（水利工程专业论文）基于数字化河网的引调水水力计算.pdf

摘要 河网非恒定流计算研究作为水利科研的基础工作，在过去几十年 中已有了很大发展，并在水资源规划、管理等水利实践中发挥了较好 作用。但目前河网非恒定流计算中对河道基础信息的概化和边界条件 的取用精度还关注较少，对基于数字化的河网信息与水力计算数值模 型相结合的研究分析也不多。因此，为完善河网非恒定流数学模型， 有必要重点对河道基础信息的概化和边界处理等进行关注和研究，以 准确反映河网水动力实际，有效地指导工程实践。 本文在总结分析前人研究成果的基础上，运用g i s 技术，对基于 数字化河网的引调水水力计算进行了理论研究和实践应用，论文主要 内容和取得的成果如下： ( 1 ) 分析了各种河网水力计算数值模型的特点和发展过程，并 将g i s 数字化技术与河网数值模型相结合，运用数字化河网对河网进 行合理概化，使之保证精度又简化计算。对未计入概化河网的水域， 视作等面积“小水库”，通过侧向出流形式来考虑向概化河网外扩散 的水流，以使模型计算更为合理。 ( 2 ) 利用丹麦水力研究所研制的m i k e ll 软件，建立了基于数 字化河网的水动力模型。计算过程中，针对河网侧向出流的流量过程 以及计算河网下边界水位过程随时间而变化的特点，将侧向出流过程 和下边界水位过程作为时变过程来加以考虑，提高了计算的精度。 ( 3 ) 将基于数字化的河网水动力模型应用于实践，对浙东引水 工程的重要工程之一一一曹娥江至慈溪引水工程的引水总量及进入 上虞、余姚和慈溪的分配水量进行计算和研究，提出不同水位时引水 至各地的所需时间、引水量。在增加调蓄能力的基础上，按照可行性 研究所推荐的引水方案进行计算和分析，结果表明，上虞、余姚和慈 溪市所引水量能满足设计要求。 ( 4 ) 针对浙东地区水资源紧缺的实际，提出下一步加强水资源 调度运行研究，加快海涂水库等水资源调蓄工程建设，以及在更大区 域范围内开展基于数字化技术的河网水量和水质数学模型计算等建 设性意见，为浙东引水工程建设及其他水利规划提供科学依据。 关键词：河网概化，数字化河网，水动力模型，时变出流过程，引水 工程，水资源分配 a b s t r a c t c a l c u l a t i o no fu n s t e a d yf l o wi nf i v e rn e t w o r k s 硒af o u n d a t i o no fh y d r a u l i cr e s e a r c hh a s d e v e l o p e di nt h ep a s td e c a d e sa n dp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei ns u c ha sw a t e rr e s o u r c ep l a n n i n ga n d m a n a g e m e n t t h eg e n e r a l i z a t i o no fb a s i cf i v e rn e t w o r ki n f o r m a t i o na n dt h es e l e c t i o no fb o u n d a r y c o n d i t i o ni nc a l c u l a t i o no fu n s t e a d yf l o wi nf i v e rn e t w o r k sg e t sc o n c e r nl i t t l e ，a n dt h e r ei sl i t t l e r e s e a r c ho nt h ed i g i t a li n f o r m a t i o no fr i v e rn e t w o r k sc o m b i n e dw i t hh y d r a u l i cn u m e r i c a lm o d e l i n o r d e rt oi m p r o v en u m e r i c a lm o d e l ，i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ho nt h eb a s i ci n f o r m a t i o no ff i v e r n e t w o r k sa n db o u n d a r yc o n d i t i o n sw h i c ha r e p r o p o s e di n t h i sp a p e rt oa c c u r a t e l yr e f l e c t h y d r o d y n a m i cp r o p e r t i e si nr i v e rn e t w o r k sa n dt oe f f e c t i v e l yd i r e c te n g i n e e r i n gp r a c t i c e o nt h eb a s i so fp r e v i o u sr e s e a r c hr e s u l t s ，t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o na b o u t h y d r a u l i cc a l c u l a t i o no fd r a w i n gw a t e rb a s e d o nd i g i t a lr i v e rn e t w o r k si sp r o p o s e di nt h i sp a p e r ( 1 ) t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dd e v e l o p m e n to fd i f f e r e n th y d r a u l i cc a l c u l a t i o nm o d e l so ff i v e r n e t w o r k si sa n a l y z e d f o rg i sd i 【g i 【t a lt e c h n o l o g yc o m b i n e d 埘廿lr i v e rn e t w o r kn u m e r i c a lm o d e l ， d i g i t a lr i v e rn e t w o r ki su s e dt og e n e r a l i z ef i v e rn e t w o r kr e a s o n a b l yt oe n s u r et h ep r e c i s i o na n d s i m p l i f i c a t i o no fc a l c u l a t i o n t h et r i b u t a r i e sb e i n gn o tb r o u g h ti n t ot h ec o m p u t i n gf i v e rn e t w o r k s a r ec o n s i d e r e da sr e s e r v o i r sw i t he q u a la r e a t h el a t e r a lf l o wi sa d o p t e dt oc o m p u t ew a t e r t r a n s p o r td i s c h a r g ef r o mm a i ns 仃e a mt o t r i b u t a r i e si nt h ef i v e rn e t w o r ks ot h a tn u m e r i c a l c a l c u l a t i o np e r f o r m sm u c hm o r er e l i a b l y ( 2 ) u s i n gs o f t w a r em i k e l l d e v e l o p e db yd e n m a r kh y d r a u l i ci n s t i t u t e ，ah y d r a u l i c c a l c u l a t i o nm o d e lb a s e do nd i g i t a lf i v e rn e t w o r ki sp r o p o s e d f o rl a t e r a lf l o wp r o c e s sa n dl o w e r b o u n d a r yw a t e rl e v e lc h a n g e sw i t ht i m e ，t h e ya r ec o n s i d e r e d 弱t i m e d e p e n d e n tt h a ti m p r o v e s c a l c u l a t i o np r e c i s i o n ( 3 ) t h eh y d r a u l i cc a l c u l a t i o nm o d e lb a s e do nd i g i t a lr i v e rn e t w o r ki sa p p l i e di np r a c t i c e t h e t o t a lw a t e rd i s c h a r g eo ft h ed r a w i n gw a t e rp r o j o c tf r o mc a n er i v e rt oc i x iw h i c hi sa ni m p o r t a n t p a r to fe a s t e mz h e j i a n gp r o v i n c ed r a w i n gw a t e rp r o j e c ta n di t sd i s c h a r g ed i s t r i b u t i o ni ns h a n g y u , y u y a oa n dc i x ic i t ya r ec a l c u l a t e d t h et i m ec o s ta n dt h ew a t e rd i s c h a r g ed i s t r i b u t i o ni n t oe a c h c i t yu n d e rd i f f e r e n