一、二维耦合数学模型在水闸自动调度中的应用

一、二维水动力模型在码头方案优选中的应用姚锡良;黄程【摘要】为研究不同建设方案下的码头造成的防洪影响,并比较方案的优劣,以深圳东宝河口的拟建码头为研究对象,联合平面一维和二维水动力模型进行两种不同方案建设前后的模拟计算,并分析评价工程建设对水位壅高、水流形态、流速流向等的影响,经比选确定最优方案.计算结果表明项目建设后水位壅高程度较低,而码头内部流速减少较大,对整个河道影响甚微,项目建设对河道影响较小,可为码头建设提供防洪分析及方案比较提供参考.【期刊名称】《广东水利水电》【年(卷),期】2018(000)007【总页数】5页(P45-49)【关键词】MIKE11;MIKE21;水动力模型;码头;防洪【作者】姚锡良;黄程【作者单位】广东省水利电力勘测设计研究院, 广东广州 510635;广东省水利电力勘测设计研究院, 广东广州 510635【正文语种】中文【中图分类】TV135DHI MIKE软件的应用较为广泛[1-3]，其模型原理和特点本文不再赘述。

为研究不同建设方案下的码头造成的防洪影响，并比较两种方案的优劣，结合收集所得资料[4-6]，利用DHI MIKE软件中的MIKE 11和MIKE 21建立一维水流数学模型和工程局部河道平面二维水流数学模型，对拟建码头工程的防洪影响计算分析和方案的比较，其方法和结论可为码头建设前期的防洪分析和设计比选等提供参考。

1 工程概述茅洲河流域位于珠江三角洲东南部，流经深圳、东莞两个经济发达的地市，河床比降比较平缓，易受潮水顶托。

干流塘下涌—河口的12 km河段为深圳与东莞的界河，亦称东宝河。

东宝河建材码头地处珠江口东岸、沿江高速东宝河特大桥以东的茅洲河河口段。

东宝河建材码头设计吞吐量为1 000万t/a以上，其岸线长约为1 230 m，工程用地为临时用地，面积为0.27 km2。

码头建设有两个方案：1) 方案一：高桩墩式码头方案选用高桩墩式码头，设2个泊位，单泊位由2个靠船墩和2个工作平台组成，靠船墩长为8 m，宽为7.2 m，由2根直桩、4根叉桩和上部墩台组成；工作平台长为4.4 m，宽为4.4 m，由2根直桩和上部墩台组成；工作平台与墩台、护岸由钢引桥连接，钢引桥长为7.4～18 m，宽为1～2 m。

第 2 期2023 年 4 月NO.2Apr.2023水利信息化Water Resources Informatization0 引言国家“十四五”规划提出“构建智慧水利体系，以流域为单元提升水情测报和智能调度能力”[1]。

水利部明确提出大力推进数字孪生流域建设，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”的要求，以数字化、网络化、智能化为主线，以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径，实现预报、预警、预演、预案功能[2]。

椒江流域位于浙江沿海经济发达地区，是台州市境内最大的河流。

流域上游溪坑支流众多，中游水系呈网状分布，下游河段为感潮河段，在台风暴雨期间受上游来水、区间产水、水库泄洪、潮位顶托等多因子影响，易造成严重的洪涝灾害，流域防洪形势严峻。

针对椒江流域实际情况，遵循数字孪生流域建设相关技术要求，集成“天空地”一体化监测感知网和通信网，融合区域、流域、多源多尺度数据信息，以水利专业模型、多源数据融合平台、知识平台为基础，构建全流程可感知、可预见、可视化的数字孪生平台，实现精准预报、风险预警、可视化预演、智能预案的流域防洪“四预”应用。

本研究在分析流域雨水情特点的基础上，根据流域地形、水情、工情特点，自主研发水文一/二维水动力及水库优化调度等水利专业模型核心引擎组件；以气象-水文联合测报整合多源降雨数据，开发多源数据融合前处理平台；以 Web API 方式提供计算服务；通过知识平台结构化各类调度规则；以倾斜摄影 + BIM 数据为底板，呈现流域真实场景；最后通过系统集成，实现椒江流域防洪“四预”业务的数字化、可视化、智能化。

