黄河数学模拟系统建设

简要回顾了黄河数学模拟系统的建设思路、技术路线,从系统规划、模型研发、标准评测、系统集成、超算中心建设、生产应用等6个方面阐述了黄河数学模拟系统的建设进展,总结了系统建设的四大特点。面向"数字黄河"向"智慧黄河"升级发展的新要求,今后一个时期要加强已开发模型的应用和关键技术研究、研制三维径流-潮流-波流-泥沙-水环境模型和区域自然-经济-社会复合系统动力学模型、建设"智慧黄河"示范区等三项重点工作。     

黄河数学模拟系统建设规划

为推动“数字黄河”工程深度发展,开展“数字黄河”工程黄河数学模拟系统建设规划,明确“十二五”期间黄河数学模拟系统建设目标与原则,设计模拟系统总体结构,提出面向防汛减灾、水资源管理与调度、水资源保护、水土保持、流域规划等业务亟待建设的模型及集成实现工作,明确支撑系统的模型不确定性及评价、复杂数据高效存取及其仿真可视化、协调大尺度和跨学科模型集成及云服务、卡尔曼滤波法和三维／四维变分同化,以及水循环及其多物质输移过程模拟等关键技术。     

2009年黄河数学模拟系统研发计划初步拟定

“以六大黄河数学模拟系统为工作重点。科学设置系统研发目标。并将其作为黄委当前和今后一个时期科学研究的龙头”,这是此次黄河数学模拟系统研发工作汇报会上初步拟定的2009年黄河数学模拟系统研发工作计划的主要内容。     

黄河内蒙古段冰情预报系统的开发

为了预报黄河内蒙古段的流凌和封开河日期,以多元线性回归理论与人工神经网络理论为基础,设计开发了黄河内蒙古段冰情预报系统预报内蒙古段各个站点的流凌和封开河日期。选用黄河内蒙古段水文、气象和冰情信息建立数据库,应用ADO OLEDB技术调用数据库,建立符合相关性要求的人工神经网络模型和多元线性回归模型,从而实现预报识别检验。使用2003—2004年度至2007—2008年度5年的资料进行预报检验,并与实际开河日期对比分析,预报结果合格率为80%和67.7%,分别达到甲等和丙等预报精度,表明系统可以应用于黄河内蒙古段的冰情预报。     

黄河凌情预报研究与防凌需求

根据黄河历史凌灾情况和近十几年凌情特点,总结了黄河防凌减灾工作的重要性,阐述了凌情预报对防凌减灾决策的技术支撑作用;在此基础上,结合黄河凌情预报技术现状和防凌减灾技术发展趋势,提出未来黄河防凌决策对凌情预报的技术需求,建议在连续河道地形测量、河道冰凌观测和变动河床冰凌过程研究的基础上,将水文热力学预报模型与冰水动力学模拟模型相结合,建成黄河宁蒙河段冰凌预报模型系统,实现黄河宁蒙河段冰凌过程的连续滚动模拟和预报,更好地为黄河防凌决策提供技术支持。     

“数字黄河”工程建设的现状与未来发展

经过10年的研究和开发,数字黄河工程的信息基础设施、应用服务平台、应用系统已初步建成。信息基础设施主要包括通信传输、计算机网络、数据采集、数据存储管理、高性能计算平台等;应用服务平台由部署在黄委信息中心、水文局、水资源保护局等的节点构成;业务应用系统主要包括防汛减灾、水资源管理与调度、水资源保护、水土保持生态环境监测、工程建设与管理、电子政务等系统。未来5～10年数字黄河工程的发展重点是:加强通信网络及信息安全建设、完善数据采集体系和存储管理与共享体系、建设黄河数学模拟系统、完善业务应用系统、建立综合决策会商及应急响应指挥系统、完善保障环境等。     

黄河近期主要科技进展与需求

凝练了近期黄河水利科技的主要进展:①防洪减灾方面,主要包括基于卫星的黄河流域水监测和河流预报系统、游荡型河道整治理论与技术、水下根石探测技术、移动式不抢险潜坝技术、堤防安全与病害防治技术、宁蒙河段冰凌观测技术等;②水沙调控方面,主要包括调水调沙理论与实践、小浪底水库拦沙后期运行方式、水沙调控体系联合调控技术等;③水资源管理与调度方面,主要包括黄河水资源统一管理与调度、水权转换理论与实践等;④水资源保护方面,主要包括黄河流域生态保护目标及生态需水、高含沙环境下水污染物迁移转化过程及预报技术等;⑤水土保持方面,主要包括黄河中游多沙粗沙区域界定及产输规律、黄河多沙粗沙区分布式土壤流失评价预测模拟技术、水保措施作用机理及其优化配置等。同时,在黄河健康生命指标体系、数学模拟系统建设、实体模型理论与技术等方面取得了突破性进展。剖析了未来一个时期黄河治理开发、保护与管理面临的新问题,提出了黄河健康生命维持和流域经济社会可持续协调发展的科技需求,主要包括:①黄河水沙情势变化过程及趋势预测;②流域水沙调控理论与技术;③支撑最严格的水资源管理技术;④黄河泥沙处理与资源利用技术;⑤黄河下游河道改造与滩区治理;⑥黄土高原治理关键技术;⑦古贤水利枢纽和南水北调西线重大技术;⑧河流自然过程-生态环境过程-经济社会过程耦合的黄河数学模拟系统建设等工作。     

