正版新书]计算河流工程学胡德超9787302676430

第1章 河流数学模型原理概述 1

1.1 河流研究方法简介 1

1.1.1 河流研究的主要方法 1

1.1.2 河流水沙数值模拟概述 2

1.2 一维(1D)混合流水沙数学模型 6

1.2.1 一维混合流水沙数学模型的原理 6

1.2.2 非均匀沙计算的几个关键环节 10

1.3 二维(2D)水沙数学模型 14

1.3.1 二维水沙数学模型的原理 14

1.3.2 二维水沙计算的若干前沿问题 16

1.4 三维(3D)水沙数学模型 19

1.4.1 三维水沙数学模型的原理 19

1.4.2 复合型三维泥沙计算模式 23

1.4.3 非均匀沙不平衡输移的三维计算 26

1.5 常用水沙数学模型辨析 29

1.5.1 非静压与静压水动力模型 30

1.5.2 一二维耦合水动力模型 31

1.5.3 不同耦合程度的水沙数学模型 33

参考文献 35

第2章 河流计算的基础性技术 43

2.1 河湖断面及其阻力动态的描述方法 43

2.1.1 天然河流不规则地形断面的描述 43

2.1.2 复式明渠断面阻力的变化规律 44

2.1.3 复式明渠断面糙率动态变化的计算 46

2.2 平面网格剖分与干湿动边界处理方法 47

2.2.1 高分辨率滩槽优化的非结构网格 48

2.2.2 模拟平面上干湿动边界的记忆补偿法 49

2.3 精细床沙级配平面分布的构建方法 52

2.3.1 床沙级配平面分布问题概述 52

2.3.2 耦合物理机制的机器学习思想 53

2.3.3 构建床沙级配分布的机器学习方法的执行 55

2.3.4 构建天然河流床沙级配分布的实例 58

2.4 河道立面二次流的提取与分析方法 61

2.4.1 河道二次流提取与分析概述 61

2.4.2 提取立面环流的零通量规则 62

2.4.3 河道立面环流提取与分析方法 66

2.5 河流工程的二维精细建模方法 69

2.5.1 河流工程二维建模概述 69

2.5.2 拦河溢流闸/坝的常规建模方法 71

2.5.3 水利枢纽的二维精细建模方法 74

2.6 河道变异水沙过程的重构方法 77

2.6.1 水库下游河道水沙过程重构概述 77

2.6.2 河道含沙量过程的减沙重构 77

2.6.3 河道水位过程的降水位重构 79

参考文献 81

第3章 河流数学模型试验方法 85

3.1 河流数学模型试验概述 85

3.1.1 河流数学模型的参数与数值试验种类 85

3.1.2 大范围模拟中模型参数的率定方法 87

3.1.3 平原河网的一维数学模型试验 89

3.2 二维数学模型的数值试验 93

3.2.1 天然河道的精细二维建模 93

3.2.2 二维水流模型的率定与验证 95

3.2.3 二维泥沙模型的率定与验证 96

3.3 三维数学模型的数值试验 100

3.3.1 河道多层流动的三维数值模拟 101

3.3.2 河道立面环流的提取与分析 103

3.3.3 河流水沙输移的三维数值模拟 105

3.4 感潮河段水动力数值试验 108

3.4.1 潮流宏观水动力过程的模拟 108

3.4.2 潮流三维水动力过程的模拟 112

3.5 河口水沙输移数值试验 115

3.5.1 大型河口的建模与开边界条件 115

3.5.2 河口水沙数学模型的数值试验 118

3.5.3 河口水沙数学模型的参数敏感性分析 120

参考文献 123

第4章 河道的演变与治理 124

4.1 弯曲型河道的水沙运动规律与模拟 124

4.1.1 弯曲型河道水沙运动的特点 124

4.1.2 弯道环流的模拟与分析 126

4.1.3 弯曲型河道切滩撇弯的模拟 132

4.2 弯曲型河道整治的模拟研究 134

4.2.1 变异水沙条件下的弯道冲淤预测 134

4.2.2 弯道整治工程的模拟研究 138

4.3 分汊型河道的水沙运动规律与模拟 143

4.3.1 分汊型河道水沙运动的特点 143

4.3.2 河道中洲滩运动的模拟 144

4.3.3 主支汊道转换的模拟 149

4.4 分汊型河道整治的模拟研究 152

4.4.1 汊道分流比的工程调节 153

4.4.2 江心洲滩的工程守护 156

4.5 辫状河道的模拟与整治 159

4.5.1 辫状河道水沙运动与模拟概述 159

4.5.2 辫状河道流场的精细模拟方法 162

4.5.3 辫状河道的约束整治 167

