水动力学模型的分类
地下水动力学模型与水资源预测
地下水动力学模型与水资源预测地下水是一种重要的水资源，对于生态系统的维持和人类的生存都起着重要作用。
然而，由于人类活动的不断增加，地下水资源的供应与需求之间的差距逐渐加大。
因此，我们需要一种科学的方法来预测和管理地下水资源。
地下水动力学模型是一种有效的工具，可以帮助我们理解地下水系统的复杂动态，预测未来的水资源状况，并制定相应的管理措施。
地下水动力学模型是基于水文地质学和流体力学原理建立的数学模型，通过模拟地下水流动和贮存的过程，推断地下水系统的行为和变化。
这些模型通常包括地下水流动方程、传导方程和贮存方程等基本方程，以及适当的初始条件和边界条件。
通过对这些方程进行数值求解，我们可以得到关于地下水位、地下水流速、地下水补给和补注等各种参数的详细信息。
地下水动力学模型可以应用于不同的情景，如地下水补给量的预测、地下水污染的传播模拟、地下水资源管理的优化等。
在水资源预测方面，地下水动力学模型可以通过对过去的观测数据进行拟合和校正，来预测未来的地下水位和补给量。
这对于制定地下水资源管理政策和合理规划水资源利用具有重要意义。
为了建立合理准确的地下水动力学模型，首先需要收集和整理大量的地下水数据，包括地下水位、渗透性、补给量等。
然后，通过地质勘探和测井等技术手段，确定地下水系统的几何结构和物理特性。
接下来，需要进行模型参数的估计和校正，以确保模拟结果的可靠性和准确性。
然而，地下水动力学模型也存在一些局限性和挑战。
首先，模型建立过程中需要依赖大量的数据和专业知识，这对于一些地区和国家来说是一个困难的任务。
其次，地下水系统具有复杂的非线性和非均质性，这导致模型的建立和求解具有一定的难度。
另外，地下水动力学模型的结果也受到模型参数不确定性和误差的影响，因此需要进行合理的敏感性分析和不确定性分析。
尽管存在以上挑战，地下水动力学模型在水资源管理中的应用前景仍然广阔。
随着计算机技术和数据科学的发展，我们可以使用更先进的技术手段来研究和模拟地下水系统的行为。
River 2D 模型简介
River 2D 模型简介概述River2D 是一个可以使用在天然河道中的二维水深平均浅水动力学模型和鱼类栖息地模型。
它是基于Petrov-Galerkin 迎风守恒格式和用有限元法离散的数值模拟。
该模型的显著特点是对于计算河道的边界部分采用了近似超临界法和干湿区域解算法。
该模型已经通过一系列的理论，实验和野外试验调查结果的验证(Ghanem et al, 1995a; Waddle et al, 1996, Christison et al)。
具体的模型应用公式请参见文献Ghanem(1995)。
计算公式概述River2D是一个二维的水深平均有限元模型。
它主要是基于一个非恒定的瞬时模型，同时也可以用于恒定流加速收敛的状况。
鱼类栖息地的计算模块则是基于PHABSIM中权重有效面积的方法，适应于不规则几何区域三角形网格的应用。
当遇到一个非常大的空间区域时，一个小的内部区域的单独解算对于水动力学和栖息地的求解是非常重要的。
River2D能够提供使用者把这些区域单独划分出来的功能，所以可以单独的为所要计算的区域划分更为详细的网格。
水动力学模型River2D的水动力学模型是基于二维平均水深的圣维南方程。
