三门峡水库控制运用方式的优化探讨

三门峡水库“蓄清排浑”运用为多沙河流的治理提供了宝贵经验,随着来水来沙情况的变化及对水库功能需求和对水库泥沙冲淤规律认识的深化,该运行方式亦在实践中不断调整和完善。为此,针对不同的典型年份设定集中敞泄与分段敞泄的敞泄排沙方案,采用一维非恒定水沙数学模型,对选取的2018~2019年丰水少沙年和2014~2016年枯水少沙年设定12种控制运用方案进行模拟,比较各方案下库区冲淤变化的优劣,据此选取适合三门峡水库的控制运用方式。结果表明,2018~2019年分段敞泄方案的冲刷效果优于集中敞泄方案,即使在后汛期的控制水位抬高至310 m,也能达到较好的冲刷效果;2014~2016年分段敞泄方案虽优于集中敞泄方案,但其冲刷主要集中于2014年汛期,2015、2016年整体呈淤积状态,综合考虑建议枯水少沙年份水库采用“泥沙年际调节”运用模式。

黄河水沙冰凌输移模型库和标准构建及模拟系统研发与应用

1研究背景,黄河水沙关系不协调,水沙冰凌输移过程复杂,是世界上最复杂难治的河流。在黄河流域生态保护和高质量发展战略背景下,支撑黄河流域规划编制、防汛方案比选、预案制定、实时调度、效果评估的量化手段和应用服务不够完善,主要表现在以下四个方面:数学模型及系统平台建设缺少统一的发展规划,软件化程度不高;尽管世界上已开发出FLUENT、MIKE、DELFT-3D等软件系统,但仅适于低含沙河流,适用于黄河高含沙水流的模型研发相对滞后;模型研发过程控制主观随意性大,缺少量化评价指标体系;不同来源的模型无法集成耦合与标准化复用,缺少高效的统一集成运行平台。因此,亟须面向治黄实践中具体业务的专业模型及系统支撑平台,以提升重大治黄决策的科学化和智能化水平。

基于社会经济指标的城市洪水韧性评估算法——以郑州市黄科苑小区为例

为更好的应对城市超标准洪水,开展城市洪水韧性建设十分必要。构建合理有效的城市洪水韧性评价体系是城市洪水韧性建设的重点和难点。提出一套城市洪水韧性建设评价算法,以郑州市金水区黄科苑小区为例,综合考虑社会经济因素,选取脆弱性人口、车辆、电网三种韧性评价指标开展城市洪水韧性建设评价。结论如下:研究区城市洪水韧性最低点在洪水历时的第32小时;实施城市洪水韧性措施后,在同等强度洪水下城市洪水韧性由原来的0.58提升至0.65,有效提高了城市洪水韧性,也缩短了城市恢复正常功能的进程。该套城市洪水韧性建设评估算法可为量化城市洪水韧性水平提供支撑。

基于暴雨衰减特性的江苏镇江市综合暴雨公式研究

推求不同历时的暴雨强度公式是城市防洪排涝规划设计的重要基础性工作。利用江苏镇江市丹徒气象站1981—2016年逐分钟实测降雨资料,分析暴雨强度随暴雨历时变化关系,基于暴雨衰减规律,推求单一重现期的暴雨强度公式,并借鉴雨力公式编制不同重现期的长历时综合暴雨强度公式。结果表明,不同重现期1~24 h历时区间的暴雨衰减指数约为0.683;综合暴雨强度公式可推求历时1~24 h、重现期2~100 a的设计暴雨,平均相对均方根误差、平均绝对均方根误差分别为3.874%、0.025 mm/min,满足规范要求。研究成果可为江苏镇江市构建排水防洪除涝一体化管控系统与推动海绵城市建设提供基础支撑。

二维洪水模型时间序列数据的网络可视化

二维洪水演进模型的计算成果主要包括洪水淹没水深、流速等,是分析评估洪水灾情的重要技术依据。二维洪水模型的计算成果具有很强的时空分布的特点,同时涉及到矢量和标量数据,其网络可视化一直是计算水动力学领域的热点和难点问题。设计了洪水淹没模型从模型计算到数据发布和可视化的系统架构,以ArcGIS API for JavaScript为开发接口,实现了洪水最大淹没水深的网络可视化,水深时间序列数据的网络查询与可视化,以及洪水淹没范围随时间变化的显示。该网络可视化架构应用于黄河下游小浪底至河口河段,应用结果表明该系统查询效率高,可视化效果明显,丰富了二维洪水模型成果表达的实现方式。

