基于不确定性分析框架的动态环状河网水质模型——以温州市温瑞塘河为例

以温州市温瑞塘河为背景,基于不确定性分析的框架,开发了动态环状河网水质模型。用HSY(Hornberger,Spear and Young)算法作水质参数的不确定性分析,求得模型参数的空间分布,从而提高模型使用的可靠性、降低决策的风险度。模型由水量子模型及水质子模型两部分组成:水量子模型采用圣维南方程并用四级解法求解;水质子模型采用CSTR(Continuously Stirred Tank Reactor)模型的机理,并结合环状河网特征作了修正,由于只需解常微分方程,因而避免了矩阵求解,显著提高了计算效率,使得用HSY算法进行不确定性分析成为可能。模型选取温州市温瑞塘河流域的鹿城区河网进行了首次应用,用HSY算法率定水质参数并讨论了参数的不确定性。对参数率定结果进行验证,结果比较理想。最后简要讨论了参数不确定性传递。     

通量差分裂方法在一维河网模型中的应用

以通量差分裂格式离散非守恒型圣维南方程组,为保证河网整体离散形式的一致性,采用特征线方法离散边界节点,并引入限制器和熵修正使离散模型具有TVD（Total Variation Diminishing）特性,在线性隐式化的基础上最终构建基于隐式TVD类方法的一维河网水流模型。通过实例验证,表明提出的方法能处理跨临界流变化,而且在实际复杂河网中对水位及主、支河道分流比都能较好地模拟,具有一定实用性。     

复杂河网水动力数值模型

利用汊点水位预测-校正(junction-point water stage prediction and correction,JPWSPC)法处理缓流河网汊点处的回流效应,采用Preissmann格式离散Saint-Venant方程组,并采用Newton-Raphson方法求解非线性离散方程,构建了非恒定河网水动力模型.模型既无需特殊的河道编码,又避免了建立和求解总体矩阵.与常用的分级解法模型相比,保留了其既适用于树状又适用于环状河网的优点,同时克服了分级解法需要建立和求解河网总体矩阵的缺点,显著提高了稳定性和计算效率.     

洪水波分析及波型的模糊识别

一、引言圣维南方程组通常被用来描述河渠中的非恒定的流动,对应于动量方程的不同形式与连续方程的组合,则可得到动力波,惯性波、扩散波和运动波等不同洪水波模型。动量方程中保留所有的项,即得通常所说的动力波,本文称为全方程情形,亦指除惯性     

浅水湖泊平面二维水流-水质-底泥污染模型研究

从三维对流-扩散方程出发,推导包含底泥污染的水质控制方程,并与浅水流动方程耦合,建立相应的浅水湖泊平面二维水流-水质-底泥污染的数学模型。运用伽辽金加权余量法推导出数学模型方程组的有限元公式,开发了实时二维水动力、水质模型。利用模型计算玄武湖混合流、水质动态变化过程,结果与实测值较吻合,从而为浅水湖泊混合流、包含底泥污染的水质模拟提供了一种可操作的新途径。     

环状河网水质模型在水污染控制规划中的应用

结合一维圣维南方程及CSTR水质概念模型的机理,开发了平原环状河网非稳态水质模型,并用于温州市温瑞塘河水污染控制规划的编制中。模型由水文子模型和水质子模型两部分构成,描述了水体中COD、氨氮和DO浓度随时间、空间的动态变化。利用新开发的模型,采用试错法,估算了河网的水环境容量,并以此为基础确定了远、近期污染物排放控制目标;通过研究水质恢复的滞后性,提出可以采取引水冲污、人工曝气复氧等非常规措施来改善河网水质;并且利用情景分析方法,分别设定不同流量与不同开闸方式相组合的9种冲污情景,定量化探讨了引水冲污方案;根据曝气复氧对河网水质改善的作用特征,筛选出需要曝气复氧的重点河段和次重点河段。     

基于广义垂线坐标系的三维非结构数学模型及其在珠江口的应用

基于广义垂线坐标变换,构建了非结构网格的三维水动力数学模型。模型采用半隐式有限体积法对控制方程进行数值离散,其中半隐式法用于水位梯度和垂向紊动扩散以及垂向对流项的离散,显式控制体积分法用于水平对流项等的离散。广义垂线坐标系使得模型能够灵活地对垂向网格进行布置,平面非结构网格使得模型能够适应河口海岸复杂的岸线,并可对局部进行网格加密。模型通过具有解析解的风生流和异重流对模型进行检验,应用模型模拟了珠江口的三维潮流过程,计算结果与实测水文数据的比较表明,模型能够较好地模拟珠江河口的盐水楔和三维分层水动力过程。     

河道不稳定流流量的模拟计算

根据河道洪水波的传播特征，忽略圣维南方程组能量方程中的惯性项，得到计算摩尔坡度的简化方程，根据稳定断面特性对方程中的水深坡度项进行模拟计算，并采用曼宁公式由已在的水位过程模拟不稳定流的相应流量过程。     

新安江模型与水动力学模型结合修正研究

将一维圣维南方程组与新安江模型结合构成河口地区水位模拟模型.采用AR方法进行误差分析与修正.将该模型应用于曹娥江流域,综合对比分析了未考虑区间入流、考虑区间入流、考虑AR修正、同时考虑区间入流和AR修正这四种方式的计算成果.结果表明,区间入流的作用不容忽视,AR修正在一定程度上能减小区间入流计算误差的影响.     

