李光炽[1]2001年在《流域洪水演进模型及其参数反问题研究》文中进行了进一步梳理中国是一个水旱灾害频发的国家，水利在国民经济中具有重要的位置，水利的兴衰直接影响到国家的稳定和人民的生活。在科学技术发展日新月异的今天，水利也应跟上现代化的要求。科学治水需要有科学的工具。流域洪水模拟模型是流域防洪调度、兴利除害、技术治水、科学管水合理利用的重要工具。本文对当前的流域洪水演进模拟模型进行了分类和比较，提出了通用性的流域洪水演进模拟模型。通用性流域洪水演进模型采用类比物质构成的分解，把流域分解成各种基本特征元素的模拟：一维水流模拟，二维水流模拟，零维水流模拟，连系水流模拟以及工程运行控制模拟等，由不同的特征元素的数量和种类的组合，构成不同的特定流域，使所建的流域洪水模型具有很好的包容性，能够包容各种各样的流动结构，适应不同的流域洪水模拟的需要。模型的框架采用数据驱动方式，由数据的存在决定模型的运行，数据的改变自动起动对应的模型，真正达到通用性的目的。模型实现的关键是数据的规范化，把数据规范到一种标准形式，由不同形式的数据，驱动不同的方法，从而形成数据驱动式结构。 针对模型运行中遇到的参数确定问题，本文讨论了模型参数反分析，包括一维河道糙率反分析，二维糙率反分析，一维河道旁侧入流反分析等。对于一维河道糙率参数反分析，针对观测资料存在的随机误差，引进卡尔曼滤波器的自动校正系统，求解出河道糙率变化的动态过程，使用动态糙率计算，明显改善模型的模拟精度，使模拟过程和观测过程很好吻合。此时的糙率与传统的概念有明显的不同，它包含了模型误差，截断误差，观测误差等各方面的综合影响。 对于旁侧入流反分析，采用直接从控制方程出发，推导出同时求解旁侧入流的迭代方法，从正问题解的反求，以及实测水库入库洪水的反求等实例都说明，本文的方法是一种实用的方法，该方法对水库防洪调度洪水演算具有重要的价值，可以应用于大中型水库洪水调度的入流反算。
程伟平[2]2004年在《流域洪水演进建模方法与河网糙率反分析研究》文中研究说明洪水演进的计算技术是实现防洪减灾的关键技术之一，已经在城市防洪规划、流域规划、各种工程建设中广泛应用。尽管各种计算技术理论也在70年代已相当成熟，但在工程应用中面临很多难题，实践过程中很大程度依赖技术人员的工程经验，是一门数学理论与实践经验相结合的学科。针对洪水演进计算技术在工程应用中存在的主要问题，本文从理论上和实践上探索洪水模拟统一建模和河网糙率参数反分析的方法，为河网糙率的反分析提供了研究框架。本文的研究内容主要包括如下几个方面： 1、洪水演进建模方法研究：阐述了流域洪水的一般特点，提出了以节点、单元、边界条件、荷载为基本元素的流域洪水模拟新体系。系统地探讨了各元素之间的关系，提出了实现各种单元耦合的统一方法。推导了一般河道的Pressmann格式、马斯京根格式、滞洪区(水库)单元格式、闸堰型单元的“单元刚度”矩阵形式，它们分别代表了水力学方法、水文学方法和水利设施的状态方程在新体系中的形式，基本上能够涵盖洪水演进中的所有计算形式。 2、探讨了采用面向对象的方法建立流域洪水模拟软件的框架，并尝试采用面向对象语言编制洪水模拟程序。在这个框架内，程序员仅需要根据接口的协议编制单元和荷载程序，无需对程序整体进行了解，大大减轻了开发难度。 3、研究了将描述一维非恒定流的圣维南方程转化为常微分方程形式，提出了以水位为状态变量的常微分方程形式，为河网糙率可辨识性分析提供了基础。