一种改进的一维河网水动力解法及其应用

吴家阳; 徐学军; 程永光

工程科学与技术 ›› 2025, Vol. 57 ›› Issue (02) : 104 -114.

一种改进的一维河网水动力解法及其应用

吴家阳, 徐学军, 程永光

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摘要

为高效模拟一维河网水动力学过程，解决汊点水位迭代法中每次迭代均需全局求解所致计算效率低的问题，基于明渠非恒定流的格子Boltzmann Bhatnagar-Gross-Krook(BGK)模型，提出了一种改进的一维河网水动力算法。其中，一维圣维南方程组由格子Boltzmann BGK模型数值求解，离散速度矢量采用一维三速（D1Q3）模型描述；河网耦合求解通过汊点水位迭代法实现，各分汊河段在汊点处均采用水位边界条件，每一时步内通过不断迭代修正汊点水位以满足汊点连接条件。因格子Boltzmann BGK模型本质上为显式算法，有效回避了采用隐式算法计算汊点净流量时需多次迭代推求汊点耦合水位的问题。利用环状河网恒定流、环状和树状组合河网非恒定流等典型河网算例验证了所提方法的准确性，通过与原始汊点水位迭代法进行比较，说明本方法能提高河网水动力模拟的计算效率。作为方法在实际算例中应用，以汉江流域2021年秋汛实测水文过程作为输入条件，计算了汉江中下游平原河网的洪水演进过程，对比了汉江中下游各水文站实测、计算和商用软件模拟的洪水过程，通过与特征线法、Preissmann四点隐式差分法等传统一维河网水动力算法对比，说明了本方法可在不损失计算精度和确保汊点连接条件严格成立的前提下，显著提高一维河网水动力求解效率。