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基于GIS的黄河下游二维水沙数学模型研究

    责任编辑:裴亮 来源:

  一、成果产生的缘由

  数学模型是“数字黄河”的核心和灵魂,其水平的高低决定着“数字黄河”工程建设水平的高低。本项研究建立了基于GIS的黄河下游二维非恒定洪水演进、泥沙冲淤模型,采用紧密集成模式将GIS、计算可视化和过程模拟计算集合成一个运行环境,且模型原理正确、计算精度较高、可视化和可扩展性强。模型直接为黄河下游防洪减灾提供决策支持,也为河道整治工程规划、跨河桥涵建筑物设计和取水工程布设提供依据,并为未来十年建立基于GIS的包括产汇流构件、洪水预警预报构件、水库洪水调度构件、河口及河道冲淤构件、河流冰凌和水质构件的模型系统奠定了基础。

  二、研发过程

  “基于GIS的黄河下游二维水沙数学模型”是 “黄河数学模型系统”建设的主要内容之一。2003年6月项目正式启动,同年7月,在充分调研基础上,“黄委会数学模型攻关课题组”(简称“课题组”,下同)提出项目研究任务书。同年10月,完成了详细设计报告,初步提出了平面二维水流~泥沙有限体积法及黎曼近似解模型,并进行了主要构件设计。

  2003年12月,黄委会组织召开了“黄河下游基于GIS的二维水沙数学模型研究任务书审查及设计咨询会”,(审查意见见附件),认为“《任务书》提出的研究内容适当,重点突出,技术路线正确,预期成果明晰,进度安排基本合理。基本同意该《任务书》”。并对模型设计提出了许多建设性意见。在此基础上,课题组进一步完善了水流构件、泥沙构件、灾情评估构件和可视化构件详细设计,并开展构件编程。2004年3月完成水流构件、泥沙构件、网格生成模块程序编制,采用经典的试验水槽资料(今后将以此作为模型的主要算例)进行了水流构件和网格生成模块测试,利用黄河下游实测资料对主要泥沙模块进行了分析。 2004年5月完成初步测试。

  2004年6月,黄委会组织召开了第一次阶段成果咨询会,重点对模型测试情况进行了全面咨询,与会专家对模型运行环境、数值方法、计算网格、控制方程提出了具体建议,并建议在进行试验室资料测试的同时,抓紧进行黄河下游原型资料的率定和验证。根据专家意见和模型中存在问题,课题组对非均匀沙模拟、“斜底”计算、出口边界处理、对流项计算格式等做了较大幅度的修改。此后,对水流构件进行了回归性测试,利用黄河、长江实测资料率定了非均匀沙计算参数。在黄河下游基础地理信息系统平台上,结合黄河下游遥感影像数据,基于河道断面生成了黄河下游河道地形和网格,并初步开展了2004年调水调沙试验期间,夹河滩~高村河段洪水演进及泥沙冲淤计算。

  2006年开始投入生产应用,先后应用于黄河下游河道整治工程方案计算、黄河下游滩区及东平湖风险图制作和黄河2006年调水调沙试验的预测计算。

  三、成果主要创新点

  通过模型的研发和初步应用取得的成果及创新点如下:

  (1)模型开发在体制上首次采用首席专家+创新团队模式。按照“首席专家负责制”,课题组“以我为主”,完成核心构件的编制,课题组内部充分发挥团队精神,资源共享、信息互通、运转高效,以保证研究成果的可持续性;同时还培养了可持续发展研发团队。

  (2)首次按照黄河数学模型研发导则(试行)和软件工程学的要求建立了较完备的模块、构件、整体模型设计和测试、率定、验证的研发体系。模型研发过程的每个环节严格保证模块、构件及整体模型的正确性和实用性,保证模型在应用中的可重复性和可信度。严格按照“软件工程”建设、“数字黄河”工程技术标准,作好程序调试记录、内部接口,存档、回归性测试,保证研究过程的可追溯性;打破了以往模型开发过程中的不严谨和没有测试过程的程序,纠正了以往模型率定和验证相互混淆的理念,为黄河数学模型的研发过程树立了正确的导向。

  (3)针对黄河下游滩区广阔、河势变化剧烈、水沙演进复杂等特点,模型首次采用具有较大的发展潜力,并已得到广泛应用的物理意义更直接明晰,严格满足物理守恒律,便于模拟复杂边界的有限体积数值方法,保证模型的可持续扩展。

  (4)首次突破了黄河下游游荡性河道主槽地形生成难题,自主研发了游荡性主槽断面内插技术,结合河道断面分析系统和遥感技术实现了河势自动识别和主槽地形的自动生成,这在国内和国际上都是领先的。

  (5)首次采用紧密集成模式将GIS、计算可视化和过程模拟计算集合成一个运行环境,并为可视化系统开发了专用数据库管理系统,使计算结果得到充分直观的表达,同时也可以再现水流、泥沙在河道中的真实演进情况。

  (6)首次实现了模型并行化计算。为提高模型计算的时效性和大尺度时空所需的容量等,对基于GIS的黄河下游二维水沙数学模型进行了并行化算法改造,并利用上海超级计算中心的曙光4000A系统和黄科院现有的百兆局域网及PC机搭建的高性能计算实验平台进行了试算,计算结果表明:并行程序和串行程序计算结果一致。

  (7)模型得到了广泛的应用。模型在防洪、调水调沙、河道整治、黄河下游洪水风险图制作及防洪影响评价等项目中得到应用,既进一步检验了模型精度,同时又通过应用进一步完善了模型功能。通过模型的初步应用表明:基于GIS的黄河下游二维水沙数学模型能模拟长河段水流泥沙演进情况,能满足生产实际的需要。

  四、在实践中应用情况

  模型先后在2006年调水调沙生产运行中的调前、调中预测、调后评估;白鹤~伊洛河河口河段河道整治中工程布设的合理性论证;郑州黄河公铁两用桥水文泥沙分析及防洪影响研究与评价中的设计水位及桥墩冲刷等问题论证、黄河下游洪水风险图制作试点中淹没范围、水深流速分布、流量含沙量演进过程等项目研究中得到应用。 

  五、产生的效益

  该模型计算成果为2006年调水调沙生产运行的调前预测、调中预测及调后评估提供了技术支持,为调水调沙的顺利进行和决策提供了科学依据;同时,该模型还对黄河下游洪水风险图图层的制作提供了详细的淹没范围、水深流速分布及流量、水位、泥沙等过程。上述应用对研究黄河水沙演进规律和洪水风险评估、预警等将产生巨大的社会经济效益。同时,模型也为河道整治工程规划、跨河桥涵建筑物设计和取水工程布设提供依据,通过模型应用也将进一步促进泥沙基本理论研究水平的提高。

  六、主要完成单位

  黄河水利科学研究院

  黄河水利委员会信息中心

  黄河设计公司

  七、主要完成人

  朱庆平  余  欣  韩巧兰  杨  明  王艳平  梁国亭  赖瑞勋  张晓丽

  王  敏  张防修  刘学工  王军良  韩 琳   李云驹  何刘鹏  王新福


发布时间:2011年08月13日
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