北运河流域洪水预报与调度系统研究及应用

论文摘要

2008年北京奥运会对北京市的城市建设、水质、供水和洪水安全等方面提出了严格的要求。北运河是北京市北部区域重要的泄洪通道,其流域的洪水预报和调度系统是北京奥运会重要的安保措施之一,建立该区域快速和准确的预报与调度系统具有重要的现实意义。北运河流域面积不大,约4348 km2,但流域内河流纵横交错,水利工程设施较多,包括水库、蓄滞洪区和河流上的闸门等。过去在洪水调度时一般闸门均敞泄运行,但本次研究调度工作时,不仅要保证防洪的安全,还需要考虑洪水资源的利用,因此调度工作涉及到了每一个闸门的具体运用方式,在关键的北关分洪枢纽处,还需要回答每一个闸门的具体操作,包括哪个闸门启闭和开启的高度和时间,显然闸门群和闸门间的精确调度是一个复杂的水动力学问题,而预测流域及其河道的来水规律又是一个典型的水文学问题,将复杂的水动力学模型与典型的分布式水文模型耦合是本论文的研究重点之一。由于传统的水动力学模型和基于栅格的分布式水文模型依赖于精细网格的划分,其计算的工作量较大,一般难于满足实时调度的要求,因此将计算模型与神经网络快速预测模型进行连接,提高预测的效率是论文的另一个研究重点。在上述研究的基础上,论文基于WebGIS系统和浏览器/服务器(B/S)结构,建立北运河流域洪水预报与调度系统,该系统集雨情实时传输,流域产汇流,河道洪水演进,水库、闸门调度以及洪水溃堤后淹没范围的模拟为一体,具有计算结果快速演示、数据管理、结果查询和决策支持等功能。开发系统需破解的难点有:对不同模拟对象如何选择合适的模型,不同模型之间的耦合和连接,在保证精度的前提下提高系统的效率,选择先进的系统平台,实现人机界面对话,模拟结果直观显示和网络查询等。论文以北运河流域实测降雨(1998.7.3~7.6)和该流域主要断面的调查流量来率定北运河流域洪水预报与调度系统的相关参数,以不同设计降雨(设计频率为10、20、50和100年)和相应断面水位为验证资料,验证了北运河流域不同设计降雨情况下流域产汇流、支流汇入、交叉河道洪水相互顶托以及水库、闸门调控等因素对洪水演进的综合影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 洪水预报技术研究进展
• 1.2.1 国外洪水预报技术进展
• 1.2.2 国内洪水预报技术进展
• 1.3 洪水预报模型库综述
• 1.3.1 水文学模型
• 1.3.2 水动力学模型
• 1.3.3 防洪调度系统的趋势
• 1.4 论文研究目标和内容
• 1.4.1 论文的研究目标
• 1.4.2 论文的主要内容
• 第2章 分布式水文模型DWSM 的方法及改进
• 2.1 分布式水文模型DWSM
• 2.1.1 运行原理和结构
• 2.1.2 产流计算
• 2.1.3 汇流模拟
• 2.1.4 水库模拟
• 2.1.5 方法改进
• 2.2 分布式水文模型CASC2D
• 2.2.1 模拟原理
• 2.2.2 产流计算
• 2.2.3 汇流模拟
• 2.3 分布式水文模型的验证
• 2.3.1 流域概况
• 2.3.2 参数率定
• 2.3.3 结果分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 水动力学模型的模拟原理
• 3.1 一维水动力学模型
• 3.1.1 控制方程
• 3.1.2 方程离散
• 3.1.3 边界条件
• 3.2 二维水动力学模型
• 3.2.1 控制方程
• 3.2.2 方程离散
• 3.2.3 边界条件
• 3.3 闸门过流计算
• 3.4 人工神经网络
• 3.4.1 径向基函数RBF
• 3.4.2 数据训练算法
• 3.4.3 神经网络的应用
• 3.5 本章小结
• 第4章 系统内各类模型的嵌套与耦合
• 4.1 概述
• 4.2 水文模型间的嵌套
• 4.2.1 不同水文模型的特点
• 4.2.2 模型嵌套方法
• 4.3 嵌套模型在蓝河流域的应用
• 4.3.1 蓝河流域概况
• 4.3.2 雷达测雨数据
• 4.3.3 模拟结果分析
• 4.4 水文学模型与水力学模型的耦合
• 4.5 水动力学模型中嵌套闸门调度模型
• 4.5.1 闸门与一维模型
• 4.5.2 闸门与二维模型
• 4.6 水动力学模型间的耦合
• 4.6.1 水动力学模型耦合的必要性
• 4.6.2 复杂枢纽处一二维耦合
• 4.6.3 溃堤处一二维模型的耦合
• 4.7 本章小结
• 第5章 北运河洪水预报与调度系统的结构和功能
• 5.1 概述
• 5.2 北运河洪水模拟系统的重要意义
• 5.2.1 北运河流域概况
• 5.2.2 存在的主要问题
• 5.2.3 确保北京奥运的洪水安全
• 5.3 GIS 水文分析原理
• 5.3.1 基本方法
• 5.3.2 主要功能
• 5.3.3 方法改进
• 5.4 基于WebGIS的洪水预报与调度系统
• 5.4.1 系统开发
• 5.4.2 系统结构
• 5.4.3 系统功能
• 5.5 本章小结
• 第6章 北运河流域洪水预报与调度系统的应用
• 6.1 概述
• 6.1.1 技术路线
• 6.1.2 模型说明
• 6.2 产汇流模拟
• 6.2.1 数据预处理
• 6.2.2 参数率定
• 6.2.3 模拟结果
• 6.3 水动力学模拟
• 6.3.1 计算条件
• 6.3.2 结果分析
• 6.4 北关闸分洪枢纽RBF 网络
• 6.4.1 北关闸RBF 网络
• 6.4.2 训练数据
• 6.4.3 预测结果分析
• 6.5 洪水调度模拟
• 6.5.1 调度原则和目标
• 6.5.2 闸门调度结果
• 6.6 本章小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 主要成果
• 7.2 主要创新点
• 7.3 不足与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果