河网地区洪水预报模型开发及在长江下游地区的应用

平原水网地区的洪水预报一直是水文学科的难点问题,尤其受人类活动影响剧烈。为了更好地模拟流域水文循环过程,解决工程实际应用中的挑战,提出了一种新颖的分布式架构水文模型。该模型具有分布式特征,能够根据流域特征和需求灵活选择最合适的水文特征单元进行组合,从而支持对不同水文特征单元精确化、理论化的研究。为了实现实时预报功能,还研发了数据库耦合技术、大型河网实时校正技术及水利工程调度技术。在此基础上,应用分布式架构思想建立了太湖流域模型,对其进行了概化处理,并选取2016年实况数据对模型参数进行了率定。通过对太湖水位1 d、2 d、3 d预见期的实时预报,计算成果基本能够反映平原水网地区太湖流域的水流运动实际状况。综合而言,该分布式架构水文模型方法不仅在科学性上得到验证,而且在实现技术上具有可行性,成功地解决了从理念到现实的应用实践问题,为平原水网地区洪水预报提供了新的思路和方法。

基于城市排水过程的内涝高效模拟方法

从实际城市排水过程的角度出发,提出了基于汇水单元概念的城市内涝高效模拟方法.该方法以雨篦子作为出水口来划分汇水单元,进而计算城市地表产汇流、积水深度及分布.同时,引入了当量宽度的概念,实现了明渠与有压流2种状态下管道流量和水位计算方法的统一.基于水量平衡原理,利用雨篦子耦合城市地表与地下管网,并结合孔口耦合管道与河道,构建了地表-管道-河道一体化的求解矩阵.本文将所提出的模拟方法植入成熟的太湖流域模型,并应用常州市城市产汇流与内涝试验基地的监测数据,对该方法的有效性和模型的可靠性进行了评估,以期为城市内涝模拟提供新思路.

三峡区间入库洪水实时预报系统研究

三峡区间的数字流域水系模型采用基于格网型的数字高程模型坡面流模拟方法和处理"洼地"的最短流程法构建,并以新安江模型为基础建立具有诸多特点的三峡区间流域水文模型;以水动力学理论为基础建立考虑水利工程影响的河川型水库洪水演进模型,并实现这两者的有机耦合。在GIS平台上,将三峡区间流域水文模型、库区洪水演进模型和流域水系生成模型在底层集成,研制了功能先进和完善的三峡水库实时洪水预报系统。该系统已安装在三峡总公司梯级水库调度中心,投入试运行。

基于地表-管道-河道耦合模拟的城市内涝风险评估

为评估城市排水不畅引发的内涝风险,提出地表-管道-河道耦合的城市内涝风险评估方法,建立常州市城市产汇流与内涝试验基地模型,选取不同设计降雨情景进行内涝风险模拟。结果表明:受管道埋深和排水能力的影响,检查井溢流主要发生在管道下游段;随着重现期的增大,满管流管段比例平均由72.46%上升至82.27%,溢流节点比例由1.95%上升至4.11%;尽管大部分检查井并未发生溢流冒水,研究区域内仍然存在多处内涝积水,研究区域内涝面积比例由4.31%(重现期P=5 a)上升至6.19%(P=50 a)。地表-管道-河道耦合的城市内涝风险评估方法能够更全面地反映城市内涝风险过程,可为城市内涝风险评估提供新思路。

平原区产汇流模拟

针对平原区下垫面多样变化和在分区内分布不均匀的特点,将平原区分解为水面、水田、旱地与城镇建设用地4种下垫面,分别采用不同的产流模型,根据圩区内外不同的汇流特性,分别采用不同的汇流处理模式.以太湖流域为试验区进行检验,结果表明了该模拟方法的可行性和有效性.

河道型水库动库容在实时洪水调度中的影响

采用水动力学方法建立河道型水库库区洪水演进模型,解决实时洪水调度中的动库容问题.引入动态边界条件的概念,将计算过程分为模拟计算阶段与实时预报调度阶段,在实时洪水调度过程中根据计算的不同阶段采用相应的边界条件.利用河道型水库的实际库容(动库容)按静库容曲线反推求得水库的代表水位,根据代表水位准确地计算出水库的动库容.最后以水口水库为例,分析了水库动库容对实时洪水调度的影响.

平原水文实验区(流域)的发展及应用

通过对国内平原水文实验区(流域)的发展历程进行回顾,与目前国外水文实验区观测水平和研究方向进行简要对比,总结平原水文实验区在研究和应用中取得的主要成果及遇到的问题。以在太湖流域平原的实验研究为例,分析金坛水文实验区的研究和建设过程,做出相关展望和提议,以期为未来平原水文实验区(流域)的新建、恢复和扩展提供参考。

流域洪水模拟

通过对流域水流运动规律的分析，将流域的水流概化为调蓄单元的零维模拟、河道水流的一维模拟、行洪区水流的二维模拟、联系的处理及无资料径流的处理，对各部分的特点，采用相应的数值方法，统一进行求解，即构成了流域洪水模型．最后以淮河中下游段为试验区，进行了洪水还原计算，结果令人满意。

水文模型与GIS二元结构集成方法与实现

从系统论、解析论两个角度出发,分别剖析水文模型对象与GIS对象二元结构的差异,提出在兼容现有的水文模型与GIS的基础上,以水文模型及其应用需求为主,以GIS为支撑,构建具有相同地理空间、统一数据结构的双对象结构,在双对象结构中引入共享体的概念,解决水文模型对象与GIS对象之间交互效率低的问题,实现了水文模型与GIS更加紧密的集成。

