（水文学及水资源专业论文）gis在平原河网水动力模型中的应用.pdf

摘要 本文t 要t i 州述流域水文学及水动力学基奉原婵的基础上，通过对流域水 文及水动力模型构模的分析，提出模型对6 1 s 的具体应用的要求，进而探叫 c 【s 具体的实脱力法。 由于信息数：产化和计算机的发展，对于海量的气象和下垫面空问数据的处 耻j 利用成为可能，因而水文模型与河道水动力模型已经| 二| 趋有机的集成为一 体，文章在阐述的( ；i s 在水文模型中的几点创新应用( 流域分水线的识别、m 量分配问题、河网编码等) 后，着重探讨了6 i s 在流域动力模型中的应用。 通过对流域水动力模型构建、参数率定及运行中方案的比选等问题的分 析，提出水动力模型对g i s 的具体应用的需求，进而探时具体的解决方法。从 6 i s 概化地图的生成、水文模型中的信息迭加、率定过程中基础资料( 具体j ： 况) 的修正、整治方案生成过程中河道整治信息和新增疏竣工程的设置及信息 实时动态显示等方面研究g i s 的应用。具体讨论了河网概化，数值模拟中的可 视化，基础资料共享的整治方案派生与管理问题及数字地图的实时查询等功能 实现的过程中6 i s 的应用。 最后通过一个温岭地区这个典型的平原河网地区的河道整治规划方案论证 ( ；i s 在模型中的具体实现。 关键词：g 1 s 、d e m 、水文模型、流域动力模型、间网概化 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt h ed e r n o l l s t r a t i o no f p l a i na r e ah y d r o l o g ya n dh y d r o d y n a m i c s m o d e l sa r eg i v e n ，b yt h ea n a l y s i so f w h i c ht h er e g u i r e m e n t so f g i s sa p p l i c a t i o ni ni t a r er a i s e d ，如r t h e r m o r e ，t h em o t h e d sa r ed i s c u s s e d i ti sp o s s i b l et od e a lw i t hl a r g eq u a n t i t yo f m e t t o r o l o g i ca n ds p a t i a ld a t ab e c a u s e o f t h ed e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o nd i g i t a l i z a t i o na n dc o m p u t e r t e c h n o l o g yt h e r e f o r e ， h y d r o l o g ym o d e lh a sb e e ni n t e g r a t i n gw i t ht h em o d e lo f r i v e r w a yh y d r o d y n a m i c s f i r s t l y ，g i s sn e wa p p l i c a t i o n si nt r a d i t i o n a lh y d r o l o g ya r ci n t r o d u c e d ；s e c o n d l y t h ea p p l i c a t i o no fg i si np l a i na r e ah y d r o d y n a m i c si st h e e m p h a s i si nt h i sp a p e r w h a ta r et h es p e c i f i c a t i o n sa n dh o wt or e a l i z et h e r e q u i r e m e n t so f g i s s a p p l i c a t i o ni nh y d r o d y n a m i c sm o d e l i sd e c i d e d b yt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ；t h e c o n s t r u c t i o no f d r a i n a g ea r e aw a t e r d y n a m i c sm o d e l ，p a r a m e t e r sf i l t e r i n ga n dt h e c o m p a r a s i o na n ds e l e c t i o no f d i f f e r e n to p e r a t i o ns c h e m e s g i sc a nb ea p p l i e di n s e v e r a lb r a n c h e s ：t h ec r e a t i o no