一种高效实用的河网水动力数学模型研究

本文建立了河网的水动力数值模型，该模型可以解决树状的（如集水系统）、环状的、有分支的（如灌溉系统）以及任意组合的河网或渠道系统的水动力问题。利用Fortran语言自定义数据类型变量（或C语言的结构体类型变量）在构建数据结构方面的灵活性，把复杂的河网分成河道和节点两大类进行数据结构的构建以及数据的存储和使用。在节点的连接处理上，虽然本文的方法是基于三级联解的一种改进方法，但我们在已有的工作的基础上，避免了直接联立求解大型线性方程组。这样就没有系数矩阵的带宽问题，加上在构建数据结构的灵活性，使得河网中河道和又点可以任意编号，甚至可以不连续编号。利用几个典型算例，我们对模型进行了可靠性和精度分析，计算结果与前人的计算结果吻合较好。     

基于GIS的平原河网非恒定流计算模型

运用矩阵标识法求解节点水位方程，并结合地理信息系统(GIS)技术建立的平原河网非恒定流计算模型，具有节省河网基础资料的前处理和提高计算工作效率的特点．     

DWSM动态并行计算技术

针对DWSM计算模式鲁棒性低、计算时间长、无法实现多核计算等局限性,对模型的算法和存储规则进行相应改进。在遵从DWSM计算逻辑顺序的基础上,抛弃原计算单元顺序表模式关于虚拟河道的假设,采用流域分区概念进行河网树结构的模式设计,在基于叶节点并行计算的基础上研究动态分级并行计算技术,以进一步完善计算模式。以黄河宁蒙段流域为实例,计算结果表明,算法的优化极大地提高了DWSM的计算效率,增强了其对大范围、具有复杂河网结构流域水沙规律研究的适用性。     

面向对象方法在河网非恒定流计算中的应用

运用节点一河道模型将河网划分为性质单一的子河道,子河道之间依靠节点来联系。并依据子河道的圣维南方程组和节点的补充方程。提出了整个河网非恒定流的计算方法。采用面向对象的程序设计语言。基于类的数据封装特性,分析了河网非恒定流计算程序中河道类、断面类、矩阵类以及节点类的实现方法。     

珠江三角洲地区河网水动力学模型研究

对珠江三角洲河网区河道进行了概化，利用一维非恒定流基本方程组，河网节点连结方程及边点方程建立了珠江三角液河网区水动力学模型，将参加计算的方程分成微段，河段，汊点三级，采用逐级处理再联合运算的方法（即所谓的三级联解法），求得河网中各计算断面的水位，流量等值，利用丰，平，枯，三期的实测资料对模型参数进行了率定，率定后的模型计算值和实测值吻合较好。     

Monte-Carlo方法求解水动力学方程的原理及实践

介绍Monte Carlo方法的基本思想及求解Poisson方程的原理 ;利用Monte Carlo方法及图论建立河网计算的随机游动模型 ,并应用于实际的大型河网中 ,取得了较好的结果 .利用Monte Carlo方法计算河网可以避免解大型的稀疏矩阵 ,计算简单、灵活     

平原河网区水资源供需平衡计算方法探讨

水资源供需平衡计算是分析三峡工程对荆南河网区的影响、明晰缺水关键环节和水资源配置的基础性工作,但由于荆南河网区水源非单一(多水源)、取水口多(多节点),供需平衡计算具有平原河网区独特的复杂性。文章针对平原河网区的特性,构建了平原河网区多水源、多节点水资源供需平衡模型,并对荆南河网区水资源供需平衡进行了计算分析,相关研究成果对平原河网区水资源供需平衡计算分析提供了新的方法和思路。     

辐射状配电网的逆流编号法

为了减少电力系统节点导纳矩阵的运算量，节省计算机内存，人们提出了很多优化编号方法，但都不能保证节点导纳矩阵消去过程中不产生填充元。为此，在深入分析配电网运行的辐射状结构特点的基础上，提出了一种新的节点优化法——逆流编号法。其编号原则是：任一节点的编号必须大于其顺流节点的编号或任一节点的编号必须小于其逆流节点的编号。通过将逆流编号法与静态优化法进行比较可知，对于辐射型结构的配电网，逆流编号法总能保证节点导纳矩阵按行消去过程中形成的上三角矩阵不产生注入元素，因为消去过程实为一等值过程。文中从数学上和网络上解释了逆流编号法的消去过程中无“下雨”现象的原因，从而得出了逆流编号法所对应的运算量最小的结论。所提出的逆流编号法可用于配电网的潮流计算。     