这三个方程分别代表了水体的质量守恒方程和两个方向的动量守恒方程。
质量守恒方程：X 方向的动量守恒方程：Y 方向的动量守恒方程：H －水深U 、V －x ，y 方向的水深平均流速 q x ,q y －与流速相对应的流量值g 代表重力加速度，ρ代表水的密度。
x S 0和y S 0是x 和y 方向的河床底坡斜率；fx S 和fy S 是相对应的摩擦比降，yy yx xy xx ττττ,,,是水平方向的切应力值。
基本假设1.垂直方向的压力分布是静水压力。
通常，该假设在陡坡和坡度急剧改变的河段会导致数值模拟的不准确。
大约说来，河床的水平尺寸必须大于水深尺寸的10倍才适合二维水深平均浅水方程的应用。
同时，来流方向的坡度超过10％的将不能被准确模拟。
水动力学城市内涝模型
水动力学城市内涝模型在城市化进程中，随着越来越多的区域被人们开发和建设，城市内涝问题也越来越严重。
为了解决这一问题，出现了“水动力学城市内涝模型”。
一、什么是“水动力学城市内涝模型”“水动力学城市内涝模型”是一种运用水动力学原理建立的城市排水网络演化过程预测模型。
该模型通过对城市道路网络、排水设施、地形地貌、气象因素等因素进行综合分析，预测城市在暴雨等极端天气情况下的内涝情况，为城市规划、建设和管理提供科学依据。
二、模型构建过程1. 收集数据：收集城市道路网络、排水设施、地形地貌、气象站点等数据，建立数据库。
2. 理清逻辑：根据水动力学原理，理清逻辑，确定模型的基本框架。
3. 编写模型：将逻辑转化为计算代码，编写模型。
4. 验证模型：利用历史暴雨数据验证模型准确性，不断修正改进模型。
5. 应用模型：将模型应用于城市规划、建设和管理中，并根据预测结果进行相应措施的调整。
三、模型应用价值“水动力学城市内涝模型”在城市规划、建设和管理中具有重要价值：1. 预测城市内涝情况，避免自然灾害造成的损失。
2. 为城市排水系统的规划、设计提供科学依据。
3. 为城市管理部门提供决策支持，及时采取措施应对突发事件。
4. 为居民提供服务，减少内涝造成的人员伤害和财产损失。
综上所述，“水动力学城市内涝模型”无疑是城市管理和规划方面的一大创新。
它能够帮助城市规划者更科学地规划城市，帮助城市管理者及时做出决策，预防自然灾害带来的损失。
相信，在不久的将来，这一模型将会得到更加广泛的应用，使我们的城市更加健康、舒适和安全。
水动力学基本
3.2.3 流线与迹线
一、流线 1.定义：流线是同一时刻由液流中许多质点组
成的线，线上任一点的流速方向与该线在该点 相切。流线上任一点的切线方向就代表该点的 流速方向，则整个液流的瞬时流线图就形象地 描绘出该瞬时整个液流的运动趋势。
3.2.3 流线与迹线
一、流线
流线微分方程式：
y
ux uy uz 1 dx dy dz dt
量，简称压能。
u2 2g — 不计射流本身重量和空气阻力时，以断面流速u 为初速的铅直上升射流所能达到的高度，水力学中称流
速水头，表示单位重量液体动能。
测压管水头—表示断面测压管水面相对于基准面的 高度，表明单位势能，以Hp表示：
Hp
z
p
断面总水头—表明单位总能量，以H表示：
H z p u2
以个别液体运动质点为对象.研究给定质点在整 个运动过程中的轨迹.各个质点运动状态总和构 成整个液体运动.
