流域泥沙动力学模型

序

前言

摘要

第1章绪论

1.1研究对象

1.2研究现状

1.2.1主要侵蚀与水质模型的结构和特点

1.2.2土壤侵蚀公式的主要形式

1.2.3流域土壤侵蚀模拟的进展

1.2.4黄土高原侵蚀产沙研究

1.3研究内容与方法

第2章流域泥沙主要影响因子及其过程概化

2.1流域特征因子

2.1.1降水、植被与土壤特征

2.1.2地质地貌特征和河网

2.1.3人类活动影响

2.1.4不同因素间的相互作用

2.2黄土高原的主要特征因子

2.2.1降水特征

2.2.2土壤与土地利用特征

2.2.3植被特征

2.2.4地貌特征

2.3流域不同地貌单元的泥沙子过程

2.3.1黄土丘陵沟壑区的地貌单元组成

2.3.2坡面侵蚀

2.3.3沟坡区重力侵蚀

2.3.4沟道与河道不平衡输沙

2.4黄土高原泥沙过程的模型概化

第3章坡面水流特性

3.1坡面漫流

3.1.1坡面漫流的流态

3.1.2坡面流的水力关系

3.1.3坡面流阻力

3.1.4雨滴击溅的影响

3.1.5坡面漫流的计算

3.2有细沟的坡面流

3.2.1细沟水流的实验

3.2.2细沟坡面的水流计算

3.3本章小结

第4章坡面侵蚀机理

4.1雨滴溅蚀

4.2坡面径流侵蚀

4.2.1薄层水流侵蚀

4.2.2细沟水流侵蚀

4.3坡面水流侵蚀和输沙的计算

4.3.1侵蚀量与输沙量的关系

4.3.2薄层水流的侵蚀与输沙能力

4.3.3细沟流的侵蚀与输沙能力

4.3.4模拟中要注意的问题

4.4本章小结

第5章坡面产流产沙模型

5.1超渗产流模型

5.1.1模型的结构与计算流程

5.1.2产流过程计算

5.1.3汇流过程

5.1.4参数取值

5.2坡面产沙模型

5.2.1产沙模型的概化

5.2.2坡面产沙计算公

5.2.3公式合理性检验

5.2.4公式的适用性

5.3本章小结

第6章沟坡区重力侵蚀模型

6.1沟坡重力侵蚀物理图景概

6.2沟坡重力侵蚀力学分析

6.2.1土体含水量变化

6.2.2坡脚侧向冲刷计算

6.2.3沟坡失稳几何形态分析

6.2.4沟坡土体受力分析

6.3沟坡失稳的不确定性分析

6.3.1不确定性的含义

6.3.2沟坡失稳的模糊性分析

6.3.3沟坡失稳的随机性分析

6.3.4沟坡失稳的模糊概率

6.4重力侵蚀模型的应用条件

6.5本章小结

第7章沟道水沙演进模型。

7.1精确扩散波汇流模型

7.1.1马斯京根-贡日法

7.1.2时空步长的选择

7.1.3水力要素的计算

7.1.4验证与对比

7.2沟道输沙计算

7.3沟道水沙计算的验证

7.4本章小结

第8章流域数字河网和模型集成

8.1河网并行计算需求

8.2数字流域平台的改进与应用

8.3基于二叉树的河网编码方法

8.3.1河网的二叉树特征

8.3.2快速定位节点的二叉树编码

8.3.3基于二叉树的河网编码方法

8.3.4基本拓扑关系

8.3.5典型应用的拓扑算法

8.4大规模河网的管理

8.4.1分区分级编码方法

8.4.2子流域DEM切割和河网耦合

8.4.3河网管理的应用

8.5基于河网分解的并行计算

8.5.1并行计算的逻辑架构

8.5.2河网分解算法

8.5.3基于MPI和计算机集群的实现方式

8.5.4并行计算应用实例

8.6模型的集成

8.6.1模型集成方法

8.6.2模拟尺度的提升

8.7本章小结

第9章流域泥沙过程模拟

9.1岔巴沟流域泥沙过程模拟

9.1.1计算准备

9.1.2参数率定

9.1.3模型应用

9.1.4结果分析

9.2无定河流域泥沙过程模拟