求解无功优化的内点线性和内点非线性规划方法比较

将内点线性和内点非线性规划算法应用于求解大型电力系统的无功优化问题，并对两种算法的几个关键问题进行了研究，提出了有效的改进措施。根据从14节点到538节点的5个不同规模试验系统的计算结果，在收敛性能、优化结果和计算速度等方面对这两种算法进行了综合评估。     

一维河网非恒定流及悬沙数学模型的节点控制方法

本文的一维河网非恒定流及悬沙数学模型，是根据以一维圣维南方程组，悬沙非平衡输运方程及水位、含沙量节点控制法而建立。首先，利用单一河流有限差分方程组转换形式和节点处质量、能量守恒性，写出所有节点的水位控制方程组。求解此不规则稀疏矩阵方程组得到得有节点的水位，再由单一河流非恒定流的求解方法可获得所有单一河流的断面水位和流量。基于水注的节点水位控制法，本文提出了节点悬沙控制法。假设节点处冲刷或淤积较小，所有节点的含沙量控制方程组可通过输沙量守恒方程用矩阵形式写出。求解此不规则稀疏矩阵方程组，得到所有节点处的含沙量。所有单一河流断面处的含沙量通过单一河流悬沙输运的求解方法获得。本文介绍的模型适用于各种河网类型。作为检验，该模型成功地应用于珠江三角洲流域河网水流及悬沙的数值计算。     

Control of Channel Bed Morphology in Large-Scale River Networks using a Genetic Algorithm

Alluvial channels undergo continuous morphological changes caused by relationships between entrained sediment, variable flows and movable boundaries. Excess changes that occur through sediment degradation and deposition, however, tend to threaten the stability of bridges, hydraulic control structures and underground utilities. These changes also reduce conveyance capacity of a channel and diminish reservoir benefits associated with hydropower generation, flood control, and water supply. This article outlines the development of an optimal control methodology for minimizing sediment aggradation and degradation, thus controlling channel bed morphology, in large-scale multi-reservoir river systems. The sedimentation control problem is solved by coupling the U.S. Army Corps of Engineer's HEC-6 sediment transport simulation model with an immune genetic algorithm. The simulation model is used to implicitly solve governing hydraulic and sediment constraints, while the genetic algorithm is used to solve the overall control problem. The method is demonstrated first through application to a hypothetical river network from the literature, for which a comparison between the genetic algorithm and alternative optimization technique is made. A second application to an existing hydraulic network illustrates the practical utility of the methodology as a decision-making tool for sedimentation control.     

一种基于ZigBee技术的河工模型超声波水位计的设计

设计了一种基于ZigBee技术的气介式超声波水位节点装置。节点以CC2430为核心,实现了带有温度补偿的自发自收超声测距系统及削浪滤波算法。该系统具有组网灵活、精度高、成本低、功耗低、可靠性高等特点,可以解决大尺度河工模型试验中现有仪器在断面多、参数多、试验运行时间长、测点同步性和实时性要求高等条件下的量测难问题。     

复杂河流网络节点重要度分析

流域中,具有一定水力联系的河流、交叉口、水利工程设施等纵横交错地构成了一个复杂的河流网络.应用复杂网络理论,建立了河流网络模型,并描述了节点的重要度.将该网络模型应用于海河流域,建立了含有565个节点的海河流域网络.计算了海河流域网络节点的度指标和介数指标,并分别划分为8个等级和12个等级,对不同等级的节点进行节点重要度分析.通过对比分析节点的度指标和介数指标,证明了介数指标更能准确刻画河流网络节点的重要性.复杂网络中节点重要度分析可以为水利规划提供理论依据.     

基于数字高程模型的河道分级与节点编码

 数字河网自动提取是流域水系网络结构研究、分布式流域水文模拟中的重要内容。它不仅可以帮助我们迅速计算流域水系结构特征指数,而且作为分布式流域水文模型的输入信息,为分布式河道汇流演算提供了依据。详细研究了一种由brecht和Martz提出的比较系统的数字河道网络提取和结构特征描述方法。采用该方法来从汉江流域上游的旬河流域的数字高程模型中进行数字河网提取、河道分级和河段节点编码。结果表明,所提取的数字河网和实际情况相符,而且河段节点编码非常科学,在此基础上所建立的河道网络拓扑关系结构非常有助于分布式汇流计算。     

