河海大数字水利高级研修班课件04水与环境

水

与

环境数字水利Galadrielsmirrorshowsmanythings,sometimesitiswhatyouwanttosee,butsometimesitcanshowmanydifferentthingsthatishardtoexplain,andoftencanbeapossiblenearfuture数字水利的核心:

综合一体化的

水与环境模拟程序包吕谦明数字水利的核心丹麦的经验和在中国的应用首先要澄清的问题数字水利不是不做水利工程，而是在水利工程的重大决策和管理上要允分发挥数值技术的潜在能力，更好地从经济角度，综合管理和环境保护的各个方面进行综合分析，使水利工程的实施能够达到经济上可持续发展的战略目标。

数字水利不是要片面地取代传统的全部研究方式，而是要与尚有生命力的，并且不可能完全被数值分析所取代的研究方式（特别是某些物理模型实验）相结合，取长补短，更完善地揭示自然规律，以达到人类更好地利用水利资源。数字水利并非对数据有特殊的要求。凡是目前工程及研究中所应用的数据，数值技术都可将其应用和更好地发挥作用。而现代化的管理和对工程更加严格的要求对数据采集提出了更高的标准。数值技术刚好可为数据采集提供更强的技术支持，也可对数据采集提出更完善的规划。数字水利的几个重要组成部分最关键的是：掌握现代化数值技术的人（特别是具有水利、环境综合知识背景的专门人材）是实现数字水利的根本保证。先进的数据采集系统，数据传输系统，关系型数据库，最核心的是：一系列的管理软件和数值模拟，决策的程序包。综合一体化的水与环境模拟程序包应具备如下几方面的特点

通用性强——程序包可适用于不同自然条件下的各种情况。

商业化程度高——满足不同用户的多方需求，方便使用。

版本更新快——使新技术，新的科研成果能够更快地在程序包中实现，而且能够尽快地与新的操作平台和其它通用软件相匹配。

具备综合分析能力——即可利用已建立的模型进行多目标的综合研究，包括水动力学、水环境泥沙输运，防洪调度，水资源管理等。这种综合一体化的软件包的建立需要有三个条件：足够资金的支持多年开发的累积足够工程实践的检验现状：中国在此领域要赶上世界先进水平,还有相当一段路要走。

两种基本选择走别人已经走过的路，从头大量投入资金、人力、时间来开发出自己的软件包，去赶世界先进水平。引进先进的技术和软件包，尽快与世界先进水平站在同一起跑线上，而实现在下一个目标（流域综合管理等），走在世界前列。上述的第二种选择可能是经济，快捷和实用的，但在此选择时，要特别注意软件包的引进应与技术转移同步实施。否则，就不可能达到最终的目的——走在世界前列。

MIKESYSTEMDHI

Water&EnvironmentIndependent,self-governingresearchandconsultingorganisation(non-profit)Tobuildcompetenceandpromotetechnologicaldevelopmentrelevanttothewaterandenvironment<>Activitiesworld-wideStaffabout480MIKE3MIKESWMMLITPACKEnvironmentalTech.&Chemistry

Chemisty

EcotoxicologyGroundwater,Soil&WasteMonitoring&InformationTechnologyUrbanWaterUtilitiesWastewater&ProcessTechnologyWaterResourcesWaterManagementRiverHydraulicsFloodManagementHydrologicalModellingWaterEnvironment&InformaticsAquaticEcologyEnvironmentalInformaticsHydroInformaticsTechnologiesEcologicalModellingEstuarineDynamicsMarineImpactsSedimentManagement

MarineTechnologyOffshoreTechnologyPorts&HydraulicStructuresCoastalEngineeringSurvey&MonitoringDHIWater&EnvironmentDHI

Water&Environment-Software

Simulationmodelsystems Informationsystems -Hardware

Monitoringinstruments Laboratorymaterials -Facilities

Physicalmodeltestfacilities Chemical,ecotoxicologicalandbiologicallaboratories -Surveyandmonitoring<>MOUSEMIKE21MIKEBASINMIKESHEMIKE11MIKE3MIKEINFOMIKENETLITPACKMIKESWMMModellingTheWorldofWater<>MIKE11