面向对象的黄河水沙数据模型设计与应用

从数据模型的角度研究了二维水沙数值模拟计算的数据管理,分析了参与二维水沙数值模型计算的数据种类,采用面向对象的数据建模方法定义了各种数据的属性、方法及其相互关系,设计了适应黄河下游河流数值模拟特征的水流泥沙数据模型,并利用Visio工具和ArcObjects组件将数据模型应用于二维水沙数学模型的数据管理与可视化。数据模型的建立理清了二维水沙模型数据间的关系,实现了水流泥沙数据共享管理,为Access、SQL Server等数据库提供了统一的数据访问接口,有效地减少了数据储存冗余,有助于提高科学计算的可视化程度。

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。

小浪底水库运用前后黄河下游河道河型变化及成因分析

利用实测资料分析、理论判别和分形维数计算等方法,以黄河下游铁谢—伊洛河口、花园口—黑岗口和夹河滩—高村三个典型游荡性河段为研究对象,分析其1960年以来的主流摆幅、弯曲系数和主河槽宽深比等河势参数变化,以及小浪底水库修建前后下游游荡性河段的河型演化过程。结果表明,自20世纪90年代初,除花园口—黑岗口河段仍表现为游荡河性外,其他两个河段因整治工程不断完善其游荡性均有明显减弱,河型趋于限制性弯曲方向发展。自1999年10月小浪底水库拦沙运用以来,三个研究河段的整体游荡程度显著减弱,河势趋于规划流路方向发展,特别是夹河滩—高村河段河势基本稳定。小浪底水库长期下泄低含沙小流量过程,水流动力减弱,加之不断完善的河道整治工程,是河势游荡程度显著减小、河势归顺及河型发生变化的主要原因。

基于曲面内插技术的数字地形生成原理及应用

本文以黄河下游实测大断面数据为基础数据,结合卫星图像、遥感图像数据判断河道主流线、滩槽分界线、水边线及控导工程,在此基础上完成断面曲面内插。利用河道实测大断面高程及下游关键控制点的水位流量关系数据推求内插断面的高程数据,快速生成整个下游河道的数字地形不规则三角网。以黄河下游花园口至利津河段为例详述了黄河下游河道数字地形生成的原理及实现。生成的地形数据与实测数据相比较,在河槽高程、河槽形态及河槽面积上均吻合较好,能满足生产中对地形数据精度的需要。

基于GIS的黄河下游二维水沙数学模型可视化构件设计

黄河下游数学模型可视化需要大量的区域空间信息,GIS的发展为黄河下游数学模型可视化提供了强大的技术支撑。从实现黄河下游数学模型与GIS耦合集成及其系统可视化的目的出发,介绍了系统的总体设计、主要功能,包括人机交互界面、为数学模型提供空间数据以及实现数学模型仿真模拟等。在VB6. 0、GIS数据库等专业技术软件的支持下开发了基于GIS的黄河下游数学模型可视化系统,实现了水文、泥沙、河道等模型数据的输入输出、可视化网格生成以及洪水演进、河床演变的仿真模拟等。系统不仅为二维数学模型提供了可视化平台,而且为分析、认识河床演变和泥沙运动规律提供了帮助。

低含沙条件下黄河下游花园口河段床面形态研究

采用多波束测深系统对低含沙条件下黄河下游花园口河段床面形态进行观测,分析床面形态特征及变化规律。2016—2018年6—8月在花园口河段主槽范围内观测得到不同流量条件下长度为2.4~3.7 km、宽度为65~120 m的三维床面地形数据。经分析,低含沙条件下花园口河段床面表现为波长差异较大的两级沙垄叠加而成的复合沙垄形态。一级沙垄波长均值范围为388~955 m,波高均值范围为1.47~3.03 m,迎水面波长占比均值范围为0.43~0.68,背水面倾角均值范围为0.26°~0.77°;二级沙垄波长均值范围为4.71~9.18 m,波高均值范围为0.24~0.55 m,迎水面波长占比均值范围为0.51~0.57,背水面倾角均值范围为7.51°~14.59°。一级沙垄和二级沙垄几何特征值之间的关系相似,波高与波长呈正相关关系,迎水面波长占比与波长没有明显的趋势性关系,背水面倾角与波长呈负相关关系,但对于一级沙垄,波长大于500 m时背水面倾角与波长不再有趋势性关系。在观测流量范围内一级沙垄波长、波高、迎水面波长占比、背水面倾角都随流量增大先增大后减小,拐点出现在流量为1500 m^(3)/s时;二级沙垄波长、波高、背水面倾角都随流量增大而增大,流量超过1500 m^(3)/s时不再有趋势性变化。