f g e n e r a l i z e dm a p ，o v e r l a p p i n go fi n f o r m a t i o ni n h y d r o l o g ym o d e l ，m o d i f i c a t i o no ff u n d a m e n t a ld a t ai nf i l t e r i n gp r o c e d u r e ，s e t t i n gu po f r i v e r w a ym a i n t e n a n c ei n f o r m a t i o na n dd y n a m i cd i s p l a yo fr u n n i n gt i m ei n f o r m a t i o n a t l a s t ，o n ee x a m p l eo f g i s sa p p l i c a t i o ni nt h et y p i c a lp l a i na r e an e t w o r k w e n l i n g i sg i v e ni nd e m o n s t r a t i n gt h ep o i n to f t h i s p a p e r k e y w o r d s ：g i s 、d e m 、h y d r o l o g ym o d e l 、v a l l e yd y n a m i c sm o d e l 、 g e n e r a l i z a t i o no f r i v e r n e t w o r k 附录d ： 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明 年月日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) 年月日 1 1 问题的提出 绪论 第一章绪论 水是种极为宝贵的自然资源，它不仅是世界上一切q ：命赖以生存的源泉，又是人 类远古文明发展的摇篱。然而，洪水又是当今臼然界刈人类的主要威胁之。在平原河 网地区，城市发达、人口众多，同时又是湖泊密布、河网发达，地势较低，易于受潮汐影响， 极易发t e 洪涝灾害。在洪水灾害的防治方面，存在许多水力学和河流动力学问题。近年 来，由于全球| 生的气候异常，洪水、暴雨和强潮的综合影响引起了平原河网水文条件的复 杂多变：而且随蓿城市人u 、经济的发展，各科工业废水和生活污水大量排入河网，致使水 环境质量日益恶化成为困扰城市环境和经济可持续发展的一个薯要问题。所有这些对平 原河网的灌溉、排涝、防洪、水环境规划和污染控制等提出了一系列新的研究课题。由 于受洪水灾害威胁较大的往往是河流的中下游地区河网模拟区域范围很大，大多数情况 下只能采用数值方法进行模拟，其核心问题是河网数学模型的建立及求解，其中水动力模 型是其它模型( 如水质模型、水环境容量模型等) 的基础”1 。平原感潮河网不同于山区单 向河流的特点在于感潮河网内部结构的错综复杂、水流的潮汐往复性以及由此带来的乃 程组离散及其求解上的困难，这是多年来人们研究河网问题一大难点，也是本文研究的重 当今水利发展面临着盘大挑战：经济增长速度加快、城市化进程加快、现代化进程 加快、人民群众生活质量改善加快、市场化和法制化的进程加快。显然，河道作为水利 的重耍载体，随着社会经济的迅速发展对其丌发利用有着更高的要求 1 系统丌发利用。河道是十分重要的市政基础设施，在市政建设过程中，必须将河 道纳入城乡基础设施建设之中，使其由防洪、排涝、航运、灌溉的传统功能向防洪、排 综述篇 1 绪论 涝、航运、灌溉、景观、生态等全面系统的功能发展。利用河道整治可以全面实施 坊洪 排涝、环保- 绿4 j a 、道路管网、中水利用、居民安居等工程，将水库规划、河心青淤、洞 堤加固、桥梁改建、沿河污染肚1 二厂迁移、居民小区建设、沿河景观绿化、污水处理厂 建设有机的结合在一起，促进城市的可持续发展。 2 生态丌发利用。从城市河道生态发展的需要出发，一些传统的河道整治观念值得 思考。裁弯取直在利于行洪排涝的同时，也使得河道水流加伙，冲刷河床加剧，蓄水减 少，其洪峰到达下游的时问改变，有可能对下游产生更严重的威胁。尽管城市寸土寸金， 有些地方为了景观要求，采用复合式河堤断面，其优点是在常年s k i t 以下用瑚代材料砌 筑直立式河堤，以节省土地，而在常年水位以上保留斜坡式士堤并进行绿化，以保持河 堤和城市的生态性。洪水在威胁城乡人民生命财产安全的同时，也是种宝贵的水资源， 结合城市景观开挖生态湖可调蓄洪水、改善水质、美化城区、增加河道的环境用水。低 沣地区可以以中央水网生态保护区的建设开辟成生态湿地，种植芦苇、香蒲，既可净化 生活废水，又可美化环境。 3 综合开发利用。将单纯的河道整治发展为综合整治水系及周边环境；河道治理手 段要进一步多元化，特别是应引入现代化遥测、报警及自控技术对重要的城乡河道洪峰 进行调度。开展防洪保险分摊洪灾损失。对防洪、排涝、蓄水、供水、用水、节水以及 污水处理与回用、地下水回灌等，实行水务统一管理的模式。