（水文学及水资源专业论文）小清河济南城区段洪水调度运行库研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着人们生活水平和居住环境质量的提高 人们对人文景观 绿化和水环境的要求 越来越高 城市中的人工景观河道 景观湖泊和景观水池不断涌现 河道是城市的重要 基础设施 不仅发挥着防汛 排涝 引水 灌溉 航运等基本功能 还承担着城市旅游 市民休闲 美化城市等功能 景观河道顾名思义 是将景观寓于河道之中 合二为一 使其更好地发挥旅游功能 真正构成城市中一道亮丽的风景线 济南市拟将沿小清河及两岸地区建设以旅游休闲 商贸服务 生活居住为主导功能 的滨河景观带和复合型的城市功能区 以形成城市新的空间增长点和重要的战略发展地 区 该滨河景观带全长约3 1 公里 规划面积约4 0 平方公里 规划河段河道的整治以拓宽 为主 河道的拓宽 必然减小洪水的汇流时间 导致洪峰增大 同时由于景观蓄水的存 在 洪水位必然被抬升 危及河岸和城区 这是导致研究河段防洪和景观功能产生矛盾 的主要原因 所以 通过洪水的调度缓解景观河道的两大主要功能之间的矛盾 实现二 者的统一 具有重要的应用价值和现实意义 鉴于河道拓宽后水文条件的改变 景观河道防洪和景观功能矛盾性的存在和某些景 观河道出现的汛期洪水频繁上岸的现实 本文通过建立小清河洪水调度运行库 为建成 后景观河道的洪水调度提供了操作依据 综上所述 本文具体的研究内容如下 1 由 于规划河段上仅有黄台桥一处水文站 为了得到研究河段的瞬时水面线 进行洪水向下 游的演进计算和向上游的反演计算 2 根据洪水演进和反向演算计算成果 模拟各控 制断面处不同频率洪水的水位一流量关系绳套曲线 确定控制断面处洪水水深过程线 3 根据规划要求 计算发生不同频率洪水时各时段所要求的原河道蓄水的下泄量 根据时段闸门下泄流量确定闸门操作过程 4 为了降洪水转化为河道的景观用水 降 低景观蓄水经济成本 实现洪水资源化 确定关闸蓄水的时机 选择闸门合适的关闭组 合方式 5 为了及时对小清河洪水进行调度 简化实时调度过程 应根据调洪演算结 果 提出不同频率洪水的调度方案 建立孟家节制闸的运行库 通过以上计算 建立了不同降雨条件 起调水位 景观蓄水下泄方式的小清河济南 城区段洪水调度运行库 尽量保证了研究河段的行洪安全和洪水利用安全 关键词 洪水演进 瞬时水面线 洪水调度 景观河道 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t p e o p l ea t t a c hm o r ea n dm o r ei m p o r t a n c et oh u m a n i t i e sl a n d s c a p ea n dv i r e s c e n c ea n d w a t e re n v i r o n m e n tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fl i v i n gs t a n d a r da n di n h a b i t e de n v i r o n m e n tq u a l i t y a r t i f i c i a l s i g h tr i v e r s l a k e sa n dp o n d sc o m e f o r t hc o n t i n u a l l y r i v e ri si m p o r t a n t i n f r a s t r u c t u r ep r o j e c to fc i t y h o l d i n gn o t o n l yf o u n d a m e n t a l f u n c t i o n so ff l o o da n d w a t e r l o g g i n gc o n t r o l l i n g w a t e ri n t a k e i r r i g a t i o na n ds h i p p i n g b u ta l s ot h ee f f e c t so fc i t y t o u r i s m t o w n s p e o p l e sl e i s u r ea n dc i t yb e a u t i f i c a t i o n j u s ta s i t sn a m ei m p l i e s s i g h tr i v e r r e s i d e ss i g h tt or i v e r t oc h a n g er i v e ri n t oe n l i g h t e n e dl a n d s c a p eo fc i t yi nd e e d m a k i n gb e t t e r u s eo fi t st o u r i s mf u n c t i o n j i n a nc i t yr e a c ho fx i a o q i n g h er i v e ra n dr i v e r s i d ea r e ai sp l a n n e di n t os h o r el a n d s c