分析了Gremer和Yu提出的常微分方程格式误差产生的原因，并提出改进措施，数值仿真研究表明，采用修正形式的结果比原格式有较大的改善。 4、提出了河网糙率反分析完整的研究框架，指出河网糙率反分析的主要研究内容包括解的存在性、解的唯一性、稳定性、求解估计算法和解估计的评价等方面。系统地整理和评述了现有的研究成果，将河网糙率反分析的研究划分为叁个阶段。 5、引入控制论理论，研究了河网糙率可辨识性，提出水文站的布置宜考虑河网的可辨识性。当河网糙率不可辨识或解不唯一时，可以采用BG理论来分析河网糙率反分析的分辨率和解的方差。 6、借鉴控制论的观点，提出了河网糙率反分析的叁要素：数据、模型、准则。以误差的来源为依据，提出了叁类准则函数：(1)仅有水位观测样本下的准则函数；(2)仅包含流量观测样本的准则函数；(3)同时包括水位和流量观测样本的准则函数。提出了准则函数的收敛准则。 7、研究了变尺度优化算法在糙率反分析中的应用，对该算法在反分析中的性能进行了摘要详细的探讨。引入广义逆理论分析河网优化搜索方向，提出牛顿—!’‘义逆优化算法，并与白然逆算法河网糙率反分析进行了比较。在计算中结合Wiggins方法能够有效地抑制样本数据中的噪声，取得良好的结果，而阻尼最小二乘法的性能相对较差。 8、提出了采用带参数的卡尔曼滤波法进行河网糙率反分析。分析了观测点数黄对滤波结果的影响，发现状态变化率对带参数的·卜尔曼滤波法的滤波性能有较大影响。针对计算量较大的特点，提出减少滤波计算量的方法，并采用渐消记忆滤波法提高系统跟踪性能，数值仿真表明该法是有效的。
李慧婷[3]2016年在《Mike11模型在防洪评价中的应用研究》文中研究指明随着城市化的发展和极端气候的发生,洪涝灾害的发生不断加剧,防洪减灾工作迫在眉睫。本文以北京市怀柔区新一轮山区地质灾害隐患区及生存条件恶劣地区渤海镇叁岔村农民搬迁工程为依托,结合收集的叁岔小流域地形、水文气象等基础数据和野外调查结果,参照现有的设计文件,通过Mike11模块建立叁岔小流域沟道HD水动力和NAM坡面降雨径流耦合模型,分析论证叁岔小流域内断面洪水位及洪水对建设项目的影响范围,进行防洪影响的综合分析,提出相应措施,得出主要结论如下：(1)研究区防洪标准确定为20年一遇,符合《怀柔区防洪规划报告》和国家《防洪标准》的要求。在缺少研究区水文监测数据情况下,依据研究区所在区域的科研成果确定相关参数取值范围,并采用推理公式法计算小黄梁沟、水泉沟以及汇流总沟的洪峰流量进行NAM模块参数的自动率定,依据《怀柔区防洪规划报告》对应的实测水位数据对模拟结果进行校核。依据现场调查选取当小黄梁沟、水泉沟及部分总沟和总沟整治段的糙率分别取0.030和0.027,拟合后可以看出糙率在此取值下结果最接近实测值,在各自沟段分别为中度灵敏和高度灵敏参数；将最终结果与《怀柔区防洪规划报告》中怀沙河河道水面线计算成果相匹配,水面线形态和水位高程基本与防洪规划中的水位线相似。可以满足验证精度,认为模型模拟整体结果可信。(2)根据洪水位的计算成果绘制的研究区淹没范围图可知,叁岔村除了8号建设项目地块外,其余地块均位于小黄梁沟和总沟的20年一遇洪水位以上,20年一遇洪水不会淹没建设区。8号建设用地地势较低,建议重新规划新的建设用地或者采取修建挡墙等挡水建筑物,抬高建设用地高程等措施。(3)山区小流域洪灾具有突发性且毁灭性强等特点,应在后续施工等环节针对小流域防洪中存在的的问题提出防洪预案,为渤海镇叁岔村农民搬迁工程的防洪影响评价提供科学全面的保障。