参考文献 169

第5章 河网水沙调控：二维计算 172

5.1 平原河网的特点与数值模拟概述 172

5.1.1 平原河网水沙运动的特点 172

5.1.2 河网的数值模拟方法概述 174

5.2 河网分流分沙的数值试验 176

5.2.1 河网分流的二维数值模拟 176

5.2.2 河网分沙的二维数值模拟 179

5.3 河网局部流路调控计算 182

5.3.1 河网内局部流路调控工程的建模 182

5.3.2 河网流路调控工程的效果与影响计算 184

5.4 河网水利枢纽泥沙的精细模拟 188

5.4.1 松滋口闸的概况及枢纽精细建模 188

5.4.2 闸址附近流场的精细模拟与分析 190

5.4.3 闸址附近的河床冲淤规律 191

5.4.4 建闸对河网冲淤及分流的影响 194

5.5 河网大范围整治工程的水沙计算 199

5.5.1 河网大范围整治数值模拟研究概述 199

5.5.2 河网大范围航道整治设计的模拟研究 201

5.5.3 长距离疏浚对河网不均衡发展的调节计算 205

参考文献 209

第6章 平原湖泊的演变与治理 210

6.1 平原湖泊水沙数值模拟概述 210

6.1.1 大型平原湖泊的一维与二维建模 211

6.1.2 湖区水、物质、泥沙输移的二维数值试验 213

6.1.3 湖区河床冲淤演变的数值试验 217

6.2 湖泊容积与湿地变化预测——以洞庭湖为例 221

6.2.1 洞庭湖冲淤演变趋势的二维模型预测 221

6.2.2 洞庭湖未来调蓄能力变化分析 224

6.2.3 洞庭湖湿地面积的变化分析 226

6.3 入湖尾闾整治的工程计算——以鄱阳湖为例 227

6.3.1 鄱阳湖及其支流入湖尾闾整体的二维模型 228

6.3.2 鄱阳湖入湖尾闾改道对湖区的扰动分析 231

6.4 湖滨民垸溃堤洪水过程的复演 234

6.4.1 洞庭湖2024年溃堤洪水及模拟方法概述 234

6.4.2 洞庭湖团洲垸溃堤洪水复演 238

6.4.3 钱团间堤溃决洪水危险性计算 243

6.5 平原江湖河网系统整体模拟的讨论 246

6.5.1 江湖河网系统整体数学模型的发展 246

6.5.2 江湖系统整体数值模拟的精度与时效性 248

参考文献 251

第7章 入海河口的演变与治理 254

7.1 河口水沙数值模拟研究概述 254

7.1.1 入海河口水沙运动及治理工程的特点 254

7.1.2 河口水沙数值模拟的技术要点与研究进展 256

7.1.3 长江口水沙数学模型的研究与发展 259

7.2 分汊型河口汊道间水沙交换的模拟 260

7.2.1 长江口南北支水沙倒灌过程的模拟 260

7.2.2 长江口南北支水沙倒灌的通量计算及机理研究 264

7.3 工程对河口旋转流的扰动机制研究 268

7.3.1 入海口门整治工程的精细建模 268

7.3.2 入海口门整治的工程效应分析 270

7.3.3 入海口门整治对潮流的扰动计算 273

7.4 工程调控下河口冲淤规律变化研究 277

7.4.1 河口冲淤对入海口整治工程的响应计算 277

7.4.2 工程作用下河口泥沙通量的变化计算 281

7.4.3 工程对河口水沙运动的总体影响分析 285

参考文献 286

第8章 水库库区淤积：喀斯特河流 290

8.1 水库泥沙淤积数值模拟概述 290

8.1.1 明渠与伏流水库淤积的特点与问题 290

8.1.2 水库水沙运动的常规模拟方法 293

8.1.3 水库一维、二维水沙模型的联合应用 297

8.1.4 喀斯特河流水库水沙数值模拟方法 299

8.2 喀斯特河流水库淤积的模拟方法 301

8.2.1 伏流型水库库区混合流河网一维建模 301

8.2.2 资料稀缺地区水库入库水沙过程推求 305

8.2.3 库区混合流河网水动力数值试验 307

8.2.4 伏流型水库水沙数学模型参数敏感性研究 308

8.3 壅水条件下伏流的冲淤规律研究 312

8.3.1 水库库尾三角洲穿过伏流洞的过程 312

8.3.2 壅水条件下伏流洞封闭断面的冲淤规律 313

8.3.3 库区伏流洞保持过流的动力机制 315

8.3.4 喀斯特河流水库淤积的实地调研 317

参考文献 319

第9章 水库坝区泥沙：冲刷漏斗 321

9.1 坝区水沙三维数值模拟概述 321

9.1.1 坝区水沙运动特点及模拟研究方法 321