tw a t e rl e v e li sc o m p u t e d o nt h eb a s eo fi n c r e a s i n gs t o r i n gc a p a c i t y , a c c o r d i n g t ot h ed r a w i n gw a t e rp r o g r a mp r o p o s e db yt h ef e a s i b i l i t ys t u d y , t h er e s u l t sa f t e rc a l c u l a t i o na n d a n a l y z ei n d i c a t et h ew a t e rd i s c h a r g ed i s t r i b u t i o ni ns h a n g y u , y u y a oa n dc i x is a t i s f yd e s i g n d e m a n d ( 4 ) i nv i e wo ft h ef a c tt h a te a s t e r nz h e j i a n gp r o v i n c el a c k so f w a t e rr e s o u r c e s ，t h ea d v i c ei s b r o u g h tf o r w a r dt h a te n h a n c i n gr e s e a r c ho nw a t e rr e s o u r c er e g u l a t i o n , e x p e d i t i n gc o n s t r u c t i o no f w a t e rr e s o u r c es t o r i n gp r o j e e l ss u c h 鹊t i d e l a n dr e s e r v o i r s ，a n dd e v e l o p i n gn u m e r i c a lm o d e l sf o r w a t e rd i s c h a r g ea n dw a t e rq u a l i t yo fr i v e rn e t w o r k sb a s e do nd i g i t a lt e c h n o l o g yi nm u c hl a r g e r a r e a , w h i c hp r o v i d e se a s t e r nz h e j i a n gp r o v i n c ed r a w i n gw a t e rp r o j e c ta n do t h e rh y d r a u l i c p r o g r a m m i n g 晰t hs c i e n t i f i ce v i d e n c e k e y w o r d s ：g e n e r a l i z a t i o no fc o m p l e xr i v e rn e t w o r k , d i g i t a lf i v e rn e t w o r k , h y d r a u l i cn u m e r i c a l m o d e l ，t i m e - d e p e n d e n tp r o c e s so fo u t f l o w , w a t e rd i s c h a r g ed i s t r i b u t i o no fd r a w i n gw a t e rp r o j e e t 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 河网水力计算研究现状 河网水力计算是水力学中最基本的工作之一。水利、航运等部门 经常需要进行河网非恒定流的计算，其计算问题归结为一维圣维南方 程组的求解问题。在过去的三十年中，国内外学者和研究人员对河网 非恒定流计算模型进行了多项改进，使计算方法渐趋完善，并在水资 源规划、管理等水利实践中发挥了较好的作用。 在我国，李岳生1 等最早进行了河网非恒定流计算研究工作， 提出了求解河网非恒定流方程组的直接解法。 j o li f f ei b 腔3 对稀 疏矩阵的求解进行了研究。荷兰水力学家d r o n k e r sj j 1 首先提 出了分级求解的思路。此后，各国学者相继提出三级、四级求解方法 1 4 - 1 3 1 ，从而使得在微机上求解大型河网区非恒定流方程成为可能。但 对于超大型河网，传统的分级解法的效率仍然不高，特别是对汉点编 码处理不够灵活。 李义天提出了河网非恒定流汉点分组解法，其特点是能够根据 实际问题的需要，灵活方便地将河网中的汉点划分为任意多组，使汉 点方程组的系数矩阵压缩到与分组后每组中的汉点数相同的阶数。不 仅极大地压缩了系数矩阵的储存量，而且计算量大幅度减少，计算精 度也得到了保证。 韩龙喜、金忠青 根据平原河网地区河道纵横交错、水流错综复 杂的特点，为克服湄公( m e k o n g ) 河模型在求解大型复杂河网水力特性 1 基于数字化河网的引调水水力计算 时参数率定的繁琐，对湄公河模型参数率定部分进行了改进，即将原 模型中连接河道的流量系数为参数，改为现模型中连接河道的糙率为 参数，并用最优化方法中的复合形法优化糙率参数，建立了改进的湄 公河模型。 