城市水系结构形态演变特征分析——以哈尔滨主城区为例

为研究哈尔滨主城区河网水系结构复杂性和水系连通性变化特征,本文根据哈尔滨主城区2006年和2015年的数据资料,从时间尺度和空间尺度采用Horton定律计算研究区域内10条沟、渠的水系结构参数。结果表明,从时间尺度分析,10年来,哈尔滨主城区河网水系结构复杂性降低,其中水系结构指标中的河网密度和水面率分别减少19.34%和39.31%;从空间尺度分析,间接与松花江相连的沟、渠和直接与其相连的沟、渠的结构复杂性相比,变化更为显著。采用水系连通性指标分别从时间和空间尺度对哈尔滨主城区水系连通性进行研究,经分析得出,2015年哈尔滨主城区水系连通性与2006年相比,结点数和河链数分别减少14.3%和18.9%;而空间尺度上,直接与松花江相连的沟、渠的结点数和河链数均大于间接与其相连的沟、渠。上述研究结果对今后哈尔滨主城区的规划设计具有一定的参考价值。     

平原河网纳污能力核算方法研究

以太湖流域河网为研究对象,在水功能区概化的基础上,建立河网水量水质模型,提出了大尺度河网纳污能力计算方法,并针对河网的特点设计了"虚拟点源"复核成果。     

基于点-面两层结构的复杂网络方法评估海河流域水网连通性

河湖水系连通是指通过修建渠道、挖掘河道、改造湖泊等方式,将不同河流、湖泊之间相互连接起来,形成一个相互衔接的水系网络。基于复杂网络方法,从节点和子流域两个层面对海河流域水网的连通性进行分析。在子流域层面,用平均度指标评价流域连通度,用网络直径等指标辅助分析流域整体水系连通情况;在单个节点层面,用度指标、中介中心性指标分析流域水系各节点连通度的分布情况,实现了节点微观与流域宏观的结合。同时,引入聚类系数指标,获得每个子流域河网的空间分布特征。通过对研究结果的合理性评估,认为应用复杂网络方法能全面分析流域水系特征及连通情况,具有良好的应用前景。     

喀斯特分布区小比例尺地表水系提取及阈值分析——以黔中水利枢纽工程区为例

针对喀斯特峰丛洼地集中连片分布区小比例尺水系提取及该尺度下阈值的合理确定,以精准、快速和经济提取大范围区域主干河网水系为目标,选取黔中水利枢纽工程区为研究对象,基于改进的30 m ASTER-GDEM数字高程数据,利用ArcGIS10. 2的Hydrology水文地理分析技术,探讨了无大比例尺水系图参照条件下喀斯特分布区地表水系提取及其合理汇流阈值的确定。结果表明:汇流累积量阈值的大小是决定河网密度的关键因子,阈值由小到大变化过程中河网密度的变化呈现出先快速降低后渐缓变化的趋势,即河流的数量随汇流累积量阈值门槛的升高而减少。通过分析汇流累积量与河网密度、河流总条数、河道总长之间的关系及其斜率变化,发现汇流累积阈值10 000是一个变点,阈值10 000以下河网密度、河流总条数、河道总长变化剧烈,10 000以上则变化趋缓。取汇流阈值10 000提取的水系叠加在Google Earth高分辨率遥感影像上与研究区互相独立的横江流域进行验证,结果发现该阈值下的水系基本与现状河流吻合。     

基于图论的韩江流域水库群生态调度

采用水文学方法计算了韩江流域干支流重要控制断面的生态流量目标;基于图论原理,根据流域内干支流水系特征、重要水利工程和控制断面分布情况构建了韩江流域河网图模型;考虑河段区间来水、河道外取水、引调水等边界条件以及流域水库群水量调蓄作用,开展了河网水量平衡计算,确定了河网节点流量。通过计算水库坝址所在断面的天然生态基流,提出了耦合最小生态下泄流量要求的水库常规调度规则;借鉴大系统聚合-分解思想,提出了韩江流域河网图模型迭代优化求解思路;通过选取不同典型年来水过程,评估了常规调度情况下控制断面生态流量保障程度,并在此基础上进行优化调度,分析流域水库群生态调度保障潜力。结果显示,耦合最小生态下泄流量要求的水库常规调度规则能够让水库在独立运行的情况下,基本保障不同来水条件下的控制断面生态流量需求;韩江流域水库群可通过开展联合优化调度满足控制断面生态流量需求;基于图论方法开展流域水库群生态调度具有可行性和实用性。     

基于GA-Elman的河流水位预测方法研究

河流水位的变化过程是一个复杂的非线性过程,传统的神经网络预测存在误差较大、收敛速度慢、稳定性差等问题。为了实现对河流水位的有效预测,提出基于遗传算法(GA)优化Elman神经网络的河流水位预测模型。将GA与Elman网络进行有效结合,解决了单一Elman网络存在的不足。选取永定河的监测站点水文数据对河流水位进行预测与检验,并分别将其与Elman网络与BP网络预测结果进行对比。对比结果表明:GA-Elman水位预测模型的收敛速度快、精度高,可根据预测结果实现对水库、拦河闸合理调用,实现对河流水资源的有效配置,以满足灌溉、发电、防洪等工作的需求。