水文预报课程设计报告.doc

中南民族大学水文预报课程设计报告学 院：资源与环境学院专 业：水文与水资源工程年 级：2012级姓 名： 学 号：指导教师： 2015 年 6 月 9 日20前言水文预报（hydrologic forecasting)就是据已知的信息对未来一定时期内的水温状态作出定性或定量的预测。已知信息，广义上指对预报水文状态有影响的一切信息，最常用的是水文与气象要素信息，如降水、蒸发、流量、水位、气温和含沙量等观测信息。预报的水文状态变量可以是任一水文要素也可以是水文特征量，不同的状态量预报要求的已知信息不同、预报方法不同、预见期也不同。目前通常预报的水文要素有流量、水位、冰情和旱情等。水文预报方法以水文基本规律、水文模型研究为基础，结合生产实际问题的需要，构成具体的预报方法或预报方案，服务于生产实际。一般水文预报研究的重点和关键有两部分：共性规律研究，即具有一定普遍性的水文基本规律模拟方法和流域水文模型研究；个性问题研究，对反映具体问题的特性、方法进行了解，构成具有解决各种具体实际问题的、具有较高预报精度的预报方案。目录1、新安江水文模型简介41.1 概述41.2 新安江模型的基本原理51.3 新安江模型的结构61.4新安江模型的参数81.4.1参数的物理意义81.4.2 模型参数率定92、新安江日模、次模调参成果图112.1 日模模拟结果112.2次模模拟结果143、新安江水库日模型、次模型模拟结果及精度统计表183.1 新安江水库日模型184、心得体会.18 导师评语1、新安江水文模型简介1.1 概述流域水文模型可分为物理模型、概念性模型和系统模型。在水文预报中，概念性模型和系统模型应用较多，此处主要介绍概念性流域水文模型。 概念性流域水文模型属于数学模型，它与物理模型相比，具有许多优点：一是它的所有条件均可由原型观测资料直接给出，不受比尺的限制，即数学模型无相似律问题；二是它的边界条件及其它条件可严格控制，也可随时按实际需要改变；三是它的通用型较强，只要研制出一种适用的应用软件，就可用来解决不同的实际问题；四是它具有理想的抗干扰性能，只要条件不变，重复模拟可以得到相同的结果，不会因人、因地而异；五是它的研制费用相对较低。因此，流域水文模型的研制和应用受到水文学家和水文工作者的普普遍重视。 世界上第一个流域水文模型stanford模型出现在20世纪60年代，目前全世界已提出数以百计的流域水文模型。主要包括由美国天气局v. t. sitten提出的api模型、n. h. crawford和r. k. linsley提出的斯坦福模型以及r. j. c. bernash等提出的萨克拉门托模型，日本国立防灾科学研究中心菅原正已教授提出的水箱模型，丹麦技术大学提出的nam模型，以及原华东水利学院赵人俊教授提出的新安江模型。这些概念性水文模型对流域的降雨径流过程进行了较为细致的模拟。由于这些模型具有较好的结构形式和良好的模拟预报精度，因此在洪水实时预报中得到广泛地应用。本文主要介绍国内应用最为广泛的新安江三水源模型。1.2 新安江模型的基本原理原华东水利学院的赵人俊教授于1963年初次提出湿润地区以蓄满产流为主的观点，主要根据是次洪的降雨径流关系与雨强无关，而只有用蓄满产流概念才能解释这一现象。上个世纪70年代国外对产流问题展开了理论研究，最有代表性的著作是1978年出版的山坡水文学，它的结论与赵人俊先生的观点基本一致：传统的超渗产流概念只适用于干旱地区，而在湿润地区，地面径流的机制是饱和坡面流，壤中流的作用很明显。20世纪70年代初建立的新安江模型采用蓄满概念是正确的。但对于湿润地区，由于没有划出壤中流，导致汇流的非线性程度偏高，效果不好。80年代初引进吸收了山坡水文学的概念，提出三水源的新安江模型。 新安江模型是分散性模型，可用于湿润地区与半湿润地区的湿润季节。当流域面积较小时，新安江模型采用集总模型，当面积较大时，采用分块模型。它把全流域分为许多块单元流域，对每个单元流域作产汇流计算，得出单元流域的出口流量过程。