点—线—面 运动轨迹 运动要素
四、局限性： 液体质点运动轨迹非常复杂，实用上不需要知 道某一质点的运动轨迹，因此水力学上不常采 用此方法。
3.1.2 欧拉法
一、定义： 直接从流场中每一固定空间点的流速分布入手 ，建立速度、加速度等运动要素的数学表达式 ，来获得整个流场的运动特性。
3.恒定元流连续性方程：
根据质量守恒定律，单位时间内流进dA1的质量 等于流出dA2的质量：
ρ1u1 dA1＝ρ2u2 dA2＝常数 对于不可压缩液体，ρ1＝ρ2＝常数，则有：
u1 dA1＝u2 dA2＝dQ＝常数 恒定元流连续性方程
4.恒定总流连续性方程： 因总流是无数元流的集合体，因此,对上式在总流 过水断面上积分：
uz t
(ux
水力学课件
3.<<水力学解题指导及习题集>> (第二版) 大连工 学院高等教育出版社。
第一章 绪论
§1-2 液体的连续介质模型
一、概念的建立
流体由不连续分布的大量分子组成 10-6 mm3 空气中含有大约2.71010个分子； 10-6 mm3 水中含有大约3.31013个分子。 1、概念：液体是没有空隙的，液体质点完全充满所占的空间。 “连续介质”概念的建立，使液体中的一切物理量（压强、 速度、密度等）都可视为空间坐标和时间的连续函数〔如： p=f（x，y，z，t）〕。这样就可以利用连续函数的数学分 析方法来解决液体平衡和运动的问题。
1 p 1 p dx)dydz X dxdydz 0 (p dx)dydz ( p 2 x 2 x
整理得：
同理，在x,y方向上可得：
1 p X 0 x
第二章 水静力学
1 p 0 X x 1 p 0 Y y 1 p 0 Z z
第一章 绪论
§1-5 作用在流体上的力
按物理性质分：重力、摩擦力、惯性力、弹性力、
表面张力 按隔离体的角度分：表面力和质量力 1、表面力： 作用在隔离体表面上的力， 是接触性力。 表面力可分为： 法向力P与作用面正交的应力 切应力τ与作用面平行的应力
第一章 绪论 2、质量力： 质量力是指作用在隔离体内每个液体微团上的力， 其大小与液体的质量成正比，也称为体积力， 是非接触性的力。 如：重力、惯性力。 质量力常用单位质量力来度量。
压力改变对μν的影响不大
（液体）
水力学课件
第一章 绪论
§1-2 液体的连续介质模型
一、概念的建立
流体由不连续分布的大量分子组成
10-6 mm3 空气中含有大约2.71010个分子； 10-6 mm3 水中含有大约3.31013个分子。 1、概念：液体是没有空隙的，液体质点完全充满所占的空间。
Px Pn cos(n, x) F x 0 Py Pn cos(n, y) F y 0 Pz Pn cos(n, z) F z 0
Z D Pn Px A Py C
O B Pz X
Y
第一式中
P cos(n, x) p • s •cos(n, x)
n
n
p • 1 y • z
n2
第二章 水静力学
Z D Pn Px A Py C
O B Pz X
Y
第二章 水静力学
四面体的体积 V为
Z D Pn Px A Py
V
1
6
x
•
y
•z
C
O B Pz X
Y
总质量力在三个坐标方向的投影为
Fx
1 6
•
x • y
• z X
Fy
1 6
•
x • y
• z Y
Fz
1 6
•
x • y
• z
Z
第二章 水静力学
按照平衡条件，所有作用于微 小四面体上 的外力在各坐标轴 上投影的代数和应分别为零
p n
第二章 水静力学
这样我们可以得到：
p x
p y
p z
p n
上式表明任一点的静水压强 p是
第七章 水质模型
QUAL2K相对于QUAL2E模型而言，它不仅适用于混合的枝状河 流系统，而且允许多个排污口、取水口的存在以及支流汇入和流
出，尤其对藻类、营养物质、光三者之间的相互作用进行了矫正，
并在模拟过程对输入和输出等程序有了进一步改进，主要增强功
能包括计算功能的扩展、新反应因子的增加,如藻类BOD、反硝
化作用和固着植物引起的DO变化。对于任意一种水质组分,有:
水质模型研究的深 化、完善与广泛。 考虑水质模型与面 源模型的对接,并 采用多种新技术方 法,如:随机数学、 模糊数学、人工神 经网络、专家系统 等。
四、建立水质模型的基本步骤
调查研究，获取资料 模型的一般性质研究 初步建立模型 模型验证 模型应用
§6-2 河流水质模型
一、BOD-DO耦合模型（S-P模型）及其修正模型
k1 x / u
S-P适用的5个条件