李致家n 6 1 通过研究扩展的圣维南方程组及其有限差分方程的牛顿 迭代方程组、特殊结点的特殊方程及迭代方程、边界条件和初始条件、 系统方程的装配和特殊的高斯消元法，并结合实例，讨论了通用一维 河网不稳定流数值计算软件的数学物理基础。 侯玉等n ”在分析汉点分组解法的基础上，针对隐格式直接求解运 算占用大量计算机内存且计算时间较长的缺点，提出了汉点分组解法 的一般理论和算法。白3 i , ) l i 、万艳春等n8 1 对河网非恒定流数值模拟近 三十年的发展作了一次全面的回顾，对显式差分法、隐式差分法、直 接解法、二级解法、三级解法、四级解法、树型河网分组解法和汉点 分组解法进行了分析，认为汉点分组解法是目前最优的解决河网问题 的方法。卢士强、徐祖信n 根据河网非恒定流水动力模型的控制方程 组和汉点衔接条件，建立了平原河网水动力节点河道模型，并指出改 进和设计计算方法、应用向量运算和并行算法、数值模拟可视化、数 值计算模型软件化是河网数值模拟的主要发展方向。张大伟旺町等利用 牛顿迭代的数值计算方法建立迭代方程组，并应用一种特殊的高斯消 元法来求解此方程组，给出了一维河网非恒定流的一个通用解法。李 华等乜”运用节点一河道模型，提出了河网非恒定流计算的面向对象方 法。张静怡等n 2 1 对扩展形式的s a i n tv e n a n t 方程组建立了p r e is s m a n n 浙江大学硕士学位论文 加权四点隐式格式，而离散所得的非线性代数方程组则用收敛速度较 快的n e w t o nr a p h s o n 迭代法进行求解，并将该解法成功地用于上海市 具有数百条河道的大型河网水力数值计算中。顾珏蓉、徐祖信、林 卫青n 3 1 应用m i k e i i 模型系统建立了以苏州河及其支流为重点的上海 市河网水动力数学模型，模型在天然河网的基础上，以骨干河道为基 础，进行合理的河道和湖泊概化，应用于水系水量调度分析。程开宇n 钔 提出了构建河网水流模拟计算数学模型系统的思路和方法，通过对各 种数学模型的综合比较，确立了可以广泛应用于我国河网地区的水利 计算数学模型，对各种类型的河网不稳定流计算模型进行了分析和总 结。吉庆丰等乜习从非恒定流能量方程出发，建立随机游动模型，用蒙特 卡罗方法数值模拟区域规划中的河网水流运动。吴挺峰、周锷乜们研究 了河网概化密度对河网水量水质模型的影响。金忠青等幢7 1 根据糙率的 物理意义，从反问题的角度将河网参数问题提为参数反问题，用复合 形法求解并将该方法运用于江苏南通河网。徐祖信、卢士强旺引研究并 建立了平原感潮河网的水动力模型。徐小明等乜盯以s a m t v e n a n t 方程 组为基础，用n e w t o n r a p h s o n 方法直接求解非线性方程组，提出了 河网非恒定流的松弛算法。 在信息数字化应用方面，从8 0 年代后期至今，g i s 在水资源开发 中的应用从较为简单的防洪g i s 发展到现在的水资源规划、水环境、 水土保持、水利工程规划与管理等各个方面，尤其是在洪涝灾害防治 和水资源规划设计方面成效显著。但在信息数字化结合河网水动力模 型方面，因对具有水利特色的基础空间数据库以及与模型结合的要求 基于数字化河网的引调水水力计算 较高，目前国内外研究和应用尚不多。河海大学南岚b 1 1 对g i s 在平原 河网水动力模型中的应用作了探讨，从g 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( 具体工况) 的修正、河道整治 信息实时动态显示等方面研究了g i s 的应用。邓清海等2 1 结合g i s 的 功能和水资源管理的实际，通过河南濮阳市的应用实例，介绍了应 用a r c v i e w 进行二次开发来构建水资源优化管理信息系统的方法、过 程以及该系统的结构主要功能。李纪人d 3 1 介绍了遥感、g is 等技术在 干旱和半干旱地区水资源管理中的应用。刘芸芸、胡文亮b 町以河北省 “数字南水北调”工程为例，初步探讨了“数字南水北调”工程中地 理信息系统在南水北调工程中的应用和所发挥的积极效用。 1 2 河网水力计算存在的主要问题 河网水动力数学模型大体可分为节点一河道模型、单元划分模型、 混合模型以及神经网络模型4 类。 1 ) 节点一河道模型 节点一河道模型的基本思想是：将河网中的每一段河道视为单一河 道，控制方程均为s a i n t - v e n a n t 方程组；河道连接处称为节点( 汉 点) ，每个节点处均应满足水流连续方程和能量守恒方程。求解由边 界条件、s a i n t - v e n a n t 方程组和汉点衔接方程联立闭合的方程组， 即可得到各河段内部断面的未知水利要素。 早期的节点一河道模型采用特征线法或显格式的有限差分法求解。 由于特征线法会引入守恒误差，而显式差分格式的稳定性受“c o u r a n t 浙江大学硕士学位论文 条件的限制一一对时间步长的要求非常严格，且显格式会造成相邻 汉点以及汉点与其相邻的内断面之间，流量和水位的不协调，使得这 两种方法的应用受到了极大的限制。 