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浙i 工大学硬士学位论文一洪水实时预报方法研究与软件开发 洪水实时预报方法研究与软件开发 摘要 本文首先介绍了洪水预报中产汇流计算的基本原理和实时预 报技术，接着提出将贝叶斯统计推断原理和动态线性模型结合， 建立了洪水预报的贝叶斯动态线性模型。为了取得比较精确的参 数先验分布，本文使用了样本信息来估计参数的先验分布。 在此基础上，利用贝叶斯动态线性模型开发了可视化洪水实 时预报系统，并在程序的编制中对如何应用软件工程原理研制洪 水在线预报系统进行了有益的探索。 最后，在一个实际流域的运用中证明贝叶斯动态线性模型的 结果较好地符合了实际情况，具有一定的使用价值，表明它是可 以应用于洪水实时预报并值得推广的。 关键词：洪水预报实时预报贝叶斯动态线性模型 浙江大学硕士学位论文一洪水实时预报方法研究与软件开发 s t u d y o fr e a l - t i m ef l o o d f o r e c a s t i n g m e t h o d a n d d e v e l o p m e n t o fs o f t w a r e a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，t h et h e o r i e so fr u n o f f - f o r m a t i o na n df l o w c o n c e n t r a t i o n w e r ep r e s e n t e df i r s t l y i ti sa l s o g a v ear e v i e wo ft h er e a l t i m ef o r e c a s t i n g t e c h n o l o g y t h e n i tw a sd i s c u s s e d h o wt oe s t a b l i s ht h eb a y e s i a nd y n a m i c l i n e a rm o d e lf o rf l o o d f o r e c a s t i n gb yc o m b i n i n g t h e b a y e s i a n s t a t i s t i c s r a t i o c i n a t i o nt h e o r yw i t hd y n a m i cl i n e a rm o d e lt h e o r y i no r d e rt o g e tt h e b e t t e rp r e c i s i o no ft h ep r i o rd i s t r i b u t i o no ft h em o d e lp a r a m e t e r s ，t h es a m p l e i n f o r m a t i o nw a su s e df o rt h ee s t i m a t i o no ft h em o d e l p a r a m e t e r sp r i o r d i s t r i b u t i o n o nt h eb a s i so ft h a t ，t h ev i s u a lr e a l - t i m ef l o o df o r e c a s t i n gs y s t e mw a s d e v e l o p e da n d t h eb e n e f i c i a lt r yw a sd o n ea b o u th o wt oc o m b i n et h ep r i n c i p l e s o fs o f t w a r ee n g i n e e r i n gt od e s i g no ft h e0 n - l i n ef o r e c a s ts y s t e m i nt h ee n d ，t h ev i s u a lr e a l - t i m ef l o o df o r e c a s t i n gs y s t e mw a s a p p l i e di naw a t e r s h e d t h eo u t c o m et h a tw a sc a l c u l a t e db yb a y e s i a nd y n a m i cl i n e a rm o d e ls h o w e dc l e a r l y t h a tt h er e s u l t st h a ta c c o r d e dw i t ht h ef a c tw e l l i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ea p p l i c a t i o no f b a y e s i a nd y n a m i c l i n e a rm o d e li nf l o o df o r e c a s t i n gi sf e a s i b l ea n da v a i l a b l e k e y w o r d s ：f l o o d f o r e c a s t i n g ，r e a l - t i m ef o r e c a s t i n g b a y e s i a nd y n a m i c l i n e a rm o d e l 浙江大学硕士学位论文一洪水实时预报方法研究与软件开发 第一章概论 第一节洪水实时预报的目的和意义 我国是一个水、旱灾害频繁的国家。