（水利水电工程专业论文）黄河干流典型河段概化模型研究与应用.pdf

摘要 黄河干流概化模型研究是基于黄河流域高度开发的基本情况和黄河水量统 一调配的现实需求而开展的。随着人为干预黄河水量调配力度的增大，有待深入 研究的相关内容很多，本文的研究工作主要有以下几个方面的内容： 1 ) 黄河干流典型河段的概化模型研究。详细介绍了天然河道概化理论的理 论依据和发展进展，在汲取前人的丰硕成果的基础上，对天然河道概化方法进行 了系统的总结和改进工作，归纳并提出适用于黄河干流流域的概化方法和手段。 在查阅相当数量的黄河流域有关资料后，并按照黄河干流的实际水文站和水电站 布设点，水量调配和近十年的水量规律，确定出可行简易的黄河干流概化图；根 据已有的河道资料，提出单槽形式和槽滩形式两种河道概化模式，对已确定出的 研究河段的主要断面进行抽象概化，并分区段构建了河道概化模型。为后续的流 量演进研究提供了有效的研究平台。 2 ) 黄河干流河段流量演进研究。通过对黄河流域相关资料和数据分析，确 定出黄河干流的典型研究区段和研究时段，利用归纳出的适用于“人工塑造洪水 过程”的计算水动力学方法和相应的有效数值模拟技术，即适用所建模型的经典 圣维南方程组方法和考虑侧流的扩展形式圣维南方程组方法，采用隐式差分的 p r e i s s m a n n 隐格式的数值模拟技术，通过编程成功模拟出在特定时段的特定研究 区段间的重要节点的流量演进过程，并对该模拟结果进行了分析。 3 ) 流量传播时间预测研究。详细介绍了流量传播时间研究的国内外发展进 展趋势，系统阐述了传播时间研究的主要预测方法。根据已有的数据资料，利用 人工神经网络预测技术，将引入l e v e n b e r g m a r q u a r t 优化算法的改进b p 神经网 络方法和容错神经网络方法，运用到相邻站点的流量传播时间预测问题，并分别 建立了预测模型。在对两个具体实例应用计算后，验证了人工神经网络预测技术 在传播时间预测上的可行性和有效性，相比较而言，容错神经网络预测模型效果 更佳，能够更好地弥补对突变样本点数据误差较大的缺陷。 关键词：概化模型研究；黄河干流；流量演进研究；传播时间预测；人工神经 网络；容错算法 a bs t r a c t t h er e s e a r c ho ft h ey e l l o wr i v e rg e n e r a l i z e dm o d e li sb a s e do nt h e h i g h - d e v e l o p e ds y s t e mo ft h ey e l l o wr i v e ra n dt h ep r a c t i c a ld e m a n do ft h eu n i f i e d a l l o c a t i o no fw a t e rr g s o u r c e s a si n c r e a s i n ga r t i f i c i a li n v o l v e m e n ti nt h ew a t e r a l l o t m e n ts y s t e mo ft h ey e l l o wr i v e r , t h e r ea l el a r g ea m o u n t so fi s s u e st ob e l u c u b r a t e d t h i sp a p e r sc o n c r e t ew o r kc a nb es u m m a r i z e di n t of o l l o w i n gt h r e ep a r t s 1 ) r e s e a r c ho nt h eg e n e r a l i z e dm o d e lo ft h et y p i c a ls t r e a ms e c t i o no nt h ey e l l o w r i v e r t h eb a s i ct h e o r ya n dd e v e l o p m e n to ft h eg e n e r a l i z e dt h e o r ya r ei n t r o d u c e d f o l l o w i n gt h ep r e d e c e s s o r sf o o t p r i n t ，t h ea u t h o ri m p r o v e sa n de v e n t u a l l yp r o p o s e s t h ea p p l i c a b l eg e n e r a l i z e dm e a n st ot h ed r a i n a g ea r e ao ft h ey e l l o wr i v e r t h i sp a p e r d e t e r m i n e st h ef e a s i b l et r u n ks t r e a mg e n e r a l i z a t i o nd i a g r a mo ft h ey e l l o wr i v e r , d