9.2.1计算准备

9.2.2参数率定

9.2.3模型应用

9.2.4结果分析

9.3多沙粗沙区流域泥沙过程模拟

9.3.1计算准备

9.3.21967年模拟结果

9.3.31977年模拟结果

9.3.4结果分析

9.4本章小结

第10章水沙源区泥沙过程规律分析

10.1尺度现象及其形成机理

10.1.1尺度现象

10.1.2模拟结果中的尺度现象

10.1.3对尺度现象来源的分析

10.2降雨变化对侵蚀产沙的影响

10.2.1降雨变化趋势和情景设置

10.2.2径流和输沙量结果

10.2.3不同土壤侵蚀组成的变化

10.2.4结果分析

10.3本章小结

第11章河道水沙动力学模型

11.1模型建立

11.1.1控制方程组

11.1.2数值解法

11.1.3关键问题处理

11.2模型率定

11.2.1初始和边界条件

11.2.2高含沙量对模拟结果的影响

11.2.3考虑高含沙量影响的模拟结果

11.3参数敏感性分析

11.4模型应用

11.4.11982年洪水

11.4.21992年洪水

11.4.31998年洪水

11.5本章小结

第12章水沙源区与干流河道的耦合模拟

12.1流域与河道模型的耦合方式

12.2模拟实例

12.2.1计算准备

12.2.2计算条件的对比

12.2.3模拟结果

12.3来水来沙变化对河道冲淤的影响

12.4本章小结

参考文献

　　本书作者王光谦和他带领的团队在国家自然科学创新群体基金的支持下开展流域水沙过程与调控机理研究，在流域泥沙动力学过程机理、数字流域模型、黄河水沙调控等方面取得了系统的成果。本书是作者关于流域泥沙过程规律、理论描述、模拟方法及实际应用的成果总结。本书的特点是把理论研究与黄河流域水土流失的特点和难点密切结合。书中以黄河中游多沙粗沙区为例，采用基于动力学的分析与建模方法，建立了模拟流域内泥沙运动全过程的模型系统。　　为了研究区域与流域尺度下包括侵蚀-输运-沉积的泥沙运动全过程，需要建立流域泥沙科学体系，对应于河流泥沙的学科内容，流域泥沙的相关研究应包括三部分：流域泥沙动力学、流域泥沙过程模拟和流域演变学。本书通过分析流域泥沙过程的主要影响因素和物理机理，初步完成了流域泥沙动力学的模型和模拟方法。　　本书以黄土高原丘陵沟壑区为例，将其中发生的泥沙过程分解为坡面产流产沙、沟坡区重力侵蚀、沟道水沙演进等不同子过程，分别建立了相应的动力学模型，并以数字流域为平台进行了集成。将模型应用于黄河多沙粗沙区，模拟结果能够显示侵蚀一输运一沉积在流域内的分布情况，反映主要影响因素对流域泥沙过程的作用方式。将多沙粗沙区的产输沙模拟与黄河中下游河道的水沙动力学模拟耦合，能够分析水沙源区的来水来沙条件与干流河道间的水沙响应关系。　　本书尝试在区域与流域尺度完成了对包括流域面与河网在内的流域泥沙全过程的基于物理机理的分析与数学模拟，吸收地表水文过程、土壤侵蚀、高含沙水流运动，以及水土保持和流域地貌学等多个学科方向的成果，力求解释流域泥沙过程中的主要科学问题，为黄河水沙过程预报提供科技支撑。　　全书分12章。第1章绪论，综述国内外研究进展和本书研究范围。第2章至第4章讨论了流域泥沙动力学的基本过程和机理。第5章至第7章分别介绍了流域泥沙主要子过程的模拟方法，包括坡面产流产沙、沟坡区重力侵蚀和沟道水沙演进模型，并在第8章简明了模型的集成方式。第9章是模型在黄河多沙粗沙区验证和应用的结果，随后第10章对流域泥沙过程的规律作进一步分析。第11章介绍了河道水沙动力学模型基本原理、集成方法和应用结果，第12章进行了水沙源区与干流河道间的水沙响应分析。　　本书对从事水利、地理、环境、农业等专业工作的研究人员具有参考价值，也可作为相关专业的研究生教材。