1．本课题的目的及研究意义

研究意义：

我国是拥有大面积的海洋与河流的国家，海洋与河流的资源开发与建设有利于我国的发展，而底面坡度对水沙运动、流速等都会产生重要的影响，所以研究地面坡度对一维水动力的影响有重要的意义。该问题有利于水利工程、港口建设中的水沙运动、河床变形的解决，在现实工程应用中，地面坡度的变化对明渠非恒定流的影响是一个非常重要的问题。同时，通过对该类现象的研究，能有助于我们分析底面坡度对水位、流速、流量等的分布。

研究目的：

采用一维浅水方程到底面坡度对一维水动力影响问题的数值计算过程中，分析出底面坡度对一维水动力的影响。

2．本课题的国内外的研究现状

该类问题在国内外也有不少研究，张莉等^[1]采用边界拟合坐标交换技术的研究平面二维流场，提出一种经济、有效的滑动边界处理方法提高边界的正交性，可用于拟合长江南通流域。孙广才等^[2]将笛卡尔坐标下的水动力方程转化为曲线下的水动力方程，考虑紊流的各向异性效应的影响，建立三维模型，其模型可用于模拟水利工程中的复杂边界水流的三维流场。夏云峰等^[3]利用平面曲线拟合坐标，采用动量插值计算控制体积交界面流，压力校正法得到动水压力和三维流场，建立综合的非交错曲线网格三维水流泥沙数值模型，运用该模型可以较成功模拟河道的水流泥沙运动。张明亮等^[4]分别建立一维复杂河网水动力及水质模型，能反映河网的水流流动与物质弄得输运情况，进行预测水质变量导致水环境变化；考虑温度、氮磷氧平衡子系统，建立曲线坐标系的三维水动力和水质模型，用于模拟江段的COD、氨氮的浓度和空间分布。刘元臣等^[5]说明坡度是影响坡面流水动力学特性的重要因素之一,采用变坡试验水槽在变化水深条件下模拟坡面流,用于研究7种不同坡度对水动力学特性的影响。结果表明:水力坡度、弗劳德数、雷诺数随坡度增大而增大,阻力系数随坡度增大先增大后减小;在相同坡度条件下,弗劳德数随水深增大先减小后趋于稳定,雷诺数随水深增大而增大。王龙生等^[9]得出细沟流速受细沟形态影响较大；剪切力大小受流量和坡度共同作用;雷诺数与水流剪切力呈显著正相关关系,弗洛德数与水流剪切力则呈显著负相关关系；随着距坡顶距离的增加,阻力系数呈增大趋势;阻力系数与雷诺数之间呈显著正相关关系。Junwei Zhou等^[19]基于非定常通道摩擦研究的成功结果，引入了新提出的非定常摩擦模型，以建立改进的一维流体动力学模型；此模型可在流量深度的截面平均速度模拟方面有更好的模拟，有效改善了一维水动力模型的性能。Fenocchi, Andrea等^[20]将生态系统与一维水动力学模型耦合，通过校准模型参数与采用的模式时间不确性，结合浮游植物生物量与来推测真实生态系统。