9.1.2 坝区三维水沙数值模拟的技术要点 323

9.1.3 坝区水沙运动典型场景的三维数值模拟 325

9.2 水库全生命周期坝区三维水沙计算 331

9.2.1 真实水库坝区三维数学模型建模 331

9.2.2 坝区水沙输移规律及冲刷漏斗形成机理 334

9.3 水库(坝区)减淤优化调度 337

9.3.1 水库减淤调度运用方式研究概述 337

9.3.2 增加排沙时长对坝区减淤的作用 341

9.3.3 优化孔洞出流比例对减淤的作用 343

9.4 坝区枢纽布置的防沙优化 345

9.4.1 水库坝区出流孔洞淤堵的原因剖析 345

9.4.2 枢纽平面位置优化的减淤作用 347

9.4.3 建筑物细部改造的减淤作用 349

9.5 水库泥沙数值模拟技术讨论 351

参考文献 353

第10章 涉河工程的扰动计算 355

10.1 涉河工程扰动计算的基本方法 355

10.1.1 普通涉河工程(码头)的二维精细建模 355

10.1.2 工程对河道水流的扰动计算 357

10.2 淹没式涉河工程的扰动计算 361

10.2.1 潜丁坝对河道水流的扰动计算 361

10.2.2 护滩带群对河道水流的扰动计算 364

10.2.3 航道整治工程的扰动计算 364

10.3 非淹没式涉河工程的扰动计算 367

10.3.1 跨河桥梁对河道水流的扰动 367

10.3.2 河道岸线调整对水流的影响 369

10.4 河道滩地内港池的影响及回淤计算 372

10.4.1 河道滩地内港池的工程建模 373

10.4.2 河道滩地内港池工程对水流的扰动 374

10.4.3 河道滩地内港池的泥沙冲淤计算 377

10.5 河道采砂的影响及回淤计算 379

10.5.1 河道及采砂坑的二维建模 379

10.5.2 河道采砂对河道水流的扰动计算 380

10.5.3 河道采砂的动床冲淤计算 382

参考文献 384

第11章 洪水演进模拟与在线计算 385

11.1 流域大范围洪水演进的实时模拟 385

11.1.1 流域洪水演进及模拟的特点 385

11.1.2 长江中下游整体洪水演进计算 387

11.2 开阔陆域淹退水过程的精细模拟 391

11.2.1 河道向蓄滞洪区分洪的一二维耦合计算 391

11.2.2 城镇淹退水过程的精细模拟 395

11.3 流域洪水场景的实时模拟与可视化 400

11.3.1 流域洪水场景模拟与可视化概述 400

11.3.2 河/湖断面洪水数据向水平面的映射 402

11.3.3 基于河/湖断面水力数据快速构造淹没场景 403

11.3.4 基于WebGIS的洪水淹没场景可视化 408

11.4 河流在线计算的设想 412

11.4.1 多维复合河流数值模拟方法 412

11.4.2 流域洪水演进在线计算初探 413

参考文献 416

附录A 荆江—洞庭湖系统及其水文站点分布 418

附录B Tecplot软件可视化数据输出 419

附录C AutoCAD软件可视化数据输出 422

胡德超，湖北武汉人，2004年毕业于武汉大学水利水电学院(获学士学位)，2009年毕业于清华大学水利系(获博士学位)；长期致力于河流水沙数值模拟理论研究与工程实践，创建了大时空河流数值模拟理论，并系统性总结了河流及其工程水沙数值模拟技术；坚持数学模型底层编程研发20年，所编制的一、二、三维数学模型已被应用于河流工程计算任务近百项，是国内河流数学模型自主研发的倡导者和代表性人物。

胡德超，湖北武汉人，2004年毕业于武汉大学水利水电学院(获学士学位)，2009年毕业于清华大学水利系(获博士学位)；长期致力于河流水沙数值模拟理论研究与工程实践，创建了大时空河流数值模拟理论，并系统性总结了河流及其工程水沙数值模拟技术；坚持数学模型底层编程研发20年，所编制的一、二、三维数学模型已被应用于河流工程计算任务近百项，是国内河流数学模型自主研发的倡导者和代表性人物。

计算河流工程学是一门采用数值模拟方法开展河流演变预测及工程水沙计算的专业学科。本书立足于工程泥沙的研究与实践，在兼顾系统性的前提下重点介绍近20 年河流工程计算领域的新进展。全书包含一维、二维、三维水沙数学模型的试验方法，全面覆盖了各种河流及其工程的建模、模拟技术、重点关注内容及研究流程等，试图从数值模拟的视角阐述河床演变学及河流工程学，并讨论在新的计算理论与计算机软硬件背景下河流数学模型能用于开展哪些研究、能达到怎样的模拟效果及精度水平等问题。