海啸波近岸共振响应的数值模拟及分析

应用有限差分方法求解非线性浅水长波方程,建立了海啸波产生和传播的二维数值模型;对太平洋地震引起的夏威夷群岛海啸波进行模拟,并将模拟结果和测站实测值进行比较,验证了模型的正确性。利用快速傅里叶变换对数值模拟结果进行谱分析,得到整个计算区域的能量谱分布,并给出了发生能量聚集的位置及相应的谱峰周期。讨论了海啸波传播到近岸时可能产生的共振响应现象,发现海啸波和近岸的共振响应不仅与近岸复杂地形有关,还与海啸波传播到近岸时的波浪入射方向有关。     

汶川地震灾区小流域洪水计算方法初探

汶川地震灾区小流域山洪不仅造成巨大损失,同时也是泥石流等灾害的激发因素,探寻一种准确且可操作的洪水峰值流量计算方法对防灾减灾具有重要意义。本文选择不同产流和汇流计算方法,组合成不同水文模型,进行小流域洪水过程计算,对模拟结果和参数选择进行对比,旨在探究最适合该地区的小流域水文计算方法。分别选择SCS曲线法、Green-Ampt入渗法、初损稳渗法进行坡面产流计算,应用SCS单位线法、Snyder单位线法和运动波方程进行坡面和沟道汇流计算,组合成5种小流域产汇流计算模型,利用6场洪水进行参数率定和结果验证。模拟结果对比分析,得出SCS曲线法是最适宜的产流模型,其与SCS单位线、运动波汇流计算方法组合而成的SCS和SKK模型,峰现时间的模拟误差最小,在0~25 min之间;洪峰流量模拟的相对误差较小,平均误差不超过4%;洪水总量模拟误差在10%左右。另外,这两种模型参数设置及确定较简单,更适合在数据稀缺的小流域中进行洪水模拟应用。研究可为汶川地震灾区小流域山洪和泥石流等灾害的流量估算提供方法和参数借鉴。     

基于时空动态耦合的漫滩、溃堤与防洪保护区洪水联算二维模型

河道洪水的漫滩、溃堤及其在防洪保护区的耦合计算一直是数学模拟模型中的重点和难点。基于Navier-Stokes二维浅水方程,通过河道水位比较确定任意时刻水流流向、流量及动量的交换,并根据溃口展宽变化确定耦合节点和接口宽度,进行河道与防洪保护区的无缝连接,从而实现了漫滩、溃堤与防洪保护区洪水的时空动态耦合计算。基于DEM、遥感影像和实测断面的地形数据资料,提出了河道数字地形获取改进技术,同时利用热启动技术解决了溃口形状变动问题。通过实例研究表明,该模型可实现二维宽浅河道漫滩、溃堤和防洪保护区及其任意组合的洪水仿真。计算结果合理、可靠,供相关部门参考。     

汶川地震灾区小流域洪水模拟及不确定性分析

2008年汶川地震以来,灾区山洪泥石流等次生灾害频发,山区洪水不仅自身具有极大危害,也是激发泥石流等次生灾害的水源条件。采取科学有效的方法对洪水流量进行估算,对于山洪和泥石流防灾减灾具有重要科学和现实意义。本文选取震区一个具有数年监测历史的小流域（2.4 km2）为研究对象,选取具有代表性的降雨场次,利用SCS产流模型和运动波方程分别进行产流和汇流计算,模拟洪水过程,用实测数据验证该水文模型在研究区的模拟效果。结果表明,该模型可以较好地捕捉峰值流量和峰现时间等关键指标;对于数平方公里尺度的小流域,划分子流域增大了参数选择的难度,对模拟效果并无明显提升;在保持参数一致的情况下,时间步长越短,模拟效果越精确,随着时间步长的增加,峰现时间延迟,洪峰流量减小,径流过程线逐渐坦化,趋于平缓。研究对认识汶川地震灾区小流域产汇流特征和洪水计算方法有一定的科学意义。     

