黄河下游一维水动力学数学模型管理平台设计与实现

□程 冀 □廖晓芳 □孟 景 □钱 裕（黄河勘测规划设计有限公司）

0 引言

黄河下游水动力学数学模型是依据水沙运动基本方程、结合黄河实际水沙特点建立的黄河下游河道一维恒定不平衡输沙数学模型。在对黄河下游河道输沙规律认识的基础上，通过对水动力学理论的研究，充分考虑各个水力学因素，建立了分组沙冲淤、河道形态调整的冲淤计算模式。该模型可应用于不同水沙条件下游河道冲淤计算，且具有较好的适应性，不仅适用于长系列水沙下游冲淤计算，也适用于短历时洪水冲淤计算。通过使用黄河下游不同时段的水沙资料对模型进行了多次校验，验证结果表明，模型计算结果与实际情况基本相符，特别是在下游冲淤计算模型还不够成熟的情况下，该数学模型在下游河道冲淤模拟计算方面有较好的表现。

该模型在多年工作运用中不断丰富、完善，广泛应用于项目方案计算，如黄河流域综合规划修编、小浪底拦沙期防洪减淤运用方式研究、黄河水沙调控体系、古贤项目建议书等诸多大型项目，取得了良好的社会经济效益。

现阶段，运用水动力学基本理论和软件工程理论研究，开发了黄河下游一维水动力学数学模型管理平台，是对该模型的创新和尝试，它将模型的应用提升到更高的水平层次。

1 平台设计

1.1 建设目标

建立管理平台的目的是，建设基于Windows环境的人机交互界面，面向用户的可视化交互手段，清晰表达模型运行计算流程，直观演示不同方案在黄河下游河道冲淤变化的情况，有效节省以往模型计算前所需要的大量资料准备及数据录入时间，方便地显示及管理模型相关参数数据，提高用户甚至是初级用户的生产效率，通过该模型管理平台的开发工作，为今后黄河下游规划设计方案决策奠定良好的工作基础和操作平台。

1.2 开发路线

黄河下游一维水动力学数学模型管理平台开发路线如图1所示。

图1 黄河下游一维水动力学数学模型管理平台研发技术路线图

1.3 功能和结构

在完善并标准化下游河道泥沙冲淤模型的基础上，通过模型系统平台的构建，建立起数据管理子系统、方案管理子系统、参数信息查询子系统、模型控制管理子系统、结果分析子系统等方面的内容，建立起具有数据管理、方案管理、方案输出、结果查询、方案比较等主要功能的系统平台，整体构成对河道泥沙冲淤计算的全过程支持。

2 平台开发

2.1 数据库建设

根据用户需求，数学模型管理平台需要建立模型数据库，对模型运算所需边界数据、参数数据、实测资料以及方案结果进行管理。模型数据库的建立是模型开发的基础。河道泥沙水动力学模型的一切运算与功能依赖于数据库的支撑和数据的驱动，数据组织的好坏直接影响到模型系统性能的优劣。数据库建设工作主要包括数据特性分析、数据库结构设计和模型数据库建设

3方面的内容。

2.1.1 数据特性分析

通过对河道泥沙水动力学模型中涉及数据的分析，模型数据库需要对基础参数信息和方案结果信息进行存储和管理。模型数据主要分为两类：河道参数数据和方案结果数据。河道参数数据主要有河道基本参数、河道参数、断面参数、床沙级配参数、出口断面水位流量关系；方案结果数据主要包括主要大断面（花园口、夹河滩、高村、孙口、艾山、泺口、利津7个大断面）流量、含沙量；黄河下游分河段（花园口以上、花园口至高村、高村至艾山、艾山至利津河段）滩地、主槽及全断面冲淤量。

2.1.2 数据库结构设计

数据库结构设计的原则是根据用户需求和实体—属性分析，结合现代数据库管理系统特点，对数据库中各表的关系进行规范化论证和设计，按照减少数据冗余度、提高查询速度等原则进行表结构设计。根据数据特性分析结果，河道泥沙水动力学模型数据库主要由河道基本参数数据库和方案数据库组成。

