太湖流域洪水过程水文-水力学耦合模拟

太湖流域洪水灾害日趋频繁、洪灾损失越来越大.针对太湖流域河网水系复杂等特点,本文将流域分为山区和平原区,分别构建分布式水文模型VIC和水力学模型ISIS.其中,上游山区划分为9个子流域,19个流量节点,构建了太湖流域山区分布式VIC水文模型,为平原区ISIS模型提供山区边界入流;平原区河网概化为795条河道和2 394个河道断面植入ISIS模型.选取1999年大洪水为典型,对所建水文-水力学耦合模型进行验证.结果表明:VIC模型在上游山区适用性较好,湖西和浙西山区总水量的模拟相对误差分别为9.73%和-11.18%,N-S效率系数达到0.81和0.72,ISIS模型模拟的6个站点汛期最高水位与实测值的绝对误差大多控制在±10cm以内,模拟的各站峰现时间也与实测值基本吻合,平均误差为2d,基本可以满足平原河网地区洪水模拟的精度要求.     

太湖流域产汇流模拟

太湖流域河网密布,湖汊遍布。本文结合传统的水文方法开发了适用于平原河网地区的产、汇流模型。在太湖流域的水量和水质计算中证明该模型是十分成功的。     

黄河中下游水库-河道-滩区水沙模拟系统的构建与应用

库区减淤和坝下游河道防洪是黄河中下游洪水管理需要统筹考虑的目标,为此建立了能够实现库区、下游河道和滩区联合模拟的水沙模拟系统.该系统由一维水库、一维河道、二维滩区3个子模型和水库调度模块组成.其中水库模型通过浑水明流与异重流控制方程的交替求解模拟异重流的形成、传播与出库过程.模拟系统中采用的控制方程充分考虑了水沙输移与河床变形之间的耦合作用,数值方法主要采用了具有激波捕捉能力的有限体积法,水库调度模块可以对多种调度模式自定义组合.模拟系统给出的2012年黄河调水调沙过程中小浪底库区水位变化,异重流演进,下游水文断面含沙量变化等计算结果与实测过程符合较好.通过坝下游一维河道模型和二维滩区模型的联合模拟,分析了兰考东明滩区漫滩洪水过程中植被阻力对演进速度和冲淤分布的影响.最后采用该系统模拟了小浪底水库运用条件下"1958"型洪水的演进过程,在防洪调度规则下小浪底水库最大下泄流量约9 000m~3/s,花园口洪峰流量削减了3 982m~3/s,库区及坝下游累计淤积量分别为3. 68×10~8t和1. 33×10~8t.因此该模拟系统可以为黄河中游水库优化调度,下游河道防洪工程建设以及蓄滞洪区运用提供科学依据.     

三门峡-小浪底区间分布式水文模型构建

依据从DEM中提取的汇流网、水流路径长度和坡度等流域特征,建立了适合于黄河三门峡—小浪底区间水文过程的松散耦合型分布式水文模型．该模型用Horton下渗曲线进行单元网格的产流计算,用各产流单元的汇流时间和线性水库相结合的方法模拟洪水过程中的洪峰平移和坦化现象．对研究区域11场洪水过程的模拟结果显示,该模型基本上能将洪水总量、洪峰流量和峰现时间的误差控制在许可误差内。     

长江四大家鱼产卵场栖息地适宜度模拟

在四大家鱼栖息地适宜度方程的基础上,结合一维水动力学模型,建立四大家鱼栖息地适宜度模型,模拟和预测不同河流水文情景下,家鱼产卵场的适宜程度.耦合描述四大家鱼对栖息地选择特性的适宜度方程和一维分汇流数学模型,建立了四大家鱼栖息地适宜度模型.利用实测资料对模型进行了验证,结果表明模型合理,能够用来模拟和预测不同水文条件下家鱼的栖息地适宜度.模型对宜昌至城陵矶河段不同水文条件作用下四大家鱼产卵场的栖息地适合程度进行了预测,计算结果对维持稳定的家鱼产卵场的水利工程优化调度有一定的参考价值.     

苏州河干流防洪水位的数值计算

利用一维河网模型系统MIKE11建立苏州河水系水文模型和河网水动力模型,模型率定结果表明,干流模拟水位与实测结果非常吻合,所建模型可以准确反映苏州河水系的水动力条件.考虑上游洪水位、区间暴雨和下游高潮位遭遇的不利组合,进行苏州河干流最高防洪水位的数值计算,计算结果可为苏州河环境综合整治二期工程———防汛墙的改造提供科学依据.     

平原区河网水流计算校正模型

为提高平原河网水流计算的精度,针对其中交错相连的复杂河网水流运动以及测点又相对较少的情况,提出以环状河网节点水位三级解法为基础、河段方程系数为载体的平原河网校正模型.将观测位置上的模型系统误差校正信息由测点向河网其他断面传播,修正相邻河道断面的水位、流量预报值.选择长江澄通段河网进行实例分析,选用2004年9月的水文资料进行演算.结果表明,该方法能在一定空间范围内有效地传播误差修正量,对提高河网水流预报精度具有实用意义.     

