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Analytical solution to one-dimensional mathematical model of flow and morphological evolution in open channels

Science China(Technological Sciences) 2020年第12期63卷 2606-2616页

作者： DING Yun li zuisen SHI YongZhong ZHONG DeYu State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering Hohai UniversityNanjing 210098China College of Water Conservancy and Hydropower Engineering Hohai UniversityNanjing 210098China Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary Hangzhou 310008China Zhejiang Provincial Key Laboratory of Hydraulic Disaster Prevention and Mitigation Hangzhou 310008China Joint-Sponsored State Key Laboratory of Plateau Ecology and Agriculture Qinghai UniversityXining 810016China State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering Tsinghua UniversityBeijing 100084China

The evolution of open-channel flow and morphology can be simulated by one-dimensional(1D) mathematical models. These models are typically solved by numerical or analytical methods. Because the behavior of variables can be explained by explicit mathematical determinations,compared to numerical solutions,analytical solutions provide fundamental and physical insights into flow and sediment transport mechanisms. The singular perturbation technique derives a hierarchical equation of waves and describes the evolutionary nature of disturbances in hyperbolic systems. The wave hierarchy consists of dynamic,diffusion,and kinetic waves. These three types of waves interact with each other in the process of propagation. Moreover,the Laplace transform is implemented to transform partial differential equations into ordinary differential equations. Analytical expressions in the wave front are subtracted by the approximation of kinetic and diffusion models. Moreover,an analytical solution consists of a linear combination of the kinetic wave front and the diffusion wave front expressions,pursuing to describe the physical mechanism of motion in open channels as completely as possible. Analytical solutions are presented as a combination of exponential functions,hyperbolic functions,and infinite series. The obtained analytical solution was further applied to the simulation of flood path and morphological evolution in the Lower Yellow River. The phenomenon of increased peak discharge in the downstream reach was successfully simulated. It was encouraging that the results were in good agreement with the observed data.

关键词： open channel mathematical model analytical solution Laplace transform morphological evolution

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Coupling mechanism of mathematical models for sediment transport based on characteristic theory

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Science China(Technological Sciences) 2016年第11期59卷 1696-1706页

作者： DING Yun li zuisen ZHONG DeYu KANG YanPing State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering Hohai University Nanjing 210098 China Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary Hangzhou 310008 China State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering Tsinghua University Beijing 100084 China Jiangsu Hydraulic Research Institute Nanjing 210017 China

This paper aims to explore the coupling mechanism between flow movement, sediment transport and riverbed evolution in currently widely used mathematical models for sediment transport. Based on characteristic theory, analytic forms of eigenvalues,eigenvectors and characteristic relationships of total-sediment transport model, bed-load transport model and suspenedload transport model were derived, respectively. The singular perturbation technology was implemented to obtain the asymptotic solutions to different families of eigenvalues. The results indicate that, interactions between motion variables were explicitly coupled in the characteristics of total-sediment transport model and bed-load transport model. Further qualitative and quantitative analysis demonstrates that high sediment transport intensity and significant riverbed change will inevitably affect the property of flow movement. In the process of deposition, sediment-laden flow will move faster when sediment transport intensity becomes stronger. In contrast, the wave of flow will propagate at slower speed as erosion intensity becomes *** most existing suspended-load transport models, however, the characteristics are decoupled as the interactions between motion variables cannot be integrally illustrated in eigenvalues, eigenvectors and characteristic relationship.

关键词： coupling mechanism mathematical models sediment transport characteristics eigenvalues

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某近海核电站海啸洪水演进数值模拟研究

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水利水电技术（中英文） 2021年第6期52卷 105-116页

作者：李最森王飞史永忠丁赟浙江省水利河口研究院(浙江省海洋规划设计研究院) 浙江杭州310020 浙江省防灾减灾重点实验室浙江杭州310020 江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司江苏苏州215103 河海大学水利水电学院江苏南京210098

为了应对可能出现的海啸洪水对于核电厂的安全级蓄电池、应急柴油发电机组及应急配电装置的破坏,本文通过数值模拟研究核电厂厂区洪水演进过程及其影响。首先,确定“防洪设计基准潮位”及“超设计海啸洪水参数”,作为数值模拟的计算依... 详细信息