同时，这种典型的流域水系格局、洪涝特点、技术模式也可为全国沿海地区防洪“四预”系统建设提供借鉴。

1 椒江流域水系概况椒江流域自仙居县安岭乡石长坑公有山曲折向东至椒江琅玑山龙拖头入台州湾[3]，全长为 220 km，沿途有灵江、永宁江、永安溪、始丰溪等 80 多条江溪汇入，流域面积达 6 672 km2，流域地形复杂，包括山区、平原、城市、低洼地、海涂等要素。

1概述为使淮河中下游主要防洪保护区和重要城市防洪标准提高到100年一遇，自上世纪80年代以来，淮河干流陆续实施了一系列堤防退建和河道拓宽工程，以扩大河道的泄洪能力。

自1983~2009年，方邱湖上下游河段自上而下实施了宋家滩疏浚扩挖、小蚌埠退堤切滩、吴家渡至方邱湖进口疏浚退堤、方邱湖进口至临北进口疏浚退堤、方邱湖行洪区姚湾段退堤以及临北缕堤梅家园段退建等一系列整治工程。

整治工程实施后，大多经历了2003、2007年两场洪水的检验。

本文通过建立二维水动力学数学模型，模拟河道各级别洪水的行洪过程，分别对整治工程实施前后河道沿程水位、比降、流速分布及流态等水力参数进行计算和对比分析，来评价整治工程的实施效果。

模型采用美国Brigham 大学环境模型研究实验室研发的SM S(Surface-water M odeling System)软件建模，利用该软件中TABS-M D 模块的RM A2模型进行模拟计算。

模型研究范围上至蚌埠闸，下至临淮关，全长38.7km ，并以蚌埠圈堤、淮北大堤及行洪区缕堤为模型横向边界。

本河段无大的支流入汇，平滩流量约为2000～3600m 3/s ，相应的水位为17m 。

沿程分布有方邱湖、临北段两个行洪区。

本河段河型复杂，且深泓纵剖面变化剧烈，纵剖面的急剧变化导致水流更加紊乱，河道形状阻力加大。

淮河干流方邱湖河段平面图见图1。

2模型的建立由于方邱湖与临北段行洪区自上世纪60年代后在历次洪水中都未启用，且新规划拟将两行洪区调整为一般堤防保护区[1]，故模型未考虑两行洪区参与行洪。

模型整治前的地形采用1992年实测地形数据，整治后的地形采用2008年实测地形数据及部分整治工程实施后的断面地形资料。

本河段沿程分布有蚌埠闸下、吴家渡、临淮关等水位测站，满足数学模型验证的需要。

2.1模型的控制方程考虑研究河段水平尺度远大于垂直尺度，模型忽略流速等水力参数沿垂线方向的变化，并假定沿水深方向的动水压强分布符合静水压强的分布规律，且暂不考虑科氏力和风应力等次要因素的影响。

数字孪生技术在水库防洪调度过程中的应用摘要：数字孪生水库建设是由早期水利信息化、自动化、最终向智能化、数字化转型更高阶段的逐步发展。

随着基于开源和商业软件的3D信息技术的不断发展,BIM+GIS的数字场景逐步建立起来。

基于GIS平台,结合水库BIM模型，可视化技术显示水文、大坝安全、自控设备等实时监测结果,实现信息的快速查询和检索,辅助管理者及时掌握所需的内容信息,因此，可视化是水库工程数字化的首要应用。

水库作为流域内防洪兴利的重要核心节点,数字孪生水库建设是数字孪生流域发展的重要突破。

为推动“十四五”阶段智慧水利高质量发展,必须加快“四预”数字孪生系统建设,着力实现专业模型计算、智能模拟运行、会商精确决策三方面的应用。

水利部总体规划在技术层面上为数字孪生流域及数字孪生工程建设的框架和内容提供了技术指导,但数字孪生建设仍处于研究阶段。

本文对数字孪生技术在水库防洪调度过程中的应用进行分析，以供参考。

关键词：数字孪生；水库防洪调度；应用引言20世纪60年代,美国国家航空航天局最先在空间探测任务中采用了物理结对技术,即各种飞船都从同一模型上进行复制的,以供研究人员和模拟技术人员共同利用。