马艳[4]2013年在《流域洪水演进模型参数反演的小生境粒子群算法研究》文中进行了进一步梳理从古至今几千年来，洪水灾害问题一直是人类极度关注和重视的问题，人类尝试采取各种方法解决。例如，利用洪水演进模型可以计算出在不同时段的流量，流速等，从而对洪水预报，防洪调度等方面发挥重要作用。其中模型的参数反演问题就是非常重要的一步，对洪水演进模型应用的成败起着关键的作用。作为群智能算法成员之一的粒子群算法，是一种全局优化算法。该算法编程简单同时本身还具有许多良好的优化性能和很强的鲁棒性。但粒子群算法有两个主要的缺点分别是：容易陷入局部收敛和后期收敛速度慢。针对基本粒子群算法的缺点，学者们提出过很多改进的方法。本文在前人研究的基础之上进行总结，选取基于适应值共享的小生境粒子群算法作为本文的求解算法，该算法是由基于适应值共享的小生境技术与粒子群算法结合后得到的。本文先将算法应用到典型多模态函数优化问题的求解中，将优化结果与基本粒子群算法的优化结果作对比，验证了算法的有效性与优越性，并对小生境粒子群算法的收敛性进行了讨论。然后，把该算法应用到实际问题中，对存在解析解的洪水演进模型进行了参数反演，反演结果表明，该方法不仅精度高而且收敛速度快，反演值与真值几乎完全吻合。最后，对添加5%到15%不同噪声的情况进行了研究。从程序运行的结果来看，在加噪5%时，参数K和x的反演结果不是特别理想。因此，为提高本文方法的抗噪性，尝试将多尺度方法和小生境粒子群算法相结合形成多尺度小生境粒子群算法，并将其应用于洪水演进模型的参数反演。数值计算结果显示，单参数反演结果精度较高；但双参数的反演精度不是很高，还有待改进。模拟结果验证了算法的可行性和一定的抗扰动性，因此本文讨论的算法在洪水演进模型参数反演问题方面是具有实际应用价值的，有望被广泛应用。
陈兴[5]2016年在《洪水演进模拟在洪水风险图中的应用》文中提出天然河道的边界条件非常复杂,人们对于洪水的认识还存在很大的局限。在实际工程中由于模型边界条件不断变化、模型测量方法有限,流场参数很难精确测量,因此水工模型实验一般只能得出总流的参数,对研究范围内的流场信息无法详细得出。而通过计算机数值计算和图像显示的方法,则可在时间和空间上定量的得出水流数值解,从而达到研究洪水演进过程的目的。蓄滞洪区的洪水演进数值模拟能够较好的揭示洪水时间和空间上的动态演变,以此获得洪水的演进过程。使用洪水模拟成果进行洪水风险分析,对可能淹没区避险转移规划、安全建设和风险管理具有重要的参考价值。本文利用MIKE软件建立一维及二维模型对嘉陵江凤县防洪保护进行洪水演进数值模拟。主要工作内容包括:(1)应用MIKE11水动力学模块,模拟嘉陵江10年一遇、20年一遇、30年一遇及100年一遇洪水演进过程。(2)应用MIKE11提供的水工建筑物模块分析嘉陵江遭遇100年一遇洪水时跨河桥梁的壅水作用。(3)应用MIKE21 FM水动力模块,模拟嘉陵江计算范围内干支流同频100年一遇洪水淹没过程。(4)将嘉陵江凤县段MIKE的河网计算结果与矢量地理信息相结合,使用ArcMAP整合并应用于洪水风险图编制中。对模拟成果进行分析可以得出以下结论:(1)采用率定的河道糙率建立的洪水计算模型,洪水计算成果与实测接近,误差在允许范围内。(2)嘉陵江及其支流最高水位从上游向下游呈现递减趋势,符合一般规律;随着洪水量级变大,洪峰流量和最高水位也随之变大(高)。(3)嘉陵江发生100年一遇洪水时桥梁壅水作用明显。(4)根据地形描绘出的一维模型淹没范围与二维模型淹没范围成果接近。