历史上，从公元前2 0 6 年汉朝初期至 1 9 4 9 年新中国成立，其间2 1 5 5 年共发生较大洪水灾害1 0 9 2 次，较大旱害1 0 5 6 次，平均大约每2 年发生一次水灾、一次旱灾。建国以来，仅水灾一项，其多 年平均受灾面积就达1 2 2 亿亩，成灾面积达6 7 2 0 万亩，损失很大。而且随着 各地人口的不断增加和社会经济的发展，环境日益恶化，洪灾面积和损失都呈 逐年上升的趋势。在这些旱涝灾害中暴雨洪水则是我国的主要水灾形式。例 如1 9 9 8 年全国共有2 9 个省受灾，受灾面积0 2 【2 亿平方公里，受灾人口2 2 3 亿，倒塌房屋1 9 7 万问，持续了二个月之久，直接经济损失1 6 6 6 亿元人民币， 还动用了8 0 0 万劳动力用于抗洪抢险。其中长江流域是1 9 5 4 年以来发生的又 一次全流域型特大洪水，虽然只有九江一处干堤决口，但抗洪救灾中所耗费的 人力财力非常巨大，几乎到了全民动员的程度。 洪水作用的系统是一个由物理、化学、生物、地理、气象等多因素、多层 次复合丽成的多谱系系统，因而洪水问题不仅是一个工程技术问题，而且广泛 地涉及到社会经济、自然生态、政策法令等许多方面。我国的防洪实践证明， 工程措施与非工程措施的结合应用才是建立和完善江河防洪系统的有效措施。 所谓工程措施，是指采用筑坝、修堤、疏浚、开河等措施来抗御洪水。非工程 措施则泛指一切不以修建工程进行抗洪的其它避洪和减灾措施，如：加强防洪 设施管理；保持和保证防洪设施的运行能力：健全通讯系统和预警系统；在i 程设施中充分考虑适应洪水短暂淹没的措施，以尽可能减少洪灾损失；改进和 发展洪水预报技术；提高防洪调度水平；设立洪灾保险等。其中，改进洪水预 报方法、提高预报精度、增加预报预见期是非工程措施中最行之有效、最节省 的办法。洪水预报是事先根据已有资料估算未来状态中实时洪水要素的状态及 其变化的一项工作，是把水文学、水文模拟、水文分析与综合和非水文学科( 如 站网设计、资料处理、遥测技术、通讯技术、计算机技术等) 综合在一起的一 项工作。 在1 9 9 8 年长江流域特大洪水中，洪水预报就起到了很好的作用。如宜昌 第6 次洪峰在上游即将形成时，预报沙市相应最高水位接近4 5 o o m 的分洪水 位，其预见期为2 4 ：3 0 h ，根据2 4 h 内雨量预报、清江隔河岩水库下泄流量，8 浙江大学硕士学位论文一洪承实时预报方法研究与软件开发 月1 6 日8 ：0 0 作出沙市1 7 日5 ：o o 水位将达到4 5 0 5m ，8 月1 6 日1 7 ：o o 又 根据水雨情实况预报沙市1 7 日8 ：o o 洪峰水位4 5 3 0 m ，超分洪水位历时2 2 h ， 超额洪量2 亿m 3 ，若启用荆江分洪工程可降低沙市水位o 0 6 - - 4 ) 2 3 m ，这些都 为中央决策提供了重要的依据，为夺取抗洪抢险的胜利作了保障。 由此可见，科学、准确、及时地根据降雨来预测、预报洪水对防洪抗洪， 减少损失是很重要的。建立一个完整、有效的洪水实时预报系统的意义可以从 以下几点来说明： 1 提高了决策的时效性、科学性、可靠性。洪水预报是防汛抗旱、抗洪抢险 的耳目，其时效性的要求是很高的，预报越早越主动，而建立在线预报系 统后，以前的大量繁琐的手工计算工作由计算机完成，其速度大大提高了。 而且，计算机特别擅长重复繁重的计算，其准确性要比预报人员手工计算 高很多， 2 减少人民的生命财产损失。洪水预报是为调洪决策提供依据的，预报的效 果将通过各个决策与计划来实现其影响程度深远。正确及时的预报可以 使水利工程合理调度，可以有计划采取分蓄洪措旌，及时采取防洪抢险、 逃洪疏散等紧急行动，力求使灾害损失限制到最低程度。而如果提供了错 误的预报结果，将导致极其严重的后果，其损失是无法挽回的。 3 提高流域所属地区的经济效益。洪、涝、旱灾害历来是影响我国国民经济 发展的重要因素之一，历来有“治国先治水”之说，而且世界上许多古代 文明都是先在各个大流域发展起来的，如埃及的尼罗河流域、古巴比伦的 两河流域等。况且水是工农业生产晌命脉，也是宝贵的资源。为合理、有 效地开发与利用水资源，就需要清楚地知道流域上雨洪成因及其变化规律， 对未来水况有所了解，才能做到心中有数，合理调度和利用。此外，洪水 预报虽然是一项公益事业，其测洪报讯的社会效益和环境效益难以量化计 算，但根据世界气象组织的调研认为，洪水预报的减灾效益约占防洪工程 的1 0 - - 一1 5 ，据此估计，长江流域洪水预报的经济效益可达3 4 5 亿元。所 以世界气象组织原水文水资源部主任j 捏迈茨认为，水文预报的内容不能 仅仅被认为是一种具体的水文技术，而应该是一种运用多门技术发展的经 济活动。 