一种提高河道演算稳定性及计算效率的TVD格式的研究及应用

在洪水演算中,使用Muskingum-Cunge-Todini(MCT)方法进行差分求解时通常会出现非物理的振荡、负流或突变式增长等现象,将一个TVD(Total Variation Diminishig)限制器引入到MCT方法中,来保证其数值解的“总变差减小”,从而提高MCT方法的稳定性。将TVD格式以及一阶精度的MCT方法用到了XAJ-DCH模型中,相比于模型中原有的二阶精度的MCT方法,引入了TVD格式以及一阶精度的MCT方法之后出现不稳定的场次洪水明显减少,且能达到与二阶精度的MCT方法相似的模拟效果。另外,原有模型在1996060100号洪水需要时间步长为200 s才能保持稳定,由于引入TVD限制器和一阶精度的MCT方法以后,可以使用3600 s作为河道演算时间步长,而场次洪水的模拟时间可以由原来的3 min左右缩短为1 min左右,模型的模拟效率得到明显提高。

基于XAJ-DCH模型的五强溪库区洪水预报研究

由于沅水水系五强溪水库流域面积大,流量控制站少,且洪水进入库区后,洪水波的传播方式变化较大,因此五强溪水库近坝区的洪水预报难度大。为提高五强溪库区洪水预报精度,采用XAJ-DCH模型(Xin′anjiang Digital Channel Model)对近坝区2016~2020年间13场洪水进行模拟,模型河道汇流分别采用了非线性水库法和马斯京根法,根据两种汇流方法的特点制定了两种不同的洪水预报方案。模拟结果表明:XAJ-DCH模型中两种河道演算方法均表现良好且简单实用,13场洪水的确定性系数基本位于0.7以上。非线性水库方法相比于马斯京根法考虑了河段断面情况以及水力特性,能够体现洪水运动的时空变化,且只需要率定河道糙率,其他参数如河道坡降、河宽以及河段长均可根据数字高程模型进行估计;马斯京根法需要率定4个河道参数,但马斯京根法模拟结果相比于非线性水库方法稍好。研究成果可为科学有效开展库区洪水预报、提高预报精度提供参考。

新安江模型中河道汇流方法的改进

为解决子流域与网格河道之间的匹配问题,在新安江模型(XAJ)的基础上,采用考虑旁侧入流的扩散波和修正后的Muskingum-Cunge-Todini(MCT)2种演算法对河道汇流计算进行改进,建立了XAJ-DCH模型。分别采用原新安江模型的Muskingum以及XAJ-DCH模型中的MCT和扩散波演算法对呈村流域进行洪水模拟,模拟结果表明:呈村流域率定期和验证期的洪峰相对误差为-20%~20%,洪量相对误差为-10%~10%,确定性系数都大于0.7,并且3种方法的洪峰相对误差、洪量相对误差、确定性系数模拟的结果相似,从而验证了XAJ-DCH模型的合理性;相比于新安江模型,XAJ-DCH模型不仅可以用于出口站点的流量模拟,同时可以预测流域内部河道断面的水位和流量;由于汇流计算模块中引入了扩散波方法,可提高模型在地势平缓地区的预报精度。

基于自相似河网结构的河网消退系数Cs计算方法研究

新安江模型河网汇流参数Cs对洪峰模拟影响较大,目前Cs的确定需依赖于大量的历史数据,因此Cs的确定成为无资料地区和资料匮乏区水文模型应用中亟需解决的棘手问题.本文基于参数的物理意义,通过自相似河网结构的假定,构建Cs与河网形态、流域下垫面特征的相关联系,提出基于河链蓄量方程的Cs估算方法,对半干旱、半湿润和湿润地区等不同水文气象分区的11个流域的Cs值进行推算并代入新安江模型中进行模拟,经比较发现,11个流域子流域Cs计算均值与新安江模型率定结果相近,说明该Cs计算方法是合理的.选取陈河、屯溪两个典型流域研究单元流域属性对Cs的影响,由结果可以看出Cs与流域面积、河链数、河宽呈正相关,与单元流域距离出口的远近呈负相关,这表明流域分块后各单元流域Cs值不一致,而新安江模型中采用相同Cs值对不同单元进行调节必然会造成汇流计算的误差.为进一步提高该方法在无资料地区的应用效果,将新安江模型汇流模块修改为每个单元使用对应的Cs计算值进行滞后演算,以陈河和屯溪流域为例采用新安江模型Cs率定值、Cs计算均值以及修改后新安江模型3种不同方案进行模拟比较,从模拟结果可以得出,修改后的模型具有明显优势,将模型参数与下垫面条件建立了联系,模型物理机制提高且参数的独立性增强,对于新安江模型在无资料地区的应用具有重要的指导意义.

河道汇流演算方法对比分析与研究

分别采用分段马斯京根法、反映河道断面形状和水力特性的变动参数Muskingum-Cunge(MC)演算法和Muskingum-Cunge-Todini(MCT)可变参数法对沅水流域沅陵站—王家河站河段进行河道汇流演算,探讨了具有分布式参数的演算方法在实际河道的应用效果。结果表明,分段马斯京根法、MC演算法、MCT可变参数法均较好地模拟出洪水在河道的推移与坦化,模拟精度较高,且MC演算法和MCT可变参数法的确定性系数相对分段马斯京根法精度更高且更为稳定;MC演算法和MCT可变参数法对分段马斯京根法参数特性进行了较好的改进,并且MCT可变参数法解决了MC演算法蓄量和稳态不一致的问题。总体上看,3种方法对于洪水预报具有较强的适应性和可靠性,为实时洪水预报提供了新方法。