基于数据同化的洞庭湖水沙模拟及调控技术研究

第一章研究概述

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

1.1.2目的意义·

1.2研究内容

1.2.1基于数据同化方法的水沙模拟技术·

1.2.2洞庭湖水沙情势与河湖变化趋势分析·

1.2.3新水沙条件下洞庭湖调控对策研究·

1.3研究进展

1.3.1洞庭湖…

1.3.2一维河网水动力学.

1.3.3数据同化…

1.3.3.1连续数据同化算法

1.3.3.2顺序数据同化算法

1.3.4江湖关系…

第二章研究区域概况

2.1自然地理

2.2水文气象

2.3河网水系

2.3.1长江

2.3.2洞庭湖…

2.3.2.1湖泊与洪道

2.3.2.2堤垸区主要水系

2. 3.3四水

2.3.3.1湘江

2.3.3.2资江

2.3.3.3沅江

2.3.3.4遭水

2.3.4四口河系·

2.3.4.1松滋河

2.3.4.2虎渡河

2.3.4.3藕池河

2.3.4.4华容河

2.3.5其他主要河流·

2.4水利工程

2.4.1长江水库群

2.4.2四水水库群…

2.4.3库群的作用与影响

2.5社会经济第三章洞庭湖水文情势·

3.1水文情势变化分析

3.1.1长江干流控制站水沙变化分析……

3.1.1.1宜昌站

3.1.1.2枝城站

3.1.1.3沙市站3.1.1.4监利站

3.1.1.5螺山站

3.1.2洞庭湖控制站水沙变化分析

3.1.2.1城陵矶（七里山）站……

3.1.2.2南咀站

3.1.2.3小河咀站

3.1.2.4石龟山站

3.1.2.5湖区水位年变化特征.

3.1.3四水控制站水沙变化分析……

3.1.3.1湘潭站

3.1.3.2桃江站

3.1.3.3桃源站

3.1.3.4石门站

3.1.4三口河系控制站水沙变化分析……

3.1. 4.1松滋河

3.1.4.2虎渡河

……

6.2.1.1工程方案

6.2.1.2调度方案

6.2.2城陵矶建闸

6.2.2.1枢纽调度运行原则…

6.2.2.2工程任务

6.3河湖疏浚治理对策

6.4水资源补给对策

第七章结论与建议

7.1结论

7.2建议

参考文献

第一章研究概述

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

洞庭湖在城陵矶汇入长江，受长江及湘资沅澧约130万km²面积来水影响，其2625km²的湖泊面积所具有的巨大调蓄能力是长江中游防洪体系安全难以替代的组成部分，而湘资沅澧四水与长江自四口分泄入湖的洪水之间极其复杂的遭遇组合形式和蓄泄矛盾，使得湖区本身的防洪形势一直没有实质性改观。其原因主要在于三个方面：第一，长江和四水洪水遭遇组合形成的洪水洪量巨大，但因出口城陵矶泄流能力有限，洞庭湖调蓄洪量大而高洪水位持续时间特别长，再遭遇洪水汇入的机会大。第二，20世纪50年代以来湖区河道及湖泊共淤积约50亿m³泥沙，导致洞庭湖调蓄能力下降，河湖形态改变，湖区洪水水位不断抬高；当前随着清水下泄，泥沙再输移并重新分布，湖区水文情势又发生新的变化。第三，湖区河道总长度超过1500km，两岸一线堤防3471km，堤垸内地面较低，水网交汇分割，且四口河网断流居多，影响洞庭湖洪水传播的因素多且复杂易变，致湖区防洪局面被动。近两年来，洞庭湖流域连续发生区域性大洪水，多站点降雨量超过历史记录值，湘资沅澧四水干流大批站点水位超警戒水位，甚至超历史纪录。2017年湘江干流全线1/2河段水位超历史纪录，在长江上中游水库群拦蓄削峰错峰的情况下，洞庭湖城陵矶七里山站超过保证水位0.08m，超过警戒水位2.13m，藕池口、太平口逆流入江。洪水超纪录的同时，洪水特点也发生了显著变化。洞庭湖水系沅江、资水、湘江先后发生的超保洪水或超历史洪水汇人洞庭湖后相互叠加，洞庭湖水系入湖合成流量2d内（6月29日8时至7月1日8时）由34900m/s猛增至81500m/s；洞庭湖城陵矶站水位从起涨到出现洪峰，11d内涨幅5.63m，最大日涨幅达0.86m，高于1998年（1998年最大日涨幅0.81m）；洞庭湖最大15d入湖洪量高达572亿m3，最大15d出湖水量达456.7亿m3，四水合成流量占螺山站流量的比例达55%~85%，七里山与长江莲花塘水位落差维持在0.5m左右，历史罕见，湖区防洪形势严峻，并出现了部分溃决性险情。