a p e a n dc o m p o u n dc i t yf u n c t i o na r e ao ft o u r i s m l e i s u r e b u s i n e s sa n dc o m m e r c e s e r v i n g sa n d i n h a b i t a n c y t og a i nn e ws p a c eg r o w t hp o i n ta n di m p o r t a n ts t r a t a g e md e v e l o p i n gd i s t r i c t t h e l a n d s c a p eh o l d s3 1k ml e n g t h w i t ha r e ao f4 0 k m 2 t h ec h a n n e lr e g u l a t i o ni sm a i n l yw i d e n i n g p r o j e c t s of l o o dr o u t i n gt i m em u s tb es h o r t e r s ot h a tf l o o dp e a ki sl a r g e r a l s ob e c a u s eo f s i g h ts l u i c e f l o o dl e v e lm u s tb eu p l i f t e d r i v e r s i d ea n dc i t yz o n ei se n d a n g e r e d t h i si st h e m a j o rc a u s eo ft h ec o n f l i c tb e t w e e nf l o o dc o n t r o l l i n ga n ds i g h tf u n c t i o n s or e v i v i n gt h e c o n f l i c tb e t w e e nt h et w om a j o rf u n c t i o nt h o u g hf l o o dd i s p a t c h i n g i sp r o v i d e dw i t hi m p o r t a n t a p p l i c a t i o nv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e w h e r e a st h et r a n s f o r m a t i o no fh y d r o l o g i c a lc o n d i t i o na f t e rc h a n n e lw i d e n i n g c o n f l i c t b e t w e e nf l o o dc o n t r o l l i n ga n ds i g h tf u n c t i o no fs i g h tr i v e r a n dt h ee v e n t so ff l o w a g eo ns o m e s i g h tr i v e r s f l o o dd i s p a t c h i n gr u n t i m el i b r a r yi sc o n s t i t u t e dt op r o v i d ef l o o dd i s p a t c h i n gb a s i s t oc o n s t r u c t e ds i g h tc h a n n e lo nx i a o q i n g h er i v e r a sar e s u l t t h em a t e r i a ls t u d yc o n t e n t sa r e t h ef o l l o w s 1 a st h e r ei s o n l y o n eg a u g es t a g e h u a n g t a i q i a og a u g es t a g e o nt h e p r o g r a m m i n gr e a c h f l o o d sa r ec a l c u l a t e dd o w n w a r d sa n du p w a r d st og a i ni n s t a n t a n e o u s w a t e rs u r f a c ep r o f i l eo fs t u d i e dr e a c h 2 o nt h eb a s e o ff l o o dc a l c u l a t i o nr e s u l t w a t e r l e v e l d i s c h a r g er e l a t i o n s h i pn o o s ec u r v e so ff l o o d sw i t hd i v e r s i f i e dr e c u r r e n c ei n t e r v a l sa r e s i m u l a t e d a n df l o o dd e p t hp r o c e s sc u r v e