e p e n d i n go nt h ep r o l i f i ci n f o r m a t i o nw h i c hc o n t a i n st h ea r r a n g e m e n tp l a n o f h y d r o p o w e rs t a t i o nh y d r o g r a p h i c a ln e t w o r k ，w a t e rd e p l o y m e n td a t a a n dw a t e r a l l o c a t i o nd a t ai nt h el a t e s td e c a d e s t h e ng e n e r a l i z a t i o nm o d e lc a p a b l eo fa b s t r a c t i n g t h em a i nc r o s s s e c t i o ni nt h en a t u r a lw a t e r c o u r s ei sp r e s e n t e d w h i c hc o v e r st w os t y l e s o fm o d e st h a ta r es i n g l ec h a n n e lm o d ea n dc h a n n e l - b e a c hb a n d i n gm o d e t h u s ，t w o p a r t i c u l a rg e n e r a l i z e dm o d e l sa r ep r e s e n t e dt op a v et h e r o a dt ot h ef o l l o w i n gi s s u e 2 ) r e s e a r c ho nt h ef l o wp r o p a g a t i o no nt h em a i ns t r e a mo ft h ey e l l o wr i v e r b y a n a l y z i n gl o t so fr e l e v a n td a t a ，t h i sp a p e rf i x e so nt h es p e c i a lp e r i o dw h e nh a p p e n s a r t i f i c i a lp l a s t i cf l o o d ，u s e st h em e t h o d so ft h ec o m p u t a t i o n a lh y d r o d y n a m i c s ， w h i c hi st y p i c a ls a i n t - v e n a n tf o r m a ta n de x p a n s i o ns a i n t - v e n a n tf o r m a t ，a n da d o p t s t h en u m e r i c a lm o d e l i n gw i t ht h ei m p l i c i td i f f e r e n c es c h e m e ，e v e n t u a l l yi ti s s u c c e s s f u l l yu s e dt os i m u l a t et h ef l o wp r o p a g a t i o np r o c e s sa tt h er i g h ts e c t i o n t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n s t r u c t e dm o d e l sa r ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a b i l i t y 3 ) r e s e a r c ho nt h ep r o p a g a t i o nt i m ef o r e c a s t i n go ft h eg i v e ns e c t i o n t h ep a p e r i n t r o d u c e st h et r e n do fd e v e l o p m e n ti nt h ep r o p a g a t i o nt i m ef o r e c a s t i n g ，a n d r e p r e s e n t si t sp r i n c i p a lf o r e c a s tm e t h o d s i nt h i sp a p e r , t h ef e e d f o r w a r dn e u r a l n e t w o r kt e c h n o l o g yw i t hi m p r o v e dl ma l g o r i t h ma n dw i t ht h ef a u l tt o l e r a n c e a l g o r i t h mi sa d o p t e