4 为科学研究和防洪工程设计提供资料。洪水预报调度是水利水电工程建设 中一项重要的非工程措施，是水利水电工程设计、旆工、调度、管理的重 要依据，对确保工程的安全运行和施工建设起着重要的作用。同利它还是 重要城市防洪、对水工建筑物进行科学管理的必要手段。 多年以来，人们往往对堤防建设等工程措施十分重视，而忽略了对洪水预 浙江大学硕士学位论文一洪水实时预报方法研究与软件开发 报、水库洪水调度等非工程措施的开发利用，对水库、河道堤防、蓄滞洪区等 的预测与联合调度研究应用较少。因而洪水预报与防洪调度辅助决策系统的建 设相对滞后，不能满足现有的防洪要求。特别是一些地区性的中小流域，这种 建设更显落后。目前，随着我国经济建设的快速发展，防洪抗灾，加强生态的 可持续发展的重要性和紧迫性日渐突出，我国各级人民政府也对其投入了大量 的资金与人力。在全国范围内建成稳定、有效、可靠、及时的洪水预报与调度 决策支持系统已刻不容缓。本文即在这方面作了一些探索与尝试。 就世界范围来看，洪水也是威胁人类生存的一大自然灾害，其破坏力和损 失程度绝不亚于地震、台风、海啸等灾害。各国政府都极为重视，对治理、防 范和利用洪水投入大量的人力、物力。并建立了相应的体系。例如，美国在密 西西比河等广大流域都建有独立的管理、调度机构，这些机构同时也承担开展 一定的水文科学研究工作。各个州也有相应的洪水防范机构，并强制实施洪水 保险。欧洲的莱茵河则建立了跨国界的协调机构。 第二节洪水预报的内容和方法 洪水预报是当今水资源学科中一个重要的分支。对洪水预报的研究也一直 是水文学的重点与热点。全世界洪水预报模型有2 0 0 多种，都是针对不同情况 提出的。从概念上讲，洪水预报是指根据流域上发生的暴雨或河流上游的来水， 经过水情信息采集、传输、存贮、处理和一系列的科学计算，最终预估出在流 域出口断面或河流下游水文站即将发生的实际洪水过程。现代洪水预报涉及到 信息收集和传输系统、水文预报模型开发、模型参数率定、模型检验、实时预 报滤波和校正技术等是一门技术性很强的应用性学科。 洪水预报在国际上通常分为三类：洪水咨询、洪水警报、洪水情况。国内 习惯上则分为预备警报、订正警报和预报方案三类。计算时间绝大多数河流要 求从输入资料时间起到作出洪水预报警报止，共约2 0 分钟，实时性强。系统 数据量大。 现代的洪水预报方法大多是具有一定物理成因基础的经验性方法。其模型 有许多种，大致上可分为水文物理模型和水文数学模型两大类。其中水文物理 模型主要是通过实验和现场观测来确定流域的相关参数，并用这些参数来描述 流域的特征，计算可能的洪水参数。它包括为比尺模型和比拟模型二类。比尺 模型和一般的水力学模型、水工模型类似，是根据几何相似与力学相似原理， 按一定比尺将流域缩制成模型来研究。由于耗费过大且难以精确模拟流域的植 浙扛大学硕士学位论文洪水实时预报方法研究与软件开发 被、下渗条件等情况，该类模型应用很少，仅美国做过比较大的比尺模型试验。 比拟模型则是以另一类现象的物理性质来类比水文现象的物理性质，借此以便 于观测或形象化。例如，可以用二维导电介质中的电流场模型来模拟土中渗流， 电流场模型中等电位势相当于土中渗流的等水头线，电流线相当于渗流线。 水文数学模型是仿原型的物理机制，应用物理学定律建立其数学描述方程 并用数学的方法进行描述与求解。它有多种不同的分类方法，如可分为线性模 型与非线性模型；时变模型与非时变模型；确定性模型( d e t e r m i n i s t i cm o d e l ) 与随机性( r a n d o mm o d e l ) 模型等。相同的输入产生相同的输出，称为确定性， 它描述了水文现象的必然规律：反之则称为随机性。确定性水文模型是研究和 应用得较多的类模型，它一般可表示为模型结构和模型参数两部分。具体形 式又有黑箱子模型和概念性模型( c o n c e p t u a lm o d e l ) ；集总式模型和分散式模 型等分类。我们常见的如新安江模型，萨克拉门托( s a c r a m e n t o ) 模型，斯坦 福( s t a n t b r d ) 模型，日本水箱( t a n k ) 模型等都是概念性模型：而意大利的 e t o d i r i i j rw a l l s 教授的c l s 模型则是黑箱子模型，单位线方法实际上也具有 黑箱子的性质。 水文数学模型普遍引入了系统的概念。系统是指“处于一定相互联系中的 与环境发生关系的各组成成分的总体。”( 系统论创始人、奥地利科学家冯贝 塔朗菲) ，因而系统具有整体性、有序性( 层次性与动态性) 和相关性等基本 特性。 系统的整体性是显而易见的，因为系统的本质特征就是由相互作用、相互 依赖的若干要素或部分的有机结合。系统的整体性表现为系统的各要素在系统 整体的目标、性质、运动规律和功能等方面的统一。近代对水文科学的研究， 把“土壤植物大气”视为个连续体，称s p a c ( s o i lp l a n ta t m o s p h e r e c o n t i n u u m ) 系统，并开展了陆气相互作用和陆气耦合模型的研究，以大气、 土壤和植被问垂向的水量、热量交换来描述径流形成的物理途径。