a、河流充分混合段； b、污染物为耗氧性有机污染物； c、需要预测河流溶解氧状态； d、河流为恒定流动； e、污染物连续稳定排放。
25 20 15 10
L mg/L DOmg/L
DOmg/L
L mg/L
5 0 0
氧垂曲线示意图
2
4
6
8
10 X km
(四)奥康纳模型
LC u (k1 k3 ) LC x LN u k N LN x D u k1 LC k N LN k 2 D x
kN—硝化BOD耗氧系数，1/d；
( k1 k3 ) x / u L L e 其解析解为: C 0C kN x /u L L e N 0N k1 L0 ( k1 k3 ) x / u k2 x / u k2 x / u D D e ( e e ) 0 k2 k1 k3 k L N 0 N (e k N x / u e k2 x / u ) k2 k N
石家庄西南部外洪水动力模型构建与应用
水利与建筑工程学报Joprnai of Water Resoprces anh Architectural Engineering 第3卷第(期2 0 2 1年2月Vol. 17 No. 1Feb. ,2021DON 6. 3969/j. issc. 9672 - 1144.23121237石家庄西南部外洪水动力模型构建与应用张晓鹏6陈宇飞4,杨艳玲5,王会波6黄腾6丁雪松1(1河北天和咨询有限公司，河北石家庄050021 ；2.华北水利水电大学，河南郑州454000 ；3.河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄050024摘要：石家庄作为河北省省会城市，其西南部暴雨集中，形成洪水并多次致灾。
针对石家庄西南部洪水特点，基于MIKE 系列软件，构建了石家庄西南部外洪水动力模型,并结合现状防洪体系,进行了 54年、60年及200年一遇洪水模拟计算，提出了研究区有关防洪抗灾建议，为防汛抢险部门进行洪水风险 识别、发布洪水风险预警、进行防洪抢险提供决策依据。
关键词：石家庄;水动力模型;MIKE ；溃坝;洪水风险识别中图分类号：TV131.2 文献标识码：A 文章编号：372—134(2021)01—0225—06Construction and Applicetion of Flood Dynamie Modeiin Southwest ShijiazhuaiigZHANG Xmopengi , CHEN Yufei 2, YANG Yanling 5, WANG Huida 1, HUANG Texg 1, DING Xuesoug 1(1. Hebei T —nge Consultinq Co. ^31h. , Shhiazhuang , Hebei 050021, China ；2. North China UmveTsi — of Watas Resources ung Electrie Power , Zhengzhou , Hs * nan 454000, China ；3. The Second Design and Research Inst —uh f Watcs Conservaace ng 日兄丁^卩^^ of HeCct Province ,Shijiazhuang , HTC 050021, China -Abstract ： The flood inuudakon formed by the intensive rainfall in southwest of ShiXazhuaoa can cause huge damages. Aiming at the characteristics of flood in the southwest of ShiXazhuaoa , this paper constructs the flood dyuamic modeloutside southwest ShiXazhuang throuph MIKE system sohware , then ruus the 54-yqr, 30-yqr and 200vuar flood sim ulation on the cacent flood coutroi system. Based on the simulakon results ohtained , the conclusions and proposals are proposed to provide flood OsOs identifcakon , issue flood OsO waming and decision - mafing fdr flood coutroi for the flood prevenUon and rescae deyartwent.Keywordt : Shijiazhuang ； hydradynamic modei ； MIKE ； dam brerk ； flood risks iden UZceUof石家庄市地处河北省中南部、华北平原腹地，是 河北省省会和政治、经济、科技、文化中心。