d ，a n dt w of o r e c a s t i n gm o d e l so ft h ep r o p a g a t i o nt i m e a l e p r e s e n t e dt h a te x p l o i t st h ee x i s t i n gr e a l t i m ei n f o r m a t i o na v a i l a b l ef o rt h ea d j a c e n t s e c t i o nt op r e d i c tt h ep r o p a g a t i o nt i m eo ft h ed i f f e r e n tf l o o dw a v es i t u a t i o n b yt h e a p p l i c a t i o nt ot h es p e c i f i ce x a m p l e s ，t h ef e a s i b i l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ec o n s t r u c t e d m o d e i si sv a l i d a t e d t h ev e r i f i c a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h en e u r a ln e t w o r km o d e li s s u i t a b l ef o rp r o p a g a t i o nt i m ef o r e c a s t i n gp u r p o s e s f u r t h e r m o r e ，t h er e s u l t se x h i b i t s t h a tt h ef a u l tt o l e r a n c en e u r a ln e t w o r km o d e li sb e t t e rt h a nt h eo t h e r , 嬲i tg i v e st h e i m p r o v e m e n tt or e m e d y t h es h o r t a g eo fl o wp r e c i s i o ni nb r e a kp o i n t s k e yw o r d s ：g e n e r a l i z a t i o nm o d e lr e s e a r c h ；m a i ns t r e a mo ft h ey e l l o wr i v e r ； f l o wp r o p a g a t i o nr e s e a r c h ；p r o p a g a t i o nt i m ef o r e c a s t i n g ；a r t i f i c i a ln e u r o nn e t w o r k ； f a u l tt o l e r a n c ea l g o r i t h m 独创性声明 本， 、声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：| 菱仁垂斧 签字同期：二，彩 年二月，弓f 1 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：改彳至香 导师签名： 签字r 期：2 矽多年上月弓r 签字同期： 同 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 逐水而居，是人类生存发展史上人与自然共生共存现象的高度概括，河流早 已和人们的生活融为一体，人类生存离不开水，不受控制的水又威胁着人类的生 存。所以，建了水库，修了大堤，天然径流得到调节，洪水得到控制，荒滩造成 了良田。河流的高程度开发利用，一方面带来了灌溉、供水、发电、防洪等巨大 经济效益，但另一方面天然洪水消失了，水库淤积了，河床抬高了，河道断流了 等等现象威胁着河流的天然生命，这种现象在多泥沙河流黄河上尤为严重。河流 和人类一样具有生命，人类对水、河流的开发利用，应有一个限度，否则就会影 响河流的健康，进而威胁到人类自身的生存之根本。 黄河流域的水资源利用在历史上主要是灌溉和漕运，虽然起源很早，但1 9 4 9 年以前黄河流域干支流并没有大型水库工程调节，黄河流域实际灌溉面积也有 1 2 0 0 万亩左右，用水量有限，黄河的实测径流量接近天然径流量，基本上反映 了黄河的天然来水情况。比较系统的黄河实测水文资料始于1 9 1 9 年，结合历史 记载，在1 9 2 0 - 1 9 4 9 年间，黄河花园口以上天然径流量平均为5 2 9 4 亿m j ，实 测径流量为4 8 1 1 亿m 3 ，上游兰州以上年地表水用水还原水量平均仅为3 亿m j 左 右，整个中上游年地表水用水还原水量平均仅4 8 亿m 3 ，占实测径流量的1 1 0 。 因此，在1 9 4 9 年以前，黄河用水量小，实测径流量接近天然径流量。 