范玉[6]2005年在《河道、滞洪区一二维洪水演进数学模型的研究与应用》文中认为我国是洪水灾害严重的国家,目前,我国的江河和城市防洪整体水平偏低。因此,在利用工程措施控制洪水的同时,加强洪泛区的综合管理,调动多种技术与非技术的科学管理手段,是建立和完善有中国特色的现代防洪减灾保障体系,减轻洪灾损失,降低洪水风险的重要举措。随着电子计算机和现代计算技术的发展,数值模拟和仿真技术已逐渐成为一种重要的研究手段。本文由N-S方程开始,系统的推导一维、二维非恒定流方程,采用有限体积法对浅水环流方程进行离散。对滞洪区内的河道断面、铁路、公路、堤防等大量的实测资料进行搜集、整理、分析,利用无结构不规则网格技术,对地形进行自动划分,生成了适合河道洪水计算的一、二维河道型网格和滞洪区的二维地面型网格,然后建立河道、滞洪区耦合计算的一二维网格嵌套模型,并详细介绍了其工程应用方法。本文从研究水流运动的根本机理出发,以洪水运动规律为基础,通过建立的天津市五洼滞洪区洪水演进数学模型,对天津市滞洪区五洼联用进行数值模拟,利用实测资料对河道和滞洪区进行了模型验证,并实施了百年一遇洪水方案的初步计算。通过上面模型的模拟计算,得到洪水在滞洪区的淹没时间、范围、历时、淹没水深等重要的水情信息,确定五洼滞洪区的使用时机和相应的分洪量大小,同时也可以提供村庄、农田、道路、居民区等受淹数据,为天津市的洪水实时调度提供科学依据,这对于确定整体防洪措施,制定减灾方案都具有重要的实用意义。
刘志贤[7]2008年在《基于遗传算法的河网糙率反分析研究》文中研究指明为了适应国民经济建设的需要,解决国土整治中的河道治理,水利建设中的输水损失计算,洪水计算,公路、铁道建设中的桥梁设计都涉及到水力计算,其中糙率是水力计算中的重要参数,很多学者致力于河流洪水糙率的研究。本文首先论述了对河网进行糙率反演的现状和意义,总结了河网糙率反分析研究的研究内容与反问题的求解方法。本文尝试将遗传算法应用于河网糙率的反演,编写了SWMM源程序与遗传算法程序的接口程序,实现了河网糙率反演自动化,并对树状河网和环状河网的糙率反演进行了研究,为河网糙率的反演,水文观测站的合理布局提供了一定的科学依据。主要研究内容如下:1、归纳总结了河网糙率反演方法,提出将遗传算法应用于河网糙率的反演。由于遗传算法综合了全局优化和局部优化两方面的优点,在一定程度上提高了精确度,解决了陷入局部最优的问题,减少了人工调试的工作量。2、本文将河网分为环状和树状两种不同复杂的情况,把河网中部分观测点的时序列数据作为反演资料,验证了利用遗传算法反演整个河网中所有河段的糙率是可行的。3、通过对观测点不同数量的对比研究,研究发现当观测点数量达到河网中河道数量的一半的情况下,经优化得到的河道糙率比较可靠合理,误差较小,随着监测点数量的增加,反演所得到的糙率精度改善不大。4、本文还对观测时段不同数量进行了初步的探讨,发现与观测点数量的探讨有着类似的规律,观测时段数量越多,得到的糙率精度越高,但是在达到一定数量后,数据信息趋于饱和,对反演的精度改善提高不大。5、论文中分析了几个不同复杂情况的河网,发现对于越复杂的河网,对观测点的布设位置要求越高,环状河网的对监测点空间布置的敏感性比树状河网高。观测点布置的越均匀分布于河网中,得到的反演越合理,愈能反映真实的糙率分布状况。