1991年，美国耶鲁大学计算机教授David Gelernter首次提出了数字孪生概念，但在2002年美国密歇根大学的Michael Grieves博士首次将数字孪生概念应用于制造业。

数字孪生水库工程是智慧流域管理的核心,也是新阶段推进流域高质量发展的必由之路和重要标志之一。

数字孪生水库建设是基于数据、模型设计的系统工程,其本质是,通过构建数据底板,充分利用水文、水动力、安全分析等专业模型,利用人工智能、物联网等新一代信息技术,在虚拟空间的数字化形式下构建水库虚拟流域, 通过分析虚拟流域、模拟数据、预测真实水域的具体特性、状态等，实现水库虚拟流域与真实流域之间的动态信息交互,。

3．总体目标第一，改善信息基础设施。

完善水库控制流域内监测站网布局，增设入口末端监测点、上游控制段、水库供水出口、工程管理区、库区周边地区和库区内天然村庄，对设备设施陈旧、监控要素不齐全、监控设备自动化程度较差的监测站点进行提升改造,以达到工程监控设备的全面智能化;建立了包括溢洪道、泄洪洞控制厂房和发电厂房调度控制室的工程监控系统,并建立了远程集中控制中心。

基于RBF代理模型的调水过程优化研究高学平;朱洪涛;闫晨丹;孙博闻;张晨【摘要】调蓄工程通过泵站调水过程中, 需要通过合理的控制泵站启闭时间来调节水位, 从而不断优化调水过程, 但以往的优化方法效率低而且不易得到最优方案.为解决这一问题, 本文以南水北调东线山东段南四湖下级湖为研究对象, 基于径向基函数(Radial Basis Function, RBF) 代理模型建立调水过程优化模型, 得到了调水过程方案参数区间内的最优方案, 并基于实际调水情况求得不同起调水位下的调水过程最优方案.首先根据调水过程方案参数区间自动选取80个调水过程方案样本, 并利用一维二维耦合水动力模型算出每个方案的水位变化过程;其次采用RBF代理模型建立并验证调水过程方案与最高水位、最低水位的响应关系;最后基于RBF代理模型, 以泵站工作总时间最短为目标, 考虑水量平衡和水位约束建立优化模型, 采用粒子群算法求解.研究结果表明, 基于RBF代理模型的调水过程最优方案结果与耦合模型计算该方案结果的绝对水深误差不超过0.05 m, 相对水深误差不超过0.99％, 模型计算精度高.基于RBF代理模型的调水过程优化模型, 求解得到调水过程参数区间内的最优方案, 解决了传统方法在人为设定有限个方案内得到较优方案的局限性.%In the water transfer process of the regulating and storage project through the pump station, the water level needs to be adjusted through reasonable control of the opening and closing time of the pump station, so as to constantly optimize the water transfer process. However, previous optimization methods are inefficient and difficult to obtain an optimal solution. In order to solve this problem, this paper takes the Lower Nansi Lake in Shandong reach of the eastern route of South-to-North Water Transfer Project as the research object, and establishes theoptimization model of water transfer process based on RBF (Radial Basis Function) surrogate model to study the optimal water transfer process of the Lower Nansi Lake. The method is used to obtain the optimal scheme within the parameter range of the water transfer process, and the optimal scheme for the water transfer process under different starting water levels is obtained based on the actual water transfer situation. Firstly, 80 samples of the water transfer process are selected automatically according to the parameter interval of the water transfer process scheme, and the water level of each scheme is calculated using the 1 D-2 D coupled hydrodynamic model. Secondly, the RBF surrogate model is adopted to establish and verify the relationship between the water transfer process scheme and the response of the highest and lowest water levels. Finally, based on the RBF surrogate model, taking the shortest working time of the pump station as the objective, the optimization model was established considering water balance and water level constraints, and particle swarm optimization was adopted to solve the problem. The research results show that the absolute depth error is no more than 0.05 m and the relative depth error is no more than 0.99％ compared with the calculation results of the scheme water level and the coupled model in the optimized water transfer process, and the optimization model of water transfer process based on RBF surrogate model has high accuracy. Based on this model, the optimal solution within the parameter interval of the water transfer process is obtained, which solves the limitation of the traditional methodto obtain the optimal solution within a limited number of artificially set schemes.【期刊名称】《水利学报》【年(卷),期】2019(050)004【总页数】9页(P439-447)【关键词】水动力学;调水过程优化;RBF代理模型;粒子群算法;调蓄工程【作者】高学平;朱洪涛;闫晨丹;孙博闻;张晨【作者单位】天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350;天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300350【正文语种】中文【中图分类】TV131.21 研究背景南水北调东线输水干线总长1466.24 km，从江苏省扬州附近的长江干流引水，利用洪泽湖、骆马湖、南四湖、东平湖和沿线的运河、淮河以及周边水库等调蓄工程，采用梯级泵站逐级提水与自流输水结合完成东线调水任务。

