基于洪水模拟和预报的三维仿真系统设计

基于河道洪水模拟与预报的三维仿真是了解当前和未来洪水运动过程和洪水风险程度的重要手段,采用TOPKAPI分布式水文模型和水力学河道洪水演进方法预报沿程各断面水位过程,综合运用RS、GIS技术建立三维地形图,以Unity3D为平台搭建三维场景模型,运用广度搜索算法搜索不同水位下的河道边界、三维种子填充算法对洪水淹没区域进行填充,综合模拟洪水运动过程,通过在浙江省钱塘江流域上的应用,验证了系统的可靠性和科学性。     

河道数据对流溪河模型预报中小河流洪水的影响

针对琴江流域构建了中小河流洪水预报流溪河模型,分别从河道断面形状、断面尺寸和河道分级的角度定量评估了河道特征数据对应用流溪河模型开展中小河流洪水预报的影响。结果表明:河道分级越多,模型模拟洪水的洪峰流量峰值越大、次洪径流系数越大、洪峰出现时间越早,模拟的洪水过程效果越好;在构建流溪河模型时,假定河道断面为矩形,采用卫星遥感影像估算河道断面尺寸的方法是可行的,模型模拟的洪水过程精度可以满足实际洪水预报的精度要求;利用改进的流溪河模型进行中小河流洪水预报时,以3级河道构建的模型洪水模拟精度最好,可很好地模拟中小河流洪水过程。     

无高精度地形资料地区溃坝洪水演进模拟研究 ——以金沙江叶巴滩-巴塘段为例

为准确高效计算缺乏高精度地形资料地区河道中洪水演进过程,在空间分辨率为30 m的ASTER GDEM V2地形数据基础上采用不同方法对金沙江叶巴滩-巴塘区间河道地形进行重建,采用基于显卡加速的地表水及其伴随输移过程模型模拟了2018年"11·03"堰塞坝险情洪水过程,并与实测洪水过程进行对比验证。结果表明:①不同空间插值方法对河道地形特性的插值表达精度相差较大,样条函数法和根据河流走势的趋势平滑法生成的河道地形能较好表达河道地貌形态;②不同断面间距下趋势平滑法河道地形洪水演进模拟精度随断面间距增大而增加,仅使用入流口和出流口断面高程模拟效果在不同断面间距中最好;③使用趋势平滑法生成河道地形时,洪水模拟精度随河道下挖深度的增加呈增加趋势,下挖深度为50 m时NSE达到0.937,R~2达到0.976。研究分析了河道地形重建方法、插值断面间距及下挖深度对洪水演进模拟精度的影响,可为洪水应急抢险快速预测提供数据处理方法。     

耦合渗漏项的季节性河道洪水演进模型研究

针对北方干旱或半干旱区季节性河道渗漏现象严重问题,为提高流域洪水演进模拟精度,在传统水动力学洪水演进模型基础上耦合河道渗漏项,构建季节性河流洪水演进数学模型。采用霍顿入渗模型描述季节性河道渗漏过程,解决河道渗漏量计算及与基于圣维南方程组洪水演进模型耦合问题;并利用Preissmann四点偏心隐格式与追赶法对模型离散和计算,开发FORTRAN计算程序;最后以大沽河流域实测资料进行验证。结果表明,沙湾庄和南村断面水位与流量过程的模拟值与实测值吻合且变化趋势一致,洪水峰面到达断面模拟时间和实际时间基本一致,研究区各河段来水量、渗漏量的实测值与模拟值相对误差范围分别为-1.66%~0.36%、-3.09%~3.72%,所建模型可满足在现状条件下进行洪水模拟预报的需要。     

一维非恒定流数学模型参数若干问题研究

一维非恒定流数学模型能较合理的模拟河道水流演进,广泛应用于洪水及水污染预警预报.采用Preissmann隐式差分格式构建模型,通过在虚拟概化河道的计算,对W形河道断面概化及模型主要参数进行分析,提出天然河道W形断面概化处理方法,得到主要参数与计算结果的相关关系,为模型参数率定及取值合理性分析提供参考依据.     

金沙江白格堰塞湖溃决洪水预报误差与改进

金沙江"11·3"白格堰塞体溃决造成下游河道数百千米内的超常规洪水过程,对其进行准确模拟是洪水预报和制定应对措施的基础。采用MIKE11和笔者开发的一维溃坝洪水模型(DBFM)对坝下洪水演进进行了对比模拟,两个模型均为求解圣维南方程组,其中MIKE11采用Abbott六点隐式差分方法,DBFM模型采用基于有限体积的HLL+MUSCL界面插值方法显式求解。结果表明:与实测数据相比,两个模型模拟结果在洪水传播时间和洪峰衰减上表现出显著差异。随后分析了河道基流、动量方程惯性、河道糙率、河道地形等因素对洪水模拟误差的影响,论证了采用滚动预报方法来提高洪水预报精度的可行性。最后对山区河流堰塞湖溃决洪水模拟的难点和要求提出了展望。     

