城市洪水与障碍物耦合作用动力机制研究

Under the influence of human activity and environmental changes, the disaster of urban flood is becoming serious. How the buildings affect the flood flow will be investigated, and the flow resistance from the obstacle will be determined. The effect of the structure on the flood movement and the dynamic characteristic of the flood flow will be investigated. How obstacle in the flood channel affects the flow pattern transition will be revealed for the first time. The discontinuity of the structures along the both sides of the flood channel will be considered, how the bypass affects the types of the hydraulic jump and the wave front will be studied for the first time. The mechanical properties of the hydraulic jump and wave front formation will be studied. Both the obstacle affecting the flood flow and the flood acting on the obstacle will be observed at the same time, the coupling effect of the flood and obstacle will be revealed. The complex flow field, such as the weak of the obstacle and hydraulic jump, will be measured by using the advanced equipment. The resistant coefficients from the obstacle will be determined based on the experiments, the numerical model for urban flood flow will be built based on the anisotropy resistance force concept. The flood risk analysis will be carried out by using the mathematical model.

在人类活动和自然环境变迁的影响下，城市洪水灾害问题日益突出。本立项研究城市建筑物对洪水运动的影响，探索建筑物布置形式变化对流动阻力的影响。研究在具有急流和缓流等流态转变条件下的行洪通道的洪水动力特征，将首次揭示车辆等障碍物对急流到缓流转变的影响。考虑城市行洪通道两侧建筑物的间断性，探索分流口对洪水流态的影响，揭示分流口对水跃类型及波峰形态的影响，探索不同类型水跃及水跃波峰形态形成的力学机理。在观测车辆等障碍物对洪水流速和水位的影响的同时，定量测量洪水对障碍物的作用力，获得障碍物布置形式变化对流动阻力的影响，揭示洪水与障碍物耦合作用的动力特征。采用对流场无干扰的设备，测量流态转变区及障碍物尾流区的流速及水位分布，通过拉压应力仪测量洪水对障碍物的作用力。通过物理模型试验手段获得障碍物对洪水运动的阻力系数，基于各向异性阻力模型建立城市洪水运动数学模型，并应用与城市洪水风险。

本立项的主要内容是开展城市洪水与建筑物耦合作用的物理模型试验，并建立数学模型进行洪水城市演进预测及风险分析。. 利用清华大学水力学实验室的实验水槽，开展了建筑物对城市洪水运动影响的物理模型试验，将道路两侧建筑物的空隙概化为分流口，探索分流口对洪水流态的影响，探讨分流口对水跃类型及流速分布的影响，揭示了洪水与障碍物耦合作用的动力特征。采用对流场无干扰的设备，测量观测区的流速及水位分布。.本立项工作的明显特点是研究结合国家流域生态环境建设的需求。与重庆市发改委和水务部门建立联系，对重庆市龙溪河流域洪涝治理的工程措施进行评价；与江西省新余市水务局建立联系，评价新余市高铁新区建设对流域生态环境的影响。. 本立项所需河道地形、堤防、河湖连通及气象水文等资料都来自当地水务部门。研究针对重庆龙溪河流域及江西孔目江流域洪涝治理采取不同的工程措施，如堤防、河湖连通、湿地分洪等，并对设计方案进行评价，提出优化措施。研究结果为当地水务部门指导工程建设提供理论基础和技术支撑。结合龙溪河流域梁平县、垫江县和长寿县的社会经济情况，对龙溪河流域进行洪涝风险分析。结合新余高铁新区规划，对高铁新区的河湖连通及白云水库扩建等工程措施对减缓新余市的洪涝风险及水环境保护效果进行评价。. 在该项目的资助下，项目负责人2019年获得国家科技进步二等奖1项，2020年获得四川省科技进步奖一等奖一项，2020年申报发明专利一项。发表学术论文6篇，含2篇SCI收录论文。 培养博士生1名，硕士生2名。.