长江中游洞庭湖防洪系统水流模拟——Ⅱ．模型实现和率定检验

在长江中游洞庭湖防洪系统水流模拟模型的建模思路和基本算法的基础上,侧重讨论建模过程中遇到的内、外边界条件的特殊处理、洪水实时预报校正模型的应用、资料处理和模型数据的拟定等重要环节,强调了有关处理及其与模型基本算法的磨合在复杂水流模型中的重要作用.采用80年代两场实测洪水对所建模型进行了率定和检验.结果表明,所建模型清晰地重现了长江中游--洞庭湖区的洪水动态演进过程,得到了总体趋势合理的水位分布和流速或流量分布;模拟的控制站水位、流量过程与实况比较,峰谷完全对应,过程吻合良好,精度满足防洪预报和分析的要求,能够较好地模拟洪水波在这样复杂水系中的水流特征.     

水位演算模型及其在水位预报中的应用

将单一河道洪水演算系统视为单输入一单输出系统,基于时间序列分析中的ＡＲＭＡＶ（２,１）模型,应用时间序列分析最优控制理论建立了水位演算模型和水位预报方法。证明若采用水位作变量,则可采用无约束的最优化方法确定参数;若采用水深作变量,则可采用以水量平衡为约束的寻优方法确定参数。本文所建立的水位预报方法用于黄河下游水位预报,得到了满意的预报精度。     

河道洪水实时概率预报模型与应用

通过数据同化方法合理地将实时水文观测数据融入到洪水预报模型中,可提高洪水预报模型的实时性和精确度。选取沿程断面流量、水位和糙率系数作为代表水流状态的基本粒子,以监测断面实测水位数据作为观测信息,建立了基于粒子滤波数据同化算法的河道洪水实时概率预报模型。模型应用于黄河中下游河道洪水预报计算的结果表明,采用粒子滤波方法同化观测水位后,不仅可以直接校正水位,同时也可以有效地校正流量和糙率,为未来时刻模型预报计算提供更准确的水流初始条件和糙率取值区间,进而有效地提高模型预报结果的精度,给出合理的概率预报区间。不同预报期的预报结果表明,随着预报期的增长,同化效果减弱,模型预报结果的精度会有所降低,水位概率预报结果受粒子间糙率不同的影响不确定性增加,而流量概率预报结果受给定模型边界条件的影响不确定性降低。所提出模型可以有效同化真实水位观测数据,适合应用于实际的洪水预报工作中。     

分洪道扩挖工程对马汊河防洪影响的数值模拟研究

对马汊河分洪道扩挖工程前后的水流流态进行数值模拟,并选取2010年和2015年的实测流量、流速和水位等资料对模型进行验证,研究马汊河扩挖工程对河道水流流态的影响。结果表明,扩挖工程实施后河道水位较工程前有所降低,中游段雍水情况得以解决,河道流速、流量和过流能力都增大,有效提高了河道的泄洪能力。研究结果对马汊河以及滁河的防洪具有重要的理论及现实意义,也可为其他河道的扩挖工程提供重要的借鉴。     

基于多松弛格子玻尔兹曼的弯道水流三维数值模拟

为研究弯道水流现象并且拓展格子玻尔兹曼(Lattice Boltzmann Method,LBM)在水利工程领域的应用,建立了弯道水流的三维多松弛LBM演进模型,其中包括水流自由表面模拟、弯曲固壁边界处理以及紊流模型耦合求解等关键技术。应用该模型模拟研究了不同流量下U型弯道的水流状态,得到了水位、最大水深平均流速以及紊动能等参数的分布规律。分析和实践表明,该模型能较好地模拟三维弯道水流现象。     

基于神经网络理论的河道水情预报模型

河道水流运动过程特别是洪水演进过程是一个复杂的非线性动力学过程,鉴于神经网络具有很强的处理大规模复杂非线性动力学系统的能力,本文将神经网络理论用于河道水情预报的研究,以期识别水流运动变化过程与其影响因子之间的复杂非线性关系,为河道水情预报提供了一条新的途径。在此基础上建立了螺山站洪水预报的非线性动力学模型,通过分析研究得出近年来特别是1998年长江中游出现的小流量高水位现象与螺山汉口河段累计淤积有关并得到螺山站水位变化与河床淤积之间的定量关系。     

论单值化与特征线法

一、前言洪水期间,河道的水流属不稳定流,即流量、流速和过水面积随空间和时间而变化,以式表之为:Q=Q(L,t)、V=V(L,t)、A=A(L,t)。就固定地点而言,也就是水位流量关系成绳套形。在山丘区,河道坡降陡峻,水位流量关系的绳套狭窄,尚没有超过流速仪     