实施滚动丌发战略，整治 好一段河道后，应充分利用因水环境改善而带来的土地增值收益投入到其余河道整治工 程中，求得河道整治资金的良性循环。 1 2 研究的进展与发展方向 2 0 世纪在河流洪水运动及变化规律的研究方面的主要进展是：基于1 9 世纪提出的 描述明渠缓变不稳定流运动的s t v e n a n t 方程组，证明驱使河道洪水波运动的各项作 综述篇 绪论 用力的划比决定了洪水波运动的特自：刈运动波、扩散波和动力波的特征从物理上作 了深入的讨论，划惯性波的特征也作了移炒的讨论：提出了水文学和水力学两类主要的洪 水演算途径，并发现了它们之问的相互联系”j 。 对河道洪水演进自勺研究主要是- 1 f 恒定流水力学计算问题，它的基本依据是圣维南方 程皇h 。对河网数等纠英型的建立一股分为水文模型与水动力模型两火部分。 流域水文模型是对流域上发生的水文过程进行模拟所建寺的数学模型。它严格满足 流域水量平衡原理。它是对一些经验规律加以物理解释，用严密的数学方式表达出来 爵把各个水文过程综合起来形成全流域的水量平衡计算系统。它将流域概化成一个系统 该系统根据输入条件求解输出结果，其实质是对流域上发生的水文过程进行摸拟计算。 在水文模型中，系统输入般为降雨、融雪等过程以及流域的蒸散发能力，系统的输出 是流域出口断面的流量过程。在水文过程模拟中，对流域内的产流、坡面汇流以及河 道汇流过程的模拟是非常重要的。坡面产汇流模型模拟从降水到流域产流和流域坡面汇 流的水文子过程；河道演进模型模拟河网汇流水文子过程。 流域水文模型的发展和计算机的诞生与发展是密不可分的，计算机技术与产汇流理 沦相结合导致了流域水文模型的出现这是2 0 世纪河流水文学重要成就之一。2 0 世 纪6 0 、7 0 年代随着计算机的普及和发展，国外涌现出了大量的流域水文模型，s t a n r ，r d 流域模型( s 1 】m ) 、s a c r a m e n t o 模型、t a n k 模型、b o u g h t o n 模型。我国在7 0 8 0 年代结 合国外有关的流域水文模型，致力于新的流域水文模型研究，使其得到了蓬勃发展，新 安江模型等是这一h j 期的典型代表“。 现行的流域水文模型主要是集总式的，它一般只能给出产，厂流过程空恻上的均化的 结果，这与流域产汇流空| 1 白j 分布不均匀的实际情况不符。因为降雨空删分布不均匀和下 综述篇 1 绪论 地面特征空间分向不均匀导致流域产汇流空间分m j 不均匀。因此，研制与之相适应的分却 式流域水文模型是十分迫切的，这是提高流域水文模型精度的关键所在。 随着计算机技术和一些交叉学科的发展，流域水文模拟的研究方法也丌始产生了根 本| 生的变化。流域水文模型研究的突出趋势主要反映在计算机技术、空问技术、遥感技 术等的应用方面。动态模型需要将模拟计算区离散成更多的面状单元，然后进行建模。 随着地理信息系统( g i s ) 与遥感( r s ) 技术的发展，空问信息的获取取得了极大的进展 分布式物理模型被广泛提出，水文模型也慢慢从概念水文模型向分布式水文模型发展。 由于圣维南方程组动力学求解方法过程复杂，在水文模型中般先对圣维南方程组 进行简化，然后再进行求解。通常将圣维南方程组简化为运动波、扩散波或l 员性波方程 然后再进行求解。杜格( c i d o o g e ) 把忽略惯性项的圣维南方程组线性化，求得了扩散 方程与马斯京根洪水演算法，并导出了马斯京根法x 值的理论公式。孔奇( c u n g e ) 对扩 散方程进行差分离散，取其二阶近似，也得到了马斯京根洪水演算法及马斯京根法x 值 的理论公式。由此可见，洪水演算相当于求解扩散波方程。常见的洪水演算方法有马斯 京根法与特征河长法。 水文学方法的最大优点是简单地把经验和实时信鼠结合进来，它基于水量平衡方程 和槽蓄方程的联立求解，要求有个稳定的水位流量关系，一般只适用于自由下边界条 件，难以考虑下边界的回水顶托影响，不能遁应对流域的中下游地区。 1 2 2 平原河网动力学模型 始于2 0 世纪6 0 年代的流体动力学数值模拟，是在计算机问世之后，综合流体力学、 计算数学以及各种生产应用技术而发展起来的一门新兴学科。流体运动数值模拟国外始 于6 0 年代，国内始于7 0 年代，并于7 0 年代末以后有大量研究成果问世。从总体情况来 看，7 0 年代以河口一维潮流计算为主，进入8 0 年代后，除继续应用推广一维计算模型 外，大多已采用二维数值模拟模型，并按需要配以泥沙、温度、盐度和污染物等物质输 4 1 绪论 移模型，二维模型出已逐步展丌，并取得了显著的进展。 水动力数值模拟经历了i 个发展阶段”： 1 数值计i 算阶段：仅用汁算机对水动力公式与力程进行卣接求解。数值计算的方法 辛要有有限差分法、有限元法、有限体积法和特征线法。 2 单因素模拟阶段：这是数值模拟的低级阶段，其特点是采用离散方法将整个计算 水域划分为若干单元然后利用各种数值分析方法( 如：有限差分法、有限元法、有限 体积法等) 在单元节点上求解水动力方程。即形成了计算水力学学科。但它是针对单一 水力现象刀：发的数学模型，专业性强、涉及内容复杂、仅能一次性使用，不易掌握。 