基于洪水演进数值模拟的溃坝危害性快速评估

采用部分溃坝模型与堰流相交算法计算溃坝最大流量,并基于四次抛物线概化方法得到溃坝洪水的流量过程线;利用洪峰展平法将洪水波概化为三角形,对洪水演进过程进行模拟,分析溃口宽度和溃口形态对洪水演进过程的影响;研究考虑不同溃坝条件下对溃坝洪水的到时、最大流量、水深和洪水历时等洪水演进的主要参数的快速估算方法,以实现对地震可能引发不同溃坝事件危害性的快速评估。     

海啸数值模拟及桥梁上部结构冲击动力作用研究

海啸作为一种破坏力较强的海洋灾害,对近海桥梁的威胁不言而喻。上部梁体作为常规桥梁的重要组成部分,其在海啸冲击下的数值模拟研究受到了广大学者的关注。文中利用溃坝波模拟海啸波,在Fluent软件中建立上部梁体数值模型,该模型耦合VOF法和k-ε湍流模型求解雷诺平均N-S方程,并采用PISO算法进行数值迭代。从计算域设置、网格划分和湍流模型选定对数值模型基本情况进行说明,然后对数值结果进行分析,并利用已有试验数据,验证溃坝波冲击下上部梁体数值模型运行结果的准确性。结果表明：若将上部梁体变形耗能差异考虑在内,数值模拟下的溃坝涌波水平力满足试验要求;而对于溃坝涌波竖向力,除了在初始突变段时试验与数值结果有些差别外,在之后的似平稳段大致相同。     

唐家山堰塞湖溃坝洪水模型及应用

在资料稀缺、时间紧急的情况下,设计出快速相应的洪水演进递推模型。该模型以水量平衡、水力学公式为基础,在溃坝过程中通过递推方法得出不同时刻坝口变化的过程。同时采用以立波方式传播的洪水波对洪水演进过程进行研究,从而实现对溃坝洪水过程的模拟。最后利用唐家山堰塞湖2008年6月10日的观测数据,使用Matlab软件编程进行了演算,验证了模型的准确性、合理性。     

二维定常泥流的数值模拟

本文以Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔａｋｅｓ方程为基本方程，将泥石流的一种特殊形式－泥流作为Ｂｉｎｇｈａｍ流体，用有限体积法对三种不同底部条件的泥流流场进行了数值模拟，给出了速率分布，并指出了泥流与清水流动的不同之处。     

堵江滑坡坝的溃坝方式模拟与环境效应分析

大型堵江滑坡坝的溃坝方式决定了溃坝洪水的流量、演变及其对下游生态、地质的影响。实地调查岷江上游分布的大量古堵江滑坡土石坝后,重点对扣山古堵江滑坡坝形成的地质环境和坝体的几何特征、溃口形态进行了野外勘察,并用坝体土石样品进行了室内大型土工试验。考虑湖水、坝体渗流和岩土体的耦合作用,采用基于有限单元法的数值模拟软件,进行了古堵江滑坡坝的稳定性分析,模拟结果显示,该天然堵江滑坡坝的溃决方式为漫坝瞬时全溃,溃坝洪水将对沿岸及下游地区的生态环境产生巨大的影响。     

基于过程机理的洪灾生命损失评价模型框架初探

21世纪以来接连发生的印度洋海啸、美国卡特里那飓风、孟加拉强热带风暴等一系列与洪水有关的自然灾害,给人类生命和财产造成了巨大损失,说明当今世界低海拔地区的洪灾脆弱性。系统回顾了目前洪灾生命损失评估采用的经验统计法与GIS分带法,发现这些研究方法忽视了造成洪灾生命损失的过程与机理,计算结果存在较大的不确定性;根据洪灾发生的过程及其生命损失的机理构建了一种新的洪灾生命损失评估模型框架。首先采用"人口吸引动态空间化GIS模型"模拟洪水期间典型时段的人口动态空间分布;其次用基于DEM和GIS网格的"环形"洪水淹没算法进行洪水演进过程的数值模拟,获得水深-流速的洪水过程时空场;接着用GIS网络分析和线性规划方法计算灾区成功转移与转移失败的人口数量及空间分布;然后用避难场所人口空间再分配模型,计算成功避难与避难失败的人口数量及空间分布;最后用建筑物倒塌和个体水中不稳的生命损失评估模型,计算用作避难场所的高层建筑物倒塌和困于水中人员的潜在生命损失。     