sa te v e r yc o n t r o l l i n gs e c t i o na r ec o n f i r m e d 3 a c c o r d i n gt op r o g r a m m i n gr e q u e s t r e q u i r e dd r a i n a g ea m o u n to ff i v e rs t o r i n gw a t e ra t i i 山东大学硕士学位论文 e v e r yt i m ea m o n gf l o o d s 谢n 1d i f f e r e n tr e c u r r e n c ei n t e r v a l si sc a l c u l a t e d s l u i c eo p e r a t i o n p r o c e s si sc o n f i r m e da c c o r d i n gt od i s c h a r g i n gr u n o f fa tt h es l u i c e 4 f l o o ds t o r a g eo c c a s i o ni s c o n f i r m e d a n da p p r o p r i a t ec l o s u r em a n n e ri ss e l e c t e dt oc h a n g ef l o o dt os i g h tw a t e r r e d u c e e c o n o m i c a lc o s to fs i g h tw a t e rs t o r a g e a n da c t u a l i z ef l o o du t i l i z a t i o n 5 a c c o r d i n gt of l o o d r o u t i n gr e s u l t d i s p a t c h i n gs c h e m e so fd i f f e r e n tr e c u r r e n c ei n t e r v a l sa r ep u tf o r w a r d a n d r u n t i m el i b r a r yo fm e n g j i a z h as l u i c ei sb a s e d t oo p e r a t ef l o o do fx i a o q i n g h er i v e ri nt i m e a n ds i m p l i f yr e a l t i m eo p e r a t i o np r o c e s s a sar e s u l t f l o o dd i s p a t c h i n gr u n t i m el i b r a r yo f x i a o q i n g h er i v e rr e a c hi nj i n a nc i t yi s e s t a b l i s h e di ne v e r yc o n d i t i o no fr a i n f a l l l i m i t a t i o nw a t e rl e v e ra n dd i s c h a r g i n gf a s h i o no f s i g h tw a t e rs t o r a g e t h u se n s u r ef l o o ds e c u r i t ya n du t i l i z a t i o na tt h es t u d i e dr e a c ha sw e l la s p o s s i b l e n v e r k e yw o r d s f l o o dr o u t i n g i n s t a n t a n e o u sw a t e rs u r f a c el i n e f l o o dd i s p a t c h i n g v i e w i i i 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独 立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体 均己在文中以明确方式标明 本声明 的法律责任由本人承担 论文作者签名 e t 期 丝呈量 毋 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论 文被查阅和借阅 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 圣兰鱼 堑导师签名 日期 丝呈 墨兰2 山东大学硕士学位论文 1研究背景 第一章绪论 第一节研究背景和意义 随着社会的发展 人们对环境的要求越来越高 城市河道的治理 不仅要考虑防洪 供水 还要考虑河道景观对周边环境的影响 这已成为河道治理的新思路 作为城市河 道整治新思路的城市河道景观设计 已引起了全国工程界的普遍关注 城市河道整治设 计要考虑河道景观 河道景观建设要融于河道整治工程之中 在城市河道综合治理中 河道景观设计是一个重要方面 经过精心设计的河道景观 不仅大大改善了城市面貌 