基于二维水沙数学模型分析挡潮闸闸下淤积特征
挡潮闸是一种常见的水利工程设施，主要用于控制海水入侵，保护沿海地区的农田和
城市。

然而，在长期使用过程中，挡潮闸闸下易发生淤积现象，影响其正常运行和防洪能力。

因此，了解挡潮闸闸下淤积特征，对于改善其维护和管理至关重要。

1. 收集实测数据
首先，我们需要收集实测数据，以验证模型的准确性和可靠性。

在挡潮闸闸下设置一
定数量的水位计和悬臂式沉积物采样器，分别测量水位和淤积物厚度，以及沉积物的重量、存在时间等信息。

将这些数据用于进一步分析。

2. 建立数学模型
基于二维水沙数学模型，建立挡潮闸闸下水流和沉积物运移方程，分析淤积特征和形
成机理。

其中，水流方程可描述为：
∂u/∂t + (u∂u/∂x + v∂u/∂y) = -1/ρ∂p/∂x + ν(∂²u/∂x²+∂²u/∂y²)+Fx
其中u和v分别表示水流速度在x和y方向上的分量，p是水压力，ρ是水的密度，
ν是动力粘度，Fx和Fy是外力作用在水流上的x和y方向分量。

沉积物运移方程可描述为：
∂s/∂t + u∂s/∂x + v∂s/∂y = R
其中s是沉积物浓度，R是沉积物输入输出率。

此外，还需要考虑沉积物厚度和时间
的影响。

3. 模型模拟
利用上述数学模型，进行模拟过程。

通过改变模拟参数，得出不同情况下的淤积特征，并与实测数据进行对比。

4. 分析结果
根据模拟结果，分析挡潮闸闸下淤积特征的形成机理和规律，提出改善措施和建议，
为维护和管理挡潮闸提供参考。

基于一二维耦合的共渠西蓄滞洪区洪水演进模拟刘伟;和宛琳【摘要】蓄滞洪区的洪水演进涉及到河道和蓄滞洪区内部的洪水计算,河道和蓄滞洪区地形条件和水流流态差异较大,单独采用一维或二维水力学模型均难以计算.文章通过分析共渠西蓄滞洪区的入流洪水、边界、调度运用等条件,在实测区域地形和河道断面的基础上,采用一维和二维水力学模型,分别模拟了河道和蓄滞洪区的洪水演进过程,并进行耦合,提出不同方案的洪水演进淹没成果,对蓄滞洪区安全建设规划及防洪评价具有一定的参考价值.【期刊名称】《中国水能及电气化》【年(卷),期】2019(000)008【总页数】5页(P53-57)【关键词】一维;二维;水力学;耦合;蓄滞洪区;洪水演进【作者】刘伟;和宛琳【作者单位】水利部水利水电规划设计总院,北京100120;河南省水利勘测设计研究有限公司,河南郑州450016【正文语种】中文【中图分类】TV1221 共渠西蓄滞洪区概况共渠西蓄滞洪区地处浚县境内，位于淇河和共产主义渠交汇口下游共产主义渠左岸，现状由上、下两片组成，上片西南以淇河左堤为界，东南靠共产主义渠，西北接自然高地；下片东南靠共产主义渠左堤，西北接自然高地，中间被邢固北至同山的高地与上片隔开。