BP神经网络洪水预报模型在洪水预报系统中的应用

采用相关分析法,在区域降水、观测断面流量(或水位)因子中识别出影响预报断面径流过程的主要变量,在多个观测断面的数据均为流量情况下,采用基于时延组合的合成流量为影响预报断面径流过程的变量,采用自相关分析法,识别出影响预报断面径流过程的前期流量(或水位),以这些变量为BP神经网络模型的输入,以预报断面的流量(或水位)为模型的输出,在BP神经网络隐层节点数自动优选的基础上,构建了基于BP神经网络的洪水预报模型。将模型载入中国洪水预报系统中,应用结果表明:模型在历史洪水训练样本具有一定代表性的情况下,可获得较高的预报精度。     

三峡水库蓄水初期寸滩站洪水预报方法研究

寸滩站作为长江上游重要控制站,承担着上游防汛和三峡蓄水的双重任务。基于三峡蓄水初期寸滩站水力学特性发生改变和该时段“高水位、低流量”现象,发现Q≤25 000 m3/s时,寸滩受顶托显著,Z—Q关系线发生“左偏”。在此变化条件下,分别研究了平水期、涨水期的水位、流量预报方法,即先由河道演算的流量查询预报综合线得到水位预报,进而通过水位反查报汛综合线（或绳套、临时关系线）获得流量预报。平水期,依适用条件采用落差指数或多元门限回归开展预报,成果基本能够满足防汛和蓄水需求;涨水期,以“嘉陵江2021年第3号洪水”寸滩预报为例,分析了洪水组成、Z—Q关系绳套化、洪峰水位流量错时出现、水库实时调度和下游顶托等多种因素,采用多源、多尺度水文气象耦合与预报调度一体化辅以主客观融合的人工校正技术实时预警预报,支撑长江上游水库群联合调度,降低寸滩水位约1～2.5 m。研究可为长江上游秋汛防洪和保障三峡蓄水提供支撑。     

水力因素法在线推流模型研发与应用

防洪抢险水情信息服务对河道水位流量要素的实时性要求越来越高,有必要研究河道在线推流方法.H-ADCP已经投入一些应用,侧扫雷达和视频监测方法也在进行比测试验.从驱动河道水流运动的动力要素出发,建立水位、涨落率和落差水力因素与断面流量的关系模型.通过在线推流这些易得的综合水文要素信息,使用模型可以推算出断面实时流量过程....     

山区河流平面二维流场的数值模拟

针对山区河流边界地形复杂、水位及流速变化剧烈的特点,用"混合五对角法"建立平面二维数学模型并求解,进行水位和流速的数值模拟.利用嘉陵江重庆金刚碑-朝阳桥河段地形及5个横断面的水位和水深平均流速资料对此模型进行了验证,模型快速、准确地再现了该河段的水位和水深平均流速情况.     

长江中游瓦口子至马家咀河段二维水沙数学模型

针对长江中游瓦口子至马家咀河段(弯曲分汊河段)的水沙运动特点,给出了二维水沙数学模型尤其是推移质不平衡输沙计算的模式,主要包括推移质不平衡输沙方程、床沙级配方程、河床变形方程;对模型中的几个关键问题提出了处理方法,如非均匀沙起动及输移规律、床面混合层厚度等.利用大量的水流及河床变形资料,率定了模型的一些参数,进行了水面线、流速分布及河床变形的详细验证.在此基础上,根据设计部门提供的进出口水沙边界条件,预测了三峡工程蓄水初期该河段的冲淤过程与分布及航道条件的变化.     

ADCP measured flow current of the middle-lower Changjiang River channel

The water column flow velocity of 36 river sections in the river reach between Hankou (Wuhan) and Wuxue of the middle-lower Changjiang River. Their cross sectional distribution patterns in relation to the river channel morphologies were examined by using ship-mounted ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler) instrument. The results indicate four (I-VI) types of river channel morphology associated flow patterns: I—laterally deepening riverbed topographic pattern; II—symmetrical to asymmetrical riverbed topographic pattern; III—relative flat riverbed topographic pattern, and IV—sandbar supported riverbed topographic pattern. All these correspond to the different patterns of flow velocity distribution. The maximum flow velocity is usually related to the deeper water depth, but irregular water column distribution of flow current velocity results often from the vortices’ current associated with river knots. Deeper river water depth is usually identified in the river reach located slightly downstream to the river knot, where faster flow velocity occurs. Downward change in flow velocity fits semi-log law, showing an exponential decreasing flow current with the maximum flow velocity near the water surface. However, in the river reach near the river knots, the water column distribution of flow current velocity does not fit the semi-log law, showing the irregular flow current pattern. This study, in context of river catchment management, highlights the controls of riverbed morphology to the flow current structure, which will shed light on the post study of Three Gorges damming in 2009.     