而且可以带来良好的社会 环境 经济效益 许多城市的实 践都证明了这一点 例如 承德市的武烈河生态河道景观建设 临沂市沿沂河生态景观 绿化工程建设和廊坊市龙河景观河道旅游功能建设均取得了不错的效果 江南水乡城镇 河道的治理也开始注重防洪与河道景观建设综合规划的新理念 国外很多地方也都非常注重把河道水域的防洪功能与情趣化生活环境建设有机结 合起来 以日本横滨水环境设计为例 为满足市民的亲水性 同时也突出河道景观多样 性 日本横滨的防洪对策措施是采取 堵疏结合 蓄泄并重 的方针 对于设防水位的趋 势性提升 除了加高防汛墙以外 一般采取其他方法予以解决 特别是生态化措施 尤 其是在城市化地区 必须考虑城市景观要求 体现 以人为本 给市民一个安全 舒适 和富有情趣的亲水环境 但是 也有一些景观河道没有能够达到预期目的 或者没有更好地发挥作用 例如 汛期滩地上娱乐和景观设施频繁遭受洪水侵袭 造成了严重的经济损失 影响了河道景 观功能的正常发挥 究其原因 不合理的工程设计固然影响很大 对洪水不能正确有效 调度 也是不能忽视的重要因素 济南历来以 泉城 之称闻名天下 特别是近年来众多保泉措施的成功实施 使泉水 喷涌量有所增加 吸引了大批游客 小清河济南城区段作为城市规划中的景观河道 必 将为济南市的旅游业发展注入新的活力 济南地处半干旱地区的北方 是水资源比较匮乏的城市之一 进入二十世纪八十年 山东大学硕士学位论文 代以来 城市规模的扩大 人口的迅速增加和经济的快速发展 造成了供水量急剧增长 使全市有限的水资源日趋紧张 河道景观水的补给 必将加重水资源短缺形势 而且为 当地经济支出增加负担 鉴于景观河道建设和运行的防洪风险和补水压力 有必要研究小清河济南城区段河 道断面变化之后洪水水情的变化 兼顾景观河道的各项主要功能 提出合理的洪水调度 过程 建立洪水调度运行库 最终实现对洪水的及时调度 保护河岸娱乐设施 实现洪 水资源化 2研究意义 本文是济南市小清河防洪调度科研项目的一部分 研究目的在于通过研究景观河道 整治后洪水水情变化 以控制河道水位为条件 对洪水做出及时调度 缓和景观河道防 洪与景观的洪水蓄泄矛盾 使小清河这两大功能实现有机统一 由于小清河济南段水文站仅有黄台桥一处 因此无法率定所需参数利用常规的洪水 验算方法分析河道整治后的洪水变化情况 而且整治后河道断面尺寸变化较大 相同的 降雨产流条件下洪水水文要素也会发生很大的变化 如何仅利用一处水文站的水文水力 要素资料和河道断面几何资料 分析河道整治后的洪水变化 研究由于景观蓄水的存在 使其既具备河流性质又具备水库性质的景观河道的调洪计算方法 提出合理的洪水调度 过程 正是本文研究重点所在 因此 本文所作的研究不仅具有理论价值 而且具有很 强的现实意义和应用价值 第二节国内外研究进展 根据研究任务和资料的实际情况 本文主要针对洪水演算方法 洪水调度方法 调 洪计算方法进行研究 1洪水演进研究进展 由于河道洪水演算在水文预报中的重要作用 历来受到国内外学者的关注 他们进 行了大量的 卓有成效的研究 取得了丰硕的成果 河道洪水研究模型经历了一个不断深入的过程 1 9 3 8 年m c c a r t h y 对美国俄亥俄州的 马斯京根河提出了马斯京根洪水演算模型 简称原演算法模型 随后引起了学者的重 2 山东大学硕士学位论文 视并获得了广泛的应用 1 9 5 8 年 l i n s l e y 等人提出了滞后演算模型 1 9 6 9 年 c u n g e 提 出了对流扩散理论用以模拟河道洪水演进的方法 改进了原演算法 使它上升为理论模 型 简称m c 模型 即马斯京根一康吉模型 1 9 7 3 年 d o o g e 建立了 系统水文学 的科 学体系 采用了统计矩配合技术 比较了马斯京根模型和完全线性的水力学模型 把宏 观的演算法和水力学方法相提并论 1 9 7 5 年 m i l l e 和c u n g e 分析发现马斯京根模型加以 改换 就可以得至u k a l i n i n m i l j u k o v 模型 这是第一次把洪水演算问题与单位线问题联 系在一起 1 9 7 8 年 p o u c e 和y e v j v i c h 在c u n g e 的基础上 建议采用变动动力波速度和变 动水面宽度的变动参数用于m c 模型 1 9 8 0 年 s t r u p c z e w c i k 等人采用了块集与线性分 布的水动力学模型 进一步推导了马斯京根模型 1 9 8 1 年 n a p i o r k o w s k i 等人证明了水 动力学基础的演算法模型并建议采用变动参数的方法 1 9 8 2 年 k u n d z e w i c g 等人基于采 用转换函数的方法 研究了演算法假推移的性质 提出了多元梯级演算法模型 同年提 出了非线性演算法模型 1 9 79 年赵人俊提出了马斯京根法 河道洪水演算的线性有限差解 较为详细论述了 有限差格式及参数的确定 1 9 8 5 年芮孝芳推导了扩散波和线性扩散波解析解 199 1 年 朱华提出了马斯京根矩阵解 并在实时洪水预报中应用 1 9 9 4 年郑祖国等人提出投影寻 踪回归和多维混合回归模型 并详细介绍了该模型在大河长河段洪水预报中的应用 投 影寻踪 p r o j e c t i o np u r s u i t 