自2 0 世纪5 0 年代以来，随着人口的剧增，人类生产、生活活动对黄河的影 响也不断加剧，这些活动主要包括2 0 世纪5 0 年代开始的流域引水大规模增加和 6 0 年代以来三门峡、刘家峡、龙羊峡、小浪底等干流大型水库的建成运用和5 0 年代开始的上中游水土保持工作等方面，黄河从近天然状态变成了很大程度上受 人类影响和控制的河流，其水情和沙情以及水沙关系也发生了较大的变化。总结 起来主要有以下特点： ( 1 ) 天然来水量大体持平，但实测流量显著减少( 表l 1 ) ，来水过程被调 平，洪水几率减少，量级降低。随着经济社会的发展，工农业生产和城乡生活用 水逐步增加，河道内水量明显减少，越来越偏离黄河的天然状态。1 9 5 0 年，黄 河流域总用水量( 包括部分向流域外调水) 仅1 2 0 亿i n 3 ，其中地表水用水量9 0 亿m 3 ，地下水用水量3 0 亿m 3 ；至2 0 0 0 年，总用水量达到了5 2 6 亿一，其中地 表水用水量3 5 8 亿m 3 ，地下水用水量1 6 8 亿m 3 。2 0 0 0 年与1 9 5 0 年相比，总用水 第一章绪论 量增加了3 4 倍，其中地表水用水量增加3 0 倍，地下水用水量增加4 6 倍。 ( 2 ) 大型水库的调蓄作用，改变了河道径流的年际年内分配，减少了洪水 的基流。由于刘家峡、龙羊峡、小浪底等大型水库先后投入运用，其调蓄作用和 沿途引用黄河水，使黄河干流河道内实际来水年内分配发生了很大的变化，表现 为汛期所占比例下降，非汛期比例上升。例如，三门峡水库投入运用前，花园口 断面实际来水量，汛期一般占6 2 ；三门峡水库1 9 6 0 年投入运用之后，下降到 了5 7 ；加之上中游水库的调蓄影响，1 9 8 6 年以后平均降到了4 8 以下；1 9 9 9 年小浪底水库的投入使用，更使花园口断面汛期来水比例下降到了3 9 。 ( 3 ) 中常洪水出现几率减少、洪峰流量降低。自1 9 8 6 年以来，黄河中下游 洪水出现几率降低( 见表1 2 ) 。统计表明，在1 9 8 6 年以前，黄河中游潼关站年 均洪水发生的场次，3 0 0 0 m 3 s 以上和6 0 0 0 m 3 s 以上的洪水分别为5 5 场和1 3 场； 1 9 8 6 年以后分别减少到年均发生率为2 8 场和0 3 场。下游花园口站1 9 8 6 年以 前年均发生3 0 0 0 m 3 s 以上和6 0 0 0 m 3 s 以上的洪水分别为5 场和1 4 场；1 9 8 6 年后 分别减少到年均发生率仅为2 6 场和0 4 场。 表l 一1 黄河主要干支流水文站实测径流量不同时段对比单位：亿m 3 头道三门花园渭河汾河沁河 时段 兰州龙门 拐 峡口 华县河津武陟 1 9 2 0 - - - - 1 9 4 93 0 9 82 5 3 43 2 7 94 2 6 34 8 1 17 8 0 71 5 1 81 3 8 l l9 5 0 2 0 0 33 1 1 o2 2 1 22 7 3 53 5 6 73 9 3 17 0 7 71 0 8 78 8 7 其中1 9 8 6 - - - 2 0 0 32 6 1 41 5 6 11 9 4 72 3 9 12 6 0 04 8 0 04 8 34 4 4 1 9 2 0 2 0 0 33 1 0 62 3 2 72 9 2 93 8 1 64 2 4 57 3 3 81 2 4 11 0 6 3 19 8 6 2 0 0 3 年较 1 9 2 0 2 0 0 3 年偏少( ) 1 5 83 2 93 3 53 7 33 8 83 4 66 1 15 8 2 19 8 6 2 0 0 3 年较 1 9 2 01 9 4 9 年偏少( ) 1 5 ，6 3 8 4 4 0 64 3 94 6 03 8 5 6 8 26 7 8 表1 - 2 中下游主要站年均洪水发生场次统计( 单位：场年) 全年 秋汛期( 9 1 0 月) 站名时期 3 0 0 0 m 3 s 6 0 0 0 m 3 s 3 0 0 0 m 3 s 6 0 0 0 m 3 s 1 9 5 0 - 1 9 8 5 年5 51 31 7o 1 潼关 19 8 6 - - - 2 0 0 0 年2 80 3o 5o 1 9 5 0 - 1 9 8 5 年 51 41 8o 4 花园口 l9 8 6 - - 2 0 0 0 年2 60 4o 40 总之，1 9 4 9 年以来，黄河流域人口数量急剧增加，城市规模不断扩大，农 第一章绪论 业灌溉面积大幅度增长，引用黄河水量大幅度增加，河道内的来水量明显减少， 而且来水过程也在不断变化，黄河下游出现了连续断流的现象。黄河的水情受人 类活动的影响幅度更大了。 未来水情变化情况据有关分析预测得知， ( 1 ) 黄河流域的未来年间的降水量不会发生大的变化，黄河流域地跨半湿 润和半干旱地区，虽然其降水量年内年际变化很大，但根据长系列降水资料分析， 黄河流域年降水量存在明显的周期性，意味着黄河流域降水量今后一个时期内也 不会有很大的波动。 ( 2 ) 河川天然径流量基本维持近期水平。由于2 0 世纪8 0 年代以来，黄河 流域内下垫面发生了较大的变化，加上水资源开发利用的影响，同样降水条件下， 产生的地表径流数量发生了较大的变化。