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。     

组件式流域模拟模型集成技术进展及发展趋势

组件技术与计算机技术相结合能克服传统建模方式难以解决大规模系统模拟集成的缺陷,可有效促进流域模拟模型集成的发展。为此,从模型组件化的可移植性、灵活性、扩展性、与第三方软件集成等方面分析了组件技术在流域模型集成中的重要作用,分析了国内外组件式流域模拟模型集成技术的发展现状,进而提出国内流域模拟模型集成系统存在的问题。最后,从数字流域模型平台化、基于云计算模式的模型集成、模型应用的组件化等方面,探讨了流域模拟模型集成系统的发展趋势。     

平原区河段洪水演进模拟系统研究与应用

基于数字流域平台和水力学模型软件HEC-RAS,研究了河道和行蓄洪区地形数据的处理、分洪口门和水利工程的模拟等技术难题,提出了上下游边界条件、初始条件的自动生成方法,模拟河道和行蓄洪区的洪水演进,研制了平原区河段洪水演进模拟系统,模拟河道洪水波在行蓄洪区各种工况条件下的运动过程。该模拟系统应用于流域洪水实时预报调度,评价行蓄洪区启用对洪水过程的影响,为流域防洪调度决策提供定量技术支持。在淮河流域王家坝至临淮岗区间,利用2007年7月份流域性大洪水期间的报汛数据系列,对本文提出的模拟系统进行了率定和验证,并评价了6种洪水调度方案的效果。结果表明系统中非恒定流模型的数值解稳定,模拟的洪水过程与实测系列吻合,客观地反映了研究区域洪水运动过程和行蓄洪区启用对该过程的影响,准确地评价了流域洪水调度方案的效果。     

盐湖流域空-天-地立体监测系统结合VIC模型径流模拟初探

盐湖流域属于无资料地区且基础资料稀缺,使用传统方法开展水文模拟存在困难。为了研究盐湖流域生态环境、水文气象等变化,综合利用卫星遥感、无人船等技术,建立盐湖流域空-天-地立体监测系统,构建盐湖水位-面积-容积关系曲线,并通过月尺度遥感数据解译了盐湖月尺度湖泊面积,推算了盐湖蓄变量和盐湖入湖月尺度径流量。通过收集并整理中国区域地面气象要素驱动数据集CMFD和MODIS LAI叶面积指数等数据,构建了基于多源数据的VIC模型,开展盐湖流域湖泊径流模拟研究。结果表明,盐湖流域径流模拟纳什系数NSE和相对误差分别为 0.87和11.81%,表现出实际径流的丰枯变化情况。盐湖流域空-天-地立体监测系统结合VIC模型能够模拟盐湖流域的月尺度径流变化过程,对无资料区域河湖水文模拟具有一定参考意义。     

安澜模拟系统的构建与应用

我国水动力软件的系统性、集成性、通用性、界面以及开发工具、平台、数据库等方面与国外存在较大差距,严重制约了研究成果向应用转化和推广。鉴于此,构建了安澜模拟系统,该系统是一个跨尺度复合维度水沙生境模拟系统,集成了数据库、前处理、求解器和后处理等四大模块,实现了基于GIS平台的数据库管理、项目管理、网格/断面剖分和虚拟现实成果展示,集成了1/2/3维水沙、水质和水生态数学模块,尤其是在水沙数学模型中,不仅有传统水沙数学模型,还提供了两相浑水模型可供选择,强化了四大功能模块间工作流,使得模拟工作得以标准化、流程化、系统化。基于安澜模拟系统对长江-洞庭湖区域的水文地形数据、模型、项目方案进行规范化管理,对计算结果进行直观展示,计算值与实测数据符合较好。     

基于数据同化校正参数的河流磷迁移估计研究

通过磷迁移数学模型合理估计磷在河流中的时空分布,对防治水体富营养化,抑制水华暴发具有重要的科学和工程意义。数据同化方法可以将模型和观测两种研究手段有机地结合起来,将观测数据融入模型,优化模型状态变量,校正模型参数,进而提高数学模型的模拟预报精度,并依托物联网技术将传统数学模型发展为实时数学模型。本文将粒子滤波数据同化算法引入到水动力-泥沙-磷迁移模型中,以实测的断面磷含量作为观测数据,在观测时刻优化磷含量估计结果,同时校正模型参数磷相平衡分配系数Kd,构建了水动力-泥沙-磷迁移模型同化系统。将其应用于长江上游寸滩至坝前河段的计算结果表明,所构建的同化系统在真实的河流中计算效果良好,可以有效地优化更新状态变量各相磷含量浓度,并反演出模型参数Kd随水沙水环境条件变化的动态变化过程,同化之后模型模拟预报磷输移过程的精度显著提升,为水质实时模型打下基础。     

