湖泊水文计算的水文水动力模型分析

水动力模型构建指南构建水动力模型是一种模拟液体（如水）在特定环境下的流动、混合、传质和能量转换过程的方法。

以下是一个基础的水动力模型构建指南：1.明确研究目标与范围：确定你要解决的具体水力学问题，例如河流水流、湖泊或水库的水质分布、海岸线侵蚀、水利设施（如大坝、泵站、泄洪道）的流体动力效应等。

2.数据收集：收集相关流域的地形、地质、气象、水文资料，包括但不限于地形图、降雨量、径流量、地下水位、水质参数等。

3.选择合适的模型类型：根据研究需求选择适合的模型类别，例如一维、二维或三维模型；确定是否需要考虑紊流、自由表面波动等因素。

常见的水动力模型工具有HEC-RAS（一维/二维）、MIKE系列软件、FVCOM、OpenFOAM等。

4.建立几何模型：使用GIS或其他建模软件创建流域的数字地形模型（DTM），对于复杂区域可能还需要构建详细的几何结构模型，如建筑物、桥梁、堤防等。

5.设置边界条件与初始条件：设定模型的入口、出口以及侧边界条件，如流量、水位、水质浓度等；设定模型运行开始时的状态（即初始条件）。

6.定义物理过程：基于流体动力学原理，定义水流运动方程，包括连续性方程、动量方程（牛顿第二定律在流体中的应用）、能量方程等，并根据需要考虑其他物理过程，如湍流模型、蒸发蒸腾、热交换等。

7.网格划分：对模型区域进行合理的网格划分，确保关键区域有足够精度的网格以捕捉重要的水动力现象。

8.模型校核与验证：利用历史观测数据对模型进行校核与验证，调整模型参数直至模拟结果与实际观测结果吻合度较高。

9.模拟计算与结果分析：运行模型并获取模拟结果，通过可视化工具展示和分析水流场、压力场、水质分布等情况，得出所需结论。

10.不确定性分析：考虑输入参数和模型结构的不确定性，进行敏感性分析，评估模型预测的可靠性和不确定性范围。

以上步骤仅为基本框架，实际操作中需结合具体项目特点和专业背景知识灵活运用。

水文预测模型的研究及应用一、引言随着我国经济的快速发展，水资源的保护与管理越来越受到重视。

而预测水资源的变化规律就成为了水文学研究的重要内容之一。

水文预测模型是一种能够预测水文变量的工具，可以帮助我们更好地了解水文变化的规律，这对于水资源的保护、利用和管理都具有重要意义。

本文将围绕着水文预测模型进行论述，主要分为三部分。

第一部分介绍水文预测模型的研究背景、目的和意义；第二部分主要介绍水文预测模型的种类和原理；第三部分着重介绍水文预测模型在实际应用中的一些案例分析。

二、水文预测模型的种类和原理1、统计模型统计模型是根据历史数据对未来的水文变化进行预测。

这种模型主要有单变量统计模型和多变量统计模型两种。

（1）单变量统计模型单变量统计模型适用于只考虑一个因素对水文变量影响的情况，例如，根据雨量对径流进行预测。

主要模型有：线性回归模型：根据变量之间的线性关系建立的模型，常用于预测降雨和径流的关系。

自回归模型：该模型认为未来的水文变量取决于历史变量本身，因此将历史变量作为未来变量的预测因素。

移动平均模型：采用滑动窗口技术计算预测值，该模型在时序预测中应用较多。

（2）多变量统计模型多变量统计模型考虑许多因素与水文变量之间的联系，如气象因素、地形等。

主要模型有：岭回归模型：在线性回归的基础上，将相关变量加入惩罚项，避免过拟合。

主成分回归模型：将多个变量通过主成分分析转化为少量变量，便于建模。

支持向量回归模型：基于支持向量机算法，利用大量样本数据建立回归函数，适用于多变量回归预测。

2、物理模型物理模型基于水文学原理构建成的模型，通过数学公式计算水文变量。

与统计模型相比，物理模型的局限性较少，但其建模复杂度比较高，需要研究人员对物理过程有深刻的理解。

主要模型有：水动力模型：适用于流域径流的预测，可考虑地形、降雨和人类活动等因素。

水文化学模型：主要用于研究水的污染，可预测污染物在流域中的扩散与迁移，以及对水资源的影响。

一维水动力模型追赶法一维水动力模型追赶法研究一、一维水动力模型及其在水资源管理中的应用一维水动力模型是一种用于模拟水流运动的数学模型，它在一维空间中描述水流速度、水位、水质等参数的变化。

