(3)國外模型――丹麥水力研究所模型(NAM)
NAM是丹麥語“降雨徑流模型”的縮寫,模型最初由丹麥技術(shù)大學于1973年提出,后經(jīng)丹麥水力研究所(簡稱DHI)逐步完善。NAM模型也是一個集總性的概念模型。該模型在國外評價較高,國內(nèi)也在長江中游的洪水預報(包括98年大洪水)、嘉陵江、沱江和岷江的水質(zhì)研究,淮河整體的水質(zhì)研究,蘇州河的改
造分析研究中得到應用,效果良好。
在設(shè)計中采用國內(nèi)外模型并用、合理選用的途徑(例如美國國家洪水預報系統(tǒng)也采用我國的新安江預報模型)來解決洪水預報和調(diào)度仿真問題。形成以國內(nèi)外先進軟件為內(nèi)核、實用性強、功能豐富的城市防汛決策支持系統(tǒng)。具體來說,洪水預報模型系統(tǒng)包括自主開發(fā)新安江三水源預報模型和南京水文所洪水預報模型,以及引進開發(fā)DHI的NAM洪水預報模型。
考慮到流域面上降雨不均勻、下墊面產(chǎn)匯流機理不清、人類活動影響顯著等困難,擬采用適合北方地區(qū)產(chǎn)匯流特征的流域模型,并結(jié)合基于雨量等值線的流域面平均雨量計算方法。此外還設(shè)計開發(fā)實用有效的實時校正模式、水情趨勢分析模式、多模型預報有效綜合模式,建立洪水預報的交互式平臺,以計算機技術(shù)、洪水預報方法與專家經(jīng)驗融為一體的方式實現(xiàn)對預報模型結(jié)果的綜合分析和交互校正。
4.2.3、洪水演進和調(diào)度仿真模型技術(shù)
就計算水力學的發(fā)展而言,二十世紀70年代初,河道洪水演進的一維非恒定流計算已相當成熟并廣泛應用于洪水波在河網(wǎng)中的流動計算。近年來,二維模型在大范圍泛區(qū)洪水演進中的應用也日益增多,但根據(jù)河網(wǎng)、蓄滯洪區(qū)和堤防地形特征、水流特點以及洪水演進機制,建立一、二維混合非恒定流計算模型,進行整個防洪系統(tǒng)防洪調(diào)度的水情仿真,仍是當今各國競相開展、尚待解決的重要防洪課題。
(1)國內(nèi)模型
就防洪系統(tǒng)水情仿真模型而言,國內(nèi)不少單位開發(fā)了一系列非商業(yè)化模型,在防洪規(guī)劃和調(diào)度分析中發(fā)揮了實際的效用。
水利部南京水文水資源研究所于“八.五”國家重點科技攻關(guān)項目中開發(fā)了一、二維混合非恒定流模型。該模型能適應各種復雜條件,進行河網(wǎng)、水庫、蓄滯洪區(qū)和排瀝入?yún)R的洪水演進和調(diào)度仿真,能夠反映洪水在河系中的動態(tài)演進過程和評估防汛調(diào)度方案的蓄泄效果。該研究成果曾獲97年度國家科技進步二等獎和96年度水利部科技進步一等獎。后經(jīng)過五年的不斷改進完善和運用,已形成了基于GIS電子地圖圖形用戶界面、以一、二維洪水演進模型為內(nèi)核、功能豐富和適應性強的調(diào)度仿真系統(tǒng)。已在長江中下游防洪規(guī)劃、洞庭湖綜合治理、98’長江大洪水災后重建規(guī)劃、珠江東江的綜合治理規(guī)劃等方面得到廣泛應用,獲得滿意的成果。但國內(nèi)模型在運用于薊運河水系時,存在模型是否適應北方產(chǎn)匯流特性和流域下墊面條件變化的問題,需進行降雨分布不均、流域局部產(chǎn)流和模型參數(shù)優(yōu)化率定等技術(shù)處理來提高模型的適應性和預報精度;且在圖形用戶界面、與GIS地理信息系統(tǒng)等高新技術(shù)的聯(lián)合應用以及模型的系統(tǒng)性、周密性和通用性等方面與國際先進軟件系統(tǒng)尚有一定的差距。
(2)國外模型