隐式差分格式中最早使用的是直接解法，其基本思想是以河道断 面的水力要素为基本未知量，直接求解由内断面方程和边界方程组成 的方程组。直接解法形成的方程组的系数矩阵是河网计算断面数的两 倍，对于单一河道或简单河网求解较为方便，而对于复杂大型河网的 求解则几乎不可能。 目前，国内多采用由荷兰水利学家d r o n k e r s 提出，后经许多学者 改进的分级解法。该方法的特点是先形成节点水位的线性方程组，待 解得节点水位后，再回代求出各河段断面的流量、水位。对于大型河 网，分级解法形成的线性代数方程组为无任何特性的大型稀疏矩阵， 这给计算存贮和求解带来了巨大的困难。同时，分级解法在节点编码 和增减河道数目的灵活性上也存在缺陷。 我国学者李义天根据矩阵分块运算的思想，提出了汉点分组解法， 将大型系数矩阵分块成三对角型矩阵。该方法形成的系数矩阵仅与分 组后汉点数最大值相等，大大压缩了系数矩阵的计算量和存贮量，而 且具有较高的计算精度，是目前最经济的解决河网问题的方法。 节点一河道模型原则上可求解任何河网的水力参数，但由于 s a i n t - v e n a n t 方程组无法反映二维水流的特性，因此对于包含有大 量湖泊、水库等非河道水体的复杂河网，节点一河道模型的准确性和 可靠性将大大降低。 基于数字化河网的引调水水力计算 2 ) 单元划分模型 单元划分模型最早由法国学者j e a na c u n g e 口5 1 提出，其基本思 想是：针对河网地区的水力特性，将水力特性相似、水位变化不大的 某一片水体概化为一个整体，称为单元。取单元几何中心的水位为单 元代表水位，给出水位与水面面积关系曲线。将计算河网分解成一定 数量的单元，再进行分组，然后确定各单元间的连接类型。对每个单 元给出微分形式的质量平衡方程，经有限差分法离散后得到以单元水 位为未知量的方程组，进而求解各单元的代表水位和单元间流量。 单元间的流量交换的媒介是连接河道，其本身无调蓄作用。一般 假定单元间存在两种连接方式：在无水工建筑物或障碍物( 不存在局 部水头损失) 的情况下认为是河型连接；在存在局部水头损失的情况 下认为是堰型连接，又分自由出流和淹没出流两种形式。 单元划分模型使河网水系得到明显的概化，对于湖泊、池塘、水 库众多的大型平原复杂河网，可大为简化计算。但由于在进行单元划 分时其主要依据是水位，忽略了主要河道、支流河道、湖泊其他水力 特性的差异，尤其是忽略了s ai n t - g e n a n t 方程组的惯性项，使得该 模型仅适用于河道流速时空变化不大的情况。 3 ) 混合模型 平原河网地区地势平坦，河道纵横；大多数河流坡降平缓，流量 很小；农灌渠道不计其数，再加上泵站、水闸、船闸等水利控制工程， 使河网的水力描述更加复杂，因而在建立数学模型时要如实模拟如此 庞大复杂的水系几乎是不可能的。节点一河道模型失之过繁，单元划 浙江大学硕士学位论文 分模型失之过简。 混合模型将节点一河道模型和单元划分模型中与平原河网特性相 适应的优点综合起来，并避免其不相适应的缺点。混合模型的基本思 想是：将平原河网的水域区分为骨干河道和成片水域两类，对骨干河 道采用节点一河道模型；对成片水域采用单元划分的思想将其划分为。 单元，再引入当量河宽的概念，把成片水域的调蓄作用概化为骨干河 道的源汇项，将其纳入节点一河道模型_ 并计算。 混合模型综合了节点一河道模型和单元划分模型的优点，对平原复 杂河网进行合理的概化，进而归为节点一河道模型一并计算，可大大 简化河网的计算量。其不足之处在于河网前期概化工作量大，成片水 域和骨干河道的划分过于依赖经验，不易掌握。 4 ) 神经网络模型 人工神经网络是采用计算机来模拟生物神经网络的结构和功能， 由大量神经元构成的并行分布式系统。人工神经网络与平原河网在结 构上有许多相似之处，两者都是由各个内部单元通过并联或串联形成 一个相互制约的整体网络结构，通过调整系统内部各个“神经元”之 间的相互作用可以达到系统输入变量和输出变量之间的最优化或平 衡，因此，人工神经网络理论可用于复杂河网水动力模型。 神经网络模型的基本思想是：从水流运动连续方程出发，经过一 系列的概化，将整个河网由河网水源输入、河网内部相连的水库、河 网输出三部分构成。利用节点水量平衡方程和整个河网水量守恒关系 保证各个节点和整个河网的水量守恒，从而建立其河网输入和输出间 基于数字化河网的引调水水力计算 的非线性关系。 神经网络模型克服了水动力模型计算量大、计算速度难以满足实 时预报的要求等问题。但由于其是“黑箱模型，反映的是河网各种 因素( 如河网结构、河道糙率、断面形状等) 的综合影响，这给模型 的验证带来困难。同时，神经网络模型需要足够长的学习样本，否则 将影响计算结果的精度，这也制约了模型的应用。 上述模型的建立都是在对河网进行数值概化的基础上实现的，由 于研究成果的计算精度与基础条件的概化密切相关，基础条件的概化 与客观实际运行状况的密切度，将决定了计算成果能否准确地反映实 际运行状况。因此，在目前河网非恒定流数值模拟计算中重点关注数 学计算模型的优化基础上，有必要对河道基础信息的概化精度进行关 注和研究。而当前，对河道基础信息的概化精度和边界条件的取用精 度关注不多，对基于数字化河网基础信息资料与水力计算数值模型相 结合的研究分析也不多，国内外也鲜有报道。 