由于雨洪之 间的密切关系，这种研究对提高洪水预报的科学性有较大作用，是对以往水文 研究局限于流域本身的一种突破。 系统的有序性包括系统结构的有序性和发展的有序性。而系统的相关性则 是保证系统整体性的必要条件，它表明，在一个系统中，任何一个参数的变化 率都是系统所有参数数值的函数：反之，任何一个参数的变化都会使所有参数 及整个系统发生变化。正是由于系统的这特征才使我们能够借助于观测系 统的某些参数及其变化来推断系统的另外一些参数及其变化，或者对系统施加 某种激励来观测其输出，推断其参数，这称为系统的识别，如根据降雨洪水关 系来率定模型参数等。 4 浙江大学硕士学位论文一洪承实时预报方法研究与软件开发 掌握一个系统的性质不仅需要知道输入，输出及其关系，还需要知道系统 内部状态变化，因此，描述一个系统需要三种变量，即输入变量、输出变量与 状态变量，其关系可用图1 1 表示： 输入 变量 _ 堕 1 输出 变量 y 图1 - l系统的构成 系统的激励与响应函数即为系统的输入与输出，数学上常用奇异函数、卷 积、传递函数等表示系统激励与响应关系。凡不考虑输入与输出变量及其关系 中参数空间变化的，称为集总式( l u m p e d ) 系统，反之称为分散式( d i s t r i b u t e d ) 系统。集总式系统用常微分方程表示，时间是唯一的自变量；分散式系统则用 偏微分方程表示，自变量除时间外还有空间变量。 例如，描述坡面流运动的系统有二类：水文学方法和水力学方法： 水文学方法表示集总式系统：连续方程：，一q = 竺( 卜1 ) c l t 动量方程； s = a q 6 ( 卜2 ) 水力学方法表示分散式系统：连续方程： o q + o h ：月( z ，) ( 卜3 ) c xc l t 动量方程： q ( x ，) = b h 。( x ，f )( 卜4 ) 洪水预报涉及到的水文学知识主要有产流理论、地表径流的模拟、水文统 计学等。产汇流计算的理论基础是达西( h pg d a r c y ) 定律与圣维南 ( a j c b d es t y e n a n t ) 方程组。现代产流理论起源于霍顿( r e h o r t o n ) 产流 理论。汇流理论则是以谢尔曼( l r k s h e r m a n ) 的单位线方法，马斯京根 ( m u s k i n g u m ) 洪水演算法，纳须( j e n a s h ) 串联线性水库汇流模型等为基 础的。产汇流理论旨在探讨不同气候和下垫面条件下降雨径流形成的物理机 制，不同介质中水流扛集的基本规律及计算方法。由于水分在不同介质中作垂 直与水平等运动，其复杂性和不确定性要求把确定性方法和随机性方法结合起 来使用，以更好地模拟实际过程。 地表径流等过程都是很复杂的自然现象，它深受许多确定和随机因子的制 约。由于认识水平以及获取径流过程信息的局限性，人们迄今为止尚不能完全 用力学的方法来建立一套完整的、描述径流的数学物理模型。随着动力学系统 浙江大学硕士学位论文一洪水实时预报方法研究与轼件开发 研究的深入发展，混沌分析研究应用的成熟，特别是自控论的飞跃进步，不少 水文学者已经大量地把自控论等领域的一些技术方法引入水文学领域，借助电 子计算机的功能，大大推进了水文学发展的进程，使水文的数学模拟借助系统 理论等而取得了长足的发展。 对于中小型水库而言，一般具有流域面积较小，集流时间短，洪水来得快， 调蓄作用小等特点。大多数中小型水库的实测洪水资料短缺，水库泄洪设施多 样，情况复杂。并且，很多中小型水库采用群众( 非专业技术人员) 管理的形 式。这些都为其洪水预报与调度带来很大的困难。因此，通常的中小型水库的 水文预报既要有一定的精度，又要方法简单；图表简明，步骤明确，以便于快 速查看。其预报模型通常是结台流域特点而开发的经验公式或图表。而基于微 机的中小型流域洪水预报与调度系统是其发展的方向。 由于河道天然来水在年际、年内的分配和在地区上的分布复杂多变，又往 往与农业灌溉的需水要求不相适应，水多了会引起洪涝灾害：水少了就会出现 旱情。因缺水而导致的工农业生产上的损失也很大。因此，枯水预报也是非常 重要的，从广义上讲也是洪水预报的一部分。我国大部分地区枯季降水量很少， 一般仅占全年的3 0 左右，枯季径流量的大小与枯水期的长短直接关系着流域 灌区的灌溉定额和灌溉面积的确定以及水电站的出力。为了避免干旱时无水可 用的局面，必须认真总结历年用水经验，分析农耕季节用水特点和枯水变化规 律，综合中长期水文气象预报做好水库、河道的枯水预报，制定计划，以合理 地利用水资源。此外，由于枯水季节降阿少，水库应尽量在保证抗洪要求的情 况下多拦蓄洪尾水量，以资利用。 第三节洪水预报的发展概况 人类在与水作斗争的长期实践中积累了丰富的经验。据历史记载，在我国， 从公元前2 5 0 年开始就开展了水文观测，后汉书里有对雨情作测报的记载。 明万历元年( 公元1 5 7 3 年) 开始在黄河上设立驿站，每三十里为一站，当发生 洪水时，以快马向下游传递水情，日夜不息，并按“凡黄水消长必有先兆，如 水先泡则方盛泡先水则将衰”的规律对水势涨落进行预报。说明四百多年以 前我国已有了洪水情报预报制度和方法。但是和其他学科相似，因为历史的原 因我国洪水预报的发展到了近代就停滞了。 