國外目前已有多種商業(yè)化的一維非恒定流洪水演進模型,廣泛應用于工程實際,其中之一是國際知名水力軟件公司丹麥水力研究所(DHI)研制的一維河渠模擬程序包(MIKE-11)。該模型集河流水網(wǎng)水力學、流域降雨徑流模擬、泥沙輸運和水質(zhì)模擬于一體,考慮周密、功能全面,配備了友好的圖形用戶界面和豐富的前、后處理功能,可與MIKE-GIS地理信息系統(tǒng)聯(lián)合應用,為河流防洪、渠系灌溉以及水質(zhì)控制系統(tǒng)的建立提供代表當前發(fā)展水平的核心專業(yè)分析工具。但MIKE-11軟件包中的NAM洪水預報模型,未見在我國北方地區(qū)成功運用的先例,因此該模型是否適應具有典型北方產(chǎn)匯流和流域下墊面條件變化的薊運河水系的洪水預報問題,有待通過開發(fā)應用加以驗證;且MIKE-11軟件包具有河網(wǎng)與蓄滯洪區(qū)洪水演進功能,但不具有二維泛區(qū)演進和一維河網(wǎng)的聯(lián)合模擬功能。
本設(shè)計以薊運河防洪系統(tǒng)為對象,以引進的MIKE11及國內(nèi)開發(fā)的同類模型為核心,結(jié)合防汛調(diào)度的具體要求,進行洪水演進和防洪調(diào)度仿真。薊運河實時預報調(diào)度仿真模塊流程見圖3。
4.2.4、洼淀產(chǎn)水和排瀝入?yún)R模型技術(shù)
由于流域內(nèi)區(qū)間瀝水占有較大比重,必須在模型中恰當?shù)丶右钥紤],才能使得水情預測更趨于實際。初步考慮建立沿河排瀝水量模塊,即根據(jù)區(qū)間或洼淀的實測降雨過程推求凈產(chǎn)水量過程,然后通過泵站調(diào)蓄計算或者洼淀匯流計算確定排瀝入河流量的時程分配和空間分布,并將其作為支流入?yún)R或分布式旁側(cè)入流連入一維洪水演進模型。
4.3、實時洪水預報和調(diào)度仿真子系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)流程 4.3.1、子系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)
實時洪水預報和調(diào)度仿真子系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示,子系統(tǒng)中的各模塊既可以組合起來進行薊運河系整體防洪調(diào)度仿真計算,也可以單獨使用,如進行某一支流或河段的洪水預報,或單獨進行于橋水庫的預報和調(diào)度計算。子系統(tǒng)中各模塊的主要功能概述如下:
(1)數(shù)據(jù)預處理模塊
該模塊的主要功能是按照各類預報和仿真模型的計算需要,對從防汛信息綜合數(shù)據(jù)庫中提取的數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換,并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存于指定模型的輸入數(shù)據(jù)文件,供模型的交互式平臺調(diào)用。
(2)暴雨洪水預報模塊
該模塊的主要功能包括于橋水庫洪水預報、支流和區(qū)間洪水預報、洼淀產(chǎn)水預報。其功能為根據(jù)氣象部門的降雨預報或是遙測雨量站的實測降雨量,利用雨洪預報模型計算流域干支流來水、區(qū)間來水、洼淀產(chǎn)水以及于橋水庫入庫洪水等,作為仿真模型的輸入。
(3)綜合潮位預測模塊
該模塊的主要功能包括基于國家海洋局提供的入海河口的天文潮位預測值,對預報值進行實時校正;
對于風暴潮條件下的潮位預測,擬采用國家海洋局發(fā)布的風暴潮增水和風浪增水預報結(jié)果,再將天文潮預報水位和風暴潮增水迭加,計算出綜合潮位,以此作為調(diào)度仿真系統(tǒng)的下邊界條件。
(4)于橋水庫防洪調(diào)度模塊
該模塊的主要功能是根據(jù)于橋水庫的防洪調(diào)度原則,在綜合分析現(xiàn)狀雨洪形勢的基礎(chǔ)上,合理制定水庫實時防洪調(diào)度方案,計算出水庫的下泄流量。