这种模型广泛应用于水资源管理、水文学、环境科学等领域。

通过一维水动力模型，我们可以预测在不同条件下的水流情况，从而更好地管理水资源，优化调度，减少污染，提高水资源的可持续利用。

二、追赶法原理及其在一维水动力模型中的应用追赶法是一种数值求解偏微分方程的算法，尤其适用于一维问题的求解。

在一维水动力模型中，追赶法能够有效地解决方程中的非线性问题，并且在处理边界条件和初始条件时具有很大的灵活性。

追赶法的核心思想是将偏微分方程转化为差分方程，通过迭代的方式逐步逼近真实解。

在每一步迭代中，算法会根据已知的信息，逐步求解出未知的状态变量。

具体操作过程如下：首先，将一维空间离散化，将连续的问题转化为离散的问题。

然后，将偏微分方程转化为差分方程，通过迭代的方式逐步求解。

在每一步迭代中，根据已知的信息，逐步求解出未知的状态变量。

最后，通过边界条件和初始条件对模型进行约束，得到最终的解。

三、模型应用实例下面以某河流的径流变化规律为例，介绍一维水动力模型的应用。

首先，我们需要收集该河流的历史数据，包括水位、流量、降雨量等信息。

然后，将这些数据输入到一维水动力模型中，通过追赶法进行求解。

在求解过程中，我们需要设置合适的边界条件和初始条件，以保证模型的准确性和可靠性。

通过对历史数据的模拟和预测，我们可以得到该河流的径流变化规律。

根据这些规律，我们可以更好地管理水资源，优化调度，提高水资源的可持续利用。

此外，一维水动力模型还可以应用于城市供水调度、防洪减灾等领域。

四、模型参数估计与验证在应用一维水动力模型时，我们需要估计和验证模型的参数。

这些参数包括水流速度、水容量、扩散系数等。

我们可以通过历史数据来估计这些参数，并使用当前数据进行验证。

在估计和验证过程中，我们需要考虑数据的准确性和可靠性，并采用合适的统计方法对参数进行优化和调整。

水利工程中的水文模型与数值模拟技术水文模型与数值模拟技术是水利工程领域中常用的工具和方法。

它们通过对水文过程的建模和数值模拟，能够有效预测水文变量的变化，提高水资源的合理利用。

本文将介绍水文模型与数值模拟技术的基本原理、应用范围以及未来的发展趋势。

一、水文模型水文模型是指对水文过程进行抽象和描述的数学模型。

它基于数理统计原理和水文学理论，通过对水文数据的处理和分析，建立起描述水文过程的数学关系。

常用的水文模型有径流模型、蒸发模型和降雨模型等。

这些模型通过对水文过程的定量描述，能够提供水文变量的长期平均值、频率分布以及其它统计特征，为水利工程的设计和规划提供依据。

径流模型是水文模型中应用最广泛的一种模型。

它通过分析降雨和流域特征，建立起降雨和径流之间的关系。

常见的径流模型有单位线模型和UH模型等。

单位线模型认为流域的单位线响应是一个线性系统，通过卷积运算的方式，能够得到流域的径流过程。

UH模型则将流域的降雨过程离散化为一系列单位线，通过线性组合的方式，得到流域的径流过程。

这些模型在水利工程中被广泛应用于洪水预报、水资源评价等领域。

二、数值模拟技术数值模拟技术是指通过数值方法对水文过程进行模拟和计算的技术。

它基于数值计算方法，将水文模型中的方程转化为差分方程，利用计算机对流域内的水文过程进行数值求解。

数值模拟技术不仅能够模拟流域内的水文变量分布，还可以模拟复杂的水文过程，如河流水动力学、地下水流动等。

数值模拟技术的核心是数值计算方法。

常用的数值计算方法有有限差分法、有限元法和网格法等。

这些方法通过对流域内的离散化，将流域划分为一系列离散的节点或单元。

然后在各个节点或单元上求解水文模型中的方程，得到流域内的水文变量。

数值模拟技术在水利工程中的应用非常广泛，可以用于洪水预报、水库调度、水文预测等方面。

三、水文模型与数值模拟技术的应用水文模型与数值模拟技术在水利工程领域的应用非常广泛。

首先，它们可以用于洪水预报和防洪规划。

文章编号:1006 2610(2023)05 0036 06基于HEC-RAS 模型的西安浐河河道水面线计算王瑞科(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安　710065)摘　要:通过开展河道水面线推求能为浐河河道防洪工程设计提供重要科学依据㊂以西安浐河干流及其支流库峪河为例,采用地区经验公式法和水文比拟法推求浐河干流及支流河段20年一遇的设计洪水,通过比较分析,水文比拟法更能准确反映浐河河段的设计洪峰流量㊂基于设计洪峰流量结果,利用HEC-RAS 模型推算浐河干流及其支流库峪河的水面线,得到各个断面的洪水水位㊁流速,水面线模拟计算结果较好,满足工程防洪要求,可为浐河河道工程防洪设计标准提供技术支撑㊂关键词:水面线;HEC-RAS 模型;河道计算;浐河中图分类号:TV122+.3 文献标志码:A DOI :10.3969/j.issn.1006-2610.2023.05.007Calculation of Water Surface Line of Chanhe River in Xi 'an based on HEC -RAS ModelWANG Ruike(PowerChina Northwest Engineering Corporation Limited ,Xi'an　710065,China )Abstract :Calculating the river water level can provide scientific basis for the design of flood control projects in the Chanhe River.Taking the main stream of the Chanhe River and its tributary Kuyu River in Xi'an as an example ,the regional empirical formula method and the hydrological analogy method are used to deduce the 20-year design flood for the main stream and tributary reaches of the Chanhe River.Through comparative analysis ,the hydrological analogy method reflects the design peak flow of the Chanhe River section more accurately.Based on the design peak flow results ,the HEC-RAS model is used to calculate the water surface line of the main stream of the Chanhe River and its tributary Kuyu River ,and the flood water level and flow velocity of each section are obtained.The simulation calculation results of the water surface line are favorable ,which meet the engineering flood control requirements and can provide technical support for design standard of flood control in river channel of Chanhe River.Key words :water surface line ;HEC-RAS model ;river channel calculation ;Chanhe River 收稿日期:2023-06-25 作者简介:王瑞科(1984-),男,陕西省榆林市人,高级工程师,主要从事水环境及河道治理工程设计与研究工作. 