水工数值模型在河道洪水验算中的应用

文中利用DHI开发的MIKE11、MIKE21软件分别建立现状堤防条件下的一、二维洪水演进模型。由于河道存在着一维特性,通过对河道内洪水演进进行一维数值模拟,二维数值模拟耦合,取得了较好的效果。在对河道一维洪水数值模拟中,可以看出,一维模型建模简单,可以随时根据河道断面更新数据对模型进行修改,同时模拟时间较短,可以为河道整治,防洪规划提供科学依据。二维数值模拟所需资料多,精度高,可以校核一维洪水数值模拟结果的准确性。     

基于一二维耦合的共渠西蓄滞洪区洪水演进模拟

蓄滞洪区的洪水演进涉及到河道和蓄滞洪区内部的洪水计算,河道和蓄滞洪区地形条件和水流流态差异较大,单独采用一维或二维水力学模型均难以计算。文章通过分析共渠西蓄滞洪区的入流洪水、边界、调度运用等条件,在实测区域地形和河道断面的基础上,采用一维和二维水力学模型,分别模拟了河道和蓄滞洪区的洪水演进过程,并进行耦合,提出不同方案的洪水演进淹没成果,对蓄滞洪区安全建设规划及防洪评价具有一定的参考价值。     

黄河小北干流漫滩洪水分析和预报方法探讨

在分析黄河小北干流河道特性、漫滩洪水水沙特点和演进规律以及平滩流量随来水来沙和河道冲淤变化情况的基础上,考虑小北干流宽浅河道的特点和漫滩洪水调蓄特征,用实测淤积断面资料和水位站资料建立了河道槽蓄关系,用"蓄率中线法"对漫滩洪水进行演算预报。对高含沙漫滩大洪水在滩地滞蓄淤积,洪量减小、洪峰曲线坦化的情况,建立了滞水滞沙处理模型。结果表明:1960年以来21场漫滩洪水的预报检验合格率为85.7%,对黄河"92·8"洪水和"96·8"洪水预报的确定性系数分别为0.87、0.93,洪峰流量预报精度分别为86.5%、96.3%。     

基于流溪河模型的中小河流洪水预报方法

针对中小河流缺乏河道断面资料而无法实际应用分布式水文模型的问题,以流溪河模型为原型,假定河道断面为矩形,采用卫星遥感影像估算河道断面尺寸,通过实测洪水资料优选模型参数,提出了中小河流洪水预报的流溪河改进模型。应用于江西省典型中小河流——太平江流域的结果表明:河道分级越多,模型模拟的洪水的洪峰流量越大、次洪径流系数越大;洪峰出现时间越提前,模拟的洪水过程的效果越好,精度越高;改进的流溪河模型对50场洪水模拟的相关系数达0.92,洪峰误差均值为5.54%,最大不超过20%,平均峰现时间差为0 h;洪水过程的预报结果可评定为甲等。该模型可应用于中小河流实时洪水预报中。     

基于DEM的河道断面构造改进方法及洪水演进精度评估

基于高精度数字高程模型（digital elevation model，DEM）数据，采用直接提取法和改进的断面构造法获得河道断面数据，将上述2种方法提取的河道断面数据作为水动力学模拟软件HEC RAS(hydrologic engineering center′s river analysis system)的主要输入，开展一维和一二维耦合水动力学数值模拟，使用实测的河道断面数据进行结果对比分析，评估不同河道断面快速获取方法的效果。将研究方法在美国佛罗里达州迈阿密河下游河段进行应用，选取2004、2014和2017年3场典型洪水，分析2种不同断面形态下洪水演进模拟结果的差异。结果表明，直接提取高精度DEM所得的河道断面数据在准确性上仍有欠缺，采用断面构造法修正后的河道断面数据模拟出的洪水水位与观测水位的均方根误差(RMSE)小于0.1 m，与实测结果十分接近，在缺少河道断面资料的地区可替代实测断面，获得可信度较好的模拟结果。     

基于动力系统反演理论的马斯京根流量演算误差校正

运用马斯京根法进行河道洪水演算时,通常存在上断面及区间入流的预报误差及马斯京根法本身的误差。这些误差都会降低河道下断面洪水的预报精度。为此,基于系统反演理论,构建三种误差的反演方程并进行误差校正,以提高河道下断面洪水预报精度。淮河王家坝—润河集河段初步应用的实例表明,该方法可以提高马斯京根法的预报精度。     