-AModellingSystemforRiversandChannelsWaterQualitySedimentTransportHydrodynamicRainfall-RunoffAdvection-DispersionModularApproach

WaterQualityWavesSedimentTransportHydrodynamicsMIKE21FreeSurface

WaterModellingSystemSoftwareDevelopmentDHISoftwareDevelopmentCentresAndDevelopmentPartners<>SoftwareSupportCommonHelp-desk:software@dhi.dk<>Training-EducationRegulartrainingcoursesatDHIDedicatedtrainingcoursesintheclientsofficeOn-the-jobtrainingDHIsoftwareConference2002(1stAsia-PacificDHISoftwareConference,17-18June2002,Bangkok)<>水资源需求压力的增加人口增加经济增长增加需水量加重污染循环水量不变由于缺水增加竞争必须进行水资源再分配及解决矛盾水资源短缺2025年水资源短缺情况预测为什么要对水资源进行特殊管理？相互影响流域/蓄水层的水管理!水库海洋工厂湿地农田森林城市中国流域1500条河流(流域面积大于1,000KM2)7个最主要的流域覆盖了50%的中国国土人口:1.2亿面积:960万KM2问题水量洪水问题(水量过多)水资源危机(缺水)水质环境问题(水质恶化)泥沙水库蓄水和河流保护

水资源综合管理水与社会–相互影响

社会----------------

人口

生活方式

文化

社会组织环境-----------------------

大气

水圈

土地

生物

矿物经济-----------------

农业

工业

家庭

能源

服务环境服务--><--影响

劳动/机构--><--货物/服务自然资源--><---影响水资源综合管理相互影响-->流域系统的综合管理土地地表水水量上游淡水水地下水水质下游海水流域管理目标可持续发展确保对水资源进行全面合理的利用以保持可持续发展的基准符合总体规划和管理规划进行综合管理流域综合管理的途径

机构支持-流域机构-资金支持技术途径-合理的总体规划-有效的管理规划综合考虑-流域内，多目标管理(水资源,水质和洪水)-流域间，跨流域管理(主要水资源)流域综合管理要素及其关系信息交换监测调查遥感模型总体规划数据库(GIS)水资源洪水治理水质泥沙输运环境状况流域综合管理流域管理的优先权最高级别:

灾害管理(洪水,意外污染和极度缺水)较高级别:主要项目管理(特别指短期需求)普通级别:

长期管理(服从总体规划)水质管理

了解河流的污染现状明确污染负荷来源确定河流的污染指数

制定合理的计划/策略

建立有效的监测系统定期更新计划/策略制定河流水质管理的法律条例

TheFirstConsideration:Harmful&ToxicPollution水质管理

第一考虑:有害和有毒物质污染富营养化污染(总磷和总氮)有机污染(BOD,COD)细菌污染(大肠杆菌)无机污染(重金属)BODCODNH3有机污染HuaiRiverBasin淮河流域水质模型沙颖河流域水文模型一维沙颖河水动力模型淠河流域水文模型红河流域水文模型淮河干流水文模型水动力边界条件水质边界条件旁侧入流淮河流域水质模型系统旁侧入流旁侧入流旁侧入流一维淠河水动力模型一维红河水动力模型一维淮河水动力模型一维沙颖河AD模型一维淠河AD模型一维红河AD模型一维淮河AD模型一维沙颖河