以现状下垫面条件下的降水径流关系为 前提，有关研究结果大体表明：1 9 5 6 - - - 2 0 0 0 年年均值相比，黄河中游2 0 0 1 - - - 2 0 5 0 年出现平偏枯几率较大。从整个上中游来看，天然来水量将略好于9 0 年代，但 较19 5 6 , - - - - 2 0 0 0 年平均水平相比还是有所减少。 ( 3 ) 黄河河道实际来水量将进一步减少。1 9 2 0 - - - 1 9 4 9 年平均4 8 1 1 亿m 3 ， 1 9 5 0 - - - - 2 0 0 3 年平均3 9 3 1 亿m 3 。随着人类活动的进一步加剧，下垫面进一步变 化，用水增长，如无外来水源补充，黄河河道实际来水量将进一步减少。 首先，根据黄河流域水资源开发利用情况调查评价工作组对国民经济需耗水 量匡算，2 0 1 0 年、2 0 3 0 年和2 0 5 0 年，花园口以上地表水耗损量将分别达到2 6 0 亿m 3 、3 2 0 亿一及3 5 0 亿一。 其次，根据黄河近期重点治理开发规划，黄河中游水土保持生态环境用 水，2 0 1 0 年、2 0 3 0 年、2 0 5 0 年分别按2 0 亿m 3 、3 0 亿m 3 、4 0 亿m 3 考虑，分别较 现状增加了l o 亿矗、2 0 亿m 3 、3 0 亿矗。 因此，不考虑南水北调西线工程，预估今后5 0 年黄河进入下游的水量较目 前的数量还将有所减少，平水年份大致在18 0 亿m 3 2 0 0 亿m 3 左右，枯水年份个 别时段甚至不足1 0 0 亿m 。 进入当代，正是依靠着黄河宝贵水资源的保障，流域沿黄地区经济得到了快 速发展，人民生活水平不断提高。但是由于黄河流域地处干旱半干旱地区，降雨 稀少，地表、地下水资源贫乏，而流域经济发展和人民生活需求的水资源量逐年 增加，黄河水资源日益紧缺，水资源的供给与区域经济发展之需求严重失调，流 域上中下游及不同用水部门用水矛盾突出，下游断流频频发生。尤其是1 9 9 7 年， 全年有1 1 个月黄河下游出现断流，累计长达2 2 6 天，水资源短缺已成为沿黄地 区经济和社会可持续发展的制约因素。 黄河流域内已建大、中、小型水库3 1 0 0 余座，总库容5 8 0 亿m 3 ；修建引水 第一章绪论 工程4 5 0 0 余座处；提水工程2 9 万处；在黄河下游兴建了向黄淮海平原地区供水 的引黄涵闸、虹吸工程1 2 0 多处【l 】。黄河供水范围从建国初期主要集中在宁蒙河 套灌区、陕西关中地区、山西汾河流域，扩大到目前的沿黄9 省区和河北、天津 地区，引黄灌溉面积由1 9 5 0 年的1 2 0 0 万亩，发展到目前的1 1 3 亿亩。此外， 黄河还担负着沿黄5 0 多座大中城市、4 2 0 个县( 旗) 城镇人口、晋陕蒙部分地 区能源基地和中原、胜利油田的供水任务。还建成了引黄济青、引黄济津、引黄 济冀等跨流域调水工程，多次实施了远距离调水任务。改善了上、中游部分地区 的生态环境，解决了农村2 7 2 7 万人的饮水困难。1 9 8 8 , - - - , 1 9 9 2 年，黄河河川径流 年耗用量3 0 7 亿m 3 ，流域内地下水开采量1 1 0 亿m 3 ，黄河河川径流利用率已达 到5 3 。用水的主要部门是农业灌溉，平均年耗用水量2 8 4 亿r n 3 ，占总耗用河 川径流量的9 2 。黄河上、中和下游耗水量分别为1 3 1 、5 4 、1 2 2 亿岔。黄河水 资源的利用发挥了巨大的经济和社会效益。但是，不断扩大的供水范围和持续增 长的供水要求超过了黄河可提供水量的能力，引起断流，断流不仅造成了部分地 区无水可供，而且使河道主河槽淤积加重，过水断面减小，带来洪水威胁，使河 口地区生态环境恶化和生物多样性减少，带来生态环境问题。 在黄河全流域开发治理总体规划中，黄河干流梯级布置了7 座控制性调节水 库，即龙羊峡、刘家峡、黑山峡( 指小观音或大柳树高坝) 、碛口、古贤、三门 峡和小浪底。7 座水库的总库容9 2 0 亿m 3 ，除去拦沙库容，可长期保持的有效库 容3 9 2 - - 4 1 2 亿m 3 ，相当于黄河多年平均径流量的7 0 多【i 】。 由于黄河上游河段与中、下游河段水沙情况差别较大，以及工程所处地理位 置等因素，上游河段水库是以水量调节为主的一个联合运用体系，中游4 座水库 则将形成以蓄洪调沙为主的另一个联合运用体系。上下游两个体系的联系主要是 水量联系，以内蒙古河口镇断面的流量作为控制和衔接要求，黄河中、下游水资 源配置主要在花园口以下，以小浪底水库为主调节；黄河上游水资源配置主要是 满足兰州以下的灌溉、供水、防洪、防凌。 龙羊峡水库位于龙青段梯级之“龙头”。控制黄河上游来水量的6 3 左右， 其调节库容是坝址天然来水的9 3 ，对黄河上游来水具有绝对的控制作用，位于 龙羊峡以下的水库，只能控制区间径流和对龙羊峡水库的下泄水量进行调节，由 此可见，黄河上游水资源配置及河口镇断面流量要求是通过梯级水库群联合运 行来完成的。 