水沙数学模型在萧山史家桥河的应用.doc
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1、水沙数学模型在萧山史家桥河的应用 摘要:为解决萧山史家桥河河道淤积问题,提出了在整治的河道前段设置沉砂池的方案,以实现沉降泥沙,净化水质的目的。通过采用水流泥沙数学模型,在史家桥河实测水文泥沙数据和沉沙池初步设计方案等条件的基础上,模拟分析了引水后沉沙池内泥沙的运动变化规律。结果表明:引水后,沉沙池内含沙量呈现先上升后下降的趋势,且右岸的淤积较明显。该模型应用可为本区域今后沉砂池的优化及河道整治提供技术支持。 1672-1683(2015)01-0132-04 Application of flow and sediment model in the Shijiaqiao River of X
2、iaoshan District WU Jing1,LI Bin1,HONG Jia1,TANG Yi1,WANG Yong-gui2 (1.Center of Popularization and Development for Water Resources Science and Technology,Hangzhou 310012,China; 2.School of Resource and Environmental Sciences,Wuhan University,Wuhan 430079,China) Abstract:To solve the problem of chan
3、nel deposition in the Shijiaqiao River due to water diversion of the Qiantang River,the design scheme with grit chamber is considered to be applied to settle the sediment and purify the water quality.Based on the actual measured hydrological data of the Qiantang River and Shijiaqiao River as well as
4、 the preliminary design scheme of grit chamber,the sediment movement in the grit chamber was simulated and analyzed using the flow and sediment model after the settling basin was established.The results showed that sediment concentration increases first and then decreases,and sedimentation on the ri
5、ght bank is more obvious.The research can provide technical support for the future optimization of grit chamber and river regulation project. Key words:Shijiaqiao River;flow and sediment model;grit chamber;simulation 水流泥沙数学模型作为研究和解决河流、水库和近海等水域的水流泥沙运动的有效工具,已得到了较为普遍的应用1-5,运用水流泥沙数学模型模拟泥沙在水流中的运动规律和河床的演变
6、规律是治理泥沙问题的重要举措之一。 萧山史家桥河河段局部狭窄、桥梁阻水严重、河道侵占现象较为突出,沿线截污纳管建设滞后、大量生活垃圾随意丢弃在沿河周边,造成水流不畅、水质恶化。因此,浙江省实施了钱塘江引水排沙技术综合整治工程,完善区域排涝格局和城区配水系统,沟通湘湖与城区的主要水域,改善沿线生态环境和区域旅游交通系统。本文拟基于钱塘江史家桥河工程规划,通过数学模型模拟分析引水后,沉沙池内泥沙沉降变化及下游河道冲淤变化的影响,为河道工程整治的相关论证提供技术支撑。 1平面二维水沙数学模型 对于平面二维水沙数学模型的研究,国内外都有了较多深入的研究及成果报道,如国外的Spasojevic和Holl
7、y6开发的MOBED2模型,它是一个有限的水动力和泥沙运输模型,模型中的最大特点是使用了曲线坐标系统该模型十分适合模拟天然河道的水流、泥沙输移和河床演变;Lee等7研发的USTARS模型等,它在一维模型GSTARS的基础上将流体力学和沉积物方程利用有限差分法在直线坐标系中求解得出的二维模型。国外的这些模型大部分采用平衡输沙的模型,主要适用于少沙和粗沙河流。在借鉴国外泥沙经验的基础上,根据国内河流河道实际特点,国内学者也做了很多研究,如李义天8的适合复杂边界河床变形计算的平面二维泥沙数学模型,韩其为等9-10针对水库淤积与河床演变的数学模型,张万顺等11-12考虑泥沙输移、沟床变形等动力学过程,
8、基于水动力学理论、水沙两相混合流理论和宾汉体模型理论建立了适用于模拟泥石流在天然沟道中的运动和冲淤过程的二维数值模型。 平面二维数学模型系统包括了水流连续性方程和水流运动方程、悬移质输沙方程、河床变形方程及床沙级配调整方程等13-15。本次计算采用的河流泥沙数学模型是一维和二维耦合的模型,其一维模型计算结果可作为二维模型的边界条件,该模型可以模拟工程河段河床冲淤过程,分析工程江段的河床演变规律,同时已在三峡库区涪陵段、桃花江资水干流修山水库库区河段、河南南阳鸭河口水库等工程项目中得到了成功应用。 1.1基本方程 (1)水流连续性方程。 zt+(h+z)ux+(h+z)vy=0(1) (2)水流
9、运动方程(守恒型)。 hut+x(huu)+y(hvu)+gh zx+ gn2u(h+z)1/3u2+v2= x(hux)+y(huy)(2) hvt+x(huv)+y(hvv)+gh zy+ gn2v(h+z)1/3u2+v2= x(hvx)+y(hvy)(3) (3)悬移质输沙方程(对流扩散方程)。 sit+usix+vsiy=s( 2six2+2siy2)+ai(s*i-si)(4) (4)悬移质河床变形方程。 szsit=asi(si-s*i)(5) (5)推移质河床变形方程。 bzbit+qbxix+qbyiy=0(6) (6)床沙级配调整方程。 sEmPmit+si(s*i-si)
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