1 3 本文的研究工作 ( 1 ) 由于地理信息数值的获取，随着计算机运用技术的发展而变 得容易和便捷，由此，地理信息数值在各领域也就得到了广泛的运用。 本课题研究试想，将通过河网地理信息数字化技术与水力计算数值模 型相结合，使计算分析模型更加符合客观实际，计算精度进一步提高。 ( 2 ) 对河网地理信息数字化技术的运用有多种方法，本研究将采 用地理信息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 技 浙江大学硕士学位论文 术。g i s 是用于采集、处理、检索、模拟、分析和表达地理空间数据 的计算机信息系统，具有强大的地理空间数据和相关属性数据的可视 化管理能力，是分析和处理海量数据的通用技术。近几十年内，g i s 取得了惊人的发展，在美国等发达国家已被广泛应用于土地管理、城 市规划、交通网、电力网、电讯网、水利工程等诸多领域，但在国内 运用不多，在水利领域内则相对较少。 ( 3 ) 运用g i s 技术，研究建立基于河网地理信息数字化技术的复 杂河网水力计算模型，并重点研究河网地理信息数据库与河网水力计 算模型边界条件的衔接问题，重点处理好进口边界时交流量过程、侧 向出流时变流量过程、出口边界时变水位过程等几个重要问题。 ( 4 ) 注重理论研究与实际运用相结合，任何理论研究其最终是需 为实际运用服务的。本课题将根据研究分析建立的河网地理信息数字 化水力计算模型，对曹娥江至慈溪引水工程的引水调度运行进行研 究，并提出有针对性的建议意见。 具体的研究工作分为下三个方面： 1 、通过g i s 技术将研究区域内的河网数字化，然后基于数字化河 网将河网概化为研究项目所需的骨干河道和河网单元。 2 、采用数字化河网与m i k e l1 河网水动力模型d 们相结合的方法， 建立基于河网地理信息数字化技术的河网水力计算模型，着重研究侧 向出流的时变过程和出口边界条件的时变过程。 3 、以曹娥江三兴闸取水口引水流量为上边界条件、慈溪市四灶浦 水库水位为下边界条件，利用建立的河网地理信息数字化技术的河网 基于数字化河网的引调水水力计算 水力计算模型，对曹娥江至慈溪引水工程进行典型年和干旱年份情况 下，引水总量及引水进入上虞、余姚和慈溪的分配水量研究。 浙江大学硕士学位论文 第二章跨流域调水区条件及研究方法 2 1 流域自然条件 曹娥江发源于磐安县尚湖镇城塘坪，自南往北流经新昌、嵊州、 上虞三市，在新三江闸下游1 5 k m 处注入钱塘江河口段。曹娥江流域 地势由南向北倾斜，曹娥以上三面环山，东为四明山脉，南为夭台山 脉，西为会稽山脉；中部为河谷盆地，北面濒临杭州湾。曹娥江流域 面积6 0 8 0 k i n 2 ，多年平均降水量1 4 7 1 m m ，多年平均天然径流量4 5 2 亿m 3 ，水质基本为国家地表水标准i i 、iii 类。其中，曹娥以上为山 区半山区，流域面积4 4 18k m 2 ，多年平均天然径流量3 4 3 亿1 1 1 3 ；曹 娥以下至河口处两岸地势平坦，河网密布，为典型的江南水网地区。 曹娥江至慈溪引水工程位于杭州湾南岸，地理位置介于北纬2 9 。 3 03 0 。2 0，东经1 2 0 。0 71 2 0 。工程穿越上虞、余姚、 慈溪三市，区域内有曹娥江和姚江水系，并有萧( 山) 一绍( 兴) 甬( 宁波) 运河贯穿其间。工程区地形南高北低，以平原河网为主。 曹娥江至慈溪引水工程所在区域属亚热带季风气候区，气候温和 湿润，四季分明，雨量丰沛。多年平均年降水量在13 0 0 m m 1 9 0 0 m m 之间，但时空分布不均，且年际变化较大。多年平均年径流深在 4 50 m m 13 0 0 m m 之间。区域内降水主要为梅雨和台风雨，其中，台风 雨是形成流域大洪水的主要因素。 基于数字化河网的引调水水力计算 2 2 社会经济条件 跨流域调水涉及上虞、余姚和慈溪三个全国百强县级市。 上虞市是浙东地区重要的交通枢纽型城市，以高新技术工业和商 贸业发展为主的滨江城市，是市域的政治经济文化中心。上虞地处长 江三角洲经济区，为国务院首批确定的沿海经济开放城市和国家科技 部确定的杭嘉湖高科技区成员市，农业发达，盛产粮、棉、油、麻、 茶、茧、果，是农、林、牧、副、渔全面发展的综合性经济区，并已 建立一批初具规模的商品基地。工业发展较快，形成以纺织、机电、 化工、建材、食品等行业为主体的工业体系。 2 0 0 5 年上虞市全市实现生产总值2 2 9 2 亿元，人均生产总值2 9 6 2 万元，在20 0 5 年国家统计局农调队列出的全国县( 市) 社会经济百 强中列第4 2 位。据上虞市城市总体规划，上虞市城市规划目标：到 2 0 2 0 年，城市人i ：1 规模3 0 万人；经济和社会发展的主要人均指标达 到目前中等发达国家水平，成为东部沿海独具特色的现代化县级市。 余姚市地处宁绍平原中部，是长：3 l - - 角洲南翼经贸发达的现代化 城市、浙江省历史文化名城( 河姆渡文化发源地) 、宁波都市区的重 要组成部分。余姚自古农耕、手工业及文化教育事业都比较发达，改 革开放以来，余姚国民经济多次实现产业升级换代，综合经济实力快 速提高，多年来名列全省十强。 