水质模型一维淠河

水质模型一维红河水质模型一维淮河

水质模型污染负荷准备生活污染:城市，城镇，农村工业污染:大型工厂和小型工厂

非点源污染:农业，牲畜和农村人口

“九五规划”的主要目标:到2000年,淮河水质变清

但“九五规划”中只有COD控制指标。

污染组分:有机污染无机污染细菌污染富营养化污染有害有毒污染注解:如果只有COD

达到预期目标，淮河将不会变清。该照片于2000年5月12日摄于蚌埠闸下游

黄河是

黄色的,长江是浅黄色的,淮河是

黑色的.苏州河环境管理率定阶段黄浦江松浦大桥站实测和模拟流量比较

率定阶段苏州河浙江路桥站实测和模拟流量比较率定阶段苏州河黄渡站实测和模拟水位比较率定阶段淀浦河青浦站实测和模拟水位比较率定阶段淀浦河淀东闸上游实测和模拟水位比较率定阶段苏州河武宁站实测和模拟NH3比较率定阶段苏州河武宁站实测和模拟CODcr比较率定阶段黄浦江松浦大桥站实测和模拟NH3比较率定阶段黄浦江松浦大桥站实测和模拟DO比较BODConcentration(mg/l)DistributioninaPlanPlotfromtheBaselineSimulationHuangpuRiver2DModelConcentrationsofBOD

of

the

Dry-YearCaseandEmergencyCase

BODanimation(2020Notreatmentscenario)洪水管理对流域洪水频率的重新评估了解防洪建筑物的现状进行一系列预案分析：洪水风险和损失分析制定合理的

规划/策略

建立包括洪水预报在内的决策支持系统制定流域洪水管理的法律条例1998年8月长江洪水造成：2.5亿人口受影响2500人死亡50亿元

损失九江主要街道长江中游流域武汉宜昌上海受1954年长江洪水影响的流域范围武汉宜昌上海长委/世行MIKE11-HIRLAM耦合对长期预报的精度有较大改进长江洪水预报1995-1998长江中游暴雨和洪水预报精度分析1998水位预报(汉口)上升水位曲线0,000,200,400,600,801,001,201,400123456Leadtime(days)MeanAbsoluteErrors(m)M11,HirlamrainfallforecastsConservativeIssuedForecastsM11,zerorainfallforecastM11,Observedboundaries-ObservedrainfallM11,Observedboundaries-Hirlamforecasts黄河流域洪水管理项目研究范围下游河段#Taohuayu黄河流域洪水易发区域水资源管理全面了解流域水资源现状明确来自生活、工业和农业的所有水量水质需求制定合理的规划/策略

建立

监测系统定期更新规划/策略制定河流水资源管理的法律条例（包括建立合理的收费机制）成都平原河网MIKEBASIN

-an

IntegratedRiverBasinPlanningandManagementTool长江流域水资源模型MIKEBASIN

流域规划/管理

水库运行和优化

[联合使用(地下水,地表水)][水质评价]

保持简化(无水动力模块)

与ArcViewGIS集成

集成所有数据来源MIKEBASIN…从数字化高程模型开始BuildingtheYangtzeWaterResourcesModelMIKEBASIN…自动生成河流及其集水区域BuildingtheYangtzeWaterResourcesModelMIKEBASIN…添加水库和水电站BuildingtheYangtzeWaterResourcesModelMIKEBASIN…添加用户BuildingtheYangtzeWaterResourcesModelMIKEBASINMulti-SectoralWaterDemandsindustrialwatersupplymunicipal/ruralwatersupplyagricultureMultipleAnalysesfulfildemands?hydropowergenerationfloodcontrolmonthlydemanddataessential!MIKEBASIN率定(流量,1983-1987)MIKEBASIN率定(1987年9月time-step)河流水量及用水缺额m3/sMIKEBASINFlowinrivers(noteextractionpointsforYangtzediversion)1983-87模拟结果(animation)m3/sMIKEBASINRelativestorageformajorreservoirsontheHanRiver1983-87模拟结果(animation)%MIKEBASINRelativestorageandrelativehydropowergeneration1983-87模拟结果(animation)%MIKEBASIN1997模拟结果春季:西北部缺水量m3/sMIKEBASIN1997模拟结果夏季:东南部缺水量m3/s原因:作物不同，灌溉用水量不同MIKEBASIN1997模拟结果8月份水库容积(miom3)MIKEBASINScenariosforFutureDemandsPopulationchangesClimatechangesEconomicdevelopment河床演变与泥沙治理

了解河流地貌和沉积现状明确流域施工规划评估施工规划对未来河流地貌的影响

进行经常性调查对施工规划