针对黄河流域高度开发以及水资源呈现持续短缺的现状，如何进行黄河水量 的优化调配，如何使得有限的黄河水资源高效地为沿岸流域服务，如何使黄河不 断流，让黄河生命健康延续，如何使得黄河水沙协调，加强黄河下游河道减淤力 度，如何使得高度开发的黄河水电站群和水库群联合高效运作，使得发电兴利和 l - 第一章绪论 防洪减淤等并举。等等这一系列的问题都是黄河这条特殊的河流所面临的问题。 黄河水利委员会( 简称黄委会) 已经成功对黄河进行了五次调水调沙原型试验， 多库联合调度成功塑造了“人工洪峰”，有效冲刷了潼关高程，并突破性的塑造“人 工异重流”为下游排沙。以高度开发的黄河流域为平台，黄委会充分发挥对黄河 流域统一调配作用，使得人为干预黄河天然水量调配的力度之大，是在其他天然 河流上绝无仅有的。本文就是针对黄河这条开发度极其高的河流，并且考虑到黄 河流域水量统一调配的现实情况，试图构建黄河干流的概化模型，将这个条件极 其复杂、空间跨度大、多结点多目标的大系统概化为可操作模型；并以此为平台， 实现对人为干预激烈的流量演进过程的预测模拟，并对人工塑造的洪水传播时间 预测研究进行了探索。所以黄河干流概化模型研究以及流量演进模型研究和传播 时间预测研究具有十分重要的现实意义，这也是本文选题的缘由。 1 2 流量演进研究发展概况及国内外研究现状 天然河道洪水演进中，波的传播并不像在水槽中那样简单只需基本水力学公 式就能解决，因为水槽中波的传播只是单调的增减，而在天然河道中情况就很复 杂了，洪水在实际的江河中，水位流量关系呈“绳套”关系，同一个水位，涨水与 落水时流量不同；同样，对于同一个流量，它在涨水和落水时水位又不一样，流 量和水位呈多值对应关系。实际的洪水往往又具有多峰的性质，如果再加之分流 与支流入汇，就会变得更为复杂。除此之外，天然河道蜿蜒曲折，过水断面形状 呈极不规则形式，河床起伏不平而且不断发生冲淤变化，糙率也因地质条件和河 槽情况不同，而且糙率随着断面水深的变化也会有较大的变化，一般情况下天然 河道具有非均匀性、非恒定性、紊流性、三维性，因此简单的使用水文的方法对 洪水进行模拟，结果偏差较大，使用经典的水文学方法马斯京根法去解决，难以 分析计算出河道水流的各个水文特征值，而圣维南方程组则是解决此类问题的途 径之一，大多数情况多半属于圣维南方程所解决的范畴。 文献【l o 】作者构建了新型的洪水波传播模型，采用国外先进的管理模块系统 ( f s w s ，即洪水监管与预警系统，f l o o ds u r v e i l l a n c ea n dw a r n i n gs y s t e m ) ，并 将之应用于t a g u s 河，重点考虑上游电站下泄水量的实时执行情况并研究所构建 的模型在多大程度能够对洪水预测进行人为干预和管理。 m i t k o v a v e r o n i k a 等人在文献 1 l 】中，基于d a n u b er i v e r 的k i e n s t o c k b r a t i s l a v a 区段的1 9 9 1 年2 0 0 2 年的洪峰峰值和水位的历史数据对洪水流量传播时间和水位 关系进行了研究，并发现了该区间的短期水位预报具有经验衰减规律。 在g i o r g i n i ，a 所著的文献【1 2 】是利用h e c 1 方法来对洪水传播过程进行模 第一章绪论 拟，文中经过多次试验说明区间流出峰值传播时间与流出峰值传播时间之比率应 该是一个有物理意义的、非独立的参数。 文献【1 3 】美国学者利用一维四点隐式差分方法建立模拟洪水波传播的模型， 并给出两个具体应用实例验证了模型的可行性，并揭示该模型对于天然河流水体 系统的多种流态有着广阔的模拟前景。 国内外对流量演进研究颇多，虽然一维模型在一定程度上能够达到不错的精 度，但现在已经发展n - - 维和三维模型的研究，尽管这些研究具有普遍意义的应 用范畴，但是仍然是针对原问题开展算法模型的深入研究，但是面对高度开发河 流人为干预激烈的河段，如何建立行之有效的流量研究模型的研究仍有着明显的 空白，这也是本文开展研究工作的一个方向。 1 3 传播时间研究概况及国内外研究现状 在天然河道中，流量传播时间研究是河道流量水量研究中十分重要的一部 分，它是进行流量预报、洪水演进、水量调度等问题的基础。由于天然河道中的 洪水传播时间问题影响因素众多，用理论方法计算非常复杂，效果也不好，没有 实际研究意义。河流中流量传播时间的方法一般是建立在相应水位法、相应流量 法和合成流量法的基础上【1 4 】，在实际中多采用的相关曲线分析法，它属于半理 论半经验的方法，简单易行，但精度难以保证；另外，还可以利用洪峰传播时间 逐步回归模型来进行传播时间的预测模拟，特别是山区性河流，但是外延性较差， 不能适用普遍范围的情况。 近年来，一些学者对流量传播时间的算法进行了研究。流量传播遵循洪水波 的传播规律，文献【1 5 中，雷模华考虑了洪水波在河道演进时洪峰流量沿程变化 对流速沿程变化的非线性影响，以及支流的汇入对干流洪峰传播速度的影响，并 将洪水分为两大型四小类，分别推导了各类洪水的洪峰传播时间的分段积分法计 算公式，侧重点是用洪水波计算理论来实现对洪峰传播时间的推算。 在文献 1 6 中，李强等人对洪水传播时间进行了较为系统的分析，通过预报 站的洪峰水位和传播时间建立相关关系，以上游站洪峰时相对应的下游站的水位 作为参数，建立了逐步回归模型来预测传播时间，并对预测结果进行了对比分析， 表明预测结果良好，误差偏离不大。 