黃河下游一維水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型管理平臺設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

□程 冀 □廖曉芳 □孟 景 □錢 裕（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司）

0 引言

黃河下游水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型是依據(jù)水沙運(yùn)動基本方程、結(jié)合黃河實(shí)際水沙特點(diǎn)建立的黃河下游河道一維恒定不平衡輸沙數(shù)學(xué)模型。在對黃河下游河道輸沙規(guī)律認(rèn)識的基礎(chǔ)上，通過對水動力學(xué)理論的研究，充分考慮各個(gè)水力學(xué)因素，建立了分組沙沖淤、河道形態(tài)調(diào)整的沖淤計(jì)算模式。該模型可應(yīng)用于不同水沙條件下游河道沖淤計(jì)算，且具有較好的適應(yīng)性，不僅適用于長系列水沙下游沖淤計(jì)算，也適用于短歷時(shí)洪水沖淤計(jì)算。通過使用黃河下游不同時(shí)段的水沙資料對模型進(jìn)行了多次校驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果表明，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本相符，特別是在下游沖淤計(jì)算模型還不夠成熟的情況下，該數(shù)學(xué)模型在下游河道沖淤模擬計(jì)算方面有較好的表現(xiàn)。

該模型在多年工作運(yùn)用中不斷豐富、完善，廣泛應(yīng)用于項(xiàng)目方案計(jì)算，如黃河流域綜合規(guī)劃修編、小浪底攔沙期防洪減淤運(yùn)用方式研究、黃河水沙調(diào)控體系、古賢項(xiàng)目建議書等諸多大型項(xiàng)目，取得了良好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

現(xiàn)階段，運(yùn)用水動力學(xué)基本理論和軟件工程理論研究，開發(fā)了黃河下游一維水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型管理平臺，是對該模型的創(chuàng)新和嘗試，它將模型的應(yīng)用提升到更高的水平層次。

1 平臺設(shè)計(jì)

1.1 建設(shè)目標(biāo)

建立管理平臺的目的是，建設(shè)基于Windows環(huán)境的人機(jī)交互界面，面向用戶的可視化交互手段，清晰表達(dá)模型運(yùn)行計(jì)算流程，直觀演示不同方案在黃河下游河道沖淤變化的情況，有效節(jié)省以往模型計(jì)算前所需要的大量資料準(zhǔn)備及數(shù)據(jù)錄入時(shí)間，方便地顯示及管理模型相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)，提高用戶甚至是初級用戶的生產(chǎn)效率，通過該模型管理平臺的開發(fā)工作，為今后黃河下游規(guī)劃設(shè)計(jì)方案決策奠定良好的工作基礎(chǔ)和操作平臺。

1.2 開發(fā)路線

黃河下游一維水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型管理平臺開發(fā)路線如圖1所示。

圖1 黃河下游一維水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型管理平臺研發(fā)技術(shù)路線圖

1.3 功能和結(jié)構(gòu)

在完善并標(biāo)準(zhǔn)化下游河道泥沙沖淤模型的基礎(chǔ)上，通過模型系統(tǒng)平臺的構(gòu)建，建立起數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、方案管理子系統(tǒng)、參數(shù)信息查詢子系統(tǒng)、模型控制管理子系統(tǒng)、結(jié)果分析子系統(tǒng)等方面的內(nèi)容，建立起具有數(shù)據(jù)管理、方案管理、方案輸出、結(jié)果查詢、方案比較等主要功能的系統(tǒng)平臺，整體構(gòu)成對河道泥沙沖淤計(jì)算的全過程支持。

2 平臺開發(fā)

2.1 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

根據(jù)用戶需求，數(shù)學(xué)模型管理平臺需要建立模型數(shù)據(jù)庫，對模型運(yùn)算所需邊界數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)、實(shí)測資料以及方案結(jié)果進(jìn)行管理。模型數(shù)據(jù)庫的建立是模型開發(fā)的基礎(chǔ)。河道泥沙水動力學(xué)模型的一切運(yùn)算與功能依賴于數(shù)據(jù)庫的支撐和數(shù)據(jù)的驅(qū)動，數(shù)據(jù)組織的好壞直接影響到模型系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。數(shù)據(jù)庫建設(shè)工作主要包括數(shù)據(jù)特性分析、數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型數(shù)據(jù)庫建設(shè)