基金项目:中国电力建设股份公司重大科技项目(DJ-ZDXM-2022-41).0　前　言洪水灾害是自然灾害中最为常见和破坏性最大的一种灾害类型,会导致河流水位升高㊁河道淤积㊁堤防决口等问题,威胁到河道行洪安全[1]㊂特别是近年来全球极端降水事件频发,引发国内外城市洪涝事件多发且造成城市经济损失严重,如西安市暴雨洪涝灾害事件呈现频发,造成交通瘫痪㊁经济损失㊁水环境等问题[2-3]㊂浐河是陕西省西安市的母亲河,担负着重要的水源供应和生态系统维护功能㊂根据历史洪水资料[4],结合浐河流域地势平坦㊁降水集中和城市化进程加速等因素,浐河河段多次发生洪水灾害且频繁受到洪水威胁,故凸显了洪水管理的迫切需求㊂为确保城市社会安全㊁生态平衡和经济稳定,浐河河段急需有效的洪水管理和预防措施,其中洪水风险评估㊁防洪工程设计以及紧急响应计划制定都是流域洪水管理的不可或缺的组成部分[5]㊂河道水面线的推求计算对于河道治理㊁堤防设计㊁防洪规划等起着重要的作用[6]㊂因此,开展浐河河道水面线计算对浐河防洪规划具有重要的指===============================================导意义和实际应用价值,也对西安市水安全和地区经济可持续发展至关紧要㊂河道水面线的推求计算方法多采用曼宁公式和HEC-RAS模型㊂曼宁公式能用于推算具有实测资料的断面水位流量,但在无资料地区河段的断面水位流量计算存在局限性㊂HEC-RAS模型[7-8]可适用于无资料地区河段的断面水位流量计算,可较好地模拟一维河流㊁水库㊁河口等水体的水动力过程㊁河道整治分析等,能够提供全面的水文分析和洪水风险评估,为强化河道洪水快速预报和洪水风险管理提供了技术支持[9]㊂本文旨在采用HEC-RAS模型推求计算浐河河道水面线,模拟浐河干流及其支流库峪河的水面线,计算堤防工程标准下各个断面设计洪水的洪水水位㊁流速,分析断面洪水水位变化规律,为全域河道综合治理㊁水系连通及农村水系综合整治工程提供科学支持,以减少潜在的灾害风险,促进区域的安全和可持续发展㊂1　研究方法根据‘西安市实用水文手册“资料,采用无资料地区设计洪水的地区经验公式法和水文比拟方法计算河道洪峰流量;基于计算的流量和水文水力数据,采用HEC-RAS模型计算浐河河段水面线,具体计算原理如下具体详述㊂(1)设计暴雨洪水本次设计暴雨洪水计算采用地区经验公式法和水文比拟法推求浐河干流及支流河段的设计洪水,通过对两种设计洪水方法进行比较分析,选取合理的设计洪水流量㊂由于研究河段的农防段工程设计洪水标准为20年一遇,以该设计标准为例进行设计洪水计算,故根据‘西安市实用水文手册“,当流域面积在50~ 1000km2,20年一遇洪水洪峰流量计算的经验公式为:Q20=25.06F0.465(1)式中:Q20为20年一遇设计洪水流量,m3/s;F为流域面积,km2㊂水文比拟法采用以下公式计算:Q m1/Q m2Q20=(F m1㊁F m2)n(2)式中:Q m1㊁Q m2分别表示设计断面及参证站的洪峰流量,m3/s;F m1㊁F m2分别表示设计断面及参证站控制的集水面积,km2㊂n为洪峰面积指数,参考以往资料取值为0.667㊂(2)HEC-RAS模型简介HEC-RAS模型是由美国陆军工程兵团水文工程中心所研发,主要用于河道/网水动力-水质模拟,能对河流的洪水水位进行可靠的预测,该模型在开展河道水面线模拟计算方面具有较好的优势[10-11]㊂本文采用HEC-RAS模型的水动力模块模拟浐河水面线过程,计算河道断面的洪水水位㊂一维非恒定流模拟的控制方程的计算原理是基于动量守恒方程,如下所示:əAət+əQəx=q l=0(3)əQət+ə(Qv)əx+gA(əzəx+S f)=0(4)式中:Q为断面洪水流量,m3/s;v为流速,m/s;g为重力加速度,m/s2;z为断面洪水水位,m;q为沿程入流流量,m2/s;A为过水断面面积,m2;S f为河床摩阻坡度㊂河道水面线计算原理采用明渠恒定非均匀流水面线的计算方法,计算公式如下[8]:Z2+Y2+α2V222g=Z1+Y1+α1V212g+h w(5)式中:α1㊁α2分别表示动能修正系数;Z1㊁Z2分别表示上㊁下断面的河床底高,m;Y1㊁Y2分别表示上㊁下断面的水深,m;V1㊁V2分别表示上㊁下断面的平均流速,m/s;h w表示水头损失,m㊂2　研究区域及计算参数2.1　研究区域本研究区域位于陕西省西安市,涉及浐河及其支流库峪河,浐河属于灞河的最大一级支流,库峪河是浐河左岸最大的一级支流,发源于秦岭北麓蓝田县汤峪镇㊂浐河流域面积约为760km2,河道最大汇流长度64.6km,河槽平均比降8.9‰㊂浐河流域水系图如图1所示,浐河在峪口以外的主要支流有岱峪河㊁库峪河和荆峪沟,汤峪河为其源流㊂库峪河为浐河左岸最大的一级支流,发源于长安区东南部秦岭主脊北坡㊂库峪河河长38.5km,主河道比降21.2‰,流域面积166km2㊂浐河河道水文地质条件复杂,河道外侧多为耕地,河道以砂卵石及粉质黏===============================================土层为主的地层特性㊂研究区气候类型属于暖温带半湿润大陆性季风气候区,具有四季分明的气候特征㊂冬季干燥寒冷,春季温暖,夏季炎热多雨,秋季温和湿润㊂多年平均气温为13.5℃,多年平均降雨量为657.5mm㊂图1　浐河流域水系2.2　断面计算参数选取(1)断面情况整个浐河河道断面的资料来源于2020年4月浐河干支流实测纵横断面成果,浐河干流断面共计182个,主要为天然复式断面,其中一级支流库峪河断面共计151个,主要为天然复式断面㊂设计断面的宽度是按设计堤距控制,堤防两侧受限㊁不能向两岸扩宽的河段,采用陡堤坡设计,坡比从直立式至1∶1.5,断面型式为预制装配式护坡;可向两岸扩宽的河段,采用1∶3的缓堤坡,坡脚防护结构采用格宾护垫防护,坡面种植植物进行防护㊂(2)河段控制断面自然地理参数本研究浐河河段主要为农防段,浐河及其支流防洪标准为20年一遇,浐河干流及其支流库峪河控制断面自然地理参数详见表1,干流河道比降范围在9.1‰~19.1‰㊂表1浐河干流及支流库峪河河段控制断面自然地理参数表河流区域流域面积/km 2河长/km 