现代水文预报的发展始于本世纪初，1 9 2 2 年m a i l l e t 提出用水位流量作洪 水预报，成为现代水文预报的开端。 6 浙江大学硕士学位论文一洪水实时预报方法研究与软件开发 1 9 3 2 年，l t k ，s h e r m a n 首次提出了单位线的概念和方法，能够解决流域汇 流计算问题，给现今的雨洪径流预报奠定了基础。它与霍顿下渗理论构成流域 水文模型中两个最基本的理论支柱。s h e r m a n 单位线是以经验形式表达的，随 着现代线性系统理论的发展，把单位线定义为线性系统的脉冲反应，即输入为 一个脉冲时的出流过程，这就是瞬时单位线的概念。 1 9 3 3 年r e h o r t o n 提出了最早的产流理论，即下渗理论。根据这一理论， 当雨强小于下渗能力时，所有的降雨都被土壤吸收，而当它大于下渗能力时， 吸收率只能等于下渗能力，其余部分就是产流量。土壤表面有如筛子，能把降 雨筛成两部分：一部分形成坡面流后进入河道；另一部分先进入土壤，然后或 渗透成为地下水，或由蒸散发而重新进入大气。这是从模拟观点出发所建成的 产流模型，加上单位线就形成了完整的流域水文模型。事实上，现在很多模型 的基本概念就是下渗理论加单位线。 1 9 3 8 年，g t m c c a r t h y 提出了单位线与洪水演算，并首次应用了马斯京根 ( m u s k i n g u m ) 洪水演算法，给现今的河道洪水演算开辟了新途径。 1 9 4 5 年c l a r k 提出了蓄水和单位线，给现今河、库蓄洪预报建立了概念。 1 9 4 8 年l i n s l e y 提出了洪波分析中电模拟的应用，为现在的洪波预报理论 和模拟预报方法打下了基础。 1 9 5 5 年r i c h a r d s 提出洪水估算与控制，为当今的预报、警报系统提供了牢 固的基础。 1 9 5 9 年a u b e r t 等人提出了统计预报方法，给现今中长期预报奠定了基础。 近2 0 年来，山坡水文学得到了长足的发展，这一一理论是对霍顿产流理论的 创新，起源于7 0 年代初柯克比( k i r k b y ) 等一批水文学家合著的山坡水文学 一书。所谓山坡是一块几十米长的小区，因而山坡水文是一种微观尺度的水文 现象。通过对它的研究提出了若干新的产流机制，即壤中径流和饱和地面径 流的形成机制及回归流的概念。这些对分析洪水的物理成因有很大帮助。山坡 水文学最重要的研究成果有二个方面：一是揭示出降雨径流过程中表层流( 或 壤中流) 的存在；二是局部产流，或变动面积上产流。按山坡水文学概念，可 将径流划分成如下几种类型： 1 霍顿坡面流：当雨强超过下渗强度后，在地表形成的径流。 2 饱和坡面流：饱和面积上降雨形成的直接径流。 3 饱和表层流：由于土层质地不同，特别是当上层土的渗透性强，下渗的雨水 在下层渗透性弱的交界面上受阻，大量超过下层土壤传导率( 或下层下渗强 度) 的渗水积存在上层，使上层土壤逐渐饱和，遇有出露地表或沟岸的条件， 即可形成表层流。 浙江大学硕士学位论文一洪水实时预报方法研究与软件开发 此外，还有流动更为缓慢的非饱和表层流和地下水流。 1 9 6 0 年， k a l m a n 提出了著名的k a l m a n 滤波理论，这一理论在洪水实时 预报中的应用使水文洪水预报理论进入了现代控制论的范畴。卡尔曼滤波的性 能是滤除模型观测二种噪声，以期得到逼近系统状态真值的估计，其对未来预 报的改进则源于系统状态估计的改进。卡尔曼滤波用于实时洪水预报所遇到的 难点主要是针对预报模型所存在的非线性问题及如何确定模型噪声的协方差矩 阵和量测噪声的协方差矩阵。 由于资料条件和计算工具的限制，在一个相当长的时间里，预报方法一直 处在经验相关的水平上，比较确切的预报成果往往还离不开预报人员经验的直 接干预。另外，随着时间的推移，流域上的人类活动改变了产、汇流条件，致 使原有的预报方案可能失灵：加上每场暴雨的生成、发展、移动和消亡等自然 现象错综复杂，原有的预报方案也难以完全概括。因此，预报不合格或失误事 件时有发生。6 0 年代开始，水文学科领域引进了数学模拟概念，把流域上实际 发生的暴雨洪水、产汇流现象分别用数学方程( 如水量平衡方程、运动方程等) 来表达，并通过计算机模拟来实现。在模型的设计中，它要求能基本上体现雨 水在产汇流过程中的运动规律，用模型参数来反映各种水文特性。由于近年来 汁算机处理能力的飞速发展，为洪水预报的计算机模拟及仿真分析提供了良好 的硬件环境，同时也促进了洪水预报中各类算法的改进与提高，使实时预报与 智能调度等方面的研究都取得了较大的进展。 另外，近年来还有一些新的思想和方法被引入了洪水预报领域中，如：基 于混沌分析：分形理论；神经网络理论；模糊聚类理论等建立起来的各类模型。 这些对水文预报的发展有很大的促进作用。 建国以来我国洪水预报技术的发展也取得了不小的成绩。1 9 5 2 年丌始在长 江、黄河、淮河等部分河段上试作并发布洪水预报，现已建立了比较完善的洪 水预报与防洪调度体系，并投入了实际使用，效益明显。在大量的工作实践中， 预报技术和方法也有了很大的提高与发展。一方面，从河道洪水波运动的物理 成因方面作了深入的分析研究，不仅提高了计算精度，而且能用于无流量资料 的地区；另一方面根据我国一些河流的特性，增加考虑了一些影响因素，提出 了能适应不同条件下的河段洪水预报方法。