3方面的內(nèi)容。

2.1.1 數(shù)據(jù)特性分析

通過對河道泥沙水動力學(xué)模型中涉及數(shù)據(jù)的分析，模型數(shù)據(jù)庫需要對基礎(chǔ)參數(shù)信息和方案結(jié)果信息進(jìn)行存儲和管理。模型數(shù)據(jù)主要分為兩類：河道參數(shù)數(shù)據(jù)和方案結(jié)果數(shù)據(jù)。河道參數(shù)數(shù)據(jù)主要有河道基本參數(shù)、河道參數(shù)、斷面參數(shù)、床沙級配參數(shù)、出口斷面水位流量關(guān)系；方案結(jié)果數(shù)據(jù)主要包括主要大斷面（花園口、夾河灘、高村、孫口、艾山、濼口、利津7個(gè)大斷面）流量、含沙量；黃河下游分河段（花園口以上、花園口至高村、高村至艾山、艾山至利津河段）灘地、主槽及全斷面沖淤量。

2.1.2 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則是根據(jù)用戶需求和實(shí)體—屬性分析，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)特點(diǎn)，對數(shù)據(jù)庫中各表的關(guān)系進(jìn)行規(guī)范化論證和設(shè)計(jì)，按照減少數(shù)據(jù)冗余度、提高查詢速度等原則進(jìn)行表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)數(shù)據(jù)特性分析結(jié)果，河道泥沙水動力學(xué)模型數(shù)據(jù)庫主要由河道基本參數(shù)數(shù)據(jù)庫和方案數(shù)據(jù)庫組成。

2.1.3 模型數(shù)據(jù)庫建設(shè)

數(shù)據(jù)庫的物理實(shí)現(xiàn)利用Microsoft SQL Server 2008軟件系統(tǒng)開發(fā)完成。

2.2 平臺功能模塊開發(fā)

2.2.1 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理包括對方案水沙和河床初始邊界條件的管理。方案計(jì)算開始，河道起始地形和邊界條件不同，進(jìn)入下游河道的水沙條件也不同。因此在計(jì)算時(shí)必須做出選擇。數(shù)據(jù)管理的主要功能是提供交互界面實(shí)現(xiàn)對河道邊界條件在系統(tǒng)中的描述的管理（包括設(shè)置河道的基本參數(shù)及河道邊界條件）、對進(jìn)入下游河道的水沙條件的管理（包括進(jìn)口站小浪底、黑石關(guān)、武陟的水沙，區(qū)間引水）。同時(shí)對兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理和修改。

2.2.2 方案管理

方案管理的主要功能是提供交互界面實(shí)現(xiàn)計(jì)算方案在系統(tǒng)中的描述，設(shè)置計(jì)算方案的對應(yīng)的邊界條件和計(jì)算參數(shù)。主要包括新建方案、打開已存計(jì)算方案、刪除已存計(jì)算方案。

2.2.3 參數(shù)信息查詢

圖2 黃河下游一維水動力學(xué)數(shù)學(xué)模型管理平臺主界面圖

通過方案管理的打開方案索引界面可以對方案參數(shù)信息進(jìn)行查詢操作。方案參數(shù)信息包括方案水沙和河床初始邊界兩個(gè)基本模塊。其中，方案水沙包括，入口站小浪底、黑石關(guān)和武陟的日均流量和輸沙率（小浪底站輸沙率為分組沙輸沙率），區(qū)間河段引水（小浪底至花園口、花園口至夾河灘、夾河灘至高村、高村至孫口、孫口至艾山、艾山至濼口、濼口至利津）；河床初始邊界信息包括斷面參數(shù)，概化斷面信息、床沙級配、利津站的初始水位流量關(guān)系、模型計(jì)算的其它一些基本參數(shù)信息。

