运动方程：
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（４）
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预测器／， ＋Ｑ咖广 ｐ一：Ｉ Ｒ啪ＭＩＫＥｌｌ
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３计算工况及闸门调度方式设置
３．１计算工况 为研究节制闸不同运行工况对船舶过闸流态的
影响，按照节制闸的功能和用途共进行了３大类工 况的计算，分别为节制闸排涝及预降内河水位工况
垂霎量垂萋
Ｈ
一
时问
（ａ）黄浦公园测点
流速验证
量 重量 垂薹
一
一
时间
（ｂ）黄浦公园测点
流向验证
图６流速、流向的率定验证结果 （文中外河侧指枢纽西端近黄浦江一侧、内河侧指枢 纽东端大治河一侧，下同）、节制闸关闭工况、节制闸 引水工况。３大类工况与内河侧不同水位的组合， 构成７组具体工况，见表ｌ。外河侧计算潮型见图 ７，最高潮位为３．８ｍ（上海吴淞基面，下同），最低潮 位为１．４ｍ，潮差为２．４ｍ。
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一、二维耦合数学模型在水闸自动调度中的应用
发表时间：2018-10-01T20:02:06.310Z 来源：《基层建设》2018年第23期作者：翟法
[导读] 摘要：为了研究变化水位条件下水闸的出流条件，本文采用了Mike flood一、二维耦合模型对新川沙泵闸进行建模并采用一维中的
“可控建筑物”模块对泵闸的调度规则进行了设置，针对水闸在不同水位条件下的出流条件进行了分析。
上海友为工程设计有限公司上海市 200093
摘要：为了研究变化水位条件下水闸的出流条件，本文采用了Mike flood一、二维耦合模型对新川沙泵闸进行建模并采用一维中的“可控建筑物”模块对泵闸的调度规则进行了设置，针对水闸在不同水位条件下的出流条件进行了分析。
结果表明Mike flood可以较好地应用到流域范围复杂的水资源调度和行洪排涝研究项目中，也可以实现泵闸运行全过程的自动调度。
关键词：一、二维耦合、水闸、自动调度
目前二维水流数值模拟中有关水闸引排水时的流场分析，多采用上、下游均为静水位的工况计算恒定流流场，这种方法在研究感潮河段或沿海地区等闸外水位时刻在变化的水闸时有一定的局限性，较难全面地给出水闸上下游最不利的流态。
Mike11一维模型多用于概化河流等不需要考虑局部水流流态的水利工程中，模型中的可控建筑物模块可以实现复杂的泵闸调度规则，Mike21二维模型可以描述复杂地形下的水流流态，但无法实现复杂的水闸调度规则。
通过Mike flood模块，可以将泵闸用一维可控建筑物进行概化，研究工程区域用二维水流模型进行概化，从而构建了能实现复杂调度的二维水流数值模型。
本文拟以新川沙泵闸枢纽工程为例，采用Mike flood一、二维耦合数学模型，其中一维模型主要用来模拟有复杂调度规则的水闸，二维模型用来模拟水闸上下游的水流流态，研究闸内水位及闸外水位均动态变化的情况下水闸上下游的流场分布，分析新川沙泵闸平面布置的合理性。
1.工程概况
新川沙泵闸作为嘉宝北片沿江重要控制建筑物，也是吴淞江工程重要的排江口门，其主要功能是挡潮、泄洪、排涝和改善水环境。
新川沙河泵闸位于上海市宝山区新川沙河与长江交会口处，泵闸闸址处西岸是陈行水库的东堤，东岸是规划预留港区（临近河道范围现状为绿化带）。
泵闸闸址处两岸堤防均为长江一线海塘，长江堤防为一等工程，级别为1级。
新建新川沙河口泵闸工程由一座净宽60m的节制闸和一座150m3/s的双向泵站组成（排涝设计总流量150m3/s，引水设计流量150m3/s）。