层状楔形空间平面SH波入射下的波场分析

采用间接边界元方法求解SH波入射下的层状楔形空间内的波场。本文方法首先将层状楔形空间扩展为层状半空间,计算层状半空间在SH波入射下的自由波反应;然后在楔形空间斜边界上施加虚拟均布荷载,模拟楔形空间斜边界对波场的影响,虚拟均布斜线荷载密度可由相应边界条件求得;最后叠加自由波场和均布斜线荷载产生的波场,求得总波场。验证了本文方法的正确性并进行了数值计算分析。研究表明,层状楔形空间与均匀楔形空间内的波场存在显著差异,土层的存在使得位移幅值随入射角度的变化更为复杂。该研究为后续楔形空间在P、SV和Rayleigh波入射下的波场求解打下了基础。     

VR-GIS技术在小城镇洪水淹没模拟分析中的应用

近年来利用计算机和信息技术研究洪水灾害是个研究热点,但小城镇在防洪减灾方面缺少应有的关注和重视。本文对VR(虚拟现实技术)-GIS技术在小城镇洪水淹没模拟分析中的应用进行了研究,解决了系统实现过程中的一系列关键技术:小城镇空间数据库的建库技术及三维可视化、洪水淹没范围的确定,以及洪水淹没实时动态演示等问题。该技术已在国家十五科技攻关项目所开发的《小城镇基础设施防灾减灾决策支持系统》中得以实现。实践证明:小城镇空间数据库的建库技术速度快、成本低,适合中国小城镇的信息化现状。利用淹没范围的近似计算模型,可以有效迅速准确地计算出洪水淹没范围,有利于防洪减灾的迅速决策,且偏于安全。小城镇洪水灾害的三维可视化模拟,可以实时动态地演示小城镇遭受洪灾实况的全过程。     

蚁群算法在马斯京根模型参数估计中的应用

蚁群算法是一种模拟进化算法,该算法具有许多优越的性质.研究了一种可用于求解连续空间优化问题的蚁群算法策略,针对洪水演算的马斯京根模型参数估计问题,应用连续性空间优化问题的蚁群算法模型进行了求解.应用实例表明,蚁群算法在求解连续空间优化问题中是很有效的,可以广泛应用于各种自然灾害模型的优化问题.     

城市洪水风险图编制研究——以福州为例

洪水风险图是标识区域洪涝成因、量级、特性、危及对象及应急对策等风险信息分布特征的一系列图的总称,当前已成为国内外城市防洪减灾工作中重要的非工程类措施之一。针对我国对洪水风险图的多元化需求,从不同服务目的出发对洪水风险图编制工作进行研究。提出了洪水风险图分层编制技术,将洪水风险图划分为实际洪水淹没图、洪水风险预测图和水灾风险评价信息等3个层次,并根据分层设计原则对编制不同类型洪水风险图所需的既往洪水信息、洪水风险预测信息、水灾风险评价信息做了详细论述。提出将洪涝仿真模拟技术应用于城市洪水风险图编制工作之中,针对洪水风险图的应用目的合理选定计算模型的初始条件、边界条件与运行控制方式等,经模拟计算获取编制洪水风险图所需的洪水风险信息。     