技术是一种新兴的预测预报技术 它可用于加工和处理复杂系 统的高维数据 特别是非正态 非线性高维数据 其显著的特点就是无需对原始观测数据 作任何假定及各种预处理 而是通过运用计算机技术把高维数据投影到低维子空间上 寻找能够反映原高维数据结构或特征的投影 用数值函数自动加以记忆 借以把复杂高 维信息系统的客观规律加工提炼成知识和智慧 进而达到认识和记忆复杂系统内在客观 规律的目的 它能够有效克服维数灾害 可以充分挖掘和利用非正态 非线性信息 2 0 0 3 年黄国如 芮孝芳提出了河道洪水演算的径向基函数神经网络模型 人工神经网络 a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s 是模仿人脑的工作方式而设计的一种计算方法 是由大量 的神经元互连而成的网络 它具有通过学习获取知识并解决问题的能力 多层前馈型网 络模型是目前众多神经网络模型中应用最为广泛的模型之一 而b p 算法则是多层前馈型 网络模型中最常用的学习算法 神经网络方法在水文预报中的应用研究是一个新的领 域 纵观洪水演算的发展历程和国内外学者的研究成果 其研究途径大致基于以下三 种 以水量平衡和蓄泄方程为基础的水文学方法 以圣维南方程组为出发点的水力学方 山东大学硕士学位论文 法 以j c t 杜格为代表的运用系统概念和系统分析方法的研究方法 水文学方法是以水量平衡和蓄泄方程为基础建立的一种河道洪水演算方法 其特点 是 1 能考虑主要影响因素及其相互作用 既能使计算简化 又能保证计算精度 2 结构简单 实用 能够较好地模拟洪水在河道中的运动 并给出洪水在河段内的 主要特征值 3 对基本资料和外界水情信息要求不高 可操作性强 4 概化相对 较粗 难于详细分析河道内复杂水流情势以及主要特征 5 难于提供河段内水位的 时空分布和动态模拟洪水河段内的演进过程 水力学方法是以圣维南方程组为基础建立的一种河道洪水演算方法 水力学研究方 法是基于物理成因的方法 它一直受到人们广泛的重视 开展水文成因机理的研究 对 提高水文学理论和水文预报技术水平是十分重要和有效的 自从7 0 年代计算水力学问世 以来 基于求解圣维南方程组的水力学河道洪水演算方法得到了较快的发展 特别是高 速 大容量电子计算机的快速发展为计算技术的发展提供了坚实的技术基础 水力学方 法的特点是 1 可以较详细构建河系的空间分布结构 将各种水力单元有机连接起 来 进行整体计算 2 可以全面 综合 真实反映各因素间的相互作用 3 有关 结构弹性好 层次清晰 河系内各种水力单元易于定义和编码 4 能适合于各种初 始边界条件 适合于实测水文资料短缺地区 5 能提供不同河段内水位的时空分布 及洪水在河段内的演进过程 6 所建模型的率定和检验需要河段地形实测大断面资 料 通常该资料获取困难大 费用高 7 实际应用时对水情信息的要求很高 操作 困难大 8 需与水文学模型相配合以获取为之提供外边界条件 系统学方法将河道视作为一个系统 河道上断面入流为其输入 河道下断面出流为 其输出 认为上断面洪水过程经过河段系统的作用就成为下断面的出流过程 模拟这个 系统的具体方法不同 就产生了不同的系统学洪水演算方法 如时间序列分析法 线性 系统分析法 人 r o 经网络分析法等 系统学方法的特点是 1 由于不必涉及系统 的具体物理意义 故又称为 黑箱子 方法 2 只要求系统反应 不管系统的状态 3 方法所需资料少 因而作用很大 但对资料的依赖性很强 外延和区域综合十分 困难 4 系统学方法常用于规划 应用于实际成功的报道不多见 随着研究的不断 深入和科学技术的不断发展 尤其是计算机技术的突飞猛进 河道洪水演算今后在系统 理论的研究方面将会有大的发展 在今后较长的一段时间内 系统理论模型还会继续得 到应用 但是 该类模型会逐渐向体现事物的物理意义方向发展 也就是说 追求模型 分析结果同实际的水文过程的结合 追求事物发展的统计意义 并逐渐扩大数据区范围 4 山东大学硕士学位论文 体现极端事件对统计结果的影响 尽量消除外延预报的随机性 这一方面需要大量的试 验和观测 另一方面取决于系统理论的发展 2洪水调度方法研究进展 目前的洪水调度按照应用的侧重点不同可分为模拟调度和实时调度 按照调度方法 的类型不同可以分为常规调度和优化调度 洪水实时调度就是根据预报的入库流量过 程 按照工程设计参数 上下游水位及枢纽运用要求进行调洪演算 并作出调度方案据 此可确定机组运行出力及泄水建筑物的运行方式 然后进行闸门操作控制 传统的调度方法是利用微分法和变分法求取条件极值 1 9 5 1 年贝尔曼 r b e l l m a n 等人提出并发展了动态规划法 动态规划最优化原理是指一个过程的最优决策解具有这 样的性质 即从初始状态出发经历若干个阶段 每一步的决策应使余下的决策路径成为 该剩余过程的最优策略解 它是解决多阶段决策过程最优化问题的一种方法 6 0 年代以 后 我国工程界开始使用动态规划法研究调度问题 1 9 6 5 年l a z a d e h 开创了模糊数学 1 9 7 0 年他又与r e b e l l m a n 共同提出模糊动态规划法 以往洪水调度中遇到的模糊现象和 信息 便有了处理利用的理论依据和方法 现在 该方法已经在许多实际领域中广泛应 用 随着流域水资源综合开发利用和信息技术 计算机技术的发展与应用 