图2.1 潮位率定图（吴淞高程）
图2.2 流速率定图（吴淞高程）
2.模型介绍
2.1 模型建立
为分析新川沙泵闸枢纽工程的水流流态和水质影响，采用二维水流模型建立了长江口杭州湾大模型，通过Flather condition边界为小模型提供有效、真实的边界条件；其次采用了一维和二维耦合模块建立了新川沙泵闸小模型。
小模型中根据流速、水位等限制条件建立了一维泵闸联合调度规则，从而可以有针对性地计算并分析工程区域水流流态和流速分布。
2.2模型率定和验证
模型率定采用2009年4月实测资料，模型验证采用2011年8月实测资料，率定和验证结果见图2.1、图2.2。
3.闸门调度方式设置及计算工况选取
模型采用推荐方案“闸在右、泵在左”的布置形式，由于泵、闸不同时开且泵站设计流量较小，故不考虑泵站排涝或引水的工况。
水闸调度规则如下：（1）H内≤2.76m且H内< H外，按440m3/s引水；（2）2.76m<H内≤2.86m，关闸；（3）H内>2.86m且H内> H外，按648m3/s流量排水；（4）其余工况，关闸。
长江口潮汐在口内为不正规半日潮，计算时间取一天整：从2016年6月20日0点至2016年6月21日0点为止。
内河水位和闸外水位分别对应着模型上下游边界的水位，两者随时间变化曲线见图2.3。
图2.4和图2.5分别给出了在上述调度规则以及上述水位变化下一天时间内闸门开度的变化过程和过闸流量的变化过程。
图2.6、图2.7和图2.8给出了低潮位、涨急和落急时刻工程
前和工程后流场图。
图2.3 内河上游水位和外海水位随时间变化曲线图
图2.4 闸门开度随时间变化曲线图 4.计算结果分析
新川沙出海口西侧为陈行水库，东北侧为卸货码头，距枢纽出口约600m。
根据图2.4和图2.5，可以看出采用维、二维耦合模型可以实现在内外河水位变化情况下闸门的自动调度，计算得到的结果符合预设的调度规则。
图2.5 过闸流量随时间变化曲线图
(a) 工程前 (b) 工程后图2.6 工程前后低潮位时流场对比图
(a) 工程前 (b) 工程后
图2.7 工程前后涨急流场对比图
(a) 工程前 (b) 工程后
图2.8 工程前后落急流场对比图
（1）对码头的影响：涨急时刻，由于涨潮流改变了出闸流的流向，位于码头处的流速基本不受影响，最大增幅在0.05m/s左右；落急时刻最大增幅在0.3m/s左右；低潮位时，由于涨落潮流速很小，枢纽出流基本顺直，位于码头处的横向流速最大可达1.0m/s，因此应注意避免在低潮位时进行大流量排水，防止对新川沙出口处码头船舶的泊稳和航行产生不利影响。
（2）对水库的影响：水库紧邻枢纽上游侧，水库东堤转弯段与枢纽新建大堤顺接。
涨急时刻，枢纽排水入江流速较大与涨潮流相遇后，偏离水库侧圆弧段大堤，向水库上游侧叠加，水库临江侧堤脚最大流速0.55m/s，未超过不冲流速；落急时刻，枢纽排水入江水流与落潮流相遇后，向码侧叠加，水库临江侧堤脚最大流速为0.70m/s，未超过不冲流速；低潮位时，陈行水库临江侧堤脚最大流速为1.1m/s，超过不冲流速，对水库大堤的安全会产生不利影响。
（3）枢纽前冲淤影响：根据本工程河段的泥沙粒径和内河过流断面等条件初步判断，泵闸外河侧不淤流速约为0.85m/s，不冲流速约为0.65m/s。
因此，在节制闸按设计流量排水期间，可兼顾闸前冲淤；考虑长江下泄泥沙量逐年减小，泥沙在泵闸前淤积的速度较慢，泵站前可根据实际情况考虑定期清淤。
5.结语
应用一、二维耦合数学模型研究了新川沙泵闸枢纽工程在内外均为动水位并满足预设调度规则条件的出流过程，以此分析了水闸在运行时接近实际情况的水流条件。
以上案例的成功应用可以拓展到流域范围的水资源调度、行洪排涝等项目的前期研究，同时也可以应用到水闸实际运行中去，根据预设的调度规则真正实现流域范围内水闸的全自动调度。