3 多因素过程模拟阶段：该阶段以实用化、系统化这标志，对多动力因素影响下的 的水力现象进行过程模拟。在这个阶段，水动力数值模拟与水力模型结合形成复合模型： 水动力模型，使水动力数值模拟得到重大发展。 河网水动力模型的发展主要取决于以下几个因素：工程实际( 如防洪、水污染控制等) 的需要，计算数学理论和方法( 如数学物理方程、离散方法、偏微分方程组的求解方法等) 的成熟和应用，计算机软硬件技术( 如内存，c p u ，g i s ，多媒体技术等) 的发展。河网水动 力模型仍然以对s a i n t v e n a n t 方程组的离散求解为主，寻求一种更能真实有效反映平原 河网水动力特性的数学模型和高效的求解方法仍将是今后河网数值模拟的主要发展方 向。 数值模拟的核心是河网的数学建模及求解，而水动力模型又是解决其它问题的基础。 水动力模型涉及控制方程组的简化、方程组的离散和求解、初始边界条件的确定、模型 的率定和验证等问题。 河网水动力模型的发展方向主要有以下三个方面1 ： 1 多动力因素作用下的过程模拟； 2 水动力经验模型与模拟过程的结合： 综述篇 3 模拟过程的实用化、智能化与模拟过程的仿真照示。 l 。2 。3g i s 在洪水浚进模攘串麓发震 ( ；t s 足一利，以数字方式处理地理数据并服务于一定目标的技术。它能够将数据处瑚成 可| 矗分援懿镶式，对模蝥纛凑遂芎亍空闽分毒露，对结果强矮期处理。o i s 为承资源管理系统 提供了一个空间表达，为传统水资源数据库引入空间尺鹰，并能给出一个对 睦界范圈的 一体化的褫角脚1 。 g i s 、j 曩程模型与可视化的结合真撼学术界关注的热点“。传统的g i s 是以闰屡 为核心设计、以数据为b 动的信息系统，丽向的是静态、二维的地形学问题，它在处理 以与笼影鸯燕静对窒西缝翊题对寿很大的餍限往。丽在弱一方面，数簸计算可 甄纯，可 以处理三维以上模型计算及其计算过程或结果的可视化，但弱于对多源空间数据库的综 合蓉瑾帮努撬。嚣g i s 移数蓬 l 。算霹强偿恿是与专簸过程摸鼙集袋超紊嗣予延壤髓 多维、动态为特征的问题。但在g i s 与专北模型结合的过程中，有许多难点。其中之一 是，女口何让模型适应g i s 。扶系统设计和傻霜番，g i s 、数蠖计算可黝l 专监过程撰裂 三者集成般可分为三类模式：松散的，紧密的和一体化的。松散集成模式，表示三者 是分开、独立的，在形式上可表现为三个独立的运行系统，系统之间通过数据文件作为 中弑连接酌耩粱；紧密集i 鬣模式，是三蛰集合成一个运 亍环境，它们之阍的数据交换与 联系是在计算机内存中自动究成的，但三糟的数据模型和功能系统分别保持相对的独立 一体诧集或搂式，表示在数据缕型窝凌戆关系上奁系统竣毒卡嚏是整俸卷惑豹，三考运戮 完全的融合。在实际中，大爨的研究采用松散的和紧密结合的集成模式，并且常着眼于 某一应用领域，如洪承模拟、水土侵蚀等。藤g i s 茅啊：境模型的完全集成& # 一体化模式， 是模拟和可视化意义需要的结果。水摄源管理问题的特性需要一个特殊的g i s 数据结 构及将g i s 应用扩展到处瑗水源管理分析中去，在本文中，我f 门采用筒向对象的方法， 将东资源瞽躐摸墅与g i s 紧密集成。 6 综述篇 绪论 用户与模型计算、可视化的相互交互，可概括为- 种模式：后处理，过程跟踪和过 程引导。后处理模式，是模型计算得到的数据先存放在外在介质( 如硬盘) 上，然后经 过u 一段时间再用可视化技术把数据转换成图形图象用于浏览分析，所以该模式中模型计 算与数据可视化是分丌的；过程跟踪模式，是用户可以基于图形图象跟踪模型计算的过 程，但在计算过程中无法控制模型参数；过程引导模式，足用户可以应用模型参数控制 或引导模型的计算，是人与模型计算交互最主动的种模式。 本文研究水资源管理模型与g i s 集成的问题包括：1 ) 如何将水资源管理模型的数据 和函数以空间和概念特性的方式在g i s 中表达出来。2 ) 怎么在g s 中，把问题的定义、 数据的操作、分析函数一体化。3 ) 如何利用g i $ 的空白j 分析能力，完成模型表达和结果 分析。 本文进行研究所采用的系统软件是王船海老师自主开发的数字流域防洪决策支持系 统。浚系统将流域作为空间对象和概念对象的集合来模拟，并建立了一个概念性g i s 数 据模型来将水资源配置问题的物理和逻辑表达在一个操作框架下面实现一体化，并采用 过程引导这一人模型交互最高级框架设计，所有的操作过程，包括数据输入更新，方 案的派生，工况的修改，结果分析显示等都是集成在一个g i s 环境下，可实时交互产生 决策方案并对决策结果可视化地显示。 本论文主要分两部分进行研究( 1 ) g i s 在流域水文模型中的应用研究；( 2 ) g i s 在 流域水动力模型中的应用研究。这两部分内容是相互关联的，通过水文模型计算出水动 力模型计算中所需要的流量等边界条件以及模型中参数的选择。最后通过一个温岭地区 这个典型的平原河网地区的河道整治规划方案论证g i s 在模型中的具体实现。 综述篇 本部分内容t 要是在阐述流域水文基本原理的基础上，通过对流域水文模型构建的 分析，提出流域水文模型对g i s 在的具体应用的要求，进而探讨具体的解决方法。 