黄佳音[8]2007年在《黄河干流典型河段概化模型研究与应用》文中提出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Preissmann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Levenberg-Marquart优化算法的改进BP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。
赖瑞勋[9]2015年在《水流泥沙数学模型的数据同化与参数反演》文中研究表明提高水流泥沙预测精度对防洪规划、灾情评估、防汛、工程施工等方面有重要意义。水沙数学模型和原型观测资料是河道水流泥沙可以获取的两类信息来源。水沙数学模型以水沙动力学理论为基础,是对水流泥沙输移过程的物理概化和数学描述,存在一定的模型结构误差。原型观测数据由于观测设备、观测手段和数据处理等方面的原因,也存在一定的误差。随着原型观测技术和信息通信技术的发展,有必要开展水沙数学模型的数据同化方面的研究,融合模型计算值和原型观测值,提高模型预测精度,将既有的水沙数学模型发展为实时校正的水沙数学模型。建立了河道水沙数学模型的集合卡尔曼滤波数据同化系统。在一维水沙输移方程的基础上,将水位、流量、含沙量和糙率参数作为控制变量,以控制理论为基础,构造了这些参变量的状态空间方程和观测方程。分析了这些参变量的误差分布规律,利用集合卡尔曼滤波方法,建立了水位、流量、含沙量和糙率参数的集合卡尔曼滤波同化系统。建立了悬移质泥沙输移的变分同化系统。构造了模型预测含沙量和原型观测含沙量之间差值的代价函数,并将悬移质泥沙输移方程作为代价函数的约束条件。推导了带约束条件代价函数的伴随方程,及其对恢复饱和系数、挟沙力参数k和指数m的梯度。分析了集合卡尔曼滤波和变分同化算法的优缺点,建立了河道水流泥沙的耦合数据同化机制。耦合同化机制中,集合卡尔曼滤波优化水位流量并反演糙率参数,并利用变分同化方法优化含沙量并反演泥沙输移参数,其中集合卡尔曼滤波逼近得到的模型误差作为含沙量变分数据同化的背景误差。水沙集合卡尔曼滤波系统应用于黄河下游2011年调水调沙案例,分析了模拟水位、流量和含沙量的精度,分析了反演糙率参数与水位等变量的相关关系。含沙量变分同化系统应用于黄河下游2009年调水调沙案例,分析了模拟含沙量的精度,以及反演泥沙参数的合理性,分析了变分同化系统对没有观测资料区域的影响。水沙耦合数据同化系统应用于黄河下游2013年调水调沙案例,分析了耦合数据同化机制的可行性。
张晓明[10]2007年在《黄土高原典型流域土地利用/森林植被演变的水文生态响应与尺度转换研究》文中研究表明黄土高原地区水资源短缺,生态环境脆弱,特别该区土壤侵蚀不断加剧,恶化了区域生态环境,严重制约社会、经济的发展。目前,随着大规模水土保持生态建设,研究该区流域土地利用/森林植被变化的水文生态过程和协同变化规律,对于黄土区土地利用规划和管理及生态环境建设工程具有重要理论参考意义。本文以黄土高原具有长期实验基础的多尺度耦合流域为研究对象,采用3S技术、景观生态学测度方法及成熟的水文观测方法,结合多年水文气象观测资料,分析土地利用/森林植被演变及其驱动力,探析降水时空分布的异质性;研究流域土地利用/森林植被变化的理水减沙机理,解析多尺度流域耦合的水文生态对土地利用变化的响应机制。