长江与嘉陵江交汇区水流结构的数值模拟

针对天然河流交汇区域复杂的地形条件及水流运动特性,采用水气两相流三维数值模型,对长江与嘉陵江交汇区水流运动进行深入研究,分析了交汇区域分离区、剪切层、流速场及螺旋度的变化特性。研究结果表明:长江与嘉陵江交汇的水流分离区形状受地形影响明显,随着水位的增加向右岸移动,剪切层整体呈一个扭曲的曲面;干支流原有的环流在交汇之后重新汇合,左岸未出现明显的环流,右岸逆时针的环流有减弱趋势,交汇区域纵向流速呈现高速与低速带分布特征。此外,长江和嘉陵江在交汇口下游螺旋度呈现左侧为负、右侧为正的对称分布,水流结构表现出逐渐形成双螺旋流的趋势,其中左侧的螺旋流逆时针运动,右侧的螺旋流顺时针运动。     

山东烟台夹河中、下游地区海水入侵三维水质数值模拟研究

建立了三维变密度对流弥散水质数学模型来研究山东省烟台夹河中、下游地区咸淡水界面的运移规律。以四面体为基本离散单元 ,推导出三维海水入侵变密度水质模型求解的数值方法 ,其中水流方程求解时运用了迦辽金有限单元法。溶质运移方程求解时运用了欧拉拉格朗日混合方法 ,将对流项与弥散项分离 ,用传统迦辽金有限元方法求解弥散项 ;采用自适应MOC MMOC法求解对流项 ,以消除人工过量和数值弥散。根据地下水的潮汐效应观测信息 ,确定了含水系统的海底延伸边界 ;利用该地区地下水水头及水质长观资料识别了模型的水文地质参数 ,探讨了夹河地区海水入侵的原因 :认为夹河下游地区滨海地带地下水过量开采是造成烟台地区海水入侵的主要原因。此外 ,海水随潮定期地倒灌进入夹河 ,通过局部岩性天窗侵入淡水含水层加剧了沿夹河河床两侧地下水的咸化。同时还预测了几种情况下地下水的水质演化趋势 ,为防止和减轻夹河地区海水入侵提供合理、科学的依据。     

袁河流域水环境容量分析的设计水文条件计算

设计水文条件是流域水环境容量分析的重要前提,然而在一些小流域,水文站点相对较少,给设计水文条件计算带来一定难度。本文采用区域化方法,以袁河流域为例,根据其现有的水文站及其毗邻锦江流域水文站的水文资料采用一元线性函数建立了设计流量和集水面积的关系,采用幂指函数Y=aQb分别建立了流量与流速、平均水深及河宽的关系。根据建立的模型对袁河流域各控制断面的设计流量、设计流速、平均水深及河宽进行了计算,从而为水文站较少流域设计水文条件的计算提供了范例。     

基于水动力学模型的沿海城市洪水实时演进模拟

为了准确分析洪涝灾害对防洪体系现状的影响，做出相应的防洪减灾措施，以浙江省台州市灵江下游流域为研究区域，构建了基于Saint-Venant方程的水动力学耦合模型，对河道溃决洪水过程进行实时仿真模拟。综合考虑研究区域地形、气象、水文资料、水利工程、下垫面条件等因素，在一维河网模型和二维水动力学模型耦合衔接中，最大程度还原真实地形中河槽内外的水流交互淹没，借助研究区域内典型台风暴雨资料，率定验证本文建立的一维-二维耦合水动力学模型，检验后的模型可实现灵江下游沿岸城市不同量级设计洪水及历史洪水的实时淹没过程模拟。模型计算结果表明，该模型模拟复杂地形条件情况下流域洪水实时演进过程达到了较高精度，在水系沿程典型断面水位计算值与实测值误差不超过0.1 m。     

黄河河口段一维水流泥沙数学模型

针对黄河河口段河道来水来沙特性和河道冲淤演变特点,综合考虑了断面上水沙分布和冲淤分布不均匀,阻力变化、河口三角洲淤积延伸等问题,建立了黄河利津以下河口段一维水流泥沙数学模型。用该模型对多年汛期和冬季河口段内水沙进行验证计算表明:计算结果与实测结果基本吻合。本模型可用来预测河口段内沿程不同时刻水位、含沙量及河床冲淤的变化过程。     

长江下游典型平原城市感潮河网水动力提升分析

通常平原城市河网水动力条件较差,加快水体更新、增强水体的流动性可改善河网水环境质量。以长江下游典型平原城市启东市为例,充分利用河道天然潮动力条件,建立河网水动力学模型,通过数值模拟试验,量化分析优化水系格局、工程布局和调度方式对河网水体流动性的改善程度。结果表明：在最不利潮汐条件下,优化方案可将河网的全历时生态流速达标率由52.3%提升至94.2%,最大瞬时生态流速达标率由42.6%提升至85.0%,区域生态流速持续度达91.8%,同时还可节约67.5%的引调水量;改善水系格局、优化河网控制工程布局及其调度方案可以减少域外引水,同时显著增加河网水流更新速率,降低污染物滞留时间,从而改善水环境。该方法可为提升平原城市感潮河网水环境质量提供新手段。