水文学得到 了迅速发展 水文学与相邻学科之间相互交叉与渗透 特别是计算机的广泛应用 使过 去不能解决的流域水利工程体系的设计与运行 人类活动对防洪的影响等问题的解决成 为可能 比如将现代信息技术与计算技术应用到洪水调度算法中 将能够为许多变分法 不能解决的最优化问题提供一种可行方法 当前 求解模糊优化问题的方法有内根特 n e g o i t a 和雷列斯 r a l e s c u 于1 9 7 7 年提出来的近似模糊集合法 以及王光远和王 文泉于1 9 8 4 年提出来的最优水平截集法 近似模糊集合法的基本思想是用一个普通集 合 从而把模糊优化问题转为普通优化问题 最优水平截集法的基本思路是从根据实际 出发寻求一最优水平截集 截取一最优的非模糊状态 该问题的最优解即是原问题的解 目前 国内外在控制方面所采用的基本方法是多阶段决策过程优化法一动态规划 法 在此基础上 各国学者提出了很多改进方法 如状态增量动态规划法 i d p 离 散微增量动态规划 d d d p 动态规划逐次逼近法 d p s a 逐步优化算法 p o a 等 但是在实际问题中多数决策都是在目标 约束等一系列行为不确定的情况下进行的 为了将这种不确定性作定量处理 通常所利用的工具为概率统计法 目前比较成熟和常 山东大学硕士学位论文 用的方法是随机动态规划 s d p 法和马氏决策规划法 m d p 在国内陈守煜教授于1 9 8 8 年在模糊动态规划 f d p 的基础上提出了 多目标 多 阶段模糊优选模型 m d m f o d p 的基本原理及解法 把动态规划原理技术与模糊优 选原理模型有机的结合起来 这种方法在水力电力和水资源系统等许多方面得到了广泛 的运用 3调洪计算方法研究进展 目前 水库的调洪计算理论和方法已经比较成熟 常用的方法有列表试算法 半图 解法和简化三角形法等 而河道调洪理论的研究绝大多数集中于加大河道断面尺寸和消 除人类活动对河道行洪影响的重要性上 也就是说 绝大多数河流的调洪以防洪为主要 目的 而对利用河道实现洪水资源化研究很少 调洪演进方法的多样性是由于表达蓄水量与入流量或出流量 或同时与二者之间的 关系有各种不同的方法 蓄水可能是棱柱形蓄水体 即在恒定流水面以下的蓄水体 也 可能是楔形蓄水体 当水位上升或下降时 入流与出流之差使水面偏离恒定流水面产生 的蓄水体积 棱柱形蓄水也可定义为仅随出流而变化的河段内的水体 楔形蓄水是随 入流与出流之差而变化的河段内的水体 如图1 1 所示 l 入流 图1 1 楔蓄和棱蓄示意图 第三节本文研究内容 出流 根据本课题研究的目的 本文的最终目标是实现研究河段洪水的实时调度 鉴于研 究区域河道断面及尺寸的变化情况和水文资料情况 本文研究的主要内容如下 6 山东大学硕士学位论文 1 归纳总结国内外洪水演算方法 洪水调度方法和调洪计算方法的研究进展 针对实际情况选取适用于研究河段的计算方法 并对其在计算精度或应用性方面加以改 进 2 由于规划河段上仅有黄台桥一处水文站 为了研究河道断面变化后洪水水情 的变化 得到研究河段各水位点处的流量过程 进行洪水向下游的演进计算和向上游的 反演计算 3 根据洪水演进和反向演算计算成果 计算各控制断面处不同洪水流量过程的 水位一流量关系绳套曲线 确定所选水位点处洪水水深过程线 4 根据规划要求 计算发生不同频率洪水时各时段所要求的河道景观蓄水的下 泄量 对研究河段进行洪水实时调度 5 为了将洪水转化为景观用水 实现洪水资源化 确定关闸蓄水的时机 选择 闸门合适的关闭组合方式 6 为了及时对小清河洪水进行调度 简化实时调度过程 应根据调洪演算结果 提出不同频率洪水的调度方案 并按照面平均净雨深和降雨强度 或降雨历时 建立孟 家节制闸的运行库 第四节本文技术路线 鉴于以上论述 本文的技术路线为 1 应用加里宁 米尔加科夫法和扩散波模拟法进行洪水演进计算 两者的计算 结果互相校正 应用加里宁一米尔加科夫法时 采用时变特征河长提高其计算精度 提 出 虚设下游断面 概念扩展其应用范围 使其成为适合本课题的方法 2 探讨洪水的反演计算问题 利用水文学上同倍比概念计算黄台桥上游的流量 过程 3 利用托马斯改进的琼斯公式模拟不同洪水的水位一流量关系绳套曲线 得到 各断面水位过程曲线 4 求同一时段各水位点的洪水位 得到各时段的洪水水面线 5 根据规划要求 在涨洪阶段洪水分三个等级计算各时段应下泄的景观蓄水水 量 在落洪阶段选择蓄水时机并计算各时段应蓄的洪水水量 据此可以求得孟家节制闸 处的下泄流量过程线家闸 7 山东大学硕士学位论文 6 根据节制闸的闸前水位和泄水要求 确定各时段的闸门开度 综合上述计算 成果 建立孟家节制闸运行库 山东大学硕士学位论文 l i ii im l洪水演进基本理论 第二章洪水调度的基本理论 第一节洪水演进方法 雨水降落在流域内以后 河道里迅速汇集大量的径流 由于降水量与河网密度在空 间上分布的不均匀性 致使河道中各处所汇集的水量不等 水量多的地区较之水量少的 地区的水位高 流量大 这就形成了洪水波 与恒定流相比 非恒定流出现了附加水面坡度 涨水过程中 附加水面坡度为正 流量比恒定流时大 落水过程中 附加水面坡度为负 流量比恒定流时小 洪水波的水 面比降f 与稳定流的比降毛是不相同的 二者之差 称为附d i j h l 降 即f f 一乇 涨洪 阶段坛 