小花间暴雨洪水预警预报系统建设

小浪底一花园口区间是黄河中游重要的暴雨中心之一，建设小花间暴雨洪水预警预报系统十分必要。该系统建设由水文测验设施建设、水情信息采集传输系统建设、气象水文预报系统建设、预警预报中心建设4个部分组成。建设目标是基本实现小花间水文测报自动化，达到缩短测验历时0．5～l小时、3～5分钟内收齐区域水情信息、花园口洪水警报预报预见期超过30小时、预报精度明显提高的目的。     

黄河水量调度径流预报方法研究

介绍了服务于黄河水量调度的中长期径流预报技术方法、主要模型、预报系统及应用情况,并对未来黄河流域径流预报发展方向进行展望。黄河中长期径流预报模型从每个控制站点水文序列的影响因子和自身演变规律出发,根据各站点不同时期、不同影响因素,选择适当的统计方法分别建立。非汛期径流预报模型主要以前期径流、降水为预报因子,采用多元回归分析、门限回归分析和时间序列分析等方法建立;汛期径流受降雨影响强烈,流域降水主要受大气环流等因子影响,因此从前期环流因子中挑选预报因子,建立了汛期径流预报模型;天然径流量预报模型主要采用实测径流还原、时间序列分析及大气海洋物理因子相关等方法建立。黄河中长期径流预报模型及预报系统的建立,提高了黄河流域径流预报技术水平和能力,在1999—2018年20 a的水量调度中,提供了准确的年度水量预报和旬月径流预报,其中每年10月中下旬发布的花园口站年度天然径流总量预报平均误差为3.7%,最小预报误差为0.6%。     

黄河兰州水文站逐日流量过程预报模型研究

通过多输入单输出模型和考虑系统蓄水变量的多输入单输出模型,对黄河兰州水文站逐日流量过程进行了建模与试预报。结果表明:黄河兰州水文站逐日流量过程可根据干流小川水文站和支流民和、享堂水文站的逐日流量进行建模预报;经拟合期和试报期验证,模型的预报效果较好,且考虑系统蓄水变量的多输入单输出模型的预报效果要好于多输入单输出模型的;预报过程中个别点误差较大的主要原因是采用逐日流量进行预报,预报时段偏长。     

黄河上游河道一维河道水温模型和经验公式法对比

为对比不同方法在黄河上游水温模拟中的适用性,分别用一维河道水温模型和经验公式法(四次多项式、三次多项式和幂函数)对兰州以上的黄河上游干支流共8个主要水文站日平均水温和月平均水温进行模拟,并采用平均绝对误差、均方根误差和纳什系数对模拟的精度进行检验。结果表明:四次多项式在黄河干流(除黄河沿站)日平均水温模拟中精度最高,幂函数在支流湟水的日平均水温模拟中精度最高;四次多项式适合黄河干流水文站的月平均水温模拟,幂函数更适合于支流湟水的月平均水温模拟;经验公式法在黄河干流日平均水温模拟中精度高于一维河道水温模型,更适合黄河上游干流段的日平均水温模拟。     

黄河调水调沙

黄河以其多泥沙,河道善淤、善决、善徒,而著称于世,被认为是世界上最复杂,最难治理的河流。黄河泥沙主要来自黄土高原的土壤侵蚀,黄河下游河道淤积的主要原因在于“水少沙多,水沙不平衡”。按照黄河下游河道冲淤规律,只要把进入黄河下游河道的不平衡的水沙关系调节为相协调的水沙关系,完全可以使黄河下游河道实现不淤积,黄河首次调水调沙试验达到了预期的目的,通过这次试验,积累了对黄河测验的海量数据（520万组）,加深了对黄河河床演变及水沙规律的认识,为今后建立更加符合原型黄河实际的数学模型和实体模型提供了极其重要的物理参数。     

黄河流域水土资源联合配置技术框架

黄河流域生态保护和高质量发展上升为重大国家战略,对黄河流域水土资源配置提出了新要求。随着气候变化和人类活动的影响,黄河流域面临水资源总量不足、水土资源空间不匹配、水沙异源和生态用水用地矛盾突出等问题。在分析黄河流域水土资源所面临问题及成因的基础上,以山水林田湖草整体保护、系统修复和综合治理为导向,基于已有水土资源要素数据和精密监测获取的数据,识别黄河流域水土资源演变规律及生态关键阈值,构建基于水土资源高效利用与保护的黄河流域水土资源联合配置模型。本研究旨在规范黄河流域水土资源开发,为黄河流域生态保护和高质量发展提供技术支撑。     

