荆江－洞庭湖河网系统水动力特性对人工扰动响应机制的数值模拟研究

复杂河网系统由江河干流与大面积水体容器（如湖泊、海湾等）通过网状水流通道连接构成，其各成员之间存在复杂的连通、蓄泄关系。当人工扰动发生时，河网系统作出响应，其水动力特性也随之改变，常常对区域的防洪、航运、水资源、环境等产生重大影响。面对复杂河网系统，传统的一维或一、二维嵌套数值模拟方法由于自身不足而应用受到限制，使得目前河网系统的水动力特性还缺乏系统、深入的研究。探索新的河网系统数值模拟方法并用以研究其水动力特性问题，具有重要的科学价值和工程应用前景。.本项目选取典型的复杂河网系统（荆江-洞庭湖河网系统）为研究对象，通过建立荆江干流、洞庭湖及网状水流通道整体同步的平面二维非恒定流模型，系统地模拟和研究其水动力特性（主要包括江湖蓄泄关系、洪水演进特性、水循环规律、季节性淹没特征）对当前它所受到的主要人工扰动（三峡大坝拦蓄泥沙改变下游河床地形边界、水库调节径流）的响应机制。

项目选取荆江-洞庭湖江湖系统为研究对象，通过建立平面二维非恒定流模型，研究该江湖系统的水动力特性（主要包括江湖蓄泄关系、三口分流特性、洪水传播特性等）对人工扰动（三峡大坝拦蓄泥沙引起的荆江地形改变、水库调节径流）的响应机制。项目包括两个主要研究内容：大规模江湖系统平面二维数值模拟方法；荆江-洞庭湖江湖系统水动力特性。项目执行3年至今，上述两大研究内容已得到完成，概述如下。.完成了建模技术研究，建立了荆江-洞庭湖江湖系统平面二维非恒定流模型。①建模技术研究主要包括数值方法组合方案、计算网格、并行计算方法三个方面。数值方法组合方案为：采用θ半隐方法并建立大规模线性方程组，整体求解江湖系统内各计算单元的自由水面；采用无条件稳定的ELM方法计算对流项。计算网格为：采用对河槽加密的复合（无结构）网格。并行计算方法为：提出了基于区域分解的预测-校正（PCP）并行计算方法，来求解大规模线性方程组。②从底层完成了荆江-洞庭湖江湖系统平面二维非恒定流模型的开发。③对模型进行了率定和验证，对模型的计算精度、稳定性、效率等进行了分析。.完成了荆江-洞庭湖江湖系统水动力特性研究。在4种不同地形条件下和5种不同的水流条件下进行了20组水流模拟，研究荆江-洞庭湖江湖系统水动力特性对河床地形条件变异的响应机制。建立三峡水库平面二维非恒定流模型，首先通过还原计算得到无三峡水库时荆江入口的水流条件，然后研究荆江-洞庭湖江湖系统水动力特性对三峡水库调节径流的响应机制。对计算结果进行了分析和总结。.主要研究成果为：(1)提出了隐式水动力学模型的预测–校正并行计算(PCP)方法；(2)建立了荆江-洞庭湖平面二维水动力学模型；(3)初步阐明了荆江-洞庭湖系统水动力特性对地形变化、径流调节的响应规律。共发表期刊与会议论文11篇，其中SCI期刊论文4篇，EI期刊论文3篇。项目成果满足项目计划书的要求。