为了应对可能出现的海啸洪水对于核电厂的安全级蓄电池、应急柴油发电机组及应急配电装置的破坏,本文通过数值模拟研究核电厂厂区洪水演进过程及其影响。首先,确定“防洪设计基准潮位”及“超设计海啸洪水参数”,作为数值模拟的计算依据。其次,构建平面二维海啸洪水数学模型,模型计算采用基于无结构网格的有限体积法,以应对海啸洪水及核电厂区地形复杂等特点。再次,按设计基准洪水位与可能的超设计海啸洪水组合形成数学模型超设计洪水计算方案,开展不同极端工况下核电厂区的洪水演进情况及其对厂区重要建筑影响的数值模拟。海啸参数研究结果表明,该核电厂址可能最大海啸增水为1.16 m,最大风暴潮增水为5.30 m,海啸模拟中超设计基准海啸采用2.71 m和5.28 m两种代表波高组合。数值模拟结果进一步表明,当考虑最高天文潮位与可能的海啸增水与可能的风暴潮增水组合工况时,各方案海啸洪水最大波高高于厂址防洪水位7.20 m,海啸洪水可能威胁核电站厂区防洪安全;在海啸洪水淹没厂区过程中,不同方案海啸洪水进入厂区至整个厂区淹没所需时间长短相差不大,约144~169 s;当洪水流至核岛厂房附近时,厂房周围流速伴随着海啸洪水涨、退水过程震荡变化,水流呈往复流变化,参考点流速最大值在1.4~5.0 m/s之间;海啸洪水淹没厂区后,各测点最大波高相差小于0.20 m。

关键词：核电安全海啸模拟洪水模拟洪水演进流场

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钱塘江嘉绍大桥对强潮河口水动力的影响

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水利水电科技进展 2013年第6期33卷 61-65页

作者：谭立心罗超云鲁海燕李最森广东省长大公路工程有限公司广东广州510075 浙江省水利河口研究院浙江杭州310020

为研究嘉绍大桥对钱塘江涌潮形态及水动力的影响，在分析现场涌潮观测资料的基础上，建立基于KFVS格式的平面二维涌潮数学模型，计算比较了建桥前后涌潮及潮流场的变化。结果表明：受嘉绍大桥阻隔影响，涌潮经过桥位时其形态的整体性被... 详细信息

为研究嘉绍大桥对钱塘江涌潮形态及水动力的影响，在分析现场涌潮观测资料的基础上，建立基于KFVS格式的平面二维涌潮数学模型，计算比较了建桥前后涌潮及潮流场的变化。结果表明：受嘉绍大桥阻隔影响，涌潮经过桥位时其形态的整体性被破坏，过桥后约500m涌潮形态基本恢复，桥位下游涌潮高度增加，桥位上游涌潮高度降低；建桥对涨、落潮流的影响主要在桥位近区，对上下游的潮位和流向影响较小，桥位上下游涨、落潮流速减小0～5％，桥轴线断面桥跨中间流速增加2％-10％；建桥对涌潮的影响是局部的，桥位上下游近区的潮动力有所减弱。

关键词：嘉绍大桥强潮河口涌潮形态数值模拟钱塘江

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涌潮水槽全自动化测控系统开发及应用

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人民长江 2016年第5期47卷 102-105页

作者：李最森史永忠姜小俊刘云浙江省水利河口研究院浙江杭州310020 浙江省河口海岸重点实验室浙江杭州310020

由于传统涌潮水槽测控系统涉及仪器多、采样频率高、数据量大、涌潮控制与数据测量分离,需要采用多台计算机工作,影响到了数据测控的同步性。基于一体化测控思想,将涌潮水系统涉及的通讯接口全部换为RS485,建立统一规范的通讯网络。开... 详细信息

由于传统涌潮水槽测控系统涉及仪器多、采样频率高、数据量大、涌潮控制与数据测量分离,需要采用多台计算机工作,影响到了数据测控的同步性。基于一体化测控思想,将涌潮水系统涉及的通讯接口全部换为RS485,建立统一规范的通讯网络。开发了涌潮水槽全自动一体化测控系统,实现了涌潮实验与数据测控的同步,解决了涌潮流速、水位快速变化过程中数据同步采集与坐标定位等问题。实例应用表明,新开发的系统测试结果与实际情况相符,并可推广至水流、泥沙及波浪等其它水槽实验中。

关键词：涌潮水槽 ADV 变频控制一体化系统

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多波束定点实时冲刷监测系统构建及应用

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水利水运工程学报 2023年第6期2023卷 176-182页

作者：李最森章琪魏荣灏张芝永吴智敏浙江省水利河口研究院浙江杭州310020 浙江省河口海岸重点实验室浙江杭州310020 富阳区农业农村局浙江杭州311400 浙江树人学院浙江杭州310015

随着沿海地区经济和城市群一体化的高速发展,跨海大桥和海塘的规模与数量与日俱增,强潮区域的桥梁、海塘等海洋结构物易受局部冲刷,影响安全运行。如何对此类结构物的局部冲刷进行实时监测和研究分析已成为目前海洋工程安全领域的难点... 详细信息