比降/‰浐河干流岱峪河口以下库峪河口以下荆峪沟口以下297.0404.5632.538.638.651.419.118.29.1支流库峪河166.038.521.2(3)河床糙率本研究选取浐河干流和库峪河支流河段无实测水文观测资料,据现场查勘河道分析,现状河床主要为天然河床,河床质主要为卵砾石及细砂,粒径自上游至下游逐渐变细㊂结合干流及支流河段实际的地形㊁地貌㊁河床质㊁河床植被等条件,参考‘水力计算手册“资料,确定浐河干流河段糙率为0.038~0.040,库峪河河段糙率为0.038~0.042㊂3　结果与分析3.1　设计洪水计算采用水文比拟方法计算河道洪峰流量计算浐河及其支流的设计洪水,需要选取浐河及其支流库峪河的参证站,根据流域内各水文测站的分布情况,选取灞河流域马渡王水文站及潏河流域大峪站为设计参证站推求设计洪水㊂采用地区经验公式法和水文比拟法计算浐河干支流设计洪水结果见表2和表3,通过比较分析,显然水文比拟法计算各个断面的20年一遇洪峰流量结果大于经验公式法计算的结果㊂水文比拟法以马渡王及大峪站为参证站,推算浐河干支流设计洪水结果,相较于经验公式法及推理公式法,其成果更加有代表性㊂结合浐河河段实际地形地貌及河道防洪工程情况,其中干流岱峪河下游河段及支流以大峪站为参证站,大峪站的集雨区域大部分为山区,水文比拟法计算结果更可靠,对===============================================于浐河防洪工程建设更安全㊂综合分析,选用水文比拟法计算浐河干支流设计洪水的洪峰流量结果作为本研究设计的20年一遇洪峰流量,基于此结果进一步计算河道水面线㊂表2　浐河干支流设计洪水成果(经验公式法)河流断面20年一遇洪峰流量/ (m3㊃s-1)浐河干流岱峪河口以下库峪河口以下荆峪沟口以下354409503支流库峪河270表3　浐河干支流设计洪水成果(水文比拟法)河流断面20年一遇洪峰流量/(m3㊃s-1)参证站浐河干流岱峪河口以下库峪河口以下荆峪沟口以下431643867大峪站马渡王马渡王支流库峪河292大峪站3.2　水面线计算3.2.1　浐河干流20年一遇设计水面线计算分析根据前节计算的设计洪水成果,采用HEC-RAS模型计算河道设计水面线㊂浐河干流(库峪河口至雁长交界)20年一遇设计水面线成果见表4及图2㊂表4　浐河干流水面线成果(P=5%)断面编号深泓高程/m水位/m流速/(m㊃s-1)断面编号深泓高程/m水位/m流速/(m㊃s-1)C85468.08472.88 3.25C140445.59449.92 3.34 C87466.39471.82 3.62C145442.77448.02 2.45 C89465.73469.97 4.53C148441.74445.86 4.38 C91465.50469.92 1.70C149441.46445.60 2.64 C93464.42469.31 2.73C150440.19445.23 2.45 C95463.56468.60 2.70C155439.23444.12 1.95 C100461.21465.38 3.43C160438.00442.70 2.94 C105459.67463.34 2.03C165436.76441.64 2.29 C110457.20461.06 3.47C166436.53441.56 1.77 C115455.35459.86 1.82C167436.14440.78 3.61 C120453.45457.61 4.06C168435.84440.52 2.90 C125451.29455.78 2.35C169436.02440.21 2.69 C130448.26454.35 2.32C170435.21439.92 2.57 C131449.21454.21 1.79C175434.11437.83 3.19 C132448.83453.73 2.67C180432.22437.45 1.33 C133448.37452.97 3.16C181433.13437.23 1.97 C134448.31452.81 2.02C182432.94437.24 1.15 C135448.03452.47 2.42 由表4可知,河道从上游至下游整体水面线趋势变化表现趋于平滑,水面线和深泓线变化趋势相近,河道深泓高程变化范围为468.08~432.94m,整体落差为35.14m,水位随着河道深泓高程的降低而降低,变化范围为472.88~437.24m,整体落差为35.64m,落差差距较小㊂根据图2可得,没有出现明显的雍水或跌水现象,由于河道清淤深度不同,河道不同断面的水位降低高度也存在差异㊂图2浐河干流(库峪河口至雁长交界)水面线(P=5%)由浐河干流水面线成果表分析,整个浐河干流在C85-C130断面之间坡度较陡,C130-C140断面之间较缓,在C140断面后河道呈现较陡变化,坡度小于C85-C130断面间坡度变化㊂在C130断面后河道水流从陡坡到缓坡会发生水跃现象,流速变化表现为从快到慢的过程㊂在C131断面时,流速减小至1.79 m3/s;在C140断面后,坡度变化较小且流速提升不显著㊂下游处最高流速出现在C148断面,流速为4.38 m3/s㊂在整个河段的各个断面中,C130断面的深泓高程均小于较临近的前后断面的深泓高程,故导致在该断面处的水深较大,达到6.09m,并在该断面衔接陡坡和缓坡的地方会发生水跃现象,在实际河道治理时需要优先治理㊂根据水面线计算结果绘制典型C105和C150断面河道立体模型及水位分布及断面形状与水面线图(见图3),断面C150可能会产生局部流速过快,和水深较深情况发生,需要针对此类型断面进行清淤工作㊂3.2.2　支流库峪河20年一遇设计水面线计算分析结合表5和图4,支流库峪河段河道深泓高程变化范围为640.65~477.86m,整体落差为162.79m㊂显然,水位随着河道深泓高程的降低而降低,变化范围为643.55~480.24m,整体落差为163.31m㊂水位变化规律通干流规律一致,河道清淤深度不同,河道不同断面的水位降低高度也存在差异㊂由库峪河水面线成果表分析,整个库峪河在K1-K30断面之间坡度较缓,在K30断面之后坡度===============================================呈现变陡趋势,河道水流在该断面缓坡到陡坡变化处可能会发生水跌现象㊂图3　河道立体模型及水位分布图4　断面形状与水面线表5　库峪河水面线成果(P =5%)断面编号深泓高程/m 水位/m流速/(m㊃s -1)断面编号深泓高程/m 水位/m流速/(m㊃s -1)K1640.65643.55 3.01K28592.40596.74 1.95K2640.19642.82 3.48K29591.86595.96 3.71K3637.65640.13 2.04K30591.46594.34 3.97K4636.82639.32 3.82K35583.96587.07 4.52K5631.97636.33 4.68K40576.13579.58 3.35K6630.12632.88 4.13K45571.55574.12 4.02K7628.36631.40 3.64K50560.46564.14 