流域洪水预报调度计算一体化模型的应用

在洪水预报调度计算中,通常针对特定工程项目,按照流域面积设置雨量站和水位站,收集雨水情数据,进行特定单元的洪水预报,再进行河道演进,实测洪水校正,叠加组合后得到控制断面的洪水预报过程,其叠加组合一般通过人工干预完成。文章考虑将流域各种计算单元概化为产流单元、洪水演进、汇流点、水库调度等节点类型,将节点按照上下游关系建立树型结构,形成拓扑关系,对节点的属性、连接方式以及上下游关系进行分析,运用深度优先遍历的方法处理各计算模块之间的连接问题,使流域洪水预报调度计算一气呵成,以提高系统运行的效率。     

河道与蓄滞洪区联合防洪数值模拟研究进展

基于目前河道与蓄滞洪区联合防洪过程中存在的问题,本文通过对河道与蓄滞洪区联合防洪过程中洪水演进数值模拟的一维模型、耦合模型、全二维模型的优缺点和适用性进行系统化的分析,揭示了未来防洪数值模拟的发展方向。研究结果可为洪水风险图绘制、洪水预警预报提供重要依据,对防洪减灾决策具有重要指导意义。     

基于XAJ-DCH模型的五强溪库区洪水预报研究

由于沅水水系五强溪水库流域面积大，流量控制站少，且洪水进入库区后，洪水波的传播方式变化较大，因此五强溪水库近坝区的洪水预报难度大。为提高五强溪库区洪水预报精度，采用XAJ-DCH模型(Xin′anjiang Digital Channel Model)对近坝区2016～2020年间13场洪水进行模拟，模型河道汇流分别采用了非线性水库法和马斯京根法，根据两种汇流方法的特点制定了两种不同的洪水预报方案。模拟结果表明：XAJ-DCH模型中两种河道演算方法均表现良好且简单实用，13场洪水的确定性系数基本位于0.7以上。非线性水库方法相比于马斯京根法考虑了河段断面情况以及水力特性，能够体现洪水运动的时空变化，且只需要率定河道糙率，其他参数如河道坡降、河宽以及河段长均可根据数字高程模型进行估计；马斯京根法需要率定4个河道参数，但马斯京根法模拟结果相比于非线性水库方法稍好。研究成果可为科学有效开展库区洪水预报、提高预报精度提供参考。     

基于水文水动力学耦合的洪水预报模型研究及应用

为了提高下垫面变化剧烈流域的洪水预报精度,在传统流域水文模型的基础上耦合水动力学模型,建立水文水动力耦合洪水预报模型。首先利用水文模型获得某一断面的流量过程作为水动力学模型的边界条件;之后利用一维水动力学模型进行河道洪水演进计算,推求流域出口断面的流量过程;最后以烟台市外夹河流域为例进行验证。结果表明,所建水文水动力耦合模型模拟的产流合格率较高,流量过程与实测值吻合,在一定程度上弥补了集总式水文模型不能考虑河道内复杂水流运动的不足,因此对具有复杂水文、水力条件的流域的洪水预报具有重要的指导意义。     

四阶带参Hermite河道重建方法及应用研究

二维洪水演进模拟需要高精度地形资料来提高计算的准确性,但河道水下地形不易获取。为解决此难题,该文提出一种利用有限河道断面地形资料来构建整体河道地形的方法。四阶Hermite带参插值通过对参数的调节使相邻插值断面间河道走势更接近原始流域,并用该法构建了王茂沟流域沟道地形,对三百年一遇的场次洪水过程进行了模拟。通过对比四阶Hermite带参插值和已有的三阶Hermite插值构建地形的误差和水动力学模型对应的模拟结果,表明四阶Hermite带参插值的地形精度可提高15%,洪水模拟结果精度至少能提高18.5%,证实了所提出的方法能更为合理地进行河道地形的构建,对研究资料短缺地区的水文水动力过程有着重要的意义。     

陆浑水库洪水预报程序设计

陆浑水库汇流预报采用单元面积汇流单位线，即将全流域划分为若干块单元面积，降雨以后，各单元面积的出口断面处都将产生相应的径流过程。然后分别从每块单元面积的出口断面处开始，进行河道汇流计算，一直演进至流域出口断面处，求得各单元在流域出口处的流量过程线，最后进行线性叠加得出流域出流过程线。简要论述了用Visual Basic 2010实现陆浑水库洪水预报的方法和编程技巧，使用该程序可快速、方便、灵活地进行水库入库洪水过程计算，为水库及下游河道防洪决策提供依据。      

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。     

实时洪水预报调度演进一体化技术在西枝江流域的应用研究

为做好西枝江流域暴雨洪水防御技术支持,根据流域水文特性和地形资料,采用无人机倾斜摄影、GIS等先进技术,构建了数字西枝江,建设了集洪水预报、调度、演进一体化的西枝江流域实时洪水预报系统。系统提高了流域洪水预报精度,实现了河道洪水演进实时模拟、自动圈化洪水危险区、淹没三维实景模拟等功能,显著提升了防汛抢险决策可视化、自动化等技术水平,为西枝江流域的“四预”和“数字孪生流域”建设奠定了良好基础,具有较好的推广应用价值。