基于栅格与云模型的风暴潮洪水风险模拟评估方法——以珠海市香洲区为例

随着气候变化和海平面上升,风暴潮、洪水等自然灾害对沿海城市地区造成的破坏不断加重,风暴潮灾害的发生具有显著的突发性和短历时性,准确高效地应急响应可以显著降低潮灾的损失和影响。尽管目前使用二维水动力学模型建模方法十分成熟,并且计算能力也有较大的提升,但这种方法仍然不适用于许多实时应用。选取受“1713”号天鸽台风影响严重的珠江三角洲地区为例,提出基于栅格水动力学的元胞自动机模型,充分利用高精度DEM数据进行淹没预测,无须进行预处理及网格划分,大幅减少处理计算时间,并引入云模型对风暴潮灾害进行了综合风险评估。实验结果表明,该替代模型在区域最大洪水范围、深度、历时方面都可以提供与MIKE 21模型相当的结果,在保证风暴潮洪水模拟结果准确性的情况下,可将计算效率提高62.4%,洪水风险的制图可视能够较为全面反应风暴潮对区域经济、人口及社会环境的影响,预判灾害风险等级。研究成果可为城市潮灾应对与精细化应急管理提供科学支撑。     

区域洪水灾害风险评估体系(Ⅱ)——模型与应用

准确了解区域洪水灾害风险分布状况及规律,对于洪水灾害预警与管理具有重要意义。首先分析了模糊综合评估法的原理,以GIS空间技术为手段,建立了基于GIS的洪水灾害风险评估模型。然后以马来西亚洪水灾害风险评估应用为例,剖析了洪水灾害风险模糊评估的方法及过程,利用该模型计算出洪水灾害风险并制作了洪水灾害风险等级图和风险指数图。结果表明,该模型对于评价洪水灾害风险是行之有效的。     

基于GIS的滑坡空间特征分析

基于GIS技术对滑坡及其渗水盲洞疏干土体的空间特征进行了分析。首先讨论了基于三棱柱模型的滑坡体体积计算，然后提出确定渗水盲洞疏干土体边界与地面交线的方法，以此确定疏干土体的空间形态和体积计算方法，并以西昌一攀枝花高速公路沿线米易滑坡为例，对该滑坡的体积特征和渗水盲洞疏干土体的空间形态进行了分析和计算。     

利用空间分析建立简化的城市内涝模型

在已有内涝模型的基础上,依据城市的特征对经典模型进行了部分简化,并结合CIS的空间分析功能提出了一个新的城市内涝模型.该模型首先构建城市的地形模型、降雨模型、排水模型和地面特征模型等4个基础分析模型,并利用GIS空间分析划分计算粗单元,然后结合数学算法计算出每个粗单元内的积水深度,最后对粗单元进行平滑合并后最终生成城市内涝积水深度分布图.此外,为了验证模型的实用性,还将该模型运用于具体的分析实例中,实例输出结果充分展示了该模型在城市内涝预测和模拟中的实际效用.     

ABAQUS中黏性边界条件的实现及应用

波动数值模拟时,基底直接输入地震波会导致波动能量在计算域内往复反射,影响分析结果的可靠性。应用黏性边界条件模拟无限地基的辐射阻尼效应,基于波动理论及Spring/Dashpots单元实现了ABAQUS软件中黏性边界条件的施加,进而对弹性半空间的波源问题和散射问题进行波动数值模拟,并验证了黏性边界条件的有效性。采用黏性边界和固定边界条件计算响嘡台阵3号测井的土层地震反应,并将计算结果与实际记录进行对比分析。结果表明,固定边界会造成散射波往复反射,放大了地表的地震响应,黏性边界能吸收散射的波动能量,能够较好地模拟土层地震反应。     

基于秩相关随机变量模拟的水库防洪风险估计

采用基于Spearman秩相关随机变量模拟方法,将拉丁抽样法产生的独立洪峰洪量序列转换成满足特定相关结构的洪峰洪量序列,利用模拟的洪峰和时段洪量放大修匀典型过程线生成入库洪水过程,实现了入库洪水过程随机模拟。采用Monte Carlo法估计防洪风险,构建了水库防洪风险估计模型。潘家口水库汛限水位调整防洪风险估计应用结果表明:主汛期汛限水位上限值控制在218.00 m,所建立的入库洪水过程模拟方法简便有效,非常适合于复杂洪水过程模拟,构建的防洪风险分析模型计算结果客观合理,在洪水资源安全利用系统风险分析中具有推广应用价值。