0 稳定流时 0 落洪阶段么 0 洪水波沿河道向下游传播过程中 不断发生变形 如图2 1 所示 其变形有两种形 式 即洪水波的展开和扭曲 从 到乞时刻 洪水波的位置自4 s c l 传播到4 曼c 2 由 于洪水波波前的附加比降大于波后的附加比降 波前的水流运动速度也就大于波后 使 洪水波在传播过程中 波长不断加大 波高却不断减小 即红 磊 这种现象称为洪水 波的展开 同时 洪水波上各处的水深不同 也使洪水波发生变形 随着洪水波向下游 传播 波峰向它的起点逼近 波前长度不断减小 附加比降不断加大 而波后则相反 因而波前水量不断向波后转移 这种现象称为洪水波的扭曲 这两种现象是同时发生的 天然河道里 当无外界因素影响时 洪水波变形的主要原因是附加比降 同时 洪 水波上任一点的展开量不仅取决于附加比降的绝对值 还和同水位下的稳定流比降有 关 河道洪水演算结果对防洪减灾和水资源的综合利用有着重要的现实意义 在遭遇洪 水时 根据正确的河道洪水演算结果就可对洪水调度 如蓄洪 分洪 居民和财产转移 等做出正确决策 使洪水灾害降低到最低程度 在水资源规划管理中 根据河道洪水演 算结果合理地进水量调度 就能在工农业用水 航运 供水和生态用水等方面取得好的 地综合效益 9 山东大学硕士学位论文 2洪水演进基本方程 图2 1河道中洪水波变形示意图 河道洪水演进就是利用河段的蓄泄关系与水量平衡原理把上断面流量过程演算成 下断面的流量过程 概言之 就是计算洪水波轨迹的过程 洪水波的运动属于不稳定流 是时间上和空间上都变化着的水流 描述明渠非恒定 流运动规律的偏微分方程 即圣维南方程组 是法国学者圣 维南在1 8 7 1 年首先建立的 它包括明渠非恒定流的连续性方程和运动方程 2 1 连续性方程 根据质量守恒原理可推得明渠非恒定流连续性方程为 丝 塑 g 2 1 二 口l z l 文8 s l 式中 彳一过水断面面积 掰2 f 一时间 j q 一流量 m 3 s s 一流程 m g 一旁侧入流量 m 3i s m 上式为有旁侧入流的明渠非恒定流连续性方程 它适用于任意断面形状的明渠 该 式说明 过水断面面积随时间的变化率与流量沿流程的变化率之和等于旁侧入流量 如g 0 则为无旁侧入流量的情况 此时连续性方程为 l o 山东大学硕士学位论文 丝 塑 0 2 2 根据上式可写出由过水断面面积彳和流速1 表示的连续性方程 丝 v 丝 彳o v 0 2 一 3 一 一十v 一 以 lj 2 2 运动方程 非恒定流运动方程为 旦f z 旦1 三堡 堡 o 2 4 西l7 go tg o s 式中 z 一水位 m p 一水压 k n i m 2 y 一容重 k n i m 3 g 一重力加速度 m l s 25 一单位水头损失 在明渠非恒定渐变流中 水面的波动是渐变的 其垂线方向的加速度可以忽略 过 水断面的动水压强分布近似符合静水压强分布规律 也就是对于同一断面测压管水头 有z p y c 如取水面点 则测压管水头就等于水面高程即水位z 同时 局部水头 损失可忽略不计 仅需考虑沿程损失 v 2 c 2 r q 2i k 2 c 为谢才系数 k 为流量模 数 又在一维非恒定流中假定过水断面上的流速沿水深均匀分布 还假定河床为定床 河床底坡i o 0 1 则上式可写成 g 塞 鱼o t v 妄 g 譬 c 2 5 g 瓦 一w 面 参2 o忆 5 上式为明渠非恒定流运动方程 若明渠渠底高程为 水深为h 底坡为乇 水位 为z 贝 jz z o h o z l o s a z o o s o h o s 而o z o o s i o 故o z l o s 一f o o h o s 定义摩阻比降s q 2 i k 2 这样就可以把明渠非恒定流运动方程是改写为变量h 来表 达 即 g警 鱼 v鱼 goo一墨 2 6 ot o sg i 一 v 一2 9 一6 j 其中 v l g o v l a s 为空间惯性力项 1 l g o v l o t 为时间惯性力项 二项合起来称 山东大学硕士学位论文 为惯性力项 a h l a s 为压力项 o 为重力项 邑为摩阻力项 将上式改写成以单位重量水体形式表达的方程式 则有 锄v 2lr 加 加 一面一面2 i i 瓦w 瓦j 2 3 明渠非恒定流圣维南方程组 2 7 有明槽非恒定流的连续性方程和运动方程 可构成的偏微分方程组 称为明槽非恒 定渐变流圣维南方程组 有多种组合方式 下面为其中的两种 或 丝 1 丝 么塑 o a t8 s as 2 8 加加瑟1 2 百w d s g 瓦2 一g 雨 丝 v 丝 彳塑 o a t8 s 氆 2 9 c g v加锄 f v 2 1 瓦w 瓦 g 西2g 卜雨j 圣维南方程属于一阶拟线性双曲型偏微分方程 可根据水流的初始条件和边界条 件 解圣维南方程 求出水位和流量随时间和流程的变化关系 其中初始条件是指某一 初始时刻f 时 全流段的水位z o 和流量q o 即 菱三篡心h o 砘 h o 圳 0 1 协 初始时刻的选择 可以使尚未受到扰动的恒定流流动 也可以使已经发生的非恒定 流流动 明槽非恒定渐变流的边界条件是指需求解的流段上下两端过水断面在整个计算时 段中的水流情况 关于具体的边界条件可以是多种多样的 对于上游断面的边界条件一 般是起始断面的水位或流量随时间的变化曲线 即水位过程线或流量过程线 