2.1.3 模型数据库建设

数据库的物理实现利用Microsoft SQL Server 2008软件系统开发完成。

2.2 平台功能模块开发

2.2.1 数据管理

数据管理包括对方案水沙和河床初始边界条件的管理。方案计算开始，河道起始地形和边界条件不同，进入下游河道的水沙条件也不同。因此在计算时必须做出选择。数据管理的主要功能是提供交互界面实现对河道边界条件在系统中的描述的管理（包括设置河道的基本参数及河道边界条件）、对进入下游河道的水沙条件的管理（包括进口站小浪底、黑石关、武陟的水沙，区间引水）。同时对两类数据进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实现计算方案在系统中的描述，设置计算方案的对应的边界条件和计算参数。主要包括新建方案、打开已存计算方案、删除已存计算方案。

2.2.3 参数信息查询

图2 黄河下游一维水动力学数学模型管理平台主界面图

通过方案管理的打开方案索引界面可以对方案参数信息进行查询操作。方案参数信息包括方案水沙和河床初始边界两个基本模块。其中，方案水沙包括，入口站小浪底、黑石关和武陟的日均流量和输沙率（小浪底站输沙率为分组沙输沙率），区间河段引水（小浪底至花园口、花园口至夹河滩、夹河滩至高村、高村至孙口、孙口至艾山、艾山至泺口、泺口至利津）；河床初始边界信息包括断面参数，概化断面信息、床沙级配、利津站的初始水位流量关系、模型计算的其它一些基本参数信息。

2.2.4 模型控制管理

该系统采用Visual Basic与Fortran混合编程的方式，由Fortran程序编写数学模型核心模块并生成动态链接库，通过预定义的数据交互接口与Visual Basic编写的模型管理平台进行连接。模型控制管理的主要功能是组织动态链接库需要的接口数据，设置接口参数，调用动态链接库函数，接受动态链接库返回的结果信息，然后将结果信息存入数据库。

2.2.5 结果管理

结果管理主要包括方案计算结果的查询和导出。

该模块主要包括对模型计算结果的管理、显示、导出等功能。显示内容包括黄河下游大断面的日均流量及输沙率过程，进入下游河道（小黑武）水沙过程统计，各河段累计冲淤量过程等信息，如图3所示。系统还可以直接将结果导出至Excel，方便做各类对比分析。

图3 模型计算结果管理分析界面图

3 计算实例

利用数学模型管理平台，计算《小浪底水库拦沙后期防洪减淤运用方式研究》所采用的1968系列最终推荐方案。以2008年起始地形为基础，预测研究报告所提出的水库运用最终优化方案的水沙过程在下游河道的冲淤情况。数学模型管理平台结果分析模块输出内容如图4所示。

图4 1968系列最终推荐方案河道冲淤图

根据系统平台输出的下游水沙统计表及河道累计冲淤量图，从计算结果来看，1-17 a，年均来水量和来沙量分别为284.50亿m3和5.84亿t，全下游累计淤积6.99亿t，其中花园口以上、花园口至高村、高村至艾山和艾山至利津冲淤量分别为-0.26，4.61，1.35和1.29亿t。从主槽的冲淤情况来看，下游河道全下游冲刷量为1.20亿t；其中花园口以上、花园口至高村、高村至艾山和艾山至利津冲淤量分别为-0.29，-0.61，-0.22和-0.09 亿 t。

该计算成果已运用于《小浪底水库拦沙后期防洪减淤运用方式研究》项目的相关研究工作中。

4 结语

本项研究涉及水力学、河流运动力学、河床演变学、计算机可视化程序设计、数据库技术等多学科复杂问题。通过项目组成员刻苦研究，依托WINDOWS技术平台，采用Visual Basic编程语言进行可视化程序设计，利用Fortran语言编写核心功能模块源代码，并依靠动态链接库技术完成模型的整体耦合，为模型的输入、输出、计算、结果显示等功能提供一个集成的可视化的环境，使模型界面层次清晰，同时对各方案的计算结果进行直观显示。适用于不同水沙条件下游河道的冲淤计算，计算成果合理，为规划设计工作的开展打下良好的基础。

本模型计算方法已被《水工设计手册》收编，此项研究成果将极大地提高本单位产品质量和生产效率，对节约成本、拓展业务领域、增强市场竞争力等方面都将起到积极的作用，具有很大的推广价值。