这样的传统方法的研究成果还有很多，但同时，一些新型的智能预测方法也 逐步引入到洪峰传播时间以及更为普遍的流量传播时间预测研究中来。 在文献【1 7 中，左其亭等人运用灰色关联分析方法来推求河流流量传播时 间，他把水资源系统看成是一个具有广泛不确定性的系统，并且其中很重要的一 第一章绪论 种不确定性为灰色性 1 8 - 1 9 1 ，运用改进的灰色关联度的计算方法对流量传播时间进 行了预测，并将其应用在塔里木河。经过对其计算结果的合理性分析，表明该方 法是可行有效的，但是该方法仅是从总体上分析河流的流量传播时间，只是在典 型的干旱区的塔里木河进行了检验，并没有普遍意义的应用范围。 吴蔚等人在文献【2 0 中，针对单一模型解决洪水预测问题存在的算法复杂度 高，分类准确率低等问题，提出了利用b p 神经网络联合与d s 证据推理相融合的 模型，实现了多个领域不同层次的全部主客观证据的特征级融合，实现了多个 模型的优势互补。并通过实验验证了该方法的可行性， 模糊聚类方法也能够应用在洪水传播时间预测中，在文献【2 l 】中，就是利用 基于模糊数学理论的模糊聚类分析方法，将与洪水相关的典型气候信息进行分 类，找出与被预测年份的同类年份，选取相应的要素因子作为分析依据，对目标 预测因子进行聚类分析预测，对未来洪水做出了趋势预测，取得了一定的效果， 该文章主要是进行中长时期的洪水预报，方法值得进一步推敲，精确度有待进一 步提高。 人工神经网络以及改进的b p 神经网络预测技术在河流流量传播时间预测 上，有着较为广阔的发展空间。例如在文献【2 2 中，戴会超等提出用增设误差修 正系数的改进b p q | 经网络技术，实现网络误差修正权重倾向于输出样本的较大 值，总结出一种计算输入输出向量的归一化公式，建立了具有洪峰识别的洪水预 报b p 网络预报模型，并将模型应用在宜昌水文站典型年实测流量过程中进行了 预测检验，得到较好的预测结果，一定程度上提高的预报精度。 在文献 2 3 】中，采用改进的b p 算法，以长江中游螺山、汉口站以及区间支流 入流洪水过程为研究对象，在计算过程中将输入数据转化为与输出激励函数统一 的尺度，适当缩放上下限，初步建立了考虑区间入流的河道洪水预测的b p 神经 网络模型，较好反映了区间入流对汉口站洪水过程的影响，有待提高样本空间， 利用更长的样本序列来训练模型以期达到更好的预报精度。 在文献【2 4 】中，作者在a r n o 河上根据降雨信息、水文资料和大坝运行方式等 实时信息，采用人工神经网络技术建立了天然河道的洪水预测模型，较为准确地 预报洪水水位演变过程，此预测结果为现实防洪起到了指导作用，一定程度上降 低了洪水灾害的经济损失。 文献 2 5 中基于后向传播的b p 神经网络技术构建了缺乏实测的河道下游电 站的洪水流量预测模型，模犁因子包括有均方根误差，学习效率，峰值流量和峰 值流量传播时间等因素，经过模型检验，人工神经网络模型在洪水流量预测和传 播时间预测方面优于传统的马斯京根方法。 微粒群优化算法( p s o ，即p a r t i c l es w a r mo p t i m i z a t i o n ) 也被e l t e l b a n y , m a 第一章绪论 等研究人员用在尼罗河洪水预测中，所著文献【2 6 】中利用微粒群优化算法来训练 所建立的b p 神经网络模型，以此来实现对尼罗河的洪水预测研究，并达到了不 错的效果。 文献 2 7 1 提到洪水流量传播时间预测是洪水预报中极其重要的一部分内 容，可以有效降低洪灾的损失，文中利用两种黑箱模型即多元回归衰减分析模型 和后向传播的神经网络模型分别对越南北部河流红河上游的三个重要电站的6 个 小时的水位进行了预测计算，结果表明两个模型可行，效果较好。 义献1 5 5 5 7 i 中饨希民，李鸿雁等较旱耥 j ：能算法引入到流域水文预报中，并 建立了某些河网f 勺洪水j = l l | 搬模翠主要是针_ 妤，i 网f | 勺洪水 0 播时间颤搬研究，以 河髓站点j ：游鲻的水f 一流鑫凶，和含沙黾凶j 7 等柬颅测下游站的水位流景以及 含沙釜困f ，骑i 萨r 入1 。神乡奎网络在洪水预测l ：0 j 可行性，预测效果良好。 河流流量传播时间预测研究是洪水预测研究中很重要的一部分，随着高开发 河流的人为干预力度的加大，对流量传播时间预测研究提出了新的要求，尤其是 在峰值传播时间的预测上。在布设梯级电站水库的河流上，流量传播时间预测研 究直接影响到洪水预测的保障度，间接关系到提高预测精度后大幅度降低的经济 损失，同时，各电站水库的运用方式和调度安排需要它提供重要依据，全河段的 统一调度需要它提供重要信息等等，如何完善和进一步加快流量传播时间预测科 学化进程是研究人员重点攻克的方向。 