随着沿海地区经济和城市群一体化的高速发展,跨海大桥和海塘的规模与数量与日俱增,强潮区域的桥梁、海塘等海洋结构物易受局部冲刷,影响安全运行。如何对此类结构物的局部冲刷进行实时监测和研究分析已成为目前海洋工程安全领域的难点。通过总结分析以往冲刷监测技术的优缺点及其适用性,研发了多波束定点实时监测系统,改进了数据实时采集和处理方法,为冲刷机理研究和海洋结构物防灾减灾提供具有时间序列的全覆盖水下地形数据。并通过实测数据拟合适用于跨海大桥的冲刷计算式,为桥墩及海塘等结构物的冲刷机理研究和冲刷预报提供基础数据和计算方法。

关键词：局部冲刷实时监测多波束全覆盖水下地形时序数据

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跨海桥梁基础冲刷特征研究

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水利水运工程学报 2021年第4期2021卷 131-137页

作者：杨元平张芝永李最森曾剑韩佳楠陈刚浙江省水利河口研究院(浙江省海洋规划设计研究院) 浙江杭州310020 浙江省河口海岸重点实验室浙江杭州310020 河海大学港口海岸及近海工程学院江苏南京210098

在我国近海海域,跨海桥梁基础冲刷是影响大桥安全的重要因素之一。基于金塘大桥2014、2015和2017年桥墩基础冲刷实测资料,并结合建桥前地形测验资料进行了案例分析,解析出了往复潮流条件下桥墩基础的一般冲刷及局部冲刷深度,金塘大桥中... 详细信息

在我国近海海域,跨海桥梁基础冲刷是影响大桥安全的重要因素之一。基于金塘大桥2014、2015和2017年桥墩基础冲刷实测资料,并结合建桥前地形测验资料进行了案例分析,解析出了往复潮流条件下桥墩基础的一般冲刷及局部冲刷深度,金塘大桥中引桥桥墩一般冲刷深度为3.3~3.6 m,平均局部冲刷深度约8.3 m。往复潮流条件下桥墩基础局部冲刷坑受双向潮流影响向上下游延伸,形状呈椭圆形,各墩冲刷坑纵向长度与最大局部冲刷深度呈近似线性关系,长度约为局部冲刷深度的10~12倍,而各墩冲刷坑横向宽度则基本一致,约为桥墩基础宽度的4~5倍,与最大局部冲刷深度无明显相关性。跨海桥梁基础冲刷深度计算方法及冲刷坑形态特征的研究成果可供跨海大桥基础设计、运行维护及基础冲刷防护参考。

关键词：跨海桥梁实测资料往复潮流一般冲刷局部冲刷

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杭州湾跨海大桥海中平台区海床冲刷特性

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水利水运工程学报 2021年第3期2021卷 103-110页

作者：王金权李最森沈翔陈健史永忠张芝永宁波市杭州湾大桥发展有限公司浙江宁波315327 浙江省水利河口研究院(浙江省海洋规划设计研究院) 浙江杭州310020 浙江省河口海岸重点实验室浙江杭州310020

杭州湾跨海大桥海中平台位于杭州湾大桥中间位置,海中平台下部群桩结构与平台上游各系列匝道墩、大桥主墩形成了复杂的墩群结构,受其影响,海中平台区域海床冲刷较为剧烈。为深入了解海中平台区海床冲刷特性,应用多年实测地形测量资料,... 详细信息

杭州湾跨海大桥海中平台位于杭州湾大桥中间位置,海中平台下部群桩结构与平台上游各系列匝道墩、大桥主墩形成了复杂的墩群结构,受其影响,海中平台区域海床冲刷较为剧烈。为深入了解海中平台区海床冲刷特性,应用多年实测地形测量资料,对海中平台区的海床地形特征、建桥前后海床冲淤变化规律进行了分析,研究各匝道墩最低冲刷高程分布,并应用数值计算模型分析了海中平台区的水动力分布特征,揭示了匝道墩海床冲刷机理。研究发现,与建桥前相比,海中平台区大桥轴线上游500 m~下游1000 m范围内海床发生整体一般冲刷,在海中平台南北两侧,受局部绕流影响,产生明显的局部冲刷,最大冲刷达14 m。平台南北两侧向上游延伸的局部冲刷槽影响到平台上游的匝道墩,导致部分匝道墩附近海床高程普遍较低。整体来看,位于桥轴线上游的ZB和ZC系列匝道墩因受到海中平台绕流及主墩绕流的叠加影响,导致其最低海床高程明显低于位于桥轴线下游的ZD和ZE系列匝道墩,各匝道墩最低海床高程与涨潮流流速大小具有一定的相关性。

关键词：杭州湾跨海大桥海中平台匝道墩冲刷特性

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