4.38K8627.17630.73 2.63K55553.01556.15 4.14K9625.89629.23 4.35K60547.00550.59 4.92K10624.69628.75 3.70K65541.53545.12 4.47K11624.35627.31 3.98K70537.35540.15 4.15K12619.46623.30 3.12K75532.81536.24 3.63K13618.04621.96 3.54K80529.01531.53 4.31K14615.96619.43 4.82K85519.79523.83 3.15K15612.69615.79 4.53K90515.47519.67 3.68K16610.57613.78 3.92K95512.13515.67 3.29K17607.49611.79 4.42K100507.95511.31 3.59K18604.86609.41 4.31K105502.46507.43 3.24K19604.69607.91 4.48K110498.86502.51 4.62K20603.32606.67 3.68K115493.16498.02 3.47K21602.18605.34 4.59K120489.80493.55 4.09K22600.40603.57 3.22K125485.26489.62 3.43K23599.53602.12 4.52K130480.17484.53 4.38K24597.03600.94 2.09K131479.64483.26 2.64K25596.14599.61 4.46K132478.83482.67 3.11K26594.86598.13 3.87K133477.72481.64 3.80K27593.32596.723.65K134477.86480.244.28由表5分析,K28断面的流速为1.95m 3/s,远小于前后断面的流速,可对该点前后临近断面进行清淤处理㊂根据水面线计算结果绘制典型K6和K10断面河道立体模型及水位分布及断面形状与水面线图(见图5),对比发现K10处断面可能会产生局部流速过快和水深较深情况发生,需要针对此类断面进行清淤工作㊂图5　库峪河水面线(P =5%)河道立体模型及水位分布见图6,断面形状与水面线见图7㊂结合浐河干流和支流库峪河20年一遇设计水面线计算分析和实践证明,整体水面线并未超出20年一遇的设计防洪标准,表明水面线计算结果是安全可靠的㊂建议在清淤时结合断面形状进行重点清淤工作,保证河道底部平顺,防止出现局部水流流速过快或者水深较大的情况发生,对部分河道建筑物产生不利影响㊂结合河道防洪设计标准要求,局部放坡条件不足的区域可适当调整堤坡坡度,设计堤顶高程按设计洪水位加堤顶超高确定,同时考虑跨河建筑物的壅水高度叠加到设计水面线,提高沿线堤防能力和保障河道行洪安全㊂===============================================图6　河道立体模型及水位分布图7　断面形状与水面线4　结　论本研究采用HEC-RAS 模型推算浐河干流及其支流库峪河的水面线,结果表明HEC-RAS 模型能有效地实现无资料地区河道不同断面洪水水位㊁流速的预测计算,整体水面线计算满足堤防工程的设计防洪标准,其水面线计算结果是安全可靠的,结果为浐河河道防洪设计标准及其他河道水面线计算提供技术支撑和设计依据㊂主要结论如下:(1)浐河干支流计算水面线和深泓线变化趋势相近,干支流水位变化趋势的规律基本相同㊂干流河道深泓高程和水位变化范围分别为468.08~432.94m㊁472.88~437.24m,支流库峪河段河道深泓高程和水位变化范围为640.65~477.86m㊁643.55~480.24m,基于20年一遇设计洪水水面线计算分析,干支流河道水面线设计满足防洪设计要求㊂(2)根据浐河干支流断面的水位结果分析,C130断面的深泓高程均小于较临近的前后断面的深泓高程,该断面水深较大且达到6.09m,表明该断面衔接陡坡和缓坡的地方易发生水跃现象;支流库峪河河道K30断面后坡度呈现变陡趋势,表明在该断面缓坡到陡坡变化处可能会发生水跌现象,在实际河道治理时需要优先治理此类断面㊂(3)基于典型断面河道立体模型及水位分布及断面形状与水面线图分析,浐河干流断面C150和支流库峪河K10处断面可能会产生局部流速过快,需要对此类型断面进行清淤工作㊂参考文献:[1]　杨长青,焦迎乐,余畅畅,等.焦作 21㊃7”暴雨洪水及河道堤防险情调查[J].人民黄河,2023,45(7):58-61.[2]　韩浩,侯精明,金钊.新型流域雨洪过程模拟方法研究[J].西北水电,2022(5):41-46.[3]　周思敏,侯精明,高徐军,等.老城区海绵改造降雨致涝及污染物输移过程数值模拟 以西安市小寨老城区为例[J].西北水电,2021(3):11-17.[4]　刘梅.西安5号地铁线浐河大桥防洪评价的水文分析计算[J].地下水,2018,40(5):199-201,211.[5]　Chen Y R,Yeh C H,Yu B F.Integrated application of the analyt⁃ic hierarchy process and the geographic information system for flood risk assessment and flood plain management in Taiwan[J].Natural Hazards,2011,59(3):1261-1276.[6]　李翔.HEC-RAS 模型在小流域河道水面线推求中的运用分析[J].中国水运(下半月),2023,23(8):44-46,49.[7]　袁超,李幼凤.HEC-RAS 与MIKE11软件断面数据文件生成程序开发与应用[J].西北水电,2019(5):10-12.[8]　武金慧,刘娜.基于HEC-RAS 模型的萨莫拉河水位流量关系设计[J].西北水电,2016(1):92-95.[9]　Desalegn H,Mulu A.Mapping flood inundation areas using GISand HEC-RAS model at Fetam River,Upper Abbay Basin,Ethi⁃opia [J].Scientific African,2021,12:e00834.[10]　张玉涛,白静,陈振宇,等.HEC-RAS 模型原理及应用研究进展[J].环境工程,2023,41(增刊2):233-237.[11]　PATEL D P,RAMIREZ J A,SRIVASTAVA P K,et al.Assess⁃ment of flood inundation mapping of Surat city by coupled1D /2D hydrodynamic modeling:a case application of the new HEC-RAS 5[J].Natural Hazards,2017,89(1):93-130.===============================================。

