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黄河数学模拟系统就是利用先进的计算机技术和水利学、气象学、环境学等学科的相关知识，针对黄河问题特点而对水沙现象及边界条件进行概化处理，构建一套先进的数学模型和参数，实现对黄河天气系统、水流及泥沙运动、生态及水环境变化等现象的数值模拟，包括历史过程的重现模拟（率定或验证）和未来事件的预先模拟（预报或预估）。黄河数学模拟系统主要由水利等专业的数学模型（算法）及前后处理构件、数据（包括模型参数）库及其管理、构建的各种模拟作业流程（模型）组成。

 

数学模拟系统是“数字黄河”工程的核心，是实现现代治黄工作的一种有效工具。只有通过数学模型对黄河治理开发与管理的各种方案进行模拟、分析和研究，预先提出各种方案的可能风险与结果，才能使治黄的决策更具有科学性和预见性。

 

黄委数学模拟系统建设回顾

 

几十年来，随着中国改革开放的进程和计算机技术的快速发展，黄委在使用计算机软件处理治黄问题方面，尤其是对数学模型的研究、开发与引进方面做了大量而卓有成效的工作，取得了令人欣喜的成绩。20世纪80年代初，黄委就利用联合国开发计划署援款建设 “黄河三花间实时遥测洪水预报系统”，研制伊河陆浑示范区产汇流预报模型，并引进美国国家天气局河流预报系统（nwsrfs）。后来，先后与国际合作或通过国家科技攻关等课题，先后研发了黄河下游防洪减灾系统、三花间暴雨洪水预警预报系统、黄河中下游洪水联合调度模型、黄河下游河道水沙运动仿真模型、黄河下游冰凌数学模型、黄河中游的支流降雨产流产沙模型等。

 

2001年7月25日黄委党组正式提出建设“数字黄河”工程。而后，针对黄河上实际情况，总结了黄河上多年应用系统的开发建设特点，通过深入的调研和需求分析，明确了“数字黄河”工程建设的目标、任务和原则，编制了“数字黄河”工程规划，颁布了一大批“数字黄河”工程建设的标准、办法与规章制度，规范了“数字黄河”工程的建设与管理。几年来，黄委的信息化建设取得了长足发展。自主研发了“基于gis的黄河下游二维水沙数学模型”，完成了基于分布式水文模型的“小花间暴雨洪水预警预报系统”建设，先后完善和开发了大量的气象预报、流域产流产沙、洪水预报、冰情预报、河道水沙演进、水库调度等模型，形成了一个基本覆盖了黄河各个应用领域的数学模拟系统。

 

当前，黄河上模型存在的主要问题有：系统多而杂、标准不统一，平台不一致、通用性能差，前后处理功能差，实时预报精度和校正能力较差。针对黄河数学模拟系统的现状与未来发展，黄委为了加快“三条黄河”建设，使黄河数学模拟系统建设尽快适应黄河治理开发与管理的需要，增强决策的科学性和预见性，要求数学模拟系统建设突出黄河特色，技术上具有世界先进水平，优化整合人力物力资源。成立由李国英主任为组长的黄委“数字黄河”工程数学模拟系统研发工作领导小组，加强了对“数字黄河”工程数学模拟系统研发工作的领导和协调。并明确提出近期数学模拟系统开发建设的重点是：建设与完善黄土高原水土流失和水沙预报模型、中游水库群水沙联合调度模型、黄河下游河道水沙演进模型、河口模型、水质预警预报模型和宁蒙河段冰凌预报模型等六大模型系统。

 

六大数学模拟系统建设的意见

 

2.1 黄河下游河道水沙演进模型

 

2.1.1 河道情况

 

黄河自河南省孟津县白鹤镇至山东省垦利县入海口，河长878km，河道总面积为4647km2（含封丘倒灌区407 km2），其中滩区面积为3956 km2，占河道总面积的85%，滩区居住180万人，具有375万亩耕地。河道一般为复式河槽，多数河段存在着不同程度的“二级悬河”。河道上宽下窄，艾山以上河段堤距一般宽5～15km，最宽达20多km；艾山以下河段堤距一般宽为0.5～5km，最窄处艾山断面为275m。

 

2.1.2 模拟需求

 

（1）防汛调度：需要预报沿程断面的洪峰流量、峰现时间、最高水位、洪水历时、洪水总量；漫滩范围、社经损失、河势表现、工程险情；泥沙含量、沙峰时间、泥沙总量、沿程冲淤及横向分布等。

 

（2）水量调度：需要预报不同流量情况下的水流演进时间、各河段河道内的流量衰减、水位表现、最大泥沙含量等。

 

（3）调水调沙：需要预报沿程断面的洪峰流量、峰现时间、最高水位、洪水历时、洪水总量、流量是否增值；河势表现、工程险情；泥沙含量、沙峰时间、泥沙总量、沿程冲淤等。

 