2 0 0 5 年余姚市全市实现生产总值2 9 8 1 亿元，人均生产总值3 6 0 9 万元。余姚市城市规划目标：到2 0 2 0 年，全面实现现代化，经济发 展水平达到目前中等发达国家高限水平；城市人口规模达到5 0 - 5 5 万 1 2 浙江大学硕士学位论文 人，市域人口规模为1 2 5 - 1 3 0 万人，城镇人口7 0 - 8 0 万人，城市化水 平为6 0 一6 5 。 慈溪市是长江三角洲南翼地区的工商名城、宁波大都市北部中心 城市。改革开放后，慈溪经济经历了一个规模由小到大、层次由低到 高、所有制结构由单一到多元化的发展过程，实现了国民经济的快速 持续发展，综合实力显著增强，被国家批准为二类市，并被列为浙江 省扩大经济管理权限重点县市。 20 0 5 年慈溪市全市实现生产总值3 75 4 亿元，人均生产总值3 7 16 万元，财政收入2 6 6 亿元，全市城镇居民人均可支配收入和农村居 民人均纯收入分别达到1 9 0 1 9 元和8 4 4 5 元，一直跻身于全国农业综 合实力百强县( 市) 、浙江省经济强县( 市) 之前列。 慈溪城市规划目标：到2 0 2 0 年，以发展、建设最佳的创业环境与 最佳的人居环境为导向，将慈溪建设为花园式生态城区，成为现代化 的中等城市；城市规划范围1 10k m 2 ；城市人1 2 规模达4 9 万人，市域 人口规模为180 万人。 2 3 引水工程 2 3 1 引水工程概况 曹娥江至慈溪引水工程是浙东引水工程的重要组成部分，是浙江 省五大百亿工程之一。浙东地区是一个水资源紧缺的地区，特别是慈 溪市水资源尤为紧张。曹娥江至慈溪引水工程的主要任务是通过曹娥 江引水解决慈溪、余姚、上虞的工农业生产用水、环境用水和其他用 基于数字化河网的引调水水力计算 水的需求。该工程采用明渠输水方式，设计引水规模6 0m 3 s ，多年 平均年引水量4 2 亿i l l 3 ，其中规划分配给慈溪的引水量为2 4 亿m 3 。 曹娥江至慈溪引水工程建成后，可通过曹娥江引水口向上虞市、 余姚市、慈溪市提供水资源，有效地解决三县市现状水平年及规划水 平年的缺水问题，从而为三县市的科学、和谐发展提供坚实的水资源 保障。同时，引水工程可一定程度上改善引水沿线各县市的河网水环 境，提高钱塘江南岸环杭州湾地区的环境质量。此外，工程的建设疏 通了各县市的汇水、排水连通河道，有利于提高各县市的防洪排涝能 如。 曹娥江至慈溪引水工程跨越绍兴、宁波两个地区，沿途穿越上虞、 余姚、慈溪三市，其引水线路为上虞市上河区、余姚市上河区和慈溪 市西北河区、西河区的平原河网。工程由1 座进水闸、8 5 8 5 k m 引水 河道干线、5 5 k m 支线、4 座计量节制闸、1 0 7 座桥梁等交叉建筑物 组成。 上虞段引水河道干线自崧厦镇三兴闸进水1 2 向东，沿虞北河至虞 东河折向北沿虞东河向北到浦前村，再折向东经浦前闸进入余姚境 内；引水河道支线为虞北河与虞东河交汇处经虞东河南段至虞余边 界，流经牟山闸进入余姚境内。境内引水河道总长2 7 8 k m ，新建桥 梁2 4 座。 余姚段引水河道干线利用跃进江、七塘横江、四塘横江向东输水， 支线利用虞东河向南输水。跃进江河段河面宽5 0 m ，设计流量3 5 m 3 s ； 七塘横江河面宽4 0 m ，设计流量2 0m 3 s ；四塘横江河面宽2 5 m 一4 0 m ， 基于数字化河网的引调水水力计算 设计流量1 5m 3 s 。境内引水河道总长3 3 7 5 k m ，设计量节制闸2 座， 新建桥梁4 2 座。 慈溪段引水河道干线采用八塘横江和三塘横江联合向东输水，终 点为四灶浦海涂水库。境内引水河道总长2 9 8 k m ，设计量节制闸2 座，新建桥梁4 2 座。引水线路见图1 。 曹娥江至慈溪引水工程估算总投资8 43 2 亿元。2 0 0 4 年7 月，省 发展和改革委员会与省水利厅联合组织召开了曹娥江至慈溪引水工 程可行性研究报告审查会；2 0 0 5 年9 月，曹娥江至慈溪引水工程( 慈 溪段) 的八塘横江拓浚工程和三塘横江拓浚工程开始动工建设；2 0 0 5 年12 月，曹娥江至慈溪引水工程进水闸枢纽在上虞市崧厦镇赵村破 土动工；20 0 6 年1 月，省发展和改革委员会与省水利厅联合组织召 开了曹娥江至慈溪引水工程( 上虞段) 初步设计审查会；20 0 6 年3 月，宁波市发展和改革委员会审查通过了曹娥江至慈溪引水工程( 余 姚段) 初步设计，工程将进入全面实施阶段。在工程建设的同时，将 重点研究曹娥江至慈溪引水工程的运行调度和管理工作。 2 3 2 引水工程特点 曹娥江至慈溪引水工程的输水方式、所处地理位置和任务决定了 本研究具有如下特点： 1 ) 河网庞大，整个系统包含复杂的水力描述 曹娥江至慈溪引水工程途径两地三市，工程涉及的河网区域面积 近1 2 0 0 k m 2 ，平原河网中河道纵横交错，除骨干河道外，还有众多小 1 6 浙江大学硕士学位论文 河道，水流流向不定。由于工程沿途均为社会经济较发达地区，其间 农业灌溉渠道不计其数，泵站、水闸、船闸等水利控制工程密布，再 加上数量众多的池塘、湖泊，因而使得整个河网系统极为复杂。 2 ) 骨干河道水力参数与支流河网要素间存在耦合关系 曹娥江至慈溪引水工程的主要任务是向上虞、余姚、慈溪三市输 送水量，受总引水量和引水时间限制，骨干输水河道必须达到一定的 输水能力，才能保证沿途各县市分配到额定的水量。 