(5)蓄滯洪區(qū)調(diào)度運用模塊
根據(jù)薊運河流域主要控制站的實測水位、流量和預報成果,將其與水情特征值比較,分析是否啟用青甸洼、黃莊洼等蓄滯洪區(qū),確定分洪時機、地點、方式。一旦啟用蓄滯洪區(qū),進一步考慮排澇匯入的實況,從薊運河整體防洪角度,充分發(fā)揮蓄滯洪區(qū)的調(diào)蓄洪水和削減洪峰的作用,合理確定各蓄滯洪區(qū)的蓄洪總量和分洪過程,通過與河段一維洪水演進模塊的耦合,動態(tài)確定進出蓄滯洪區(qū)洪水的吐納過程。對于青甸洼,采用二維洪水演進,以反映洪水在泛區(qū)內(nèi)的蓄集過程。
(6)河道洪水演進模塊
該模塊的主要功能是采用水力學一維非恒定流差分算法,詳細模擬洪水在薊運河河道內(nèi)的演進過程,給出主要控制站的水位流量過程線。若河道水位超出保證水位或堤防潰決,還需給出各河段超出保證水位的分洪流量過程或潰口流量過程。
(7)排瀝入?yún)R模塊
由上述暴雨洪水預報模塊可計算出相應降雨過程的瀝水量。根據(jù)排瀝調(diào)度預案,以預報的瀝水量為輸入,考慮實時外河水位、排水閘運行狀況、泵站的抽排能力等約束條件的變化,通過調(diào)蓄計算,推求排瀝入河流量過程。
(8)預報和調(diào)度仿真系統(tǒng)交互式平臺
主要包括預報調(diào)度交互式平臺、預報調(diào)度模型和方案管理,其功能為:以軟件形式將有關(guān)模型、數(shù)據(jù)有機地組織起來,建立各類模型應用的人機交互平臺,使防汛分析人員能針對根據(jù)防汛專家圍繞防洪目標擬定的防汛調(diào)度預案進行模型選擇、參數(shù)設(shè)置、方案數(shù)據(jù)集生成、模型運行、結(jié)果顯示、綜合查詢以及模型管理。
4.3.2、子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程
洪水預報和調(diào)度仿真子系統(tǒng)是決策支持系統(tǒng)的核心功能模塊,涉及眾多的模型計算,需要大量數(shù)據(jù)信息的支持。子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程如圖5所示。
5、結(jié)束語 天津城市防洪信息系統(tǒng)工程完成后,將繼續(xù)按照天津防汛指揮系統(tǒng)工程總體設(shè)計的要求,采用與國家防汛指揮系統(tǒng)工程同步建設(shè)的方法,在此起步工程的基礎(chǔ)上進行擴展和完善,用五年左右的時間,建成一個以信息采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)、通信系統(tǒng)為保障、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為關(guān)鍵、決策支持系統(tǒng)為核心的現(xiàn)代化信息系統(tǒng)。其中防汛決策支持系統(tǒng)建成后將包括信息接受處理子系統(tǒng)、氣象產(chǎn)品應用子系統(tǒng)、城市排瀝信息子系統(tǒng)、防洪及防潮工程信息子系統(tǒng)、洪水預報子系統(tǒng)、防洪調(diào)度子系統(tǒng)、會商及汛情監(jiān)視子系統(tǒng)、災情及防洪效益評估子系統(tǒng)、信息服務(wù)子系統(tǒng)、風暴潮信息及預報子系統(tǒng)、輔助管理子系統(tǒng)、旱情信息監(jiān)視預測及抗旱效益評估子系統(tǒng),共12個子系統(tǒng)。在決策支持系統(tǒng)與信息采集、通信傳輸、計算機網(wǎng)絡(luò)等系統(tǒng)的協(xié)調(diào)作用下,將全面實現(xiàn)天津防汛指揮系統(tǒng)工程的建設(shè)總目標。
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