平原河网城市水资源综合规划防洪校核研究

为了研究城市水资源综合规划中各类涉水规划对防洪的影响,分析了平原河网区城市的洪涝特性及洪涝灾害形成原因,提出了适用于平原河网区城市水资源综合规划的防洪安全校核计算方法.以太仓市水资源综合规划防洪安全校核计算为实例,根据该市土地利用特点和下垫面特性,分别建立相应的产汇流模型,计算不同规划条件下的河网洪水位,计算结果可以为制定满足太仓市防洪安全要求的水资源综合规划方案提供依据.     

飞来峡水库入库洪水计算模型探讨

在分析北江流域暴雨洪水特性的基础上,针对飞来峡水库流域洪水的特点和复杂性,采用水文学和水力学相结合的方法,构建了飞来峡水库入库洪水计算的耦合模型,整个模型由区间洪水计算的流域水文模型和河网水力学数学模型组成,模型的计算结果表明,洪水模拟与实测过程拟合较好,精度较高.其成果可作为飞来峡水库入库洪水分析和水库动库调洪计算的基础,为水库防洪调度的设计提供依据.在流域洪水模拟的过程中,采用了移用邻近参证流域资料进行水文参数率定和降雨径流模拟,取得了满意的结果,对无资料区间的洪水计算进行了有益的尝试.     

珠江三角州河网与伶仃洋一、三维水动力学模型联解研究

建立了珠江三角州河网区一维非恒定流水动力学数学模型,并根据实测资料对模型进行了率定验证：利用伶仃洋水域三维水动力学模型的研究成果,采用时段交替法对一、三维模型进行了耦合计算;利用1978年7月在珠江三角州河网区和伶仃洋区同步实测的水文资料对耦合模型的计算结果进行率定验证,结果表明,模型计算值无论在珠江三角州河网区、交接断面以及伶仃洋区均与实测资料吻合较好,该模型可用来描述珠江三角州河网区和伶仃洋区的水动力学过程．     

受潮汐影响的闸控河网水质的模拟

以河道法为基础建立水动力学计算模块,模块集成了产流、汇流模型,包括了多种闸门运行控制方式的模拟.以美国国家环保局(EPA)的水质模型(WASP6)为基础建立了考虑水质主要指标CODCr,NH3-N,BOD5和DO及点污染源和面污染源的水质计算模块.该耦合模型水量和水质同时耦联计算,特别适宜于受潮汐影响的河网水质的模拟.模型利用上海市青浦、松江区河网实测资料进行了验证,CODCr的计算误差在-25%~18%之间,NH3-N的计算误差在-14%~20%之间.考虑到实测数据的误差,模型水质计算的精度完全满足工程计算精度的要求.该耦合模型可以用于受潮汐影响的闸控河网水质的模拟.     

支流洪水组合对干流区域的致灾影响模拟分析

为了探究不同支流洪水组合对干流区域的致灾影响,构建了一二维耦合水动力模型并进行验证.采用耦合模型分别对理想Y型流域和宁波市海曙区三江口区域进行建模,模拟了不同峰现时差的支流洪水过程,选取了干流洪峰流量、积水量、淹没面积、最大淹没水深和最大漫出距离5个指标来反映洪水在干流区域的致灾情况.研究结果表明：(1)所构建的一二维耦合模型可以较好地反映一维河道和二维地表的水量交换过程;(2)在理想算例中,随着支流洪水峰现时差的增加,洪水对干流区域的致灾情况明显减轻,所选取的5个指标分别削减了1.52%～22.34%、5.70%～75.48%、8.49%～97.60%、1.88%～36.45%和2.03%～37.56%;(3)随着余姚江和奉化江洪水峰现时差的增加,甬江区域受洪水的影响明显下降,所选取的5个指标分别削减了10.03%～21.47%、52.28%～94.16%、56.05%～97.55%、11.69%～28.46%和29.21%～76.64%.以期该研究为平原河网区域的防洪工作开展提供参考.     

平原河网地区SWAT模型子流域概化方法

针对平原河网地区SWAT模型子流域概化过程中存在的主要问题:1)基于DEM提取的河道和流域与实际不符;2)平原河网地区河道常分汊或呈网状,使SWAT模型无法识别;3)水利工程影响汇流过程,分别提出了相应的解决方案:1)基于高程值对原始DEM进行修正或人工绘制河道和子流域;2)将分汊河道处理成跨流域调水或对网状河流进行合理概化;3)人工划定子流域和增设虚拟水库.该方法在案例研究区的应用结果表明子流域概化结果比较符合平原河网地区实际水文过程,能够满足后续模型构建和应用的要求.     