如河海大学的赵人俊教授等人提出 了具有我国特点的新安江模型，能较好地处理降雨不均匀、径流来源不同、调 蓄作用不同、以及区间来水、非线性变化等问题，适应于湿润、半湿润地区。 同时还提出了适应干旱地区的陕北模型。经过历年发展其精度与适应范围都非 常好。 近年来，国外在应用遥感远传技术，联机预报，用卡尔曼滤波进行实时校 8 浙江大学硕士学位论文铁水实时预报方法研究与软件开发 正等方面有较大的发展，同国外的先进水平相比，我国在联机、自动化和某些 基础理论、实验研究等方面还存在着差距。目前国内的方法中还有不少是建立 在经验统计相关的基础上，对水文现象内在的客观规律研究不够，许多丰富的 经验还有待系统地进行加工、总结、提高到理论阶段。 现在，一些用得比较多的模型，其结构正逐渐趋于一致，与产汇流的基本 理论相靠近，根据世界气象组织( w m o ) 1 9 7 4 年对十个具有代表性的模型所 作对比的结论以及1 9 9 7 年1 2 月全国水文预报技术竞赛的结果，可以对现有预 报模型的情况大致归纳如下： 1 ) 在湿润地区，各类模型都能应用。 2 ) 模型结构中包含土湿计算方案的，对旱季的模拟有利。 3 ) 当资料条件不好时，有土湿计算的模型还不如没有直接计算土湿的模型好。 4 ) 结构不定的模型( 如水箱模型) ，适应性较好，能用于各类气候与地形。 5 ) 模型的复杂程度与模拟精度之间没有必然关系，实际上，资料问题的重要 性要超过模型结构问题的重要性。 八十年代后期至今，模拟计算技术得到了飞跃的发展，集中表现在模型参 数优化技术的应用；人机对话界面友好：模拟过程与结果的图表显示及各种成 果的包装；洪水仿真分析等方面。模拟加上高速计算，使模型比之过去的方法 可以考虑更多更细的因素：使用与实际水文过程尽可能接近的数学函数；更短 的计算时段。但是，就世界范围来看。流域水文模型的发展都处于缓慢阶段， 除了对原有模型有一些修改外，几乎没有什么突破性的进展，也没有有影响的 新模型出现。现有的洪水预报系统还存在着的一些局限性，主要有：在模型结 构环节上主要借助于概念性元素模拟或经验函数关系描述，许多参数缺乏明确 的物理意义：用最优化方法确定模型参数对实测降雨径流资料的依赖性很大： 模型输入的空间分散性和不均匀性明显；以离散方式计算连续过程的误差及计 算的稳定性问题等，因此，在今后的洪水预报发展中将关注以下几个方面： i ) 加强对流域径流形成物理机制的研究，加强对流域径流形成要素空间分布 描述方法的研究。 2 ) 探索用随机微分方程建立流域水文模型的新途径，将确定性方法与随机性 方法相结合。 3 ) 重视对流域水文模型计算方法的研究。 4 ) 加强对流域水文模型预报误差的实时较正的研究。 此外，还应该将水文预报与气象预报综合起来考虑，根据气象形势及其发 展变化情况随时补充、订正原预报成果，使预报成果尽可能准确、实用。 9 浙江大学硕士学位论文一洪水实时预报方法研究与软件开发 第四节本文的主要工作 从前面的论述中可以看出，当前洪水实时预报发展的趋势是借助计算机仿 真、测试自动化等新技术，将预报理论更好地应用于实际，以取得更好的预报 成果，产生更大的效益。在我国，这是一个薄弱环节，大部分地区洪水测报预 报的自动化程度不高，仍然停留在凭经验预测洪水、凭经验调度洪水的阶段， 其经济效益和社会效益极其低下。特别是很多中小型流域，不仅其堤坝、水闸 等硬件设施简陋，难阻满足抗洪要求，其管理调度等软件设施更显单薄。考虑 到我国现时的经济条件的制约，很难在短时间内，对全国的所有流域投入资金 和人力建立自动化程度较高的洪水预报与调度决策支持系统，还需要依靠地方 力量。因此需要研制适合中小型流域的洪水预报与调度决策支持系统要求其 成本不高但能满足精度、时效等要求。本文即在这方面做了有益的探索并取 得了定的成效。 所以，本文的主要工作有： 1 将贝叶斯统计推断与动态模型理论结合起来并首次用之于洪水实时预报 中。 近代贝叶斯统计推断理论的发展也有几十年，并在许多领域获得了广 泛的应用，尤其是在经济和商业流域较为成熟，发挥了很大作用，这得益 于其能够非常方便地处理异常情况对统计的影响。考虑到洪水实时预报中 可能会出现许多异常情况，并且预报时还要根据实际情况不断地对其干预， 笔者将贝叶斯统计推断方法引入系统，结合动态模型理论建立了洪水实时 预报的贝叶斯动态线性模型，确定了模型参数( f ，g ，髟，) 的具体形 式，以模型的动态性来模拟洪水形成系统的时变性，并用贝叶斯估计手段 实现对洪水更合理的监测、实时分析、预报与控制。 2 探讨了将确定性预报模型和随机性预报模型结合起来的途径。 雨洪的形成既有其确定性的规律，又受到很多不定因素的影响，单纯 地用基于物理成因的确定性概念模型难以模拟出其波动，而仅仅使用统计 模型来分析雨洪关系，由于参数缺乏明确的物理意义，不能反映出雨洪的 本质关系，往往容易陷入到数字游戏中，造成预报结果看起来精度很高却 不符合常理。只有将二者有机地结合起来，耿长补短，才能取得好的效果。 本文参考了一些常用模型的参数选择并结合实际选取了具有物理意义的参 数，对关键的参数不是取一个固定的值，而是按概率选取并随时根据系 1 0 额江大学硕士学位论文一洪水实时预报方法研究与软件开发 统实时的运行状态和测试数据加以调整，这样和实际情况更吻合，预报的 效果也更好。 