g i s 中用于空间数据及非空间属性数据的获取、存储、分析和显示的功能已非常成 熟，可为水文模型提供非常详尽的背景环境描述。g i s 在水文模型中以下几方面能发挥 重要作用： ( 1 ) 管理空间数据： ( 2 ) 由基础数据层生成新数据层 ( 3 ) 为模型参数的自动获取提供可能 ( 4 ) 为水文建模提供方便： ( 5 ) 有利于分析计算的过程及结果可视化表达 由于信息数孚化和计算机的发展，对于海量的气象和下避面空问数据的处理与利用 成为可能，因而水文模型与河道水动力模型已经日趋有机的集成为体，这里着重阐述 的g i s 在纯水文模型中的几点创新应用，与水动力模型相集成的应用部分在下一章中探 讨。 1 流域下垫面资料的可视化 为了反映流域下蛰面因素的空间分布对流域水文循环的影响，以及人类活动和气候 变化对流域径流过程的干扰，应用的g i s 数据已经不单单是d e m 地形高狸值，还包括：土 壤类型、植被覆盖、气象因素( 如降水、气温、辐射) 、行政区划、人口密度等诸多因素。 如何将这些资料与g i s 的地形图结合起来，形成一个更为直观的数字地图。 2 流域分水线的识别问题 商业化g i s 软件只能根据指定的阀值生成流域水系，不能对子流域进行细化调整。 综述篇 1 绪论 但如果只能通过单一给养面积阈值生成水系，将不能完全根据研究的需要生成予流域的 问题。本文通过在( ；l s 图形中，给定流域的主要入r _ | 和出口的断面位置，通过坐标变换， 自动匹配其物理位置，得到它们所在栅格单元的行列坐标。旦两者的位臂确定，根据 它们的汇水面积大小，程序可自动搜索从而勾划出流域边界并计算出流域面积。如果某 个t 谁域面积与实际暗况不符，需要进行修改，只要对浚子流域进行操作，给定水系最小 流域面积，系统可以很方便的重新设置局部河网水系。根掘需要，更灵活得获取研究区 域。 3 针对水系如何解决雨量分配问题 为了解一定区域的降水情况，需在区域内布设一定密度的雨量站，然后由这些雨量 站测得的结果来推求区域内平均面降雨量。以往的水文建模中一般采用算术平均法、等 啪量线法进行雨量分配。如果采用泰森多边形方法，也是在人工在流域水系图中标识雨 量站，手工画出泰森多边形，以求出雨量站的权重。而本文在水文建模时，由于可以直 接在6 i s 地形图中标识出雨量站的位置，系统可以直接根据雨量站的坐标计生成泰森多边 形，从而自动获取瓤匿站的权重系数。 4 生威冰系时河网编码问题 河网编码是生成河网拓扑关系的基础。一种较好的编码方法能建立算法简化且效率 高的拓扑关系。通常使用g a r b r e c h t 嗍编码方法对河网节点进行编码，而后对两个十酴b 节点问的河段采用s t r a h l e r 咖或s c h r e v e “”方法进行编码。本文为解决这一问题，对河 网生成采用以下三个步骤：确定流域边界内的水道：裁减小于某一临界长度的河段；生 成河道编码。 综述篇 1 3 2g i s 在流域水动力模型中的应用 本部分内容主要是在阐述流域水动力模型的基本原理的基础上，通过对流域水动力 模型构建、参数率定及运行中方案的比选等问题的分析，提出水动力模型对g l s 在的具 体应用的要求，进而探讨具体的解决方法。本章主要从g i s 概化地图的生成、水文模型 中的信息的迭加、率定过程中基础资料( 具体【况) 的修以整治方案生成过程中河道 整治信息和新增疏竣工程的设置及信息实时动态显示等方面研究c i s 的应用。 1 河网概化的实现 以往人工概化河网，必须为每一个节点，断面和河道进行手工编码，人工录入。处 理的数据量大且繁杂且容易出错。因此，耗时太多且灵活性差。而目前商用的g 1 s 也没 有很好得解决构建河网所面临的问题。 本文将河道作为一个地理对象描述，河道信息( 河长，河宽，断面形状等) 作为对 象的属性值。用户只需要在6 i s 模型良好的人机交互界面中录 或引入断面资料点息( 断 面编号，测点个数，桩号，水平距，高程) ，系统软件自动插值生成涮酋信息。 2 数隹d 陕拟中的可彻眦 由于河网数值模拟需要设定许多参数，输入大量的原始资料以及生成大量的计算结 果，将河网数值模拟的全过程开发为用户界面友好、通用性好的模型软件包，无疑可以大 大简化数据录入和结果整理等繁杂的工作。要解决这一矛盾必须实现数值模拟的。矾则j 二 与软件化。在本文采用的模型中，由于实现了全流域的耦台求解，使得在研究各种规划 方案时非常方便，只需给出基本资料，可得出其计算结果。对于正常的漫堤、溃堤、决 口等运行情况，通过运行工况的设定，运行过程中自动实现；对不确定的溃堤、决口等 情况，由实时修改内存的基本资料，实时干预来模拟。这就解决了数值模拟和实时干预 运行工况的问题。 综述篇 1 绪论 3 整治方案派生与管理问题 如何合理的对河道进行整治j j 是整个河道整治规划方案中的核心部分。以往在进礼 方案设置叫，基础数据无法共享，只能另辟目录，全盘拷贝，海量的数掘，管理复杂 容易m 错。本文中的模型与g i s 数据紧密耦合与完全集成的方式，对整个系统在源代码 缴卜进行集成，实现g i s 与模型计算的数据同步。