以三峡水库为中心的长江上游梯级群逐渐运用后，长江常遇洪水洪峰得到了控制，大量泥沙被拦截，清水下泄导致长程冲刷成为长期趋势。长江干流水位不断下降，通过荆江三口分流分沙入湖量虽不断减少，但历史上淤积的绝对量巨大的泥沙，在汛期分流中重新启动、运移，特别是三口河系中的松滋河仅在2006-2016年就有超过1亿m泥沙输送到洞庭湖，但洞庭湖出口七里山的输沙量并未表明洞庭湖处于泥沙冲刷状况。泥沙再输运后的重新分布，对洪道湖泊内河湖形态、洪水传播和水安全均会产生直接影响，如2016、2017年在长江干流水位很低的情况下，洞庭湖洪水反复叠加、洪量巨大而下泄缓慢，致使城陵矶七里山最高水位基本上达到了保证水位。

新的水沙情势下，洞庭湖洪水传播出现新的变化，需要研究新的方式方法以反映洞庭湖洪水的新特点。传统的洪水模拟模型将历史观测数据用于数学模型的率定和验证。率定和验证后的模型，可以模拟出研究对象的一般趋势，但不能反映模拟过程中系统特性的动态变化。对于目前洞庭湖泥沙运移分布远未达到平衡的情形，传统洪水模型面临率定验证的时效性较短、模拟精度随时间递减的问题。为提高传统洪水模型的模拟精度与适用性，可利用数据同化方法将数学模型和观测分析两者的优点有机结合，将多源、多分辨率的观测数据融入数学模型的动力框架中，从而优化更新洪水模型状态变量，对洪水模型参数进行动态校正，并对模型的不确定性进行分析，进而提升数学模型的模拟预测精度和可靠性。在此基础上，进一步研究长系列水沙变化条件下，洞庭湖冲淤演变及河湖空间变化规律，为洞庭湖区的水沙调控特别是缩短一线防洪战线提供技术支持，并为湖区河湖治理、防洪减灾、水资源调度、水环境治理、水安全保障等提供科学支撑。

1.1.2目的意义

本研究根据洞庭湖区入湖水沙条件和水下地形冲淤变化，通过与实时观测数据相融合的数据同化方法建立洞庭湖水沙数学模型，实现洪水实时演进更高精度、更可靠的模拟；基于三峡水库防洪补偿调度，研究洞庭湖水系不同类型洪水再现时，控制城陵矶七里山最高水位不超过保证水位的可能性；通过建立未来30年长系列水沙情景，研究洞庭湖区冲淤演变规律和趋势，预判湖区河湖空间演化趋势，提出洞庭湖防洪体系布局优化方案，分析其防洪影响并提出相应的对策建议。

本书根据长江干流、洞庭湖区1981-2019年三口四水主要测站实测水沙数据、地形资料以及历史洪水数据等，分析了荆江三口分流分沙变化趋势，三峡水库运行前后的水文情势变化特征及趋势及其影响因素。同时，建立了一维非恒定流水沙数值模型，并在此基础上，以多测站的实时观测信息作为实测数据，构建粒子滤波同化模块，对模型状态变量进行优化更新，动态校正糙率系数等模型参数，运用校正后的数学模型，模拟了荆江-洞庭湖未来30年长系列水沙情景，研究洞庭湖区冲淤演变规律和趋势，预判湖区河湖空间演变，提出了洞庭湖防洪体系布局优化方案，分析了其防洪影响及相应的对策建议。