地下水水质的数学模拟(五)——水动力弥散模型与其他水质模型

前几讲我们介绍了水动力弥散的机理、水动力弥散方程的导出及其各种解法。有了这个基础,我们就可以建立起一般的水动力弥散型的水质模型,或称对流—弥散型的水质模型。在实际应用中,为了避免确定弥散系数的困难,除了这类比较复杂的模型外,常使用比较简单的纯对流型的水质模型与集中参数型的水质模型。这一讲我们将介绍这方面的内容。 水动力弥散型的水质模型     

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。     

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。     

官厅水库水质模型研究

根据官厅水库狭长、水浅和水文、水力、水质迁移扩散等特点与河流相似的事实,采用一维St.Venant方程组模拟其水流状况;采用完全混合反应器概念模拟其水质变化,两者的藕合就构成了官厅水库的水质模型。该模型在模拟官厅水库NH₃-N浓度时空变化时,精度令人满意,并已用于官厅水库的水质预测和水质管理。     

An Integrated Approach for Realtime Floodmap Forecasting on the Belgian Meuse River

The last important floods of the Meuse river have shown the need to design powerful and real-time forecasting tools. With the support of CESAME and the department of Civil and Environmental Engineering at UCL, the Service of Hydrologic Studies (SETHY) of the Walloon Ministry of Equipment and Transport developed two models. Hydromax and Hydroaxe. These two complementary and user-friendly applications work with the data provided by the measurement network of SETHY (raingauges, water levels, discharge measurements, weir-gate positions). Hydromax produces local river flow forecasting for the main natural tributaries of the Meuse. These predictions are used by Hydroaxe to compute discharge propagation and water levels all along the Meuse. In Hydromax, the predictions are produced by a grey box model which involves two main parts. A nonlinear production function computes the effective rainfall from the mean areal rainfall. This part is based on a conceptual approach, the river basin being modelled as a reservoir. In the second part, a linear ARX (AutoRegressive model with eXtra input) transfer function (black box), describes the superficial runoff of the effective rainfall towards the watershed outlet. This transfer function is used to compute short term river flow predictions. Hydroaxe uses a Preissmann finite difference scheme to solve the Saint-Venant equations of shallow-water, completed with the Exchange Discharge Model describing the momentum exchanges between the main channel and the floodplains. The optimisation of the computation time requires a one-dimensional approach, based on a dense (1 point/m2) and accurate (15 cm in x, y, z) topography provided by SETHY and carried out through an original combination of technologies: swath bathymetry and airborne laser (Lidar). With the help of a GIS (Geographic Information System) and the DTM (Digital Terrain Model), the water levels calculated by Hydroaxe are transformed in flooded areas, fitted for an easy and fast overview of the extent of the flood event.     

基于未确知信息的河流水质模拟预测研究

基于河水流速、污染物综合衰减系数等参量信息不确定性的特点,提出了运用未确知数学理论进行河流水质模拟预测的未确知数学模型。该模型不仅能得到以区间形式表示的河流污染物预测浓度,也能获得各浓度可能值区间对应的主观可信度,这为水污染控制系统规划和水环境管理决策提供了更为丰富、科学的浓度信息。实例研究表明,运用未确知数学理论进行河流水质模拟预测,理论上是可行的,预测结果是可靠的。     

不确定性信息下的河流纳污能力计算初探

基于河流水文、水质条件等因素的变化,在考虑参量取值可信度的基础上,运用未确知数学中有关盲数理论对不确定性信息下河流纳污能力计算问题进行了探讨.并以实际水体为例,求得相应可信度水平下纳污能力的未确知期望值.研究表明,运用未确知数学计算不确定信息下河流纳污能力,理论上是可行的,计算结果是可信的.为水质管理和保护,提供了科学依据.     

Preissmann隐式格式在分汊和环状河道中的应用

环状河道在平原地区水系中非常常见,分汊河道也较常见,对这两种河道基于Preissmann格式的水流计算提出了可行的方法。对圣维南方程组进行离散后,用追赶法对各河道进行演算,由水量平衡原理对各结点进行计算,就可求得河道各断面的水流情况。用长江下游江阴至青龙港及杨林段河道的实例进行计算,取得了较为理想的效果。