数据同化对流域蒸散发过程模拟的影响研究

为研究数据同化系统对流域水文过程模拟特别是蒸散发模拟的矫正情况,构建一种基于时变增益水文模型和遥感蒸散发的确定性集合卡尔曼滤波同化系统。参照流域出口流量和子流域蒸散发观测分析水文过程的模拟精度。在时间过程和空间分布上探求流域蒸散发的模拟精度、变化过程和同化校准效应。结果表明,经过数据同化,时变增益水文模型的模拟精度在纳西效率系数和水量平衡系数2个指标上都得到提高;子流域尺度上蒸散发精度也得到改善。进一步分析发现,数据同化对极端气候和人类用水影响明显下的水文模拟实现了较为显著的修正。该方法具有潜在的实用价值,可作为水文过程模拟的备选工具。     

基于统计仿真和数据同化的流域水文过程模拟

针对模型参数率定计算负荷量和优化性能问题,以沙河流域为研究区域,基于分布式时变增益水文模型,通过PSUADE平台提供的响应曲面参数优化方法,结合误差纠偏的集合卡尔曼滤波数据同化算法,实现水文模拟的综合优化。利用流域出口流量观测作为验证数据,以纳西效率系数和水量平衡系数及其综合函数作为评价目标,借鉴响应曲面方法生成水文模型的统计仿真代理模型,对模型参数进行敏感性分析并缩小取值范围,利用全局优化方法实现参数率定。基于遥感蒸散发观测、借助集合卡尔曼滤波算法,进行水文模型的数据同化,实现流域径流过程模拟的有效校正。结果显示:借助统计仿真方法降低了参数率定的计算消耗;利用数据同化调整了模型模拟的轨迹,验证期水量平衡系数、纳西效率系数、综合评价指标分别达到1.102、0.798、0.152,整体径流模拟效果较好,蒸散发模拟结果同样得到改善。     

三峡库区水环境模型系统构建

流域水环境受地形、气象、水文和社会经济等诸多方面的因素影响,其模拟分析是当前的研究热点也是一大难点。基于流域水循环机理,通过识别污染物主要来源和迁移途径,对流域及其内部发生的复杂污染过程定量化描述,构建了包含陆地模型、三维水动力模型和水质水生态模型的空-地-水一体化水环境模型体系,实现了大流域尺度水环境系统的高效模拟。通过模型条件节点和应用节点的协调运作,提升了水环境自动监控能力,实现了对全流域水环境状况实时模拟预测的业务化运行和突发事故的快速预警。将系统应用于三峡库区,验证了模型的有效性。研究成果可以为三峡库区的水环境管理提供可靠的技术支撑,对保障三峡库区水环境安全具有十分重要的现实意义。     

金沙江下游流域生态环境管理与分析评价系统建设

针对金沙江下游流域生态环境管理信息利用和信息服务能力不足的问题,设计并开发了流域生态环境管理与分析评价系统。系统基于物联网、地理信息系统、分布式文件存储、系统集成等技术,以及当前主流的SSM(Spring+SpringMVC+Mybatis)为核心的技术架构,实现了对金沙江下游流域生态环境管理信息和监测数据的统一储存、管理和分析评价。系统采用半紧密式集成方式集成功能强大、源代码开放的EFDC模型,将水质、水温模拟推演核心计算模型和信息系统串连起来,实现金沙江下游流域水库水质、水温模型的联机在线运算。系统的应用将辅助科学、高效开展金沙江下游流域环保部门生态环境管理工作。     

淮河流域洪水预报系统的模型集成研究

根据淮河流域洪水特征和水系构成,分析了水文学与水力学模型在洪水过程、洪水要素和空间范围方面的集成方式,并且介绍了两种模型针对淮河流域特点所采用的关键技术方法.为实现两种模型的充分集成,采用了数据 - 模型 - 应用3层结构的总体集成框架,通过模型应用过程的模块化处理和数据有效交换,建立了集模拟、率定和预报功能于一体的综合计算平台.本文所建立的集成模型采用长系列实测资料进行了参数率定和模型验证,应用结果表明建立的集成模型具有较高的计算精度.     

基于SOA的云计算流域模拟模型集成架构的研究

针对现有流域模型集成系统接口不统一,系统与模型之间集成困难,缺乏通用性和可扩展性等问题,采用SOA与云计算技术,构建了一个开放的、可扩展的、可共享的水利模拟模型集成架构。在该架构中,借鉴SOA的设计思想,将云服务系统的各项业务分解为颗粒度不同的服务,各子功能封装为标准的web服务。采用SOA典型的模块性特征,将流域模拟模型的集成架构分为客户端、云服务平台、云计算应用程序接口层、模型管理服务层、云服务管理层、物理资源层,使得集成模型的各应用系统的服务来源于各层。该架构增强了水利专业模型平台的开放性、用户交互性以及平台的通用性。     

基于流域系统的三维地形建模

三维地形建模是虚拟现实技术的基础.对于流域内具有海量数据特征的地形,如何构建既能提供良好视觉效果,又有较高渲染效率的三维地形是建模的关键.现以“数字珠江三维系统”的构建为例,通过多比例尺地形嵌套建模的方法,有效解决了海量地形数据实时显示问题,同时阐述了无缝嵌套方法生成具有高度真实感的三维地形的步骤,为流域三维地形生成提供了解决方案.     