也相应由 水深或流速过程线 其数学表达式为 z 枷 z o 或q q o 2 1 1 1 2 山东大学硕士学位论文 对于下游断面的边界条件一般是两种 一种边界条件是末尾断面水位流量关系曲线 z 魁 z 工 2 1 2 另一种边界条件是末尾断面水位过程线或流量过程线 z m z o 或q 工 q t 2 1 3 2 4 圣维南方程组解法概述 由于圣维南方程不易求出其普遍的解析解 一般都是针对具体的明槽非恒定流问 题 是用近似的计算方法求解 在目前这些近似计算方法大致分为数值求解和简化求解 法 简化求解法就是针对具体非恒定流问题作具体分析 以确定该问题中的主要因素 略去次要因素 使圣维南方程组得到简化 然后对简化的圣维南方程组进行求解的方法 如瞬态法 微幅波法 幂级数法以及水文中使用的马斯京根法等 数值求解法就是针对具体的明槽非恒定流问题的计算区域 使用某种计算方法 对 偏微分方程的圣维南方程进行离散 转化为一组代数方程 并根据问题的初始和边界条 件 编程计算求解这些代数方程 从而得到近似解的方法 如直接差分法 特征线法 有限元法等 这些方法物理概念明确 数学分析严谨 计算结果精度较高 3加里宁 米尔加科夫法 加里宁 米尔加科夫法将运动方程利用特征河长概念转化为槽蓄曲线方程 用水量 平衡方程代替连续性方程 二者联立求解 进行河段洪水演算 3 1 特征河长及其槽蓄曲线方程 在一定条件下 槽蓄曲线q w w 为河槽蓄水量 关系可以有多值关系转化为 单值关系 对于固定的下端面 昧 q 绳套的大小反映附加比降的作用 由洪水特性 所决定 而对于巩 形来说 其绳套大小不仅与附加比降有关 还取决于河段的长度 所以可以找到一个河长 使下断面的流量q 与蓄量形之间具有单值关系 这个河段长度 称为特征河长 用 表示 如图2 2 所示 当河段的长度等于特征河长时 如果河段中断面水位风不变 又假定水面线呈直 线变化 则不论比降怎样变化 河段槽蓄量形保持不变 根据特征河长的定义 q 与形 山东大学硕士学位论文 为单值关系 因此9 也不变 若对应于这一 的稳定流流量为q 0 如图2 2 中虚线所示 那么q 应等于q 0 也就是说 由于比降的增加使q 增大 但另一方面 由于水位的下降 使9 减小 其增减值相等 使9 保持不变 所以河段中断面水位风与下站的流量之间 存在着单值关系 q 肜也成为单值关系 这时的q 就等于该形值下水流形成稳定流 时的流量骁 上断面 故 又 1 4 图2 2 特征河长示意图 根据上述概念 推导出计算特征河长 的公式 设任意断面水位流量关系为q m f 则 d o 墼m 翌组 巍a h 由于下站流量不变 所以坦 o 不变 扭 一寺讲 代入上式得 望 三硪 望旃 对曼宁公式q k 以进行微分得 a q l 8 q 一 a h2戡 a q k 一 o i 2 f 面 q o q 2 1 4 2 1 5 2 1 6 2 1 7 山东大掌硕士学位论文 望 以堡 2 1 8 1 兰 f 一 7 o h o h 将此一i 式代入上式得 以丝 三 善 2 1 9 1 v f 一 芦 l z 一 o h2 2 f 两边同乘 i 由a q o k i q o k i 得 以亟 三 堡 o h2 2 4 f 孕 l o q 协2 起始时i i o 则 堡i o l o q 2 2 1 式中 绕 南 筹 表示某一断面在稳定流状态下的数值 当计算河段长等于特征河长时 其槽蓄方程为 w k q 2 2 2 式中 k 一洪水在特征河长间的传播时间 s 加里宁提出的特征河长的概念 为分析河段槽蓄关系提供了理论依据 但在推到特 征河长时 假定水面比降i i o 致使z 与洪水波附加比降无关 这只能是近似简化的结 果 实际上特征河长 随水位的不同而变动 3 2 流量演算公式推导 此法是在苏联应用的马斯京根法的另一种表达形式 它将流量传播方程简化为 m 别 和 协2 3 将方程第二项离散化为 o q q t i t 2 2 4 山东大学硕士学位论文 式中q 分别是长为a x 的河段下游出流和上游入流 由于 知 百1 为给定流量q 的波速 简化方程可孰 乞警 q 刊 协2 5 对河段长度作如此选择 使等 r 是给定流量沿河段的传播时间 则上式变为 o d 警 知 m i 1 如果 f 为己知 其解为 鲫 一7 饥q 式中 q o 为f 0 时刻的出流q o 如果将给定河段的上游流量过程线按出划分为若干时段 入流流量的变化为a a i l l i 2 2 6 2 2 7 并假定在时间步长血内 2 2 8 式甲 l f 2 分别为 利t 22 a th 习明八 侃 侃重 仕h 习段网1 阪疋上狮 侃董呈或 旺父化 即 m 却等r 贝 l jq t 1 式写成时间步长 f 的函数为 q e t i 1f 等 p 西 q p 一孚f 芸手 f 2 詈一 p f l 卜t 址o f 厶 p l q c p 号c 2 2 9 q c 一q 1 e t 出 一古 1 c a 1 6 令q g q 乞 t 1 a t 0 2 则得 q 2 g 厶一q k z 砭 2 3 0 山东大学硕士学位论文 q l e7 k 卜古k 2 捌 当入流为己知时 即可计算出出流流量过程 3 3 加里宁 米尔加科夫法的物理意义 给定流量演算河段缸的传播时间为 f 百a x g 署 f c g 4 幽 假定f 等于