根据水量平衡原理，余姚市界控制闸进水量= 引水口水量一上虞 市用水量一上虞市河网的蓄水量( 低水位至骨干河道水位之间) 慈溪市界控制闸进水量= 余姚市界控制闸进水量一余姚市用水 量一余姚市河网的蓄水量( 低水位至骨干河道水位之间) 可见，骨干河道输水能力与沿程水位、河网蓄水量之间相互联系、 相互影响，骨干河道水位越高，输水能力越大，但进入河网的水量也 越大；被河网吸收的水量越多，反过来将使骨干河道输水能力和水位 ， 降低。因而在计算骨干河道输水能力时有必要将上虞市和余姚市的河 网水域面积作为计算参数之一。 3 ) 影响水量分配的源汇项众多，河网边界情况复杂 河网输水过程中必然存在着损耗( 渗漏和蒸发) 和补给( 降雨汇 流) ，再加上引水工程途经各县市的工农业用水均直接取至河网，这 些都会明显改变河网的水位，进而影响到水量的分配。因而在考虑水 量分配时应将上述各项作为模型的源汇项处理。 1 7 基于数字化河网的引调水水力计算 此外，引水工程沿途各县市还存在内涝问题，其排涝闸应视河网 水位的高低而分别处理为开边界或闭边界；同时，引水线路途径的河 网很难通过建闸完全封闭起来，很多地方均采用过流堰分隔，这些都 增加了河网边界处理的复杂性。 2 4 研究方法 根据本课题研究特点，在充分比较现有各种研究方法的基础上， 吸纳混合模型的思想，采用河网水动力模型与数字化河网相结合的方 法来解决曹娥江至慈溪引水工程水量分配的问题。 该方法的基本思路是：通过g is 技术将研究区域内的河网数字 化，然后基于数字化河网将河网概化为骨干河道和河网单元。单元的 河网要素直接从数字化河网中读取，骨干河道的水位和流量由水动力 模型计算得到，计算时需考虑分入河网单元的流量。进入河网单元的 流量取决于骨干河道水位、河网水流阻力和河网单元水域面积，骨干 河道水力参数与单元河网要素具有耦合关系。 浙江大学硕士学位论文 第三章基于g i s 的数字化河网 地理信息系统( g e o g r a p h i c ali n f o r m atio ns y st e m ，简称g is ) 是 用于采集、处理、检索、模拟、分析和表达地理空间数据的计算机信 息系统，具有强大的地理空间数据和相关属性数据的可视化管理能 力，是分析和处理海量数据的通用技术。g i s 以地理空间数据库为基 础，在计算机硬件、软件环境支持下，对空间相关数据进行采集、管 理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，提供多种 空间和动态的地理信息，为地理研究、综合评估、定量分析和管理决 策服务。近几十年内，g i s 取得了惊人的发展，在美国等发达国家已 被广泛应用于土地管理、城市规划、交通网、电力网、电讯网、水利 工程等诸多领域。 河网具有明显的地域空间分布特性，采用g i s 建立河网空间数据 库，藉以形成数字化河网，既是数学模型的前处理，又可以直接进行 空间数据分析。将g is 与水动力数学模型相结合是目前国际上数学模 型的发展趋势之一。 h r c g i s 是美国e s r i 公司最新的g i s 软件产品，集h r c v i e w 、 h r c i n f o 等g i s 软件之优点，具有友好的界面、强大的空间分析和三 维分析模块，可用于河网数字化。 3 1 河网的数字化 数字化河网是河网水动力计算的前处理，在此基础上对河网进行 简化处理，就可比较方便地进行水量分配计算。利用万分之一地形图 基于数字化河网的引调水水力计算 和实测断面地形资料，将引水工程沿线主河道及与之连通的河网各河 段长度、水面宽度和代表断面地形在g i s 环境下数字化，主要为河网 水动力数学模型计算提供基础数据。利用a r c g i s 强大的空间数据分 析功能，可据以计算不同区域( 包括上虞、余姚和慈溪市) 河网的平 面水域面积，分析各市所属水域可能分配到的引水水量。虽然在某些 断面地形资料允许的重要区域，可通过插值计算在非结构网格( t i n ) 或矩形网格中生成数字高程模型( d i g it a le l e v a t i o nm o d e l ，简称 d e m ) ，计算分析不同水位下的水体容积，但大部分区域只考虑水域平 面面积与水位差之积来概化计算水体容积以使问题简化。对于余姚市 范围内引水主河道南部相对低洼地区，在河网不设控制闸情况下使河 网水位与主河道齐平时究竟需多少水量，可通过数字化河网加以估 算，结合数学模型以确定是否设控制闸以及需要设多少闸门等。但输 水区域内河网与姚江之间宜用闸门加以控制。 数字化河网要求比较详细的河网平面分布和必要的代表断面地形 实测数据，这也是数学模型所必需的。两岸岸线坐标和河段长度等数 据主要可依据万分之一地形图获取。显然，精确测量的数据愈多，则 数字化分析精度愈高。这种方法的主要优点是速度快、精度较传统方 法高，能充分利用计算机技术和现有数据源，并利于修改引水工程路 线( 方案) ，可操作性强。计算结果可视化输出，直观效果好，便于 领导决策。 浙江大学硕士学位论文 3 2 数字化河网分析 引水工程的推荐输水线路为：进水口位于上虞市花官湾上游三兴 村与黄家堰村之间的三兴