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1、Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,防洪評價指南,數(shù)學(xué)模型計算分析,第一頁,共三十六頁。,一、模型的選用,根據(jù)實際情況,可選擇定床水流數(shù)學(xué)模型或動床泥沙數(shù)學(xué)模型進行研究。,對于占用河道過水?dāng)嗝妫绊懞樗滦沟淖杷ㄖ?,?yīng)采用定床水流數(shù)學(xué)模型計算或定床物理模型試驗進行研究,研究工程興建后對河
2、道水位及流速場的影響,并由此分析對河道行洪及河勢影響。,對于建設(shè)項目工程規(guī)模較大的或?qū)觿莘€(wěn)定可能產(chǎn)生較大影響、所在河段有重要防洪任務(wù)或重要防洪工程的建設(shè)項目,應(yīng)采用動床泥沙數(shù)學(xué)模型計算或動床物理模型試驗進行研究。,當(dāng)建設(shè)項目對河道行洪及河勢影響很小或資料缺乏等特殊情況下,也可采用經(jīng)驗公式進行初步計算分析。,第二頁,共三十六頁。,1,、模型基本方程及定解條件,第三頁,共三十六頁。,2,、計算網(wǎng)格的選取,目前,幾乎所有的復(fù)雜流場的模擬均需要進行網(wǎng)格的劃分,常見的計算網(wǎng)格可以分為有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。,一般數(shù)值計算中正交和非正交曲線坐標(biāo)系中生成的網(wǎng)格都是結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,其特點是每一節(jié)點與其鄰點的聯(lián)結(jié)
3、關(guān)系固定不變且隱藏在所生成的網(wǎng)格之中。,無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格最早在有限元方法中使用,常用的無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格為三角形或任意四邊形,目前一般傾向于采用凸四邊形。無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的優(yōu)點是邊界和地形與網(wǎng)格結(jié)合比較好,利于復(fù)雜地形和邊界問題的研究。,第四頁,共三十六頁。,2,、計算網(wǎng)格的選取,第五頁,共三十六頁。,3,、數(shù)值計算方法,有限差分法,有限元法,有限體積方法,有限分析法,第六頁,共三十六頁。,3,、數(shù)值計算方法,1,)有限差分法,主要優(yōu)點:數(shù)學(xué)概念直觀,離散及求解格式簡單,編程容易;一般采用,ADI,算法,具有較好的計算穩(wěn)定性及精度。主要缺點:受空間步長的限制時間步長取值較小,計算量較大;由于使用,Taylor,級
4、數(shù)展開并取有限項,數(shù)值精度尤其是邊界精度不高。,2,)有限體積法,主要優(yōu)點:即使對于較粗網(wǎng)格,也能保證水量、動量及輸運物質(zhì)的守恒;數(shù)值計算格式穩(wěn)定,適于處理對流占優(yōu)問題,能實現(xiàn)自動迎風(fēng);時間步長可取較大,計算精度高,收斂速度較快。暫未發(fā)現(xiàn)明顯缺點。,第七頁,共三十六頁。,3,、數(shù)值計算方法,3,)有限單元法,主要優(yōu)點:網(wǎng)格適應(yīng)性強,尤其適合邊界條件較復(fù)雜問題的模擬。主要缺點:計算格式復(fù)雜、計算量及存儲量較大、大型系數(shù)矩陣求解困難、計算速度較慢,若采用質(zhì)量集中的方法可克服以上缺點,但犧牲了部分計算精度;對于對流占優(yōu)或間斷問題,易引起解的失真,計算域最大流速受到衰減;通常需附加人工粘性和采用人工逆