2.2.4 模型控制管理

該系統(tǒng)采用Visual Basic與Fortran混合編程的方式，由Fortran程序編寫數(shù)學(xué)模型核心模塊并生成動態(tài)鏈接庫，通過預(yù)定義的數(shù)據(jù)交互接口與Visual Basic編寫的模型管理平臺進(jìn)行連接。模型控制管理的主要功能是組織動態(tài)鏈接庫需要的接口數(shù)據(jù)，設(shè)置接口參數(shù)，調(diào)用動態(tài)鏈接庫函數(shù)，接受動態(tài)鏈接庫返回的結(jié)果信息，然后將結(jié)果信息存入數(shù)據(jù)庫。

2.2.5 結(jié)果管理

結(jié)果管理主要包括方案計(jì)算結(jié)果的查詢和導(dǎo)出。

該模塊主要包括對模型計(jì)算結(jié)果的管理、顯示、導(dǎo)出等功能。顯示內(nèi)容包括黃河下游大斷面的日均流量及輸沙率過程，進(jìn)入下游河道（小黑武）水沙過程統(tǒng)計(jì)，各河段累計(jì)沖淤量過程等信息，如圖3所示。系統(tǒng)還可以直接將結(jié)果導(dǎo)出至Excel，方便做各類對比分析。

圖3 模型計(jì)算結(jié)果管理分析界面圖

3 計(jì)算實(shí)例

利用數(shù)學(xué)模型管理平臺，計(jì)算《小浪底水庫攔沙后期防洪減淤運(yùn)用方式研究》所采用的1968系列最終推薦方案。以2008年起始地形為基礎(chǔ)，預(yù)測研究報(bào)告所提出的水庫運(yùn)用最終優(yōu)化方案的水沙過程在下游河道的沖淤情況。數(shù)學(xué)模型管理平臺結(jié)果分析模塊輸出內(nèi)容如圖4所示。

圖4 1968系列最終推薦方案河道沖淤圖

根據(jù)系統(tǒng)平臺輸出的下游水沙統(tǒng)計(jì)表及河道累計(jì)沖淤量圖，從計(jì)算結(jié)果來看，1-17 a，年均來水量和來沙量分別為284.50億m3和5.84億t，全下游累計(jì)淤積6.99億t，其中花園口以上、花園口至高村、高村至艾山和艾山至利津沖淤量分別為-0.26，4.61，1.35和1.29億t。從主槽的沖淤情況來看，下游河道全下游沖刷量為1.20億t；其中花園口以上、花園口至高村、高村至艾山和艾山至利津沖淤量分別為-0.29，-0.61，-0.22和-0.09 億 t。

該計(jì)算成果已運(yùn)用于《小浪底水庫攔沙后期防洪減淤運(yùn)用方式研究》項(xiàng)目的相關(guān)研究工作中。

4 結(jié)語

本項(xiàng)研究涉及水力學(xué)、河流運(yùn)動力學(xué)、河床演變學(xué)、計(jì)算機(jī)可視化程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等多學(xué)科復(fù)雜問題。通過項(xiàng)目組成員刻苦研究，依托WINDOWS技術(shù)平臺，采用Visual Basic編程語言進(jìn)行可視化程序設(shè)計(jì)，利用Fortran語言編寫核心功能模塊源代碼，并依靠動態(tài)鏈接庫技術(shù)完成模型的整體耦合，為模型的輸入、輸出、計(jì)算、結(jié)果顯示等功能提供一個(gè)集成的可視化的環(huán)境，使模型界面層次清晰，同時(shí)對各方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行直觀顯示。適用于不同水沙條件下游河道的沖淤計(jì)算，計(jì)算成果合理，為規(guī)劃設(shè)計(jì)工作的開展打下良好的基礎(chǔ)。

本模型計(jì)算方法已被《水工設(shè)計(jì)手冊》收編，此項(xiàng)研究成果將極大地提高本單位產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，對節(jié)約成本、拓展業(yè)務(wù)領(lǐng)域、增強(qiáng)市場競爭力等方面都將起到積極的作用，具有很大的推廣價(jià)值。