基于混合智能算法的三峡水库汛限水位动态控制研究

为充分发挥三峡水库的防洪兴利效益,利用水文、气象预报,实施动态汛限水位控制运行具有重要的意义.考虑调度期实时防洪风险约束,建立实时调度与汛限水位动态控制模型,设计混合智能算法,对模型进行优化求解.利用宜昌站汛期实测日流量资料进行模拟调度,得到汛限水位动态控制结果.结果表明,汛限水位动态控制能权衡防洪风险与兴利关系,在一定条件下,适当提高水库运行水位,可以在保证防洪标准不变的前提下较大幅度提高水库的兴利效益.     

河网水动力及综合水质模型的研究

采用Preissmann 4点隐式差分格式离散一维圣维南方程组,应用三级联解法求解河网水动力数学模型。基于河道-节点-河道算法的河网水质模型的求解特点,在WASP的水质模型理论基础上,建立了河网非稳态水动力综合生态水质数学模型,考虑了多个污染物变量的耦合计算、变量之间的相互转化和迁移。利用模型对4个河网算例进行验证。验证表明,水位和流量过程计算值与实测值吻合很好,各水质变量的计算值和实测值也符合较好,可见模型是合理可靠的,为河网的水质预测和管理提供了一个较为简便实用的工具。     

渠网恒定流及非恒定流数学模型的研究及应用

从求解一维圣维南方程组的Preissmann 4点隐式差分格式出发, 建立了一维河网及渠网数学模型,并对计算中所涉及的一些关键技术 问题进行了较为详细的阐述。利用模型对树状渠网的恒定流及复杂的环状渠网和河网的非恒定流对模型进行验证。验证结果表明,水位和流量 过程计算值与Islam的计算值吻合较好,各渠道的流量分配计算结果精度也较高,为河网及渠网的水量调度提供了一个较为简便实用的工具,为 建立渠网及河网的综合水质生态数学模型打下基础。     

平原河网地区闸泵群联合调度水环境模拟

为探索闸泵联合调度对水环境的改善作用,以苏州城市中心区为研究对象,基于实测数据构建河网一维水动力-水质数值模型,模拟了45个关键水工调控工程;对污染源做了详细的分类计算,采用实测水质资料对模型进行验证。利用该模型研究了平水年现状调度方案下的水质变化规律,结果表明,CODCr和NH+4-N质量浓度变化与水位呈负相关,且枯水期水质呈现西北好东南差的特点。针对此特点,提出利用城市中心区闸泵群对西塘河引水量进行再分配,作为枯水期水质改善的调度方案,模拟结果表明,在新的调度方案下,大部分区域的水质都能达到更优一级的标准,各站点的污染物浓度都有大幅减少,最多减少了49.7%。     

新安江模型与衰减记忆最小二乘法耦合洪水模型的应用

利用新安江模型进行流域产流计算,采用扩散波方程推得的汇流状态方程描述流域汇流过程,由衰减记忆递推最小二乘法实现参数估计实时化,从而使新安江模型与衰减记忆递推最小二乘法耦合,实现洪水实时预报。利用耦合模型对矶头水库76场入库洪水进行模拟,模拟结果表明,耦合模型适合中小水库入库洪水实时预报,预报精度比独立使用新安江模型得到了大大的提高。     

流溪河模型I：原理与方法

 提出了一个流域洪水预报的分布式物理水文模型——流溪河模型。模型分成流域划分、蒸散发计算、产流计算、汇流计算、参数推求5个模块。流域划分模块将一个研究流域沿水平方向划分成一系列的单元,沿垂直方向划分成植被覆盖层、地表层和地下层;蒸散发计算模块根据单元流域上的降雨量及土壤前期湿润指标,计算确定各个单元流域上的蒸散发量;产流计算模块根据单元流域上的降雨量、蒸散发量,计算确定各个单元流域上的产流量,并划分成地表径流、壤中流和地下径流。地表径流根据蓄满产流模式计算,壤中流则根据Campbell公式计算;汇流计算模块将地表径流汇流分成边坡汇流、河道汇流和水库汇流三种类型,对各单元流域上产生的径流量进行逐单元的汇流计算;参数推求模块将模型参数分成不可调参数和可调参数,对不可调参数根据DEM直接计算,对可调参数提出一个逐步迭代求精的过程对参数进行调整。流溪河模型还提出了一整套基于DEM及遥感影像对流域进行单元划分及对河道单元断面尺寸进行估算的方法,解决了目前在大部分流域不能应用分布式物理水文模型的难题。     

碧流河水库下游河道的现状防洪能力

针对缺乏实测流量资料的水库下游河道,利用一维河网模型系统MIKE11,采用多种工况组合,模拟计算并分析了碧流河水库下游河道主要断面的现状防洪能力。建模过程考虑水库调度与潮位等因素的影响:使用水库下游河道最新实测断面数据与网上遥感数据,参考设计资料,并结合计算经验综合确定计算模型参数。研究成果可为碧流河水库及其下游河道组成的联合调度系统提供决策支持。