5、風(fēng)格式。,4,)有限分析法,主要優(yōu)點:基于局部單元上求微分方程精確解思想,因此具有較高的計算精度,并具有自動迎風(fēng)特性,計算穩(wěn)定性好,收斂快。主要缺點:單元系數(shù)較復(fù)雜,由于需要求指數(shù)函數(shù),因此計算速度較慢。,第八頁,共三十六頁。,二、模型范圍確定的原則,1,)計算河段范圍應(yīng)根據(jù)河道邊界及地形條件進行合理選取,進出口邊界盡可能位于單一順直河段;,2,)進出口邊界盡可能選擇在水文站、水位站點附近;,3,)進出口邊界上應(yīng)避免有回流產(chǎn)生;,4,)計算河段左、右岸邊界應(yīng)涵蓋洪水能淹沒到的最大范圍;,5,)當(dāng)計算河段內(nèi)有支流入?yún)R或出流時,若其流量較大或與建設(shè)項目間可能產(chǎn)生相互影響時,需作為開邊界進行考慮;,
6、6,)計算河段應(yīng)充分涵蓋涉水工程可能影響范圍,并留有一定的余地。,第九頁,共三十六頁。,三、模型率定、驗證要求,闡明模型率定與驗證所采用的水文地形資料。率定與驗證計算應(yīng)通過參數(shù)和邊界條件的調(diào)整,使模擬計算結(jié)果與實測結(jié)果基本相符。,當(dāng)采用定床模型計算時,需進行水流流場的驗證,主要包括水面線或潮位過程,斷面流速分布或垂線點流速過程及汊道分流比的驗證等;,當(dāng)采用動床模型計算時,除進行水流驗證外,還需進行含沙量及河道地形的沖淤驗證。同時,根據(jù)河道的水動力特性,可分徑流河段和感潮河段的驗證。,第十頁,共三十六頁。,1,、水文測驗布置,1,)水(潮)位驗證中計算河段內(nèi)的驗證水尺點原則上應(yīng)不少于,3,個,;
7、,2,)對于徑流河段或以徑流為主的感潮河段,流速驗證一般以斷面的形式進行;對于潮流河段流速驗證一般以垂線點流速過程的形式進行,;,3,)含沙量驗證中斷面或垂線點的布置可與流速驗證中的布置相同。,4,)地形驗證中斷面的布置應(yīng)從計算河段總體進行考慮,兼顧上下游及分汊河段的各個汊道。,第十一頁,共三十六頁。,1,、水文測驗布置,第十二頁,共三十六頁。,2,、定床模型驗證要求,1,)水位驗證:對于徑流河段,建議允許誤差平原河流為,5cm,,山區(qū)河流為,10cm,;對于感潮河段,高低潮位建議允許相位差為,0.5h,,最高潮位與最低潮位建議允許誤差為,10cm,。,2,)流速驗證:對于徑流河段一般進行斷面
8、流速分布的驗證,斷面上各點垂線平均流速誤差應(yīng)在,0.10m/s,內(nèi);對于感潮河段,一般進行垂線點流速、流向過程的驗證,漲落潮段平均流速建議允許誤差,10%,。,3,)流態(tài)驗證:對于流態(tài)較為復(fù)雜的河段,還需進行流態(tài)的驗證。,4,)分流比驗證:對于分汊河段,還需進行汊道分流比的驗證,分流比誤差一般應(yīng)在,2%,以內(nèi)。,第十三頁,共三十六頁。,潮位過程驗證,第十四頁,共三十六頁。,流速過程驗證,第十五頁,共三十六頁。,流速分布驗證,第十六頁,共三十六頁。,3,、動床模型驗證要求,1,)含沙量驗證:斷面含沙量分布趨勢應(yīng)與原型基本一致,垂線點含沙量過程應(yīng)與原型基本符合,建議允許誤差為,15%,。,2,)斷
9、面地形驗證:計算時段末斷面地形分布應(yīng)與相同時間實測地形基本符合,沖淤部位應(yīng)基本一致,沖淤最大幅度相差不大。,3,)沖淤量驗證:沖淤總量建議允許誤差為,30%,,同時分段沖淤量誤差大部分應(yīng)在,30%,內(nèi)。,4,)沖淤過程驗證:在資料許可情況下,還可進行沖淤過程的驗證。,第十七頁,共三十六頁。,四、計算條件的選用,選用計算水文條件時,既要研究大洪水條件下,涉水工程對河道行洪水位及流場的影響,進而分析對河道行洪的影響,又要研究在造床流量條件下涉水工程對河道水動力條件的影響,進而分析對河勢的影響。,對徑流河段應(yīng)采用防洪設(shè)計洪水流量、典型洪水流量、造床流量及相應(yīng)水位,對于航道整治工程應(yīng)進行整治流量的研究