再进行出口以下的河道洪水演算，求得流域出口的流量过程。把每个单元流域的出流过程相加，就求得了流域的总出流过程。 该模型按照三层蒸散发模式计算流域蒸散发，按蓄满产流概念计算降雨产生的总径流量，采用流域蓄水曲线考虑下垫面不均匀对产流面积变化的影响。在径流成分划分方面，对三水源情况，按“山坡水文学”产流理论用一个具有有限容积和测孔、底孔的自由水蓄水库把总径流划分成饱和地面径流、壤中水径流和地下水径流。在汇流计算方面，单元面积的地面径流汇流一般采用单位线法，壤中水径流和地下水径流的汇流则采用线性水库法。河网汇流一般采用分段连续演算的muskingum法或滞时演算法，但它一般不作为新安江模型的主体。 概念性模型的结构应该反映客观水文规律，参数应该代表流域的水文特征，把模型设计成为分散性的，主要是为了考虑降雨分布不均的影响，其次也便于考虑下垫面条件的不同及其变化。降雨分布不均，不但对汇流产生明显的影响，而且对产流也产生明显的影响。如果采用集总性模型，应用面平均雨量来进行计算，误差可能很大，而且是系统性的。 新安江模型按泰森多边形法分块，以一个雨量站为中心划一块。这种分法便于考虑降雨分布不均，不考虑其它的分布不均。 新安江模型的流程图见图1所示。图中输入为实测降雨p和实测蒸散发能力em，输出为流域出口断面流量q和流域蒸散发量e。方框内是状态变量，方框外是常数常量。模型主要由四部分组成，即蒸散发计算、产流量计算、水源划分和汇流计算。1.3 新安江模型的结构新安江三水源模型中的蒸散发计算采用的是三层蒸发计算模式，输入的是蒸发器实测水面蒸发和流域蒸散发能力的折算系数k，模型的参数是上、下、深三层的蓄水容量wum、wlm、wdm(wm=wum+wlm+wdm)和深层蒸散发系数c。输出的是上、下、深各层的流域蒸散发量eu、el和ed(e=eu+el+ed)。计算中包括三个时变参量，即各层土壤含水量wu、wl和wd(w=wu+wl+wd)。以上的wm、e、w分别表示总的流域蓄水容量、蒸散发量、土壤含水量。各层蒸散发的计算原则是，上层按蒸散发能力蒸发，上层含水量蒸发量不够蒸发时，剩余蒸散发能力从下层蒸发，下层蒸发与蒸散发能力及下层含水量成正比，与下层蓄水容量成反比。要求计算的下层蒸发量与剩余蒸散发能力之比不小于深层蒸散发系数c。输出蒸散发e输入降雨p、水面蒸发em 不透水面积产流rb透水面积产流r不产流面 产流面积积1fr fr b wm k im 地面总入流qs 地面径流rs sm张力水w上层wu 表层 下层wl 自由深层wd 水s ex河网总入流 输出流域出流q单元面积出流 um壤中总入流qi表层 ci 深层壤中流 壤中流壤中流ri lm ki uh c l,cs kg地下总入流qg地下径流rg cg图1 新安江三水源模型流程图蒸散发量、土壤含水量。各层蒸散发的计算原则是，上层按蒸散发能力蒸发，上层含水量蒸发量不够蒸发时，剩余蒸散发能力从下层蒸发，下层蒸发与蒸散发能力及下层含水量成正比，与下层蓄水容量成反比。要求计算的下层蒸发量与剩余蒸散发能力之比不小于深层蒸散发系数c。否则，不足部分由下层含水量补给,当下层水量不够补给时，用深层含水量补。三层蒸散发的计算程序框图在这里就不一一列举了。1.4新安江模型的参数1.4.1参数的物理意义新安江模型的参数一般具有明确的物理意义，可以分为如下4类：(1)蒸散发参数：k、wum、wlm、c k为蒸散发能力折算系数，是指流域蒸散发能力与实测水面蒸发值之比。此参数控制着总水量平衡，因此，对水量计算是重要的。 wum为上层蓄水容量，它包括植物截留量。在植被与土壤很好的流域，约为20mm；在植被与土壤颇差的流域，约为56mm。 wlm为下层蓄水容量。可取6090 mm。 c为深层蒸散发系数。它决定于深根植物占流域面积的比数，同时也与wlmwum值有关，此值越大，深层蒸散发越困难。一般经验，在江南湿润地区c值约为0.150.20左右，而在华北半湿润地区则在0.090.12左右。 (2)产流量参数：wm、b、imp wm为流域蓄水容量，是流域干旱程度的指标。