基于MIKE11水动力模型的大洋河丹东有堤段行洪能力分析摘要：河道现状行洪能力是河道所在地区防洪安全的核心，也是防汛主管管部门汛期指导防汛的重要依据。

为分析大洋河丹东有堤段的行洪能力，采用水动力模型MIKE11计算、模拟河道及河网的一维洪水演进过程，准确判断其行洪能力，为保护沿岸居民防洪安全提供理论基础。

关键词：行洪能力；MIKE11模型；模拟；一维洪水演进中图分类号：TV143 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）03-0030-031 大洋河丹东段河道概况大洋河上游分东、西两支，西支为东洋河，发源于岫岩县西北部的唐望山，海拔928.9 m；东支为哨子河，发源于岫岩县北部的古洞岭，海拔937.8 m。

两支流在哨子河乡汇合后称为大洋河，先后纳入亮子河、土牛河、小洋河和双岔河，于东港市黄土坎乡南注入黄海，河道长182 km，流域面积6 554 km2。

大洋河现状堤防不连续，干流洋河闸以下至入海口段两岸建成连续堤防，其他段堤防主要分布在干流沿河村庄段和支流沿河村屯地势较低处。

2012年“804”暴雨洪水发生后，大洋河流域为重灾区，洪峰过后，河道有所改变，河床、河岸极不稳定，给防洪安全带来极大威胁。

现主要研究大洋河干流洋河闸以下，即洋河闸以下至入海口段（黄土坎大桥以下为感潮段，受潮位控制）。

该河段防洪标准20年一遇。

左右岸都已经建好堤防工程，沿岸村屯较多，现状堤顶宽4～6 m，边坡1.0?U2.5。

其中跨河桥梁有3座，分别为黄土坎大桥、高速路特大桥和老洋河桥。

2 计算模型MIKE11河流模型采用的是水动力学模型（HD模型），即?b渠不稳定流隐式格式有限差分解。

其差分格式采用了六点中心隐式差分格式（Abbott）格式，数值计算采用传统的“追赶法”，即“双扫”算法。

该模型可以对不同地区的水流条件及亚临界水流，或者从陡峭山区性河流到感潮河口的各种垂向均质水流条件进行模拟。

此外，在进行完全水动力学模拟的同时，还可以进行各种简化水流模拟，如扩散波、运动波及准稳定流计算。

基于动态损失的水动力学模型在永定河生态补水过程应用目录一、内容综述 (2)1.1 研究背景 (3)1.2 研究意义 (4)1.3 文献综述 (5)二、水动力学模型理论基础 (7)2.1 水动力学基本方程 (8)2.2 动态损失概念及其在水动力学中的应用 (8)2.3 模型构建方法 (9)三、永定河生态补水背景分析 (10)3.1 永定河概况 (12)3.2 生态补水需求分析 (12)3.3 补水工程现状及存在的问题 (14)四、基于动态损失的水动力学模型构建 (15)4.1 模型假设与简化 (16)4.2 关键参数确定 (17)4.3 模型验证与误差分析 (18)五、模型在永定河生态补水过程中的应用 (19)5.1 补水效果模拟与评估 (20)5.2 动态损失对补水效果的影响分析 (21)5.3 政策建议与优化措施 (23)六、结论与展望 (24)6.1 研究成果总结 (25)6.2 研究不足与局限性 (26)6.3 未来研究方向与应用前景展望 (27)一、内容综述本文档旨在探讨“基于动态损失的水动力学模型在永定河生态补水过程应用”。

随着环境保护意识的提高，对河流生态补水技术的研究与应用逐渐成为热点。

永定河作为我国的重要河流之一，其生态环境状况直接关系到区域生态平衡与可持续发展。

在当前水资源日益紧张的背景下，合理、高效地利用水资源进行生态补水，对永定河流域生态环境的改善至关重要。

动态损失的水动力学模型是近年来新兴的一种水工模型，其在分析水流运动规律、预测水流状态以及评估补水效果等方面具有显著优势。

该模型能够实时地模拟水流运动过程中的各种损失，包括沿途的摩擦损失、地形变化造成的能量损失等，使得模型结果更为贴合实际情况。

基于这种模型的应用，永定河的生态补水过程可以更加精细化、科学化地进行。

在此背景下，本研究致力于将基于动态损失的水动力学模型应用于永定河生态补水过程中。

通过对永定河流域的实地调研与数据分析，结合水动力学模型的构建与模拟，旨在实现以下目标：一是优化永定河生态补水方案，提高补水效率；二是评估补水过程对流域生态环境的影响，为生态保护提供科学依据；三是为类似河流的生态补水工作提供技术参考与经验借鉴。

基于MIKE11的长江上游一维水动力学模型研究金沙江下游梯级水电站的建设，对长江上游珍稀特有鱼类保护区内鱼类的繁殖生境产生巨大影响。

文章运用MIKE11软件构建了长江上游宜宾-朱沱江段一维水动力模型，并利用2007年日序列水文站水文数据进行参数率定，结果表明，模型在率定和验证期模拟效果良好。

利用模型输出结果对建模江段的水动力特征进行评价，以期为保护区鱼类栖息地研究和保护提依据。

标签：长江上游；MIKE11；水动力模型；水动力特征评价1 研究背景长江上游珍稀特有鱼类保护区始建于1994年，最早为宜宾市珍稀鱼类保护区，2000年经国务院批准晋升为国家级保护区。

2005年，由于金沙江一期工程范围涉及保护区核心区，故对保护区进行了范围和功能区调整，并更名为“长江上游珍稀特有鱼类国家级自然保护区”。

保护区具体范围：由向家坝开始，下游延伸至重庆松溉溪，支流赤水河干流和部分支流、岷江下游和越溪河支流，以及南广河、长宁河、沱江和永宁河河口区河段。

其中长江干流部分长364.56km；赤水河干支流628.23km，其中干流436.5km，上游河源支流191.73km；纳入保护区的其它长江一级支流总长度为147.32km （包括岷江、沱江、南广河、永宁河、长宁河）（见图1）。