借助WEPP模型提取研究区代表性典型流域单元并对其径流及侵蚀产沙进行模拟;基于分形理论测算典型流域单元地形地貌特征分形维数,建立流域水沙运移与地貌形态耦合关系;根据自相似原理,在考虑降雨异质性基础上建立流域泥沙输移比的尺度转换模型;结合流域地形地貌、土地利用格局、降水信息,建立了描述时空变异性、多变量的耦合水文模型,探讨流域不同时、空尺度上水沙运移的转换方法。论文主要研究结果如下:研究区次降雨面与次降雨雨强分布的均匀性较差,中心站、出口站或流域内任一点的暴雨中心发生概率<25%,次降雨的相关域为7 km,相对本研究试验流域降雨表现出空间异质性。从时空变化、土地资源数量变化、土地利用程度变化、土地利用类型转移等方面,对试验流域土地利用/森林植被格局演变进行了分析,根据提取的流域土地利用景观格局指数,分析了流域景观格局动态演变过程。流域增加植被覆盖和改善土地利用格局后,年径流和输沙减少趋势具有尺度性,随年降雨量的变化,不同面积流域的径流减少率或呈线性减小、或呈单峰凹型抛物线变化、或保持在一定水平不变;输沙量减少率均呈单峰凹型抛物线变化,谷底值及对应降雨量值随面积尺度不同而不同。流域森林植被每增加五个百分点,则输沙模数可减少20%。研究了不同类型场暴雨的降雨特征值与流域洪水径流和输沙的关系,分析了不同雨型下降水过程、洪水径流过程和输沙过程的尺度分异规律,洪峰流量与洪水含沙量随尺度的协同变化规律,以及洪峰与沙峰的时滞关系。从模拟生成的气候数据精度、坡面细沟侵蚀机理方程解析验证和坡面、小流域径流侵蚀产沙模拟的校准验证等方面,探讨了WEPP模型在黄土高原地区的适用性和推广使用时注意事项。基于WEPP模型划分了研究区代表性典型流域单元并进行了径流和侵蚀产沙模拟,结果显示流域坡面径流均占流域出口径流量的98%以上,坡面侵蚀泥沙产量在坡面沉积不足3%,坡面侵蚀产沙的输移量最大约74%沉积于沟道,而流域出口泥沙输移量均来自于坡面产沙量。基于WEPP模型提取的25个代表性典型流域单元,根据分形理论计算了其地貌特征分形维数,并构建了地貌信息维数与侵蚀产沙耦合模型。基于自相似原理,分析了研究区流域泥沙输移比分形特征,并在流域年均泥沙输移比影响因素分析的基础上,构建了泥沙输移比尺度转换模型,探讨了其适用范围为500km2以下的流域。综合降雨特性、土地利用/森林植被格局和地形地貌特征,建立不同尺度流域耦合水文模型,分析了其尺度转换的条件。
参考文献：
[1]. 流域洪水演进模型及其参数反问题研究[D]. 李光炽. 河海大学. 2001
[2]. 流域洪水演进建模方法与河网糙率反分析研究[D]. 程伟平. 浙江大学. 2004
[3]. Mike11模型在防洪评价中的应用研究[D]. 李慧婷. 北京林业大学. 2016
[4]. 流域洪水演进模型参数反演的小生境粒子群算法研究[D]. 马艳. 哈尔滨工业大学. 2013
[5]. 洪水演进模拟在洪水风险图中的应用[D]. 陈兴. 西北农林科技大学. 2016
[6]. 河道、滞洪区一二维洪水演进数学模型的研究与应用[D]. 范玉. 天津大学. 2005
[7]. 基于遗传算法的河网糙率反分析研究[D]. 刘志贤. 浙江大学. 2008
[8]. 黄河干流典型河段概化模型研究与应用[D]. 黄佳音. 天津大学. 2007
[9]. 水流泥沙数学模型的数据同化与参数反演[D]. 赖瑞勋. 清华大学. 2015
[10]. 黄土高原典型流域土地利用/森林植被演变的水文生态响应与尺度转换研究[D]. 张晓明. 北京林业大学. 2007