10、。,對潮流河段應(yīng)包括大、中、小等典型潮和與設(shè)計頻率相應(yīng)潮型等水文條件。,計算水文條件資料來源盡可能采用水文站點實測資料,在缺乏水文資料情況下,可通過水文分析及模型計算得到。,第十八頁,共三十六頁。,五、工程概化的一般方法,當(dāng)涉水工程尺度較大時,可按照工程布置在網(wǎng)格劃分時直接進行考慮,工程后通過修改網(wǎng)格地形來反映工程影響。當(dāng)涉水工程尺度較?。ㄈ绱a頭工程的樁基),在網(wǎng)格劃分時無法準(zhǔn)確反映阻水建筑物外形時,可采取工程概化方式進行考慮。根據(jù)國內(nèi)大量工程實際情況,工程概化主要有修改糙率、修改地形、修改應(yīng)力等方法。,工程概化主要是反映樁群對流場的整體影響,對于樁群內(nèi)部的水流結(jié)構(gòu)無法反映,概化的好壞不僅與參
11、數(shù)的選取有關(guān),而且與網(wǎng)格的形式和大小有關(guān),因此在網(wǎng)格劃分時,因盡可能使網(wǎng)格能反映工程的幾何外形,同時對工程部位進行加密,以盡可能減小工程概化所帶來的誤差。,第十九頁,共三十六頁。,五、工程概化的一般方法,第二十頁,共三十六頁。,六、計算內(nèi)容及成果分析要求,對于定床水流模型計算,計算內(nèi)容主要包括對水位的影響和對流場的影響;對于動床泥沙模型計算,除需計算對水位、流場的影響外,還需計算沖淤總量、沖淤厚度、沖淤時空分布等內(nèi)容。,第二十一頁,共三十六頁。,1,、定床水流模型計算,1,)工程實施后水位變化最大值及水位影響范圍,對于感潮河段,還需分析不同時刻潮位的變化情況。,2,)工程實施后流速變化最大值及
12、流速影響范圍。當(dāng)可能對主流位置、斷面流速分布存在影響時,還需分析工程前后主流線、斷面流速分布的變化情況。若工程位于分汊河段,且對分流比可能產(chǎn)生影響時,還需分析對汊道分流比的影響。對于感潮河段,還需分析不同時刻(如漲急、落急時刻等)流速變化情況,及工程所在斷面潮流量的變化情況。,3,)除以上分析內(nèi)容外,還需進行計算成果的合理性分析,如分析計算流場的合理性,計算得到的工程影響值及影響范圍的合理性。,第二十二頁,共三十六頁。,整體流場的定性分析,第二十三頁,共三十六頁。,局部流態(tài)的定性分析,第二十四頁,共三十六頁。,監(jiān)測點布置,第二十五頁,共三十六頁。,水位變化,第二十六頁,共三十六頁。,流速變化,
13、第二十七頁,共三十六頁。,流向變化,第二十八頁,共三十六頁。,斷面流速分布變化,第二十九頁,共三十六頁。,分蓄洪區(qū)的計算,T=3h,T=24h,T=45h,第三十頁,共三十六頁。,分蓄洪區(qū)的計算,第三十一頁,共三十六頁。,2,、動床泥沙模型計算,1,)工程前后河道沖淤分布對比情況,包括沖淤厚度、分塊沖淤量、沖淤總量的對比等;,2,)斷面沖淤對比分析,分析工程前后工程附近橫斷面地形高程的變化情況;,3,)岸線、深泓線、典型等高線的變化情況;,4,)沖淤隨時間的變化情況。,5,)根據(jù)上述分析結(jié)果進一步分析工程的興建對河勢的影響。,6,)當(dāng)工程所在河段河勢將來變化較大時,還需在變化的河道地形上進一步
14、計算分析工程對河道洪水位及流場的影響。,第三十二頁,共三十六頁。,謝 謝!,第三十三頁,共三十六頁。,人有了知識,就會具備各種分析能力,,明辨是非的能力。,所以我們要勤懇讀書,廣泛閱讀,,古人說“書中自有黃金屋。,”通過閱讀科技書籍,我們能豐富知識,,培養(yǎng)邏輯思維能力;,通過閱讀文學(xué)作品,我們能提高文學(xué)鑒賞水平,,培養(yǎng)文學(xué)情趣;,通過閱讀報刊,我們能增長見識,擴大自己的知識面。,有許多書籍還能培養(yǎng)我們的道德情操,,給我們巨大的精神力量,,鼓舞我們前進,。,第三十四頁,共三十六頁。,第三十五頁,共三十六頁。,內(nèi)容總結(jié),防洪評價指南。數(shù)值計算格式穩(wěn)定,適于處理對流占優(yōu)問題,能實現(xiàn)自動迎風(fēng)。時間步長可取較大,計算精度高,收斂速度較快。人有了知識,就會具備各種分析能力,。所以我們要勤懇讀書,廣泛閱讀,。通過閱讀文學(xué)作品,我們能提高文學(xué)鑒賞水平,。通過閱讀報刊,我們能增長見識,擴大自己的知識面,第三十六頁,共三十六頁。,