基于SODA方法的HyMOD模型不确定性分析

为了改进水文建模过程中的不确定性处理,采用一种融合全局优化和数据同化(Simultaneous Optimization and Data Assimilation, SODA)的混合框架,对HyMOD模型进行了不确定性分析,并与经典SCEM-UA方法进行了比较。SODA方法具有如下特点①具备较高的参数搜索效率和寻优能力;②明确考虑包括输入、输出、参数以及模型结构在内的重要不确定性来源。SODA方法在渭河流域的实例应用结果表明与SCEM-UA方法相比,SODA方法不仅显著提高了预报精度,而且推求出了性质更为优良的预报区间。SODA方法的成功应用,有助于模型概念的改进及对水文系统功能的理解。     

An integrated measurement and modeling methodology for estuarine water quality management

This paper describes research undertaken by the authors to develop an integrated measurement and modeling methodology for water quality management of estuaries. The approach developed utilizes modeling and measurement results in a synergistic manner. Modeling results were initially used to inform the field campaign of appropriate sampling locations and times, and field data were used to develop accurate models.Remote sensing techniques were used to capture data for both model development and model validation. Field surveys were undertaken to provide model initial conditions through data assimilation and determine nutrient fluxes into the model domain. From field data, salinity relationships were developed with various water quality parameters, and relationships between chlorophyll a concentrations, transparency, and light attenuation were also developed. These relationships proved to be invaluable in model development, particularly in modeling the growth and decay of chlorophyll a. Cork Harbour, an estuary that regularly experiences summer algal blooms due to anthropogenic sources of nutrients,was used as a case study to develop the methodology. The integration of remote sensing, conventional fieldwork, and modeling is one of the novel aspects of this research and the approach developed has widespread applicability.     

基于DWSM的流域水沙模拟计算系统的构建与应用

采用模块化开发方法构建基于分布式水文模型DWSM的流域水沙模拟计算系统,用以研究宁夏和内蒙黄河段(下河沿至头道拐)流域的产流产沙情况及水沙输移规律。该系统主要针对黄河上游宁蒙河段及其相关流域,借助DWSM模型在流域计算模拟方面的优点,系统集成数据库模块、河网提取模块、DWSM伺服模块、DWSM模型模块以及水文成果对比与显示模块等主要功能模块并调节计算参数。在介绍系统框架结构、模型原理和计算流程的基础上,采用宁蒙河段的实测资料对其进行应用验证。计算分析结果表明,所构建的宁蒙黄河流域水沙模拟计算系统在该区域具有较好的适用性。     

建设“数字黄河”工程

“数字黄河”工程是借助全数字摄影测量，遥测，遥感（RS）、地理信息系统（GIS），全球定位系统（GPS）等现代化手段及传统手段采集基础数据，通过微波，超短波，光缆，卫星等快捷传输方式，对黄河流域及其相关地区的自然，经济，社会等要素构建一体化的数字集成平台和虚拟环境。在这一平台和环境中，以功能强大的系统软件与数学模型对黄河治理开发和管理的各种方案进行模拟，分析和研究，并在可视化的条件下提供决策支持，增强决策的科学性和预见性。建设“数字黄河”工程，是实现黄河治理开发和管理现代化的关键途径，包括数据采集，数据传输，数据存储及处理，数学模拟和决策支持5个环节，以及防汛减灾，水量调度，水质监控，水土流失治理与监测，水利工程运行与管理，电子政务，黄河网等7方面的内容。“数字黄河”工程的基础平台包括通信网络，计算机网络和基础数据库。要保证“数字黄河”工程的顺利实施，必须统一组织，做好规划，确保投入，应用牵引。     

水文河道地形空间数据库高程矢量化数据检查方法

在水文河道地形空间数据库建库过程中,大批量的数据造成了检查矢量化数据的困难,为了高效率完成高程矢量化数据的错误检查与修改工作,设计了“二维系统中数据转化→三维系统中错误检查定位→二维系统中数据修改复查”的流程化数据检查与修改方法。该方法在“长江水文泥沙信息分析管理系统”数据检查中得到了实际应用。该方法不仅适用于GeoView软件矢量化的空间数据库,也可以运用于其他类型的矢量化数据的检查工作。