共西行洪区围堤包括淇河左堤、共渠右堤及规划新建盐土庄隔堤。

淇河左堤为共西行洪区西南部边界堤，全长4.16km，现状堤顶高程73.7～69.4m。

共渠右堤为行洪区东部边界堤防，从浚县刘庄闸至盐土庄，全长30.6km，现状堤顶高程67.40～61.00m。

规划新建盐土庄隔堤从盐土庄节制闸向西自然高地，长约1km(蓄滞洪区范围见图1)。

图1 共渠西蓄滞洪区范围2 洪水来源及设计洪水计算共渠西滞洪区入洪口有淇河的枋城分洪口(现状)、刘庄分洪口(规划)和共产主义渠淇门分洪堰(现状、规划)3个，因此，洪水威胁主要是卫河、淇河、共产主义渠大水时蓄滞洪区启用的洪水风险[1]。

淇河上边界为新村站、共产主义渠上边界为黄土岗站，设计洪水采用2008年国务院批复的《海河流域防洪规划》报告中的成果，报告对卫河楚旺以上洪水地区组成，考虑淇门以上来水为主，采用淇门、楚旺同频率，安汤区间相应这一较为不利的组合情况。

一、二维洪水演进数学模型在滞洪区的应用
范玉;陈建;李大鸣
【期刊名称】《华北水利水电学院学报》
【年(卷),期】2009(030)004
【摘要】采用无结构不规则网格技术对滞洪区地形进行自动剖分,根据三维流体动力学方程建立了适合滞洪区计算的一、二维洪水模拟模型,将地形条件概括为地面型通道、河道通道、特殊型通道和连续堤或缺口堤4种通道对方程进行了离散,利用天津市大清河滞洪区的实测资料对模型进行验证,结果吻合较好,并模拟了百年一遇洪水在本滞洪区的演进情况.为防洪减灾和经济发展提供了可靠的依据.
【总页数】4页(P12-15)
【作者】范玉;陈建;李大鸣
【作者单位】华北水利水电学院,河南,郑州,450011;华北水利水电学院,河南,郑州,450011;天津大学建筑工程学院,天津,300072
【正文语种】中文
【中图分类】TV122+.5
【相关文献】
1.蓄滞洪区洪水演进一、二维数值仿真及其在洼淀联合调度中的应用 [J], 李大鸣;林毅;周志华
2.蓄滞洪区洪水演进数学模型研究及应用 [J], 李大鸣;管永宽;李玲玲;吕会娇;王强
3.蓄滞洪区内洪水演进数学模型的应用 [J], 熊继斌;刘明明;马兆会;陆勃
4.二维水动力学模型在蓄滞洪区洪水演进模拟分析中的应用 [J], 李允军;徐青;周元
斌;吉庆伟;向小华
5.平面二维数学模型在土石坝溃坝洪水演进中的应用 [J], 曹伟
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防洪保护区水动力一二维精细化模拟模型及应用
张庆梓;刘小龙;陈俊鸿;彭思韦
【期刊名称】《治淮》
【年(卷),期】2016(000)009
【摘要】为准确合理地进行洪水演进模拟,完成防洪保护区的洪水风险图编制工作,本文建立了能够对防洪保护区溃堤洪水进行模拟的一、二维耦合水动力学模型.一维水动力学模型采用有限差分法求解,二维水动力学模型采用二维有限体积法求解浅水流方程组.模拟结果表明,与传统方法相比该模型能有效提高复杂区域内模型计算效率,所得信息可为防洪决策部门提供参考依据.
【总页数】3页(P19-21)
【作者】张庆梓;刘小龙;陈俊鸿;彭思韦
【作者单位】河海大学南京 210098;南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京 210029;河海大学南京 210098;河海大学南京 210098【正文语种】中文
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1.“防洪保护区”在《防洪标准》中的应用研究 [J], 吴海亮;王府义;刘娟
2.二维水动力数学模型在输电线路防洪评价中的应用 [J], 石军;张成;赵建文;胥欣欣;张洋
3.精细化二维水动力模型在防洪评价中的应用——以滹沱河部分河段为例 [J], 张大伟;穆杰;马建明;张洪斌
4.基于GIS与水动力模型的陶乐防洪保护区漫溢洪水风险分析 [J], 周跃华;岳志春;
潘汀超;Rizwan Qadir
5.地铁车站水动力全自动防洪闸系统应用研究 [J], 王佳;张健;范良凯;施慧;安泰丞;范鑫盛
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