河道二维非恒定流场计算方法研究

本文提出了天然河道二维非恒定流速场计算的通用数学模型。该模型克服了天然河道边界形状复杂、长宽尺度相差悬殊以及由于水位波动引起计算边界变化等困难。本文指出了算子分裂法在实用上的局限性,它只适用流态空间变化不剧烈的情况。用本文提出的方法对长江口及苏州河口流场进行了计算,计算与实测吻合良好。

卡尔曼滤波校正技术在水动力学模型实时洪水预报中的应用

将卡尔曼滤波技术与水动力学模型实时洪水预报相结合,提出了"交替校正"方法;分别建立水位与流量的状态方程,进行交替滤波计算,较好地解决了滤波计算中不同类型状态量之间共同校正的问题.对长江干流局部河段的实例验证表明,卡尔曼滤波技术应用于单一河道水动力学模型没有破坏模型的稳定性,局部的校正对全河道具有较好的带动作用,说明卡尔曼滤波技术应用到水动力学模型的实时校正中是可行而且有效的.

分布式架构水文模型

为了更好地模拟流域水文循环过程,解决科学研究以及工程实际问题,提出分布式架构水文模型.该模型结构具有分布式特征,水文特征单元概念的引入是模型的精华所在,使得该模型在计算时可以根据流域特征和实际需要采用最合适的模块组合,综合运用已有模型的优秀成果,同时又很好地支持了对某些水文特征单元精确化、理论化的研究.分布式架构水文模型相较于其他水文模型具有更多的优点,是对未来分布式水文模型发展的一种探索.

基于卡尔曼滤波技术的河道汇流实时校正

基于卡尔曼滤波的河道汇流实时校正算法,采用非线性马斯京根矩阵解法,将河道汇流表达为一个时变线性系统,满足了卡尔曼滤波状态空间表达的要求.在进行滤波时,对系统参数矩阵的实时修正减小了河道汇流的非线性对线性滤波的影响.通过对每个子流域的“远程”和“本地”卡尔曼滤波校正,使全流域得到了全面合理的校正.提出一种新的模型噪声方差阵和量测噪声方差阵实时统计方法,该统计方法可有效地防止滤波发散现象,提高滤波预报的精度.通过在三峡区间流域上的应用,证明了基于卡尔曼滤波的河道汇流实时校正算法的有效性.

通用河网二维水流模拟模式研究

通过对流域河网二维水流模拟问题的分析,提出了一个通用化的河网二维模拟概化模式,该模式将河网二维概化为"树状"河道计算单元、"环状"河道计算单元、"十字型"河道计算单元等河网二维基本单元,对这些河道计算单元的求解,构建流域型河网一二维耦合模式的求解模型,并由此建立了通用化的河网二维水流数学模型软件系统。通过"树状"河道二维计算单元求解模型的推导与实现,验证了概化模式的可行性,表明该思路可以应用于大型流域河网一、二维水流模拟,具有很好的应用推广价值。

闽江口河网二维潮流数学模型

应用“河网正交贴体坐标”技术拟合闽江河口多汊道河网 ,将网格控制在河道有效区域内 ,使网格空间步长大大缩小 ,提高了计算的可信度 .应用“矩阵追赶法”和“非线性二维潮流模型”等求解方法 ,很好地模拟了闽江河口复杂的潮流场 ,计算时间步长可长达 1 0min .该数学模型已在闽江口等多个工程中得到应用 ,效果良好 .

GIS中矢量生成线目标缓冲区的实现

基于凸角圆弧法的思想,总结了矢量生成线目标缓冲区的几个核心问题如自相交多边形、缓冲区边界失真、不对称缓冲区的建立以及轴线自相交等,提出了针对不对称缓冲区两端的处理方法以及失真校正的一些相关算法。论述了利用该方法矢量生成线目标缓冲区的主要步骤。

基于马斯京根参数K、X的等效河道计算方法研究

河道汇流演算本质上属于水力学问题,为了简便计算发展了一系列的水文学方法,马斯京根法便是其中最经典的方法之一。本文基于马斯京根法中的参数K、X,与特征河长相结合,构建了不同类型的等效河道(矩形、抛物线型)断面下河宽、河道比降和最大水深的计算公式,并在实例中模拟出河道各断面不同时刻的水位、流速、流量等信息。通过在实际河道中验证,结果表明,该方法实现了河道大断面资料的扩充,且具有较高的精度,改进了传统的水文学河道汇流计算模式。该方法将传统水文方法与水动力方法结合起来,有利于实现少资料地区水位、流速过程模拟,为传统的马斯京根法转换为水动力模型计算提供新方法。

行蓄洪区型流域洪水模拟

本文建立了行蓄洪区型流域洪水模型．较好地解决了无资料地区径流如何流入干流以及加何将河网—维水流模拟与行蓄洪区二维水流模拟耦合统一求解的问题。模型其有稳定、通用、可移植性等特点。最后以淮河中下游段为试验区．进行了洪水还原计算．结果令人满意。

Windows环境下河网水流多线程并行计算

基于多任务Windows操作系统的线程和事件机制,利用Windows系统API函数创建多个线程,并对共享内存式的多个线程运行互斥与同步实行统一管理,从而实现了河网水流的多线程并行计算.测试结果表明,采用与CPU内核数相同的线程数进行并行计算,可以达到最佳的并行计算效果.

基于非充分掺混模式的流域来水组成模型

针对如何减小数值求解对流输运方程耗散误差的问题,引进断面计算浓度的概念来计算河段平均浓度,提出了非充分掺混模式的有限控制体积法离散对流输运方程的新算法,据此构建了模拟流域内的水源组成以及不同水源在流域内的时空变化情况的流域来水组成模型。通过数值试验与具体实例验证,结果表明所提出的非充分掺混模式的新算法可有效地提高流域来水模型的计算精度。