一维河网水动力模型的预测校正解法与建模技术研究

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一维河网水动力模型作为现今广泛使用的模型,其在精度上已能满足洪水预报、水质监测、河道整治等实际工程要求,但在水库实时调度等方面,计算效率仍需提高。因此本文基于预测-校正思想,通过线性化处理消除控制方程的非线性特征,构建了一种无需迭代的,高效的河网水动力模型。以荆江洞庭湖地区作为研究区域,对模型性能进行验证。同时针对一维河网水动力模型建模过程中网格尺寸的选取进行了研究。本文创新性工作及相应成果汇总如下:(1)针对一维河网模型求解产生迭代的问题,本文基于预测-校正思想构建的模型一方面在控制方程离散求解过程中,通过欧拉-拉格朗日方法,局部线性化,半隐式方法消除控制方程的非线性特征,另一方面则基于区域分解思想,只求解支流子系统,使得模型只需预测校正两步即可求解支流子系统速度压力耦合问题,无需迭代。(2)以荆南河网作为研究区域,采用2003年实测地形资料及2005年实测水文资料,构建河网模型并进行率定。定义三个精度指标将计算值与实测值进行比较,得到模型计算结果与实测较为符合。同时为验证模型计算的高效,与HEC-RAS模型进行比较,结果表明在相同计算条件下,本模型与HEC-RAS模型计算精度相当,单核运行下计算效率比HEC-RAS提高15%左右,多核运算下本模型效率优势更加明显。(3)以荆江-洞庭湖江湖耦合系统作为研究区域,采用2003年实测地形资料及2005年实测水文资料,构建河网模型,验证了模型对复杂江湖系统的计算准确性。同时采用修正后的Morris筛选法对模型参数进行敏感性分析,结果表明模型对时间步长敏感性不强,在大时间步长下,模型计算稳定。针对一维水动力模型较难模拟下荆江丰水期漫滩现象的问题,提出虚拟断面法进行修正,有效提高模型计算精度。(4)针对一维河网模型建模过程中网格尺寸多为人工经验选取的问题,通过构建5组不同网格尺寸下的荆江-洞庭湖河网模型,分析得网格尺寸变化对模型计算精度、计算效率的影响。并进一步提出求解网格最优尺寸的方案,即定义一个模型精度整体评价指标,并拟合该指标与网格尺寸的关系曲线,得到符合精度要求下的最大网格尺寸,为一维河网模型建模提供建议。
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