3 开发了基于微机系统的洪水实时预报系统。 笔者在w i n d o w s 平台上开发了一套洪水实时预报系统，由于是在微机 上开发的，特别适合于中小型流域使用。该系统是用v b 语言编写的，在 开发过程中充分考虑了友好的人机界面；系统的易用性、实用性和经济性。 另外，还考虑了程序的健壮性设计和易扩充性，使其能够随着进一步的研 究而不断改进，同时能够对不同流域的不同情况方便地修改、扩充程序， 并根据用户的特殊要求添加或删减功能。 4 验证了系统的可行性。 为了验证贝叶斯动态线性模型能否应用与洪水实时预报以及软件的性 能，笔者用浙江省奉化市的实测历史资料进行了模拟实时分析。其结果证 明，使用贝叶斯动态线性模型来进行实时修正预报是可行的，成果是合理 的，有发展的前途。贝叶斯方法采用了递推格式计算，能够根据需要及时 改变递推式中各参数的先验分布以适应雨情、水情的变化。 浙江大学硕士学位论文一洪水实时预报方法研究与软件开发 第二章洪水预报模型 第一节产流的计算原理 一个洪水预报模型在模拟径流的形成时，应当包括二个基本部分，即： 1 ) 水量平衡部分。在总体结构中，这一部分主要处理降雨损失，即产流，它决 定着径流总量的大小。 2 ) 流域调蓄部分。这部分决定着径流的时程分配，即汇流部分。它包括坡面调 蓄和河网调蓄，合起来本就是流域调蓄。 由此可见，产、汇流的计算是概念性模型的基础，下面作详细介绍： 产流是指流域内的降水量与损失量之差。从降水转化为径流都有损失，除 江湖河面，不透水地面上的直接降雨仅有蒸发损失外，其余地区还有植物截留、 洼蓄、下渗等损失。因此，简单地说流域产流计算就是扣损。影响损失的因素 有下垫面条件：降雨特性；雨前流域的干湿状况等。由于土壤是流域的主要下 垫面条件，并且初损中洼地填蓄，产流前的土壤含水量下渗等都与之有关，所 以先来简述一下土壤及其中的水的运动。 土壤是一个由多种固体、液体和气体物质所构成的复杂的混合体。其中， 固体颗粒按不同的排列方式构成了土的骨架，其余空隙则由气体与液体填充。 液体水分是土壤中最活跃的成分之一，也是做产流分析所关心的。在土壤地下 水面以上部分，称为包气带，其含水量经常变化，水分在其中的运动非常复杂， 不仅受土壤中各种力的作用，同时还受到化学过程和生物的影响，它的运动现 象可以归纳为向上和向下二个方面，即水在毛管力、重力作用下向下运动形成 下渗和渗透，在毛管力和气象因素作用下向l 运动，形成毛管上升和蒸散发。 因此土壤水的消长对降雨起到重要的再分配作用，是径流形成的重要制约因 素。土壤中水分形态有四种：吸湿水，薄膜水，毛管水和重力水。水在土壤孔 隙中运动速度很缓慢，其动能一般可以忽略不计，那么势能就决定了土壤水分 的能态与运动。任意二点之间的土水势之差就是这二点之间水分运动的驱动 力。因此，土中水的渗透速度可以用下列公式表示： v = 一k g r a d o ( 2 1 ) 式中：v 流速 k 水力传导度或渗透系数 浙江大学硕士学位论文一洪水实时预报方法研究与软件开发 d d m 水的压力势梯度 降雨径流的形成与土壤的下渗能力、田间持水量、 性有关。在一次降雨中，下渗能力随时间呈指数变化， 式： f = 五十( 兀一正弦一“ 式中：- 厂下渗能力( m m h ) 工起始下渗能力 丘稳定下渗能力 地形坡度及土层各向异 并表示为以下的经验公 k 随土质而变的系数 t 时间。 这样，就可以把流域的产流情况分成如下四种类型：( 见图2 1 ) 漉蠹 流嚣 fa 1 时间 时间 流萤 流量 时间 图2 - i霍顿产流机制类型 时间 ( 2 2 ) 浙江大学硕士学位论文一洪水实时预报方法研究与软件开发 1 ) 当雨强小于下渗能力，降雨不足以补足田间缺水量时，如图2 1 ( a ) 所示， 无径流产生，河流处于原先的退水状态。 2 ) 当雨强很大，超过下渗能力而历时较短时，将产生地面径流，如图2 1 ( b ) 所示，由于历时短，下渗小，田间缺水量不能补足，不产生地下径流，河 流中将出现尖瘦且涨落大致对称的洪水过程线。 3 ) 雨强不大，未超过下渗能力但历时较大时，将不产生地面径流。但可以 把田间缺水量补足，因此产生了地下径流，如图2 1 ( c ) 所示，这样，河 流的退水线抬高，洪水峰形平缓，退水历时长。 4 ) 雨强大于下渗能力，且田间缺水量也得到补足，此时河流中将产生陡涨缓 落的洪水过程线，地面径漉和地下径流均有。如图2 一l ( d ) 由此可见，霍顿下渗理论的核心思想是超渗产流：超渗雨形成地面径流： 田间缺水量补足以后的稳定下渗量形成地下径流。但事实上，在植被良好的湿 润地区( 如浙江，江苏等地) ，很难形成超渗产流，而多为超蓄产流( 蓄满产 流) ，即：降雨先补足田间缺水，再产生壤中流，在局部地区产生饱和坡面流。 此时，典型的产流过程可以描述为：当降雨到达山坡地面后，雨强大于地面下 渗能力时，巧：能被土壤吸收的那部分超渗雨形成地面径流，这就是超渗地面径 流( 霍顿坡面流) ，它易发生在于旱与半干旱地区，或湿润地区而植被土壤已 被破坏时。若降雨被土壤吸收，则它可能储蓄在土壤中，也可能以不同的路径 进入河槽。