找久旱以后下大雨的资料，如雨前可认为蓄水量为0，雨后可认为已蓄满，则此次洪水的总损失量就是wm，可从实测资料中求得，如找不到这样的资料，则只能找久旱以后几次降雨，使雨后蓄满，用估计的方法求出wm。一般分为上层wum、下层wlm和深层wdm。在南方约为120mm，北方半湿润地区约为180mm。 b为蓄水容量曲线的方次。它反映流域上蓄水容量分布的不均匀性。如果有降雨径流相关图，则可根据pa=0的曲线反求出蓄水容量曲线，并据此估计出b值。一般经验，流域越大，各种地质地形配置越多样，b值也越大。在山丘区，很小面积(几平方公里)的b为0.1左右，中等面积(300平方公里以内)的b为0.20.3左右，较大面积(数千平方公里)的b值为0.30.4左右。但需说明，b值与um有关，相互并不完全独立。同流域同蓄水容量曲线，如wm加大，b就相应减少，或反之。 imp为不透水面积占全流域面积之比。如有详细地图，可以量出，但一般不可能，可找干旱期降小雨的资料来分析，这时有一很小洪水，完全是不透水面积上产生的。求出此洪水的径流系数，就是imp。(3)水源划分参数：sm、ex、kss、kg sm为流域平均自由水蓄水容量，本参数受降雨资料时段均化的影响，当用日为时段长时，一般流域的sm值约为1050mm。当所取时段长较少时，sm要加大，这个参数对地面径流的多少起着决定性作用，因此很重要。 ex为自由水蓄水容量曲线指数，它表示自由水容量分布不均匀性。通常ex取值在11.5之间。 kss为自由水蓄水库对壤中流的出流系数，kg为自由水蓄水库对地下径流出流系数，这两个出流系数是并联的，其和代表着自由水出流的快慢。一般来说，kss+kg=0.7，相当于从雨止到壤中流止的时间为3天。 (4)汇流参数：kkss、kkg、cs、l kkss为壤中流水库的消退系数。如无深层壤中流时，kkss趋于零。当深层壤中流很丰富时，kkss趋于0.9。相当于汇流时间为10天。 kkg为地下水库的消退系数。如以日为时段长，此值一般为0.980.998，相当于汇流时间为50500日。 cs为河网蓄水消退系数，l为滞时，它们决定于河网地貌。1.4.2 模型参数率定新安江模型的参数按照物理意义分为4层，上面已作了介绍。参数的率定可以按照蒸散发产流分水源汇流的次序进行，各类参数基本上是相互独立的。按照以下次序率定参数。 一、日模型 日模型参数率定按照以下步骤分别进行： (1)定出各参数的初始值。 (2)比较多年总径流。这是最基本的水量平衡校核。如有误差，要首先修改k值，k是影响蒸发计算最大的参数，对于某些北方河流，夏季植物茂盛，而冬季则有封冻。冬季蒸发不可能用e601观测，则应考虑把k分为冬、夏各月定为不同的数值。 (3)多年总水量基本平衡后，再比较每年的径流，看很干旱的年与湿润年份有无系统误差。如有应调整wum、wlm和c。减小wum将使少雨季节的蒸发减少，而对于很干旱的季节则无影响。wlm的作用与此相仿。加大c值将使很干旱的季节的蒸散发增大，而对于有雨季节则无此影响。在北方半湿润地区可以找到干旱年份与湿润年份之间的系统误差，而在南方湿润地区则不易找到。 (4)如上述差别并不明显，则应比较年内干旱季与湿润季之间的差别。在南方，主要是伏旱季的蒸散发计算是否正确的问题。如伏旱以后的初次洪水具有系统误差，例如，各年中这种洪水的计算值都偏大，则应调整wum、wlm和c值，使基本符合。如果在计算中发现w值在久旱后出现负值，则应加大wm，不改变wum和wlm。在计算中当w为负值时以零处理是不对的，它破坏了产流量计算的前提。 新安江模型是蓄满型，只要蒸散发计算基本正确了，产流总量的精度也就有保证了。一般流域，有80%左右的年份的年径流误差在7%以下是可能做到的。 (5) 比较枯季地下径流。如有系统偏大偏小，则应调整kss、kg，调整地下径流、壤中流的比重。如有系统偏快偏慢，则应调整，以改变汇流速度。二、次模型 日模与次模的时段长不同，参数值不全部可以通用，但k、wm、wum、wlm、b、imp、ex、c与时段长无关，可以通用，sm、kg、kss、kkg、kkss与时段长有关，不可以通用。 