这为整治方案的生成与管理提供了良 好的基础。 在整治方案进行设置时，可以在共享基础资料的6 h 提下派生出新的整治方案。每 个方案不仅可以从原始概化的基础率定资料派生，还可以从某一个整治方案再一个派生 这样就可以实时交互产生决策方案，这为方案的比选与设置，以及分期施工的j | 唧芋、利 弊有了一个更为科学与直观的比较。 4 实时查询功能 为了实现信息服务、汛情监视、防汛抗旱管理、水资源实时监控等多项功能，数字 地图无疑成为了系统操作的最基本的背景界面和实现各种操作的基础图形。 整个系统是利用v c 语言编程实现，在源代码级上进行集成，使得在g i s 图形中的操 作直接与水动力模型中的信息相关联。系统可实现实时动态显示水面线、各种计算与实 测过程线。可以在不中断系统运行的情况下，查询所需时间和所需空间位置的计算与实 测信息。实现了比d e l f tn e t t e r 更强并基于电子地图的可视化查询分析功能，在系统 中通过电子地图方便直观地查询所需的任何信息，并可以对所需信息进行在线分析。 1 - 3 3 温岭区域河道整治规划 温岭市地处浙江省东南沿海，地理位置介于东经1 2 1 。0 9 7 5 0 ”一1 2 1 。4 4 7 0 ”北 纬2 8 。t 2 4 5 ”一2 8 。3 2 7 0 2 ”之间。地势西高东低，自西向东逐渐倾斜浸入东海，西 部和西南部，多为绵延起伏的丘陵山区，间有小块河谷平原，北部、中部和东部为平原， 1 1 练述篇 1 绪论 地势i f 坦，局部问有陆屿残丘，地貌单元众多。境内溪河众多，建国后，丑 - 然，- - f i j 建设力度，修建了金清新闸、江厦排涝隧洞等一系列水利工程，有力地支撑了温岭市社 会经济的可持续发展：但仍存在着抗灾能力侧氐、水环境同益恶化等问题。 河道存在的主要问题：河道防洪排涝标准偏低：河道水生态环境恶化：地面高程较 低，容易形成涝灾：人为设障及填堵河道造成- t i l = 水不畅，水位抬高。 1 温岭水文桉型的构建 在调查分析相关测站资料的基础上，根据防洪排涝的要求，采用王老师的数字流域防 洪决策支持系统中的数字高程模型生成流域水系，计算出设计暴雨、设计雨型和设计径 流，采用新安江模型推求设计洪水，分析计算了河道水位和设计潮型。 2 温岭水动力模型的构建 经过对河网、地形分析研究，确定了计算范围为路桥、泽国以南，大溪以东，直至 滨海各排水出i ：1 的金清河网水系。概化湖泊和排7 1 e 7 嗽l b i 根据实际情况，采用堰闸形 式连接。计算中考虑漫滩、分洪及多种形式的闸、泵、堰、阻水桥梁等因素，计算出各 种水利工程组合条件下，河道各特征断面水位和流量的过程，为规划方案比较提供依据。 进而生成原始概化 可网。处理好流域面上的众多小河、塘坝、小湖泊、洼地的调节水量 的作用及北面有黄岩地区的入流和大溪附近洪涝成灾的实际情况。进行参数率定与模型 验证，构建水动力模型。 3 规划方案的设计与比选 根据温岭市工程总体布局原则：老城区的现状防洪标准在1 0 年一遇左右，新城区低 于5 年一遇标准。经实际调研和广泛征求有关专家的建议，本文采用“上蓄截、中疏、 下泄、低填围”的工程总体布局方案。通过计算现状工况情况下的洪水，对温岭现有河 道排涝能力分析，咀“温岭全区不漫滩”工况下主要的阻水节点，为后面的河道整治方案 1 2 蒜逮蕊 提供依捌。 在试粪努霉；饔馨终置意瓣避麟巢瀚纂醚主，瀵遥溪甥蠢麟t 7 瓣器鑫毳凌河瓣瀚 洪水演进分析，与水利专家们多次讨论，椒据本区珊 j 洋h 将要实施的工程相配套方然， 找是关键节点瀚堕漤葬 漤邋透，筑总体土辩学巍选港龄市憋霹遵整瀚方案：j ) 巍黉燃 区莳二缴：“：横整治方案： ，露a r 。= i a t 一弦，当 ，辩矗霞，：o 。该溶 的缺点是人为的划分时段，降雨强度错时失真，并腻它没有考虑产流面积的大 小及变化。 下渗麓力慕积酋绫法是巍震簿懑累积彗蠡线蠢下渗能力累积霸线壹接稚裳产 流量。该法优点是按天然降雨强度分段，不受人为划分时段的影响，缺点是淤 商考虑产瀛灏积的变化。 ( 2 ) 裙关基线法：都簿蘑径流鞠美霸线。它楚将簿雨量、产流量及萁主簧 影响因素，通过一定的图袭关系表达出来。它主要怒由实测数搦点绘出的经验 关系，如四变数合轴相关图等。 ( 3 ) 经验系数法：将产流量雳经验公式表示：厂j 。) = p ( 1 球) 一置。式串 f ( i 。) 为下渗能力函数，尊为调整系数，在实质上熙激示流域的不产流面积。 4 ) 滚域穰墅法疆# 采露数学物毽方法亲模羧径流形或过狴。 2 汇瀛 流域汇溅包括坡地糊河网荫个汇流阶段，这里主要奔绍坡地汇滚计算方法， 浮霹汇渡诗篱方法在下一蘩中缀专门黝讨论。瑗蟪汇漉诗篓主要途径嘉嚣静， 一种是黑箱予性质的单饿线法；另种怒属于概化推理性质的等流时线法。随 饕应用与研究的深入与发艟，逐步形成概念性模型。 ( i ) 擎谴线 单位线熙1 9 3 2 年舒尔曼( l jk s h e r m a n ) 首先撼出的概念与方法。舒尔曼 单位线是以经验形式表达的，在倍比和线性叠加假定下，出口f 时段流量& 为： 堡垄整 ! 茎兰鎏墨查墨整兰竺塑整 媳= 爿g r 。 ( 3 - 】) 式巾真鸯摹建转攮系蘩；鸯攀经浚；翼鸯挣鬻；t - i + l 舞冷瓣薅段，疑l 到t ( 净掰总历时) 。 现代线性系统理埯搬犟位线定义为线性系统的脉冲反应，即输入一个脉冲 对蒸窭蠹过羧，器或爨鼹攀整线熬瓤念。 此君蚋稀 o ，则产流；否则不产流。产流时， 当p e + a w m m ， 肚眦删+ 氓删【l _ 等r 8 当p e + a w m m ， r = p e 一( w m 一矾) ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 磁舌!|禧鬏蓍懈蕊甲匝 谢餐警犁郴书帮蠖”繇n 搂帛罄 埋论篇3 薮事赢城枣支簌型砖掘建 产流讨辣时，模型的输入为p e ，黪数包括流域平均蓄水容嫩w m 和蓄水容 量曲线的搬数b ；输出为流域产流量r 及流域时段来甲均含水蕊w 。 ( 4 ) 水添翅分 新安江模型采j e j 个自由水蓄水库进行水源划分。自由水凿水库设置两个 出h ，英出溅系鼗分鬓壁为k s s 露k g ；滚蹙r 进入垒凌隶拳痒内，邋道嚣个爨潍 系数帮溢流的方式把r 分戚地面径瀛( 黼) 、壤串流( r s s ) 和地下衽流( r g ) 。自国 水蓄水库的结构见图3 - 4 。 。，鑫 = l f 水游鬻隶鼹力在产漆落鬏鳓移一t |驹分布也楚不均匀的。模储张力水分布不 i。，一”爿3 删9 均匈的处理方式，把自由水嚣水能力在产 rl 鹊 s| 流露狡上懿分毒逛是一条抛镑线来裘示 | i( 觅图3 4 ) 。髑s m m f 表示产流面积上最大 ly ” l点的自由水嚣水容量，s m f 表示产流瞬 of s 鞭 袄上戆塞出7 畚乎均蓄拳容爨滚，s m f ，表示 鹭3 - 4 潇域毒由承蓄承窖鼗躲线 产流面积上蔡一点的自由承裙蟹，f s 表示 自由水蓄水能力s m f 值的流域面积占产流面积( f r ) 的百分数。s 表示自由水 在产滚匿袄上海平均蘩承澡，e x 表示滚藏鑫出承蓄承容量蕊线翡指数；产流箍 积上各点的自由承蓄承容凝关系为 曼：l 一( 1 s m f j x( 卜9 ) f r 、 s m m f 7 。” 。 产流酾稠上的平均鬻力( 容量深( s m f ) 为 s m f ：_ s m ，m i f( 3 一l o ) l + 溅 与s 对疲熬缀釜栝( a 稚) 为 爿u = s m m f i 一( 1 一；董鬲) “”】 ( 3 - - 1 1 )1 s m f 1 1 当p e + a u s m & = 封，缝覆径流量( r s ) 为 理论篇 3 数字流域水文模型的构建 r s ：f r f q ：* a uf - - s m f 山7 fr(3-12) ；瞰p e s m f 七s + s m f ( 1 一p i e m + m a - u 。) “3 、 当p e + a u s m i f 时 r s = f r ( p e + s s m f ) ( 3 1 3 ) 显然，$ m m f 和s m f 都是产流面积( f r ) 的函数，是变化的，无法确定。假定 s m m f 与产流面积( f r ) 及全流域上最大点的自由水蓄水容量( s m m ) 的关系仍为抛 物线分布 朋：1 一( 1 一s m m fjz。(3-14) 、 s m m 7 则 s m m f = 1 一( 1 一瑚) “ s m m ( 3 一1 5 ) s m m = s m n + e x ) 在用式( 3 8 ) ( 3 1 1 ) 进行计算时，必须首先用式( 3 1 4 ) 和式( 3 1 5 ) 计算出s m m f 来。而流域的平均自由水容量s m 和e x 对一个流域来说是固定的， 属模型率定参数。 ( 5 ) 汇流计算 流域汇流计算包括坡地和河网两个汇流阶段。 坡地汇流是指水体在坡面上的汇集过程。在该汇流阶段，水流不但发生水 平运动，而且还有垂向运动。在流域的坡面上，地面径流的调蓄作用不大，地 面径流受到大的调蓄，壤中流所受调蓄介于二者之间。 河网汇流是指水流由坡面进入河槽后，继续沿河网的汇集过程。在河网汇 流阶段，汇流特性受制于河槽水力学条件，各种水源是致的。新安江模型中 的河网汇流，仅指各单元面积上的水体从进入河槽汇至单元出口的过程。 ( 6 ) 模型参数的确定 概念性水文模型参数一般可分为两大类：一是可定参数，例如流域面积、 河长等，他们可以通过实地测量来获得：另类为待定参数，他们随着降雨特 理论篇 3 数字沉域水文模型的构建 一陀、j 、挚面条件的改变而改变。这些待定参数又视其对两洪特性的影响程度分 为弱敏感参数和强敏感参数。在新安江模型中，属于前种的参数有b 、i m p 、 e x 、c ： 属后种的参数有k 、w u m 、w l m 、w d m 、s m 、k s $ 、k g 、k k s s 、k k g 。 弱敏感参数一般不必参加优选，强敏感参数参加优选，其初值的确定直接 影响寻优。 流域产流与蒸发参数的确定： a ) k 流域蒸散发能力与实测水面蒸发值之比。 b ) i m p 流域不透水面积及水面积与全流域面积之比。 c ) b 一蓄水容量曲线的指数。它反映流域蓄水容量分布的不均匀性。