1 4 本文所作的研究工作 作者从研究黄河流域水情、沙情、凌情和供需水情况入手，参阅了来源不同 的相当多文件和资料，全面了解和理解黄河流域的整体情况；同时，重点关注黄 河干流的水情和水量，仔细研读水力学、水动力学和数学模型、数值模拟以及智 能预测方法等相关方面的书籍和文献，在前人的基础上，对黄河干流流域这个极 其复杂的大系统的部分典型河段进行了初步的系统研究和分析，主要工作如下： 1 ) 本文第二章分析总结了黄河流域近十几年的水情、凌情和黄河干流主要 水电站水库的水量调配的综合利用情况，在汲取前人的丰硕成果的基础上，按照 黄河干流的实际水文站和水电站布设点，以及考虑后续的流量演进研究和传播时 间研究的需要，确定出可行的黄河干流概化模型；对天然河道概化方法进行了系 统的总结和改进工作，归纳并提出适用于黄河干流流域典型河段的概化方法和手 段，提出主要采用单槽形式和槽滩形式两种河道概化模式技术来实现对研究河段 主要断面的抽象概化，分区段构建河道概化模型。 2 ) 由于黄河流域水情的特殊性，人为干预黄河水量的力度不断加大，本文 8 第一章绪论 分析归纳了黄河流域统一调度情势下的黄河水量情况和水资源调配总则，在第三 章着重关注于黄河综合调度下的人为干预水量调配过程，例如人工塑造洪水过程 和小北干流冲淤过程等，在确定出黄河干流上游、中下游研究区段和研究时段的 前提下，利用推导出的适用于概化模型的计算水动力学的理论原理经典圣维 南方程组和考虑侧流的扩展形式圣维南方程组方法，采用隐式差分的p r e i s s m a r m 隐格式的数值模拟技术，模拟在特定时段的特定研究区段间的重要节点的流量演 进过程，并且对该模拟结果进行分析总结。 3 ) 在已构建的黄河概化模型和黄河河道概化模型的基础上，针对黄河水量 调配过程中所关注的人工塑造洪水过程和人工控泄运用时的流量过程，系统归纳 分析了黄河流域水情、汛情、电站分布和运用情况、流域主要灌区的需水用水情 况、流域主要支流情况以及流域重要水文站点情况，利用先进的人工神经网络预 测技术，查阅和借鉴了众多文献和资料，拟采用改进b p 神经网络方法和容错神 经网络方法，分别建立了传播时间预测模型，并将模型运用到相邻站点的流量传 播时间的预测问题中，验证人工神经网络预测模型技术在流量传播时间预测方面 的可行性和有效性，并对所提出的两种预测模型方法进行了对比分析。 第二章黄河干流河道概化模型研究 2 1 引言 第二章黄河干流河道概化模型研究 黄河水系众多，是一个条件复杂，空间跨度大，包含数个具有不同调节性能 和不同运用目标水电站水库群的高开发度的河流。作为华北和西北地区最重要的 水源，是关系到黄河流域经济、社会的稳定和可持续发展能否实现的直接因素， 关系到流域人民的生活生产活动的健康发展。流域供需严重不平衡，对于开发程 度如此之大的黄河，为了协调平衡沿岸上中下游各方需求，加强了人为对黄河水 资源的干预力度，2 0 0 2 年，黄委会进行了首次调水调沙试验，取得了重要成果， 试验表明可以利用干流水库对水沙进行有效的控制和调节；并在接下来的4 年来， 成功实现了人为对黄河水沙的控制和调节。 由此可见，黄河不同于其他水系，它受到相当大的人为影响和控制作用，并 间接影响到黄河流域河道水量的天然变化过程，在这种“人工控泄”作用下运作的 河流，已注入了人的意志，人们更关心的是，在某个人工输入的情况下，它的输 出是什么，它的输出都受哪些因素影响，怎么样做才能实现操作者的意愿，更重 要的是希望能够在未输入时，就能够预先知道输出结果。当然，对于这样一个巨 大复杂的系统，想要实现这样的愿景，并非是一个人一个部门所能够实现的。本 文所做的工作前人涉及较少，是立足于相对“抽象”的角度，试图找到一个近似等 效的概化河道模型来表征出相对重要的河道形态，以期对人们所关心的人工控泄 作用的流量演进方面作些工作。 2 2 模型概化方法的理论依据 2 2 1 模型概化方法的理论基础 河道概化模型的构想来自于多方书籍和文献资料，是基于前人研究硕果的衍 生物，并在前人的基础上，进行了变通和创新。 天然河床的过水断面及过水能力有很大的变动性，且其平面轮廓常常很复杂。 但前苏联水利专家a h 拉赫曼诺夫教授1 2 j 认为天然河道的一般弯曲并不对流程中 的不稳定动态有很大的影响；可以认为，河床的弯曲主要对副流有影响，这种流 动系由于离心力而产生，并和河床断面的形态及许多局部现象有关。任何流段的 河床总阻力及变量流动中水位的上升和下降，主要和过水断面及其过水能力之变 第二章黄河干流河道概化模型研究 化有关。之后的国内外相关研究证明，这样简化能够保证河道非恒定计算的精度 要求。例如董耀华和黄煜龄【2 8 】在长江上游朱沱三斗坪河段进行的洪水复演计算 中，把研究河段区间简化为1 6 个控制断面控制的共1 6 1 个计算断面模型，洪水复 演结果合理可行；在河网概化【4 】中，该成果也有着广泛的应用，请参阅相关文献， 本文不赘述。 基于这样的结论，对于选取河段区间基本上可以简化为顺直河道，除了采用 采用此结论使问题解决大为简易之假定外，当然对河道断面也需要进行一定的概 化，在把河床本身加以概括化时，基本原理相似，没有必要对河流的全部复杂情 况都加以考虑，抓最主要的因素考虑，因为本文主要讨论的是长流程中变量流动 问题。故这类流动中最重要的是阻力，计入河床水力要素沿流的主要变化己完全 足够，事实上对计算结果影响极小的无数局部变化可以略而不计。因此可以设想 将河床之全长分割成许多过水断面大致相同，糙率一样的计算河段