地下水动力学
1、地下水动力学就是研究地下水在孔隙岩石、裂隙岩石、与喀斯特岩石中运动规律的科学。
它就是模拟地下水流基本状态与地下水中溶质运移过程,对地下水从数量与质量上进行定量评价与合理开发利用,以及兴利除害的理论基础。
2、流量:单位时间通过过水断面的水量称为通过该断面的渗流量。
3、渗流速度（比流量）:假设水流通过整个岩层断面（骨架+空隙）时所具有的虚拟平均流速,定义为通过单位过水断面面积的流量。
4、实际速度:孔介质中地下水通过空隙面积的平均速度;地下水流通过含水层过水断面的平均流速,其值等于流量除以过水断面上的空隙面积, 量纲为L/T。
4、渗流场:发生渗流的区域称为渗流场。
由固体骨架与岩石空隙中的水两者组成5 、层流:水质点作有秩序、互不混杂的流动。
6、紊流:水质点作无秩序、互相混杂的流动。
7、稳定流与非稳定流:若流场中所有空间点上一切运动要素都不随时间改变时, 称为稳定流,否则称为非稳定流。
8、雷诺数:表征运动流体质点所受惯性力与粘性力的比值。
9、雷诺数的物理意义:水流的惯性力与黏滞力之比。
10、渗透系数:在各项同性介质（均质）中,用单位水力梯度下单位面积上的流量表示流体通过孔隙骨架的难易程度,称之为渗透系数。
11、流网:在渗流场中,由流线与等水头线组成的网络称为流网。
12、折射现象:地下水在非均质岩层中运动,当水流通过渗透系数突变的分界面时出现流线改变方向的现象。
13、裘布依假设:绝大多数地下水具有缓变流的特点。
14、缓变流:各流线接近于平行直线的运动14、完整井:贯穿整个含水层,在全部含水层厚度上都安装有过滤器并能全断面进水的井。
15、非完整井:未揭穿整个含水层、只有井底与含水层的部分厚度上能进水或进水部分仅揭穿部分含水层的井。
16、水位降深:抽水井及其周围某时刻的水头比初始水头的降低值。
17、水位降落漏斗:抽水井周围由抽水（排水）而形成的漏斗状水头（水位）下降区, 称为降落漏斗。
18、影响半径:就是从抽水井到实际观测不到水位降深处的径向距离。
海洋生态系统动力学
模型研究的不足之处（二）
•4 质量守恒假定不可避免地引导研究者依赖于“源”、 “汇”项，但是“源”、“汇”的使用必然会显著地剥削 动力学模型的功能，特别是它们的“自组织”能力； •5 传统的研究方法强调生物自身的循环系统，在某种程 度上忽视了环境场四维时空结构的演变与生物场的联系。 在省略了驱动生物分布和演变的物理环境场条件下，过度 地追求生物过程的完整性和与观测资料的拟合程度，造成 了这一学科的研究停滞不前； •6 传统的生态动力学模型忽略了作为环境的物理场作用 而过于强调生物过程自身的完整性，虽然这类生态模型有 助于对理想条件下生物自身循环过程的了解，但由于缺少 真实的物理场背景而无法用于模拟实际海洋中三维生态场 的时空分布。
海洋生态系统的进一步巩固需要我们每个人的共同努力！
全球海洋生态系统动力学
•研究重点： •（1）通过重检、综合历史资料，建立发展全球 海洋系统模式的基础 •（2）开展关键性的生物和物理过程研究。重点 认识营养动力学通道，尤其是它们的变化和食物 网营养质量的作用。
全球海洋生态系统动力学
•（3）发展多学科耦合模拟、观测系统的预测和 建模能力。 •（4）同其它海洋、大气、陆地和社会全球变化 研究合作，评估海洋生态系统变化对全球地球系 统的反馈作用。
定义
研究的意义
主 要 内 容
研究进展
动力学模型
一、定义
•中文名称：海洋生态系统动力学 •英文名称：marine ecosystem dynamics •定义：研究海洋生态系统在海洋动力条件驱动下 动态变化的学科。
二、海洋生态系统动力学研究的意义
