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水力学模型在水文学中的应用研究 摘要 中国是一个水旱灾害频发的国家，水利在国民经济中具有重要的位置，水利的 兴衰直接影响到国家的稳定和人民的生活。在科学技术发展日新月异的今天，水利也 应跟上现代化的要求。科学治水需要有科学的工具。水力学模型是平原区洪水演进、 流域防洪调度、兴利除害、技术治水、科学管水合理利用的重要工具。本文结合流域 情况，首先提出了采用变动权重新安江三水源模型计算流域面平均雨量，可以减少由 于降雨的不均匀性、暴雨中心位置不同而引起由固定权重法计算的面平均雨量失真， 再针对水文学模型难以预报平原区水位过程，提出了应用水力学洪水演进模型。通过 水文学与水力学模型的耦合，可以较好地考虑回水的影响预报出水位。 针对潮汐的传播和涨、落潮不同的水力特性，本文对s a i n t v e n a n t 方程组差分求 解，将曼宁系数分解为涨潮系数和和落潮系数进行率定，准确地计算出逐时段河道各 断面的水位和流最。将所建立的水力学模型应用于平原区水资源供需平衡分析及宁波 三江口河口潮流量推算，结果表明，模拟过程与实测过程吻合良好，本文建立的模型 是实用的，逐步完善可以更广泛地在生产中应用。 主题词：变动权重；新安江三水源模型：一维水动力模型；差分解 s t u d yo na p p l i c a t i o no f h y d r o d y n a m i cm o d e l i nh y d r o l o g y s h a ox u e q i a n g a b s t r a c t c h i n ai sac o u n t 呵i nw h i c hd r o u g h ta n df l o o dh a so f t e nh a p p e n e d ，w a t e rc o n s e r v a n c yi s p l a y i n gi m p o r t a n tr o l ei nn a t i o n a le c o n o m y t h ed e v e l o p m e n to fw a t e rc o n s e r v a n c yh a sad i r e c t i n f l u e n c eo nt h es t a b i l i t yo fn a t i o na n dt h el e v e lo fp e o p l e sl i f e ，t o d a y , a g eo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yc h a n g ew i t he a c hp a s s i n gd a y , d e v e l o p m e n to fw a t e rc o n s e r v a n c ym u s tf i tf o rt h e d e m a n do fm o d e r n i z a t i o n s c i e n c eo fw a t e rc o n t r o lr e q u i r e dat o o lo fs c i e n c e h y d r o d y n a m i c m o d e li si m p o r t a n tt o o l so fr i v e rf l o o dr o u t i n ga n df l o o dc o n t r o l ，p r o m o t et h eb e n e f i c i a la n d a b o l i s ht h eh a r m f u l ，t e c h n i c a l l yw a t e rc o n t r o la n ds c i e n t i f i cw a t e rm a n a g e b a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fd r a i n a g eb a s i n t h ev a d a b l ew e i g h t e dm e t h o dh a sb e e ni n t e g r a t e di n t o x i n a n j i a n gm o d e lt oc a l c u l a t et h ea r e a lr a i n f a l l ，t h ed i s t o r t i o ni sr e d u c e df o ra s y m m e wo f r a i n f a l la n dt h ed i f f e r e n tc e n t e ro fr a i n s t o r m b e c a u s eo ft h ed i f f i c u l t yf o rf o r e c a s t i n gw a t e rl e v e l i np l a i nb a s i nu s i n gh y d r o l o g ym e t h o d ，ah y d r o d y n a m i cm o d e li sb r o u g h tf o r w a r d i tc a nb e p r e f e r a b l ec o n s i d e rt h ei n f l u e n c eo fb a c k w a 姆rt of o r e c a s tw a t e rl e v e li np l a i nb a s i nb yc o u p l i n g h y d r o d y n a m i