系统仿真技术在“数字黄河”工程建设中的应用

介绍了系统仿真技术的定义、分类,以及在水利水电工程设计与施工、水环境管理等方面的应用情况。结合"数字黄河"工程的建设目标,分析了系统仿真技术在黄河流域防汛抗旱综合决策和指挥、流域综合规划、河道整治工程以及水利水电工程施工中应用的可能性。

基于ArcGIS Server的黄河数学模型发布平台研究

基于ArcGIS Server开发了分布式数学模型公共后处理平台,以Web服务方式耦合发布各类图层数据,可便捷地在线展示数学模型计算成果。同时,利用VTK组件实现了数学模型计算结果的动态渲染,把复杂的数字表现形式转化成为便于领导决策的可视化动态表现形式,将传统面向科研人员的单机数学模型后处理系统转向为领导决策服务的网络发布平台。

元胞自动机在河道演变模拟中的应用

对元胞模型在河道演变模拟方面的研究进展及应用情况进行了分析。结果表明:利用元胞自动机来模拟河道演变时基本以长时间尺度为主,阐述河道演变的现象及发展机理,但对于短时期的精确模拟,目前还不适用;为使元胞自动机能够精确模拟河道演变,必须对元胞自动机进行改进,尤其是分水输沙法则以及元胞的网格划分,须根据实际情况的复杂程度进行确定。

黄河下游河道主槽地形生成方法及应用

黄河下游河道是随着来水来沙不断发生冲淤变化的,特别是主槽变化剧烈、河势变化快。为了观测黄河下游河道冲淤变化情况,一般每年汛前汛后进行大断面观测。由于观测大断面布设间距一般较大,因此要获取每年河道主槽地形是很困难的。根据河道观测大断面资料、河势图及主槽主流线,通过内插断面和地形概化生成的河道主槽地形,在河槽高程、河槽形态及河槽面积上均与实际地形较吻合,能满足黄河二维水沙数学模型计算对地形概化的需要。

基于生态径流指标的黄河上游贵德站水文情势变化研究

黄河上游不同时间尺度的生态水文情势变化程度是研究黄河治理方略、重要水利工程布局及联合调度管理的前提和基础。为此,提出了基于流量过程线的月、季、年3种时间尺度的生态盈余和生态赤字计算方法,并评估了各时间尺度的生态风险,形成了一套多时间尺度的河流生态水文情势变化评估方法。将其用于黄河上游贵德站,评估了龙羊峡水库在建库前后的生态水文情势变化。结果表明:该计算方法克服了通过月累加计算季、年尺度生态风险不真实的问题,贵德站9月和夏季的生态径流指标变化明显,9月的生态赤字相比建库前增大了537.3%,夏季的生态赤字增大了412.8%,建议河流管理部门重点关注这两个时段的水文情势变化,有针对性地采取生态调度措施。

东平湖蓄滞洪区分洪过程数值模拟

东平湖蓄滞洪区是黄河下游的重要分滞洪工程,承担分滞黄河洪水和调蓄汶河洪水任务,是解决黄河、汶河洪水对山东黄河艾山以下河段威胁的关键工程。通过黄河数学模拟系统对东平湖蓄滞洪区洪水演进进行了数值模拟,并将计算结果导入黄河数学模拟系统平台,直观显示洪水淹没全过程、淹没水深、淹没历时,实现洪水演进全过程的可视化动态仿真和信息管理。

基于GIS的二维水沙数据的管理及可视化研究

从数据模型的角度,研究了平面二维水沙数值模拟计算的数据管理,分析了参与平面二维水沙数值模型计算的数据种类,采用面向对象数据建模的方法,定义了各种数据的属性、方法及其相互关系,提出了能适应黄河下游河流数值模型特征的水流泥沙数据模型。

二维水沙数据的管理——以黄河下游为例

以黄河下游河段为例,介绍了二维水沙数据预处理的方法,提出了基于GIS的面向对象的数据管理模型,最后通过一些基于空间数据的核心操作介绍了模型管理的主要功能。

基于ArcGIS Server的水动力流速场网络可视化

传统的流速场网络可视化通常将流速场数据转化为GIS支持的图层,其缺点是前处理工作量很大,且可视化效果并不理想。在Arc GIS Server平台上,扩展了Arc Objects组件,定义了流速场Web服务组件,实现了流速场数据的网络可视化,并应用于山东东平湖蓄滞洪区风险图展示系统。结果表明,该方法能将流速场信息直接发布到网络浏览器中,既提高了流速场的可视化效率又增强了可视化效果。