A Semi-Distributed Monthly Water Balance Model and its Application in a Climate Change Impact Study in the Middle and Lower Yellow River Basin

Abstract

Human activities and climatic change have greatly impacted hydrological cycles and water resources planning in the Yellow River basin. In order to assess these impacts, a semi-distributed monthly water balance model was proposed and developed to simulate and predict the hydrological processes in the middle and lower Yellow River basin. GIS techniques were used as a tool to analyze topography, river networks, land-use, human activities, vegetation, and soil characteristics. The model parameters were calibrated in 35 gauged sub-basins in the middle Yellow River, and then the relationships between the model parameters and the basin physical characteristics were established. A parameterization scheme was developed in which the model parameters were estimated for each grid element by regression and optimization methods. Based on the different outputs of general circulation models (GCMs) and regional climate models (RCMs), the sensitivities to global warming of hydrology and water resources for the Yellow River basin were studied. The proposed models are capable of producing both the magnitude and timing of runoff and water resources conditions. The runoffs are found to be very sensitive to temperature increases and rainfall decreases. Results of the study also indicated that runoff is more sensitive to variation in precipitation than to increase in temperature. The additional uncertainty of climate change has posed a challenge to the existing water resources management practices, and the integration of water resources management will be necessary to enhance the water use efficiency in the Yellow River basin.     

引黄济津河道水质数值模拟与预测

依据连续性方程、动量方程、自由表面方程、状态方程和水质输运方程,采用有限差分法,建立河道垂向二维水动力水质模型。根据2000-2001年第6次引黄数据资料对水质模型进行调试,建立引黄济津调水工程水质模型。利用已建立的模型,对2002-2003年第7次引黄河道水质进行了预测,并将预测结果与实测数据进行比较,预测结果与实测结果基本一致,表明该模型能较好地预测引黄济津河道水质状况。同时,根据污染物浓度峰值的变化情况,分析了污染物的输移扩散及降解转化规律。     

黄河下游河道平衡输沙的沙量阈值研究

考虑黄河未来可能的水资源条件,以及生态保护、经济社会发展多目标对水量年内过程分布需求,根据黄河下游水沙资料、河道冲淤资料,采用实测资料分析、公式计算、数学模型模拟等多种方法研究了有利于黄河下游河流生态良性维持的平衡输沙的沙量阈值。未来进入黄河下游的年来水量为250亿m~3左右,实测资料分析和公式计算表明,未来较小的平衡输沙阈值为2.0～2.2亿t。数学模型计算在小浪底水库等现有工程联合调控作用下黄河下游平衡输沙的临界沙量为2.5亿t。中游古贤水库建成后和小浪底水库联合调度,可以进一步提高汛期的输沙效率,平衡输沙的沙量阈值可进一步提高。研究成果对黄河下游治理具有重要意义,可为黄河泥沙处置措施优化提供技术支撑。     

黄河下游引黄灌溉发展的战略转变及方向

本文对黄河下游现行的几种引黄灌溉模式进行了系统、全面的科学总结，首次提出了以当地水资源的合理开发利用为标准，将引黄灌溉模式概括为补源灌溉和非补源灌溉两大类，并对引黄补源灌溉的概念做了新的界定。这一新概念的提出，为今后黄河下游引黄灌溉的战略转变澄清了思想和理论上的障碍。明确提出黄河下游黄灌溉战略转变的方向是大力发展引黄补源灌溉，全面阐述了实行这种战略转变的客观必然性。     

黄河水土保持生态工程科学试验系统研究

黄河中游水土保持生态工程科学试验系统建设是一项长期性的基础工作,涉及到水土保持试验研究的长远总体规划和对科学试验系统在宏观布 局上的调整与完善,关系到黄河水土保持生态环境工程和“三条黄河”工程建设的顺利实施,针对现状和存在问题,从原型研究和模型研究两个基本方向上提出了建立中心实验室和完善原有试验基地的科学试验系统布局方案,中心实验室的重点是单元模型实验,小流域模型实验和植物组培实验,试验基地以水土流失监测和水土保持技术试验为主。     

黄河流域与水有关生态补偿框架的探讨

分析黄河流域生态补偿的现状,探讨黄河流域生态补偿类型与重点领域,认为黄河流域生态补偿重点领域包括三江源(黄河源)水源涵养与保护区、水土保持、跨省(区)界水污染、重大工程建设项目、饮用水源区、黄河下游滩区,详细叙述了黄河流域与水有关生态补偿基本框架,建议加强黄河流域生态补偿机制基础研究与重点领域案例研究。     

建设"三条黄河"

为做到“堤防不决口,河道不断流,水质不超标,河床不抬高”,实现黄河长治久安,新时期的黄河治理开发和管理应着力建设“三条黄河”,即“原型黄河”,“数字黄河”和模型黄河”。“原型黄河”指现实中的黄河;“数字黄河”是“原型黄河”的虚拟对照体,“模型黄河”是按一定比例缩小的“原型黄河”。“三条黄河”的建设相互关联,互为作用,要建设“三条黄河”,必须搞好规划,引进技术,培养人才。