cm o d e la n dh y d r o l o g ym o d e l a c c o r d i n gt od i f f e r e n th y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i co ff l o o da n d e b bt i d e ，m a n n i n gc o e f f i c i e n ti s c a l i b r a t e ds e p a r a t e l yt oc a l c u l a t ew a t e rl e v e la n d 曩s c h a r g ea te a c hs e c t i o no ns u c c e s s i v e p e r i o d sb ya p p l y i n gt h es a i n t - v e n a n te q u a t i o n sw i t hd i f f e r e n t i a lm e t h o d t h em o d e li sa p p l i e d t oa n a l y s et h ed e m a n da n ds u p p l yo fw a t e rr e s o u r l | c e si np l a i na n ds i m u l a t et h et i d a l - d i s c h a r g e i nn i n g b oc i t y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec a l c u l a t e dd i s c h a r g e sa r ec l o s e dt ot h eo b s e r v e d v a l u e s ，t h i sm o d e li sp r a c t i c a b l ea n di tc a nw i d e l yu s e di ny i e l db yi m p r o v i n g k e yw o r d s ：v a r i a b l ew e i g h t e dm e t h o dx i n a n j i a n gm o d e lh y d r o d y n a m i cm o d e l ；o n ed i m e n s i o n m a t h e m a t i c a l ；d i f f e r e n t i a lm e t h o d 前言 浙江省的河流多为独立入海，大部分具有如下共同特点：汛期洪水大；枯水期流量 小；潮汐影响大。流域一般由上游区、中游区和下游区组成。上游区一般多为丘陵和山 区，河道比降较大，水流速度快，属于急流流态，有明确的水位流量关系曲线存在。在 中游区，河道从山区进入平原，河道的比降变缓，水流速度减慢，河道水流流态转为缓 流，水流运动受到下游水位项托的影响，河道的过流能力会受到下游水位的影响，出现 排洪不畅的现象，是防汛的重要河段。在下游区，河道进入平原入海段，河道的比降极 其平坦，水流受潮水和洪水的双重作用，洪水泛滥是上游洪水和河口大潮遭遇的结果。 素有“鱼米之乡”之称的平原河网区，随着经济和社会发展，也出现了一些新的问 题，主要表现在：一、排水和调蓄能力下降。因侵占水域使河网调蓄容量和洪涝排泄通 道断面减少，雨季常发生洪涝；二、供水不足。过去河网区水运和取水非常便利，随着 用水量不断增加，特别是城市和工业用水增加，河网水量普遍不敷用水需要；三、水污 染加剧。河网地区在非排水季节是一个封闭的水域，环境容量很小，随着废污水排放量 增加，水质趋于恶化，许多地方已出现水乡有水不能用的局面。 所以，当前面临的问题是，防洪安全仍缺乏保障，水资源的紧缺与用水的浪费并存， 水土资源过度开发造成生态环境破坏严重，水环境恶化和水质污染迅速发展，已经到了 严重的程度。 为此，开展水力学模型在水文学的应用研究，是了解洪水的运动规律，做到人水和 谐，人类与洪水共生存的必要手段。该项研究成果具有很好的实际生产应用价值。 本文的主要创新点在于：( 1 ) 提出变动权重新安江三水源洪水预报模型，用变动权 重法来计算流域面平均雨量，可以减少由于降雨的不均匀性、暴雨中心位置不同引起的 面平均雨量失真；( 2 ) 提出应用平原区洪水演进水力学模型，通过水文学与水力学模型 的耦合，能够考虑回水的影响预报出水位：( 3 ) 根据潮汐的传播和涨、落潮不同的水力 特性，将糙率分解为涨潮糙率和落潮糙率分别率定。 溺海人学碗十学位论文 水力学模型在水文学中的应用研究 第一章概述 1 1 研究目的和意义 上世纪9 0 年代以来，随着浙江省社会经济的飞速发展，当前面临的问题是， 防洪安全仍缺乏保障，水资源的紧缺与用水的浪费并存，水土资源过度开发造成生 态环境破坏严熏，水环境恶化和水质污染迅速发展，已经到了严重的程度“1 。水资 源的总体战略，必须以水资源的可持续利用支持社会经济的可持续发展，要从无序、 无节制地与洪水争地转变为有序、可持续地与洪水协调共处，从不重视节水、治污 和不注意开发非传统水资源转变为节流优先、治污为本、多渠道开源的城市水资源 可持续利用战略：对于防污减灾，要从末端治理为主转变为源头控制为主的综合治 污战略；对于生态环境建设，要从不重视生态环境用水转变为保证生态环境用水的 水资源配置战略：对于水资源的供需平衡，要从单纯地以需定供转变为在加强需水 管理基础上的水资源供需平衡战略。 在遍及全球的各种自然灾害中洪水灾害是最常见和危害最大的一种。人类与 洪水灾害斗争了几千年，时至今日，洪水灾害仍然居各种自然灾害之首位。据统计 ，在世界范围内每年的洪涝灾害损失占各种自然灾害总损失的4 0 。