调试时通常以洪水总量、洪峰值及峰现时间按允许误差统计合格率最高为目标函数。调试步骤如下： (1)比较洪水径流总量。影响计算次洪径流总量的主要因素除降雨外显然是流域初始含水量0w，但当已确定的情况下，可通过调整水源的比重来影响计算次洪径流量，可调整sm和kg，两个参数数值越大，地下径流的比重越大，使次洪径流量减少。 (2)比较洪峰值。洪峰流量主要由地面径流和壤中流组成，主要取决于sm、kkss、cs等参数，当sm确定后，调整kkss和cs等参数，尤其是cs对洪峰起着很大的作用。 (3) 如果流量过程现出现整体的提前，主要调整l。表1 新安江模型各层次参数表层次参数符号参数意义敏感程度取值范围第一层次蒸散发计算kc流域蒸散发折算系数敏感um上层张力水容量（mm）不敏感1020lm下层张力水容量（mm）不敏感6090c深层蒸散发折算系数不敏感0.100.20第二层次产流计算wm流域平均张力水容量（mm）不敏感120200b张力水蓄水容量曲线方程不敏感0.10.4im不透水面积占全流域面积的比例不敏感0.010.04第三层次水源划分sm表层自由水蓄水容量（mm）敏感ex表层自由水蓄水容量曲线方次不敏感1.01.5kg表层自由水蓄水库对地下水的日出流系数敏感ki表层自由水蓄水库对壤中流的日出流系数敏感第四层次汇流计算ci壤中流消退系数敏感cg地下流消退系数敏感cs(uh)河网蓄水消退系数（单位线）敏感l滞时（h）敏感ke马斯京根法演算参数（h）敏感ke=xe马斯京根法演算参数敏感0.00.52、新安江日模、次模调参成果图2.1 日模模拟结果图1：其中，绝对误差由图得相对误差。图2：其中，绝对误差由图得相对误差。图3：其中，绝对误差由图得相对误差。图4：其中，绝对误差由图得相对误差。图5：其中，绝对误差由图得相对误差。图1 1982年径流量与降雨关系图图2 1983年径流量与降雨关系图图3 1984年径流量与降雨关系图图4 1985年径流量与降雨关系图图5 1986年径流量与降雨关系图2.2次模模拟结果图6：其中，绝对误差由图得相对误差。图7：其中，绝对误差由图得相对误差图8：其中，绝对误差由图得相对误差图9：其中，绝对误差由图得相对误差。图10：其中，绝对误差由图得相对误差。图11：其中，绝对误差由图得。图6 洪号820401模拟结果表图7 洪号830822模拟结果图。图8 洪号820716模拟结果表图9 洪号850621模拟结果表图10 洪号860714模拟结果表图11 洪号860909模拟结果表3、新安江水库日模型、次模型模拟结果及精度统计表3.1 新安江水库日模型表2 日模型模拟结果及精度统计表年份降雨量pp(mm)计算径流量（mm）实测径流量（mm）绝对误差（mm）相对误差dr（%）确定性系数dc19821773.0091387.6051473.44385.8385.8260.84319832150.3701752.7891915.594162.7968.4990.81219841552.7401135.3791155.95920.581.7800.76319851588.8501175.0151165.0529.9630.8430.71819861398.520988.489948.01140.8374.1300.7023.2 新安江水库次模型表3 次模型模拟结果及精度统计表洪号降雨量pp(mm)计算径流量（mm）实测径流量（mm）绝对误差（mm）相对误差dr（%）确定性系数dc 82040139.91848.78960.70011.91119.6230.85983082254.67261.60670.5268.92012.6490.913840612149.794127.354134.8217.4675.5390.842850621125.663102.151100.7181.4331.4030.83986071460.81539.95835.0494.90914.0060