3．本课题的研究内容

本论文任务主要针对一维浅水方程，利用fortran编程，实现数值求解：

(1)收集相关文献资料，总结国内外底面坡度对一维水动力影响的发展现状，并完成外文文献翻译。

(2)采用有限差分格式,并用fortran语言实现编程，进行数值计算；

(3)将该数值方法运用到实际问题中并分析实验结果；

(4)总结研究成果，撰写出毕业论文。

4．本课题的实行方案、进度及预期效果

实行方案：

采用有限差分方法计算一维浅水方程,利用fortran语言实现其编程，设计数值实验来分析不同表面粗糙下的一维水动力的状况。

进度及预期效果：

12月21号—12月25号：查阅文献总结国内外壁面粗糙对二维水动力影响的发展现状，同时查阅英文文献，完成英文文献的翻译。

1月14号—1月24号：根据基本控制方程，完成数值计算方程的建立。

3月1号—3月19号：利用Fortran语言完成程序编写。

3月20—4月10号：完成程序调试。

4月11—4月20号：进行算例验证。

4月21—5月10号：完成毕业论文。

5、已查阅参考文献：

[1] 张莉.平面二维明渠非恒定流的数值模拟(硕士学位论文).河海大学,2007.5.30

[2] 孙广才.曲线坐标系下水动力模型的修正研究及应用（博士学位论文）.西安线理工大学,2009.12

[3] 夏云峰.曲线坐标系下水动力模型的修正研究及应用（博士学位论文）.西安线理工大学,2009.12

[4] 张明亮.河流水动力及水质模型研究（博士学位论文）.天津大学,2007.6

[5] 刘元臣;张升堂;张景洲;王浩岚;李红.底坡变化对坡面流水动力学特性影响研究.人民长江 , 2016

[6] 高素娟;王占礼;黄明斌;张宽地;刘俊娥;袁殷;陈浩.黄河中游多沙粗沙区坡面薄层水流水动力学特性.水土保持通报 , 2010,30(4)

[7] 孔达奇.考虑潮波驱动力的感潮河段一维水动力学模型研究.水电能源科学，2011.8

[8] 陈瑞祥.基于一维水动力学的水位流量关系研究.水电能源科学，2018.3

[9] 刘荣华.基于JPWSPC的河网一维水动力学模拟并计算研究.应用基础与工程科学学报，2015.2

[10] 王龙生;蔡强国;蔡崇法;孙莉英.黄土坡面发育平稳的细沟流水动力学特性.地理科学进展 , 2014

[11] 刘志武.应用一维水动力学模型预测三峡水库蓄水位.长江科学院院报，2011.8

[12] 李哲.三峡水库澎溪河（小江）回水区一维水动力特征分析.重庆大学学报：自然科学版，2012.5

[13] 张小峰.一维非恒定水动力学模型的实时洪水预报.水动力学研究与进展A辑，2005.3

[14] 李涛涛.基于一维水动力模型的天津市海河口泵站规模论证研究.海河水利，2015.5

[15] 李毓湘，逢永.珠江三角洲地区河网水动力学模型研究.水动力学研究与进展，2001.2

[16] C. W. Hirt and B. D. Nichols. Volume of Fluid(VOF) Method for the Dynamics of Free Boundaries*, Los Alamos Scientific Laboratory, Los Alamos, New Mexico 87545, 1979.1

[17] P. G. HUANG and M.A.Leschziner. An Introduction and Guide to the Computer Code TEAM,1983

[18] Kiczko, Adam and Miroslaw-Swiatek, Dorota,Impact of Uncertainty of Floodplain Digital Terrain Model on 1D Hydrodynamic Flow Calculation,WATER; OCT 2018, 10 10, 15p.

[19] Junwei Zhou and Weimin bao and Yu Li and Li Cheng and Muxi Bao,The Modified One-Dimensional Hydrodynamic Model Based on the Extended Chezy Formula,MDPI AG, 2018

[20] Fenocchi, Andrea and Rogora, Michela and Morabito, Giuseppe and Marchetto, Aldo and Sibilla, Stefano and Dresti, Claudia, Applicability of a one-dimensional coupled ecological-hydrodynamic numerical model to future projections in a very deep large lake (Lake Maggiore, Northern Italy/Southern Switzerland), Elsevier B.V, In Ecological Modelling 24 January 2019

[21] Robert Feurich and Nils Reidar B. Olsen, M.ASCE，2011 Three-Dimensional Modeling of Nonuniform Sediment Transport in an S-Shaped Channel，JOURNAL OF HYDRAULIC ENGINEERING ASCE / APRIL 2011 / 495

[22] Mehrzad Shams , Goodarz Ahmadi ,Duane H. Smith,Computational modeling of flow and sediment transportand deposition in meandering rivers,Advances in Water Resources 25 (2002)

[23] K. BLANCKAERT and H. J. De VRIEND,Secondary flow in sharp open--channel bends, Journal of Fluid Mechanics /Volume 498 / January 2004, pp 353 - 380