•到21世纪中叶，我国人口将达到16亿，耕地减少和人口 增加的矛盾更加突出，满足日益增长的食物和优质动物蛋 白的需求是一个十分艰巨的任务，而海洋是尚未充分开发 利用的最大疆域，具有巨大的动物蛋白生产潜力。海洋作 为我国现在和未来赖以生存与发展的重要基础，己引起国 家和社会的高度重视。 •我国海洋渔业发展过程中，产业的母体——近海生态系 统的服务和产出发生了一些令人担忧的变化，明显影响了 海洋产业的可持续发展，经济损失巨大。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
水动力学模型的分类
随着社会经济的发展以及气候变化，暴雨洪水发生更加频繁和损失更加严重，对防洪减灾提出了更高的要求，需要的资料越来越详细，例如河道洪水水位、街道的洪水淹没过程、局部地方的洪水流速等，传统的水文学方法无法给出这些特征数据，这为水动力学方法提供了发展空间。
按照研究方法的不同，水动力学模型可以分为宏观与微观两类。
从宏观角度出发的模型，一般假设流体连续分布于整个流场，诸如密度、速度、压力等物理量均是时间和空间的足够光滑的函数。
这类水动力学模型采用的控制方程一般为简化后的N-S方程，即圣维南方程（一维）或者二维浅水方程（二维），是目前国内外使用最为广泛的模型。
从微观角度出发的模型，采用非平衡统计力学的观点，假设流体是由大量的微观粒子组成，这些粒子遵守力学定律，同时服从统计定律，运用统计方法来讨论流体的宏观性质，这类水动力学模型采用的控制方程为Boltzmann方程。
Boltzmann方法的理论基础是分子运动论和统计力学，从微观的粒子尺度出发，建立离散的速度模型，在满足质量、动量和能量守恒的条件下得出粒子分布函数，然后对分布函数进行统计计算，得到压力、流速等宏观变量。
基于Boltzmann方程的模型满足熵原理，在计算中不会出现非物理性震荡，具有精度高、运算速度快的优点，吸引了国内外不少研究者的兴趣。
Boltzmann方法目前仅局限于对缓流的模拟，而对急流的模拟却不够成功。
目前，国内外大部分水动力学模型均采用以浅水方程组为控制方程，Boltzmann方法应用并不广泛。
事实上，从Boltzmann出发可推出浅水方程，一些研究者也尝试引入Boltzmann方法求解浅水方程，并取得一定的效果。
按照水动力学模型模拟的维度，水动力学模型可以分为一维水动力学模型、二维水动力学模型以及三维水动力学模型。
在城市洪水模拟中，一维模型具有计算效率高，所需要基础数据少等优点，但应用范围较为局限，主要用来模拟计算城市地下管网、河网、街道的洪水
演进，但不适用于街道交汇处和广场等区域。
二维水动力学模型则主要用来模拟街道交汇处、广场、湖泊等具有明显二维流动特性的区域。
由于在算法实现上的难度以及模拟计算时的工作量等原因，三维水动力模型在城市洪水模拟中比较少用到。
从众多研究成果中可以发现，在城市地表洪水模拟中主要采用二维水动力学模型。
为了解决一二维模型分别使用时经常遇到的空间分辨率和计算精度、计算时间等问题，发挥出各自的特色和优势，国内外研究者建立了一二维耦合的水动力模型，比较成功商业模型有SOBEK、LISFLOOD和MIKEFLOOD。
按照计算时是否需要网格，水动力学方法可以分为有网格类模型和无网格类模型。
大部分流行的CFD方法都可以分为两大类：采用欧拉方法的网格形式和拉格朗日方法的粒子形式。
目前，水动力计算常用的数值方法如有限体积法、有限差分法，有限元法都是在对计算区域进行网格划分的基础上进行模拟计算，网格可分为结构网格与非结构网格。
这类数值模拟的先决条件就是在计算区域生成网格，这项操作常常占用很大的计算工作量并直接影响模型最后的稳定性，如有限差分法，为不规则及复杂边界构造规则网格是很困难的，经常需要复杂的数学变形去贴合边界。
无网格法则脱离对网格的依赖，近年来得到了迅速发展。
无网格的方法可以被分类统称为的Galerkin无网格法，Petrov-Galerkin无网格的方法，或搭配无网状的方法。
光滑质点流体动力学方法（SPH）由1977年Lucy和Gingol等分别提出，是一种纯的拉格朗日无网格粒子法，也是目前最为流行的一种无网格粒子法。
SPH 方法的核心思想是在问题域内用积分函数法近似表达场函数，得到核近似方程，再用粒子近似法进一步近似表达核近似方程，即用相邻粒子的叠加求和取代场函数及其导数的积分表达式。
1998年，Atluri和Zhu提出的无网格局部Petrov-Galerkin法(MLPG)，被广泛的应用于梁结构和板结构的分析、流体流动问题和其他力学问题。
虽然无网格方法具有许多优点，但计算效率较传统方法低，目前应用的水动力学模型中还是以有网格模型为主。