[發明專利]一種堰塞湖潰決過程模擬方法

在審

• 申請號: 202010189555.0
• 申請日: 2020-03-18
• 公開（公告）號: CN111428401A
• 公開（公告）日: 2020-07-17
• 發明（設計）人: 黃衛;段文剛;黃國兵;史德亮;黃明海;李靜;韓松林;於思瀚
• 申請（專利權）人: 長江水利委員會長江科學院
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23
• 代理公司: 武漢楚天專利事務所 42113
• 代理人: 孔敏

本發明公開了一種堰塞湖潰決過程的水沙耦合模擬方法，涉及水災害防御領域。所述方法包括采用完整水沙耦合控制方程描述堰塞湖潰口形成和發展過程；采用高精度MUSCL?TVD?HLLC格式的有限體積法求解所述完整水沙耦合控制方程：通過MUSCL進行界面黎曼值變量重構，使其達到二階精度，通過TVD算法，抑制數值振蕩，采用HLLC計算黎曼通量；通過局部地形修正和水深重構技術離散地形源項；采用隱式方法離散阻力源項；采用簡單幾何方法處理重力坍塌模擬潰口展寬過程。本發明適用于天然堰塞壩漫頂潰決過程的模擬，能夠為堰塞壩潰決洪水預測與風險評估提供科技支撐。

技術領域

本發明涉及水災害防御領域，具體是一種堰塞湖潰決過程模擬方法。

背景技術

由地震、暴雨誘發的崩塌、滑坡堵江形成的堰塞壩通常由松散土石堆積而成，絕大部分存在水流漫溢潰決的危險。我國有記錄的堰塞湖超過400個，約85％發生在長江上游及西南諸河。當前，在地震、氣候變化和人類活動多重影響作用下，堰塞湖潰決事件發生頻次顯著增加。堰塞壩一旦潰決將形成極端洪水，如2000年西藏易貢堰塞湖潰決洪水最大瞬時流量達120000m³/s；2008年唐家山堰塞湖潰決洪水峰值流量達6500m³/s(見圖1)，遠大于該河段歷史實測最大洪峰流量4270m³/s；2018年白格堰塞湖潰決洪水峰值達到33900m³/s，遠超金沙江上游河段萬年一遇洪峰流量10600m³/s，嚴重威脅下游人民生命財產和水利工程安全。

堰塞壩潰決過程的數學模型主要有參數模型和基于物理基礎的模型。其中，物理基礎模型根據其基于的理論基礎程度，可以分為簡化物理模型和完整物理模型模型。現有模型均為簡化物理模型，引入了諸多不合理或不必要的假設。其中第一個假設，潰口流量采用寬頂堰公式計算。由于天然堰塞壩順流長度一般都遠大于人工壩體，并且潰口尺寸沿程是變化的，寬頂堰公式的適用性值得懷疑，并且采用寬頂堰公式也無法重現土石壩中常見的喇叭形狀潰口特征。第二個假設，在潰決中保持邊坡坡度不變。對于松散堆積體而言，邊坡在水流作用下會發生沖刷，并且坡度不斷變陡，直到超過臨界坡度時發生坍塌。第三個假設，部分模型還需人為給定殘留壩高以控制沖刷終止高程。實際上沖刷終止高程應該是由土體性質和水流條件共同決定的，當水流強度不足以沖刷土體時，潰口就會自動停止沖刷下切。第四個假設，部分模型背流面采用了均勻流假設，然而，無論是試驗室水槽試驗還是堰塞壩現場觀測都表明，溯源沖刷是潰口形成的重要機理，對潰決的時間和潰口流量過程都有重要的影響，因此該假設在絕大多數情況下都不適用。完整物理模型以水沙運動理論為基礎，模擬堰塞壩潰決過程中的壩體侵蝕和河床沖淤過程，結合重力坍塌模擬潰口展寬過程。由于該類模型引入的假設條件較少，且物理機制更為健全，故能給出更為詳細和合理的堰塞壩潰決物理過程。

發明內容

本發明提供一種堰塞湖潰決過程模擬方法，其提出了一種新的水沙耦合完整物理模型，模擬堰塞壩潰決的潰口形成和展寬過程以及潰口處流量、水位和含沙量過程，可以顯著提高堰塞壩潰決過程的模擬精度，給出更為詳細地潰決物理過程。

一種堰塞湖潰決過程模擬方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟一、采用完整水沙耦合控制方程描述堰塞湖潰口形成和發展過程，所述完整水沙耦合控制方程在傳統質量守恒方程和動量守恒方程中考慮泥沙輸移和河床變形對水流的影響，實現了水、沙和河床三者之間物理上的耦合，所述完整水沙耦合控制方程表達式如下：

式中，U為守恒量向量；F和G分別為x和y方向的對流通量向量，t為時間，x，y為空間坐標，S為源項向量；

步驟二、采用Huang et al.(2012)數值格式離散控制方程，即采用高精度MUSCL-TVD-HLLC格式的有限體積法求解所述完整水沙耦合控制方程，具體的，計算界面通量向量的變量采用MUSCL進行重構，并采用TVD算法對重構后的變量值進行限制，界面通量為黎曼通量，采用HLLC黎曼算子進行計算；