如果土壤和岩石覆盖较深厚，且具有均匀透水性那么，土壤中水 分可以垂直向下运动到饱和带，然后以曲线路径进入邻近的河道。若地质结构 不均匀则会破坏这种简单的水流路径。由于地下水的流速通常是很小的，而 且路径较长，所以大部分地下水只能提供给二次暴雨之间的基流，只有- - + 部 分贡献给河流的洪水，这部分水流对确定洪峰流量是不能忽略的。在透水性很 好的岩石、具有大断裂系统的基岩和地下洞穴中的水流速可能很大，以致河道 洪水中相当大的部分来自地下水，这部分水流就更显得重要了。如果在土壤或 岩石浅层处，渗透水遇到一阻水层，则一部分水变为壤中径流，并以较短的路 径到达河槽，当土壤饱和时，还有一部分水流会从土壤表面出露，并以地面径 流的形式到达河槽，这就是饱和坡面流，饱和坡面流很难在全流域上产生，但 很容易在局部面积上产生。如与河沟紧接的坡脚；凹潭与凹坡的坡底；土层很 薄的地方等都易于饱和，从而产生坡面流。在森林等植被覆盖较好的流域，地 面径流很少，壤中流是洪峰的主要成分。在一般有植被的流域，饱和坡面流是 主要成分。 归纳起来，可以看出，霍顿产流模型符合植被不好、土层不厚的山坡，纯 粹的壤中流模型符合植被良好，土层很厚的山坡。它们代表了众多水文模型的 1 4 浙扛大学硕士学位论文一洪水实时预报方法研究与软件开发 两个极端，其它的模型代表着二个极端之间不同水源比例划分的各种情况。水 可以从多种途径进入河道，产流的机制、产流量与出现时间都随着地形、土质、 降雨特性而变，并间接地取决于气候、植被和土地利用的情况。 另外，流域的产流面积在降雨过程中也是变化的。降雨开始前，河流中的 水量主要来自流域中包气带较厚的中下游地区的地下水补给。降雨开始后，流 域中易产流的地区先产流。随着降雨的持续，河沟开始向上游延伸，河网密度 增加，产流面积不断扩大，从而组成了流域出口断面处涨洪段不同时刻的流量， 降雨停止后，流域中河网密度逐步减小，产流面积变小，河中流量进入消退阶 段。 按上而的论述可以得到，有关产流的计算如下： 次降雨的总净雨深为： h = p 总一i u t 。一e ( 2 - 3 ) 式中：h 总净雨深( i t l n l ) p n 次降雨总量( m m ) ，仞损量( m m ) “后损的平均下渗率( m m h ) r ，净雨历时( h ) e 。蒸发总量( r a m ) 总净阿深乘以流域面积即为流域净雨总量，它等于流域出口断面的地面径 流总量办即流域产流总量。 式( 2 - 3 ) 只是概念性的公式，在实际的预报模型中很少采用它，而是按 照不同的产流方式来计算其产流量。假定把地面视为一个“筛子”，地面的下 渗能力视为“筛孔”。“筛孔”大表示下渗能力也大，故而可以把大的雨强“筛 入”地下，反之，则表示下渗能力小只能“筛入”小的雨强。由于土壤的下- 渗能力随着土壤含水量的增加而逐渐减小，直至达到稳定下渗率( 见式( 2 - 2 ) ) ， 因而地面更像一只筛孔会逐渐变小的“筛子”。地面的这种筛了：作用使得土壤 上层包气带总是把其上部边界( 地面) 接受的降雨分成二部分，一部分渗入 中，另一部分则留在地面，表示为： p = ，+ r 。( 24 ) 其中：，= jf ，1 ( t ) d t + p ( t ) d t ( 2j ) 浙扛大学硕士学位论文一洪水实时预报方法研究与软件开发 r s2 j ( i ( o 一( f ) ) 卉 ( 2 6 ) f l 式中：p 总降雨量 ，下渗到土中的总水量 r 。留在地面的总水量，即地表径流量 降雨强度 厶下渗能力( 容量) 下渗水量i 入渗到土中后首先在土壤吸力作用下被土壤颗粒吸附、保持、 存储，成为土壤含水量的一部分。在这部分水中，有的还要以蒸散发的形式逸 出地面，返回大气。扣除包气带的这部分缺水量后，余下的部分将成为可从包 气带排出的自由重力水。可见，下渗水量i 还可以表示为 ，= e + d + r ，曲= e + ( 阡- 一呒) + r ，岫 ( 2 - 7 ) 式中：d 包气带的缺水量 矿，包气带达到田间持水率时的土壤含水量 呒初始土壤含水量，即降雨开始时包气带的土壤含水量。 r 。包气带中自由重力水量 若下渗水量始终不能补足包气带缺水量( 即田间缺水量) ，则r 。= 0 ， 式( 2 - 7 ) 变为 ，= e + ( 虻一睨) ( 28 ) 式中：矿雨止时包气带的含水量 因此，包气带的含水量对是否产生自由重力水起着控制作用。在下渗过程 中，包气带自上而下依次达到田间持水量。当整个包气带均达到田间持水量时， 土层即达到了稳定下渗。此后，包气带中的自由重力水即可由地面一直下渗至 地下水面。这部分水成为地下径流，按式( 2 - 9 ) 计算。 r g = lf 。d t + p ( 2 嘞 f ) 九l s k 式中：r ，地下水径流量 正稳定下渗率 由于土壤不是均质的，包气带常常会包含两种或两种以上不同性质的土 1 6 浙江大学硕士学位论文一泱水实时预报方法研究与软件开发 壤，如果他们是上下叠合的，且下层土壤的透水性比上层土壤的透水性差，则 其分界面成为相对不透水面。在这种情况下，包气带上层的稳定下渗率显然大 于下层的稳定下渗率，降雨过程中若上层土壤达到田间持水量，其稳定下渗率 就成为下层土壤供水的上限值。此时除非降雨强度不超过交界面的下渗能力， 降雨会全部进入下层土壤；否则就会积聚在