主要保护对象包括白鲟、达氏鲟、胭脂鱼三种珍稀鱼类和圆口铜鱼、裂腹鱼、白甲鱼等66种特有鱼类，占长江特有鱼类的44%，具有生物多样性的典型代表意义。

水库大坝的修建将河流拦腰截断，大坝尤其是梯级电站联合运营后巨大的调度功能对河流的径流起到巨大的调节作用，改变了下游天然的水文循环和泥沙输送过程。

水沙变异破坏了河流原有的平衡，引起下游河道河床演变：河道冲刷、河床粗化、河床整体下切、滩槽演化、侧向冲蚀和河道摆动等。

而河床地形是决定鱼类产卵场条件和水文条件的首要因素，河床形态决定了流速场特征，影响着流速，并在某种程度上决定水流对河床的冲刷进而影响着河床质的组成。

水利工程中的数学模型及优化方法研究1. 概述水利工程是一项大型、综合性和长周期建设工程，数学模型及优化方法对于其设计、施工和运营管理均具有重要的意义。

本文旨在探讨水利工程中的数学模型及其优化方法，以实现对水利工程的优化设计和运行管理。

2. 水文模型水文模型是数学模型的一种，通过对降水、蒸发、径流等水文过程建立数学关系，运用统计分析方法得出水文变量间的函数关系和参数。

水文模型可以预测流域内的径流量、水位和洪水等，并且对水资源评估、水土保持等具有重要的作用。

水文模型一般分为统计模型和物理模型两种，其中统计模型是利用经验规律来寻求变量之间关系，物理模型是利用城市物理规律来模拟水文现象。

3. 水动力模型水动力模型是水利工程中的一种重要模型，可以用于模拟复杂的水流和工程设施的相互作用过程。

水动力学基于流体力学原理，通过对渠道、泵站、水力发电站、堤防等水利设施的建模，分析水流的运动规律和动力学特性。

水动力模型主要应用于水流力学分析、水力结构设计和水利工程运行管理，以增进水利工程的安全性和经济效益。

4. 多目标规划模型水利工程中的多目标规划模型是指通过建立多个目标函数，对水利工程中的不同目标进行协调和优化，多目标规划模型在水资源管理和水利工程项目实施中广泛应用。

多目标规划模型可分为线性规划、非线性规划和动态规划等多种类型，其中线性规划更适用于水资源分配和水利工程投资规划等。

5. 遗传算法模型遗传算法模型是一种生物学启发式算法，它依靠模拟自然遗传和变异的过程，寻求最优解。

在水利工程中，遗传算法模型可以应用于灌溉、排水、水力发电等方面，优化水利工程设施的设计和运行。

遗传算法模型优劣比较主要依靠算法的速度、准确率和鲁棒性等，需要在实际应用中不断优化。

6. 人工神经网络模型人工神经网络模型是模拟大脑神经网络的计算方法，利用人工神经元和突触之间的连接关系进行信息处理，可以通过学习得出预测新数据的模型。

在水利工程中，人工神经网络模型可以应用于水位和流量预测、坝体损伤检测、灌溉生产等方面。

水动力学模型的分类随着社会经济的发展以及气候变化，暴雨洪水发生更加频繁和损失更加严重，对防洪减灾提出了更高的要求，需要的资料越来越详细，例如河道洪水水位、街道的洪水淹没过程、局部地方的洪水流速等，传统的水文学方法无法给出这些特征数据，这为水动力学方法提供了发展空间。

按照研究方法的不同，水动力学模型可以分为宏观与微观两类。

从宏观角度出发的模型，一般假设流体连续分布于整个流场，诸如密度、速度、压力等物理量均是时间和空间的足够光滑的函数。

这类水动力学模型采用的控制方程一般为简化后的N-S方程，即圣维南方程（一维）或者二维浅水方程（二维），是目前国内外使用最为广泛的模型。

从微观角度出发的模型，采用非平衡统计力学的观点，假设流体是由大量的微观粒子组成，这些粒子遵守力学定律，同时服从统计定律，运用统计方法来讨论流体的宏观性质，这类水动力学模型采用的控制方程为Boltzmann方程。

Boltzmann方法的理论基础是分子运动论和统计力学，从微观的粒子尺度出发，建立离散的速度模型，在满足质量、动量和能量守恒的条件下得出粒子分布函数，然后对分布函数进行统计计算，得到压力、流速等宏观变量。

基于Boltzmann方程的模型满足熵原理，在计算中不会出现非物理性震荡，具有精度高、运算速度快的优点，吸引了国内外不少研究者的兴趣。

Boltzmann方法目前仅局限于对缓流的模拟，而对急流的模拟却不够成功。

目前，国内外大部分水动力学模型均采用以浅水方程组为控制方程，Boltzmann方法应用并不广泛。

事实上，从Boltzmann出发可推出浅水方程，一些研究者也尝试引入Boltzmann方法求解浅水方程，并取得一定的效果。

按照水动力学模型模拟的维度，水动力学模型可以分为一维水动力学模型、二维水动力学模型以及三维水动力学模型。

在城市洪水模拟中，一维模型具有计算效率高，所需要基础数据少等优点，但应用范围较为局限，主要用来模拟计算城市地下管网、河网、街道的洪水演进，但不适用于街道交汇处和广场等区域。

被推荐为河流、湖泊、河口和海岸水流的二维仿真模拟工具。

1.3 水动力模块原理1.3.1 控制方程 模型是基于三向不可压缩和Reynolds 值均布的Navier-Stokes 方程，并服从于Boussinesq 假定和静水压力的假定。