2.1.3 模拟方法

 

（1）水文学法：自然界水文现象的发生和发展过程，由于受水沙过程内部和外部边界条件的影响，水文特性既有规律又有变异，情况十分复杂，水文学按照水文循环和水量平衡的基础理论，采用成因分析和统计分析方法，通过对历史资料研究，寻找它们的演变规律和变化。水文学法进行河道水流演进通常提供的主要结果有沿程断面的洪峰流量、峰现时间、最高水位、洪水历时、洪水总量，预估灾情。利用回归分析和经验方法，可以预报最大泥沙含量、沙峰时间、泥沙总量、河段冲淤等。水文学法的特点是需要资料少，速度快，比较宏观。

 

（2）水力学法：根据水流的质量守恒和动量守恒原理（即圣维南方程组），可以计算沿程的流量、流速、水位，统计出洪水历时、洪水总量；利用类似的泥沙守恒方程，计算沿程泥沙含量及淤积。二维水沙模型还可以计算流向、预估工程险情及灾情，泥沙淤积横向分布。水力学法的特点是，计算输出内容多，但输入资料要求高，计算时间长。

 

2.1.4 存在问题与难点

 

（1）河道边界条件复杂，难模拟。黄河下游河道宽浅散乱，河势游荡多变，复式河道，二级悬河严重，生产堤分布杂乱，村庄村台多，片林多，砖瓦窑场遍地，桥梁（包括浮桥）多，等等。这些复杂的边界条件一是没有很好的模拟方法；二是动态变化快，资料代表性差；三是人为因素多，突发突变性强。

 

（2）黄河水沙性质异常，未知因素多。由于黄河泥沙含量大小不同、粗细不同和河床为地上河、冲淤变化快等原因，黄河上有许多其他江河没有，还需要进一步作理论研究的问题。一是流量沿程增值。黄河多次出现无区间来水的情况下，下断面流量大于上断面流量情况；二是 “假潮”现象。也就是在整个河道水流比较稳定的情况下，艾山等水文断面经常出现定时短时段高水位、大流量；三是“浆河”现象。当黄河下游出现高含沙洪水时，有时河道水流不流动；四是在黄河其他河段还有“揭河底”现象。当流量和含沙量达到某一量级时，河道不仅不淤积，反而发生严重的冲刷。这些现象目前还没有很好的理论解释，更没有理想的模拟方法，需要进一步研究。

 

2.1.5 建议

 

（1）加强基础信息资料获取。由于黄河下游河道断面宽、河道长、情况复杂多变，必须采取多种方法和措施，获取尽量多和较准确的实时河道信息，及时分析掌握河道边界条件变化，做好模型参数的实时修订，满足数学模拟的要求。

 

（2）加强基础性研究。黄河水少沙多，关系复杂，洪水演进和泥沙输移规律异常。很多通用的方法在黄河上不适用，其他江河上使用效果很好的方法黄河上不能用。并且，很多现象是黄河上独有的，别人不了解，也不需要研究。因此，我们必须加大科研力度，从机理研究入手，在理论上取得突破。

 

（3）多种模型并举。水文学与水力学法在黄河下游水沙演进模拟中各有特点，应多种模型并用。下一步应优化出一套较好的黄河下游水沙演进模拟模型，它包括水文学方法的水沙预报模型、一维非恒定流水沙动力学模型、基于gis的二维水沙数学模型各一个。然后，花大力气进行模型参数率定，使其能够适应黄河大水、中水、小水，高含沙水流、低含沙水流、漫滩和不漫滩等各种情况下的水沙过程的模拟，满足防洪减淤、水量调度、调水调沙的应用需要。

 

2.2 水库水沙联合调度模型

 

2.2.1 水库水沙调度现状

 

当前，黄委或黄河防总直接负责调度，并且具有较大调节作用的水库主要有龙羊峡、刘家峡、万家寨、三门峡、小浪底、故县、陆浑、西霞院等。调度分为防洪调度、防凌调度、减淤调度和水量调度。

 

水库调度存在的主要技术问题是泥沙控制不准，对于给定的入库水沙过程，如何通过闸门开启组合和库水位控制，实现出库水沙的合理搭配和库区淤积的理想分布。现在的水库调度计算是先按清水调洪，然后通过经验公式分析排沙和淤积比，再作库区铺沙。计算时水库淤积及泥沙出库与开启闸门组合无关，明显不合理。

 

2.2.2 存在问题与难点

 

（1）浑水调洪计算理论不成熟，调水容易调沙难。对于水库清水调度，根据水量平衡和闸门泄流曲线推求出来的水库推流计算公式，进行水库调洪计算相当简单。而对于浑水，尤其是对于高含沙水流，泥沙在水库中不同水沙边界条件下的冲淤和输移规律还不清