一 般流域面积越大，不均匀性就越显著，因此b 值就越大。 d ) w m 流域平均最大张力水容量。 划分水源参数的确定： a ) k s s 、k g 流域自由水蓄水库壤中流和地下径流的出流系数。他们可 以从实测流量过程线的退水段分析不同水源的退水规律，以此找到地面径流和 直接径流终止点，并分别与起涨点连斜线，即可粗略地得到壤中流年总量r s s 和地下径流年总量r g 据此求出r g r s s 的比值，则k g k s s = r g r s s 。又知自由 水蓄水库的消退时间为t ，并令 卜( k g + k s s ) = o 0 1 ，求出( k g + k s s ) ，再与式 k g k s s 联立，分别求出k g 、k s s 。 b ) s m 流域平均自由水容量。它相当于张力水容量曲线上的w m 。 c ) e x 它表示自由水容量分布的不均匀性，相当于张力水容量曲线上的 b 。当e x = o 时，流域各处自由水容量相等：当e x o 时，分布曲线呈上凹形状。 地下径流汇流参数的确定： a ) k k s s 壤中流消退系数。 b ) k k g 地下径流的消退系数，可根据枯水期地下径流退水规律，即 q 。q = k k g 求得。有时，枯水期地下径流退水很慢，则可以用旬平均流量或月 理论篇 3 数字流域农走模型的构建 i f 7 均流量估辫。 河网汇流参数的确定： 采璜分溺段马赣察裰法遥行计算，浚法有两个参数k e 、x e ，x e 为流量魄黧 系数，k e 为稳定流河段传播时间。可根据河道水力特性确定。 3 。l 。3 涎道汇流的一弩赣塞根法嘲 假定河段槽蓄量v 与出流量q 及入流量l 之f 训存在如下的线性关系 v = k x l + ( 1 一x ) q 】 ( 3 - 1 7 ) 式中k 和x 为经验系数，且x 蔓o 5 ，故可褥 q 2 = c i ，l + c 2 ，2 + c 3 蜴 k x 十磊联k x 以 式中g 2 i 赫c 22 i 蔬q = c i20 ，c 2 0 ，c 3 0 ，且c i + c 2 十c j = 10 3 2 水文模型构建 3 2 1 基于g i s 的水文模型构建框架 ( 3 - 1 8 ) k o 一善) 一幺 k + ( 1 “- ”“x ) + a ； 常规的河网水文计冀模型，要确定子流域面积、河道汇流长度及计算面平 鹚薅量孛豹鼹鬟菇较重系数，途获攀经线汝篷虢参数等，占震了大霪豹薅阗与 精力，且其计算的精度不离，影响河网水文水利计算的精度。 在信息数字化的今天，计算机信恩技术r 新月辨，描述流域下她面空间分 匆售感戆技术爱凝藏熬，宅挺送了承文壤鍪在蔽零上豹革蔌。数字魏影模登技 术使流域地形、植被、土壤、分水线、河网、子流域的表达及巢泳面积的计算 完全能用数字化技术实现，从而改变了以往手工量算流域面积等方式。 基于g i s 懿承文模羹楚塞d t m 建立数字离程流域承系搂鍪，撵与产浚搂登 和汇流模型有机结合形成水文模型，戴基本框架见阁3 5 。 理沧篇3 数字流域水更模型的构建 数字地形模型 ； 数字高稷流域水系模型 ij i 流域产流单元生成水系生成 | ； 产流模型 i 汇流模型 流域径流过程 幽3 - - 5 基】g l s 的水文擞型 基予g 1 s 酶承文模爱是菝握篷影瓷瓣善裳毫溺疆萋疆浆一耱疆我技术途 径，体现了水文模型的分单元、分层、分水源的原则。流域所有的下挚面特征 ( 诸如流域分水线、子流域集水面积、水系、地形、植被、土壤) 都是栅格型 数字式懿点簿，浚壤产濂攀元、汇滚爨擐、隶系是鬏露圭氇澎鑫| 诗冀襁蠢动生戎， 无须手工操作。由d t m d e m 可衍生出数字高程流域水系模型或数字河网模型。 在此基础之上依据下垫面地形特征、水流方向及河网水系特征由计算机将研究 漉蠛耋r - - ) j 鬟分戏子荤元，该予单元可强怒与下整嚣髂惫滚空淹分瓣率赣遥痤黪 任意小单元，这种子单元划分的方法具有一定的物理藻础，避免了以往根据降 黼站网划分予流域单元的缺陷。在这些予单元上报搬各自的下垫蕊特性分别构 建数字产滚耩整( 这些予零元主豹跨蠖、承文交塞及参数玛良数字矩簿形式嚣 戳) ，再与数字河网模型派艇出的数字汇流模型嵌套联结，最终获得流域出口断 面的径流过摆。 在基予上述模型实臻豹基疆土，穰据永系戆接羚关系，以求瑟为革元对流 域分区；再将雨量站控制范围叠加到d e m 模型上，应用新安江模测作出各单元 产流，再将备单元的产流汇入河道，然后利用马斯京根河道演算w 以实现水文 模犟嚣蔌遮建搂。 下面将飙体探讨在各步骤中g i s 成闱的实现。 理论篇3 数字流域水文模型的构建 3 2 2 数字高程流域水系模型的生成步骤 在水文模型的应用中，水文特征信息的提取是水文模型计算的第一步。它 的征确与否，精度的高低将直接影响水文模型的精度。所以水文特征信息的提 取已成为保证水文模型精度的前提。 水文特征信息提取的一般步骤： 1d e m 获取 d e m 数据包括平面位置和高程数据两种信息，可以直接在野外通过全站仪 或者g p s 、激光测距仪等进行测量，也可以间接地从航空影像或者遥感图像以 及既有地形图上看到。对地形图进行数