二维非恒定浅水方程组为：hS yv h x u h t h =¶¶+¶¶+¶¶ （1-1） ()()202000012a xy sx bx xx xx xy s p hu hu huv h f vh gh t x y x xs s gh x xy hT hT hu S x yh r t t r r r r r ¶¶¶¶¶++=---¶¶¶¶¶¶æö¶¶+--++ç÷¶¶¶èø¶¶++¶¶ （1-2） （1-3）式中：t 为时间；, x y 为笛卡尔坐标系坐标；h 为水位；d 为静止水深；h d h =+为总水深；, u v 分别为, x y 方向上的速度分量；f 是哥氏力系数，2sin f w j =，w 为地球自转角速度，j 为当地纬度；g 为重力加速度；r 为水的密度；xx s 、xy s 、yy s 分别为辐射应力分量；S 为源项；(,)s s u v 为源项水流流速。

字母上带横杠的是平均值。

例如，u 、v 为沿水深平均的流速，由以下公式定义：d d hu u z h -=ò，d d hv v z h-=ò （1-4） ()()S hv hT y hT x y s x s y gh yp h y gh h u f y v h x uv h t v h s yy xy yy yx by sy a +¶¶+¶¶+÷÷øöççè涶+¶¶--+¶¶-¶¶-¶¶--=¶¶+¶¶+¶¶000020212r r t r t r r r h 雷诺纳维耶斯托克斯方程质的各向同性的线性半空问表面上作用一集中力Ｐ，在线性变　形体内任何点Ｍ的应力分布的弹性理论公式ij T 为水平粘滞应力项，包括粘性力、紊流应力和水平对流，这些量是根据沿水深平均的速度梯度用涡流粘性方程得出的：2xx u T A x ¶=¶，()xy u v T A y x ¶¶=+¶¶，2yy v T A y¶=¶ （1-5） 1.3.2 数值解法（1）空间离散 计算区域的空间离散是用有限体积法（Finite V olume Method ），将该连续统一体细分为不重叠的单元，单元可以是任意形状的多边形，但在这里只考虑三角形和四边形单元。

水文模型及其应用研究一、水文模型的概念及分类水文模型是指通过对下垫面属性及降水、蒸散发等气象参数进行建模，以预测径流和水文过程的一种方法。

根据模型的特点和研究目的，水文模型可分为统计模型、概念模型和物理模型三种类型。

1. 统计模型：通过对过去的气象和水文数据进行统计分析，建立统计关系，以推测未来的水文情况。

如传统ARMA、ARIMA、卡尔曼滤波和神经网络等。

2. 概念模型：依据对水文地理过程的认识和理解，建立关于水文过程的定性表述，并将其转化为定量模型。

如黑箱模型、灰箱模型和改进半分析法等。

3. 物理模型：基于过程描述的数学模型，通过对水文过程的物理机理进行阐释，以计算机模拟的方式模拟水文过程的变化。

如SWAT、MIKE SHE、PRMS、MODFLOW、MIKE 11等。

二、水文模型在水资源管理中的应用1. 水利规划：水文模型可用于制定水利规划，评估水资源利用现状和水资源供求平衡状况，为未来的水资源管理提供科学依据。

2. 洪水预报：针对不同地区的洪水特点，可建立不同的洪水模型，通过模拟检验，提高水资源管理部门对洪水的预防与抗灾能力。

3. 入渗模拟：通过物理模型模拟地表和土壤的水动力过程，对不同入渗条件下水流的分布、流速等进行预测，并优化水资源利用模式。

4. 降雨径流模拟：利用概念模型或物理模型模拟降雨对径流的影响，研究不同流域的径流规律，量化不同区域的水资源潜力并制定科学的水资源分配方案。

5. 水资源量化：通过对河流、湖泊水位、河流、湖泊水位、降水量以及流速和水面积等水文特征的监测，建立水文模型，对水资源进行定量评估。

三、水文模型在环境保护中的应用1. 河流生态管理：基于水文模型，可以对不同流域生态系统进行综合评估，制定综合管理方案，提高生态系统的稳定性与抗干扰能力。

2. 水土流失研究：利用物理模型，预测不同降雨条件下水土流失情况，为制定水土保持措施提供科学依据。

3. 水资源和污染物输运模拟：利用物理模型，对不同污染物在水体中的迁移、转化和排放进行模拟预测，制定环境保护策略，减少水体污染和环境破坏。

VIC水文模型入门攻略VIC的数据和输入文件准备VIC（Variable Infiltration Capacity）是一种用于模拟陆地表面和水文过程的水文模型。

它被广泛应用于流域水文、气候变化、洪水预报等领域。

在使用VIC模型进行模拟前，需要准备相应的数据和输入文件。

下面是VIC水文模型入门攻略，包括VIC模型的数据和输入文件准备。

1.数据准备：VIC模型所需的输入数据包括气象数据、土壤参数、地形数据和植被数据等。

-气象数据：包括降水量、温度、相对湿度、风速等。

可以利用气象站点观测数据、卫星遥感数据或气象模型输出数据。

通常需要根据模拟需求选择适当的时段和空间分辨率，并将数据格式转换为VIC所能接受的格式，例如ASCII格式。

-土壤参数：包括土壤类型、含水量曲线、渗透性等。

可以使用土壤数据库或通过野外调查获取。

不同土壤类型具有不同的水文特性，需要根据实际情况进行选择和参数化。

- 地形数据：包括高程、坡度、坡向等。

可以使用数字高程模型（Digital Elevation Model, DEM）数据进行提取和计算。

地形数据对于确定流域的水文特征和水动力过程具有重要影响。

-植被数据：包括植被类型、覆盖率、叶面积指数等。

可以使用植被遥感数据或植被地图进行提取和参数化。

植被数据用于计算蒸散发和蒸腾过程等。

2.输入文件准备：VIC模型需要准备多个输入文件，包括全局控制文件、网格化参数文件、气象驱动文件等。

- 全局控制文件（global parameter file）：用于配置模型运行的全局参数，包括模拟时段、时间步长、输出设置等。

该文件是VIC模型运行的主控文件，需要根据实际需求进行参数的设置。

- 网格化参数文件（vegetation parameter file、soil parameter file）：用于描述不同网格单元的土壤、植被和地形等参数。

该文件需要根据实际情况进行参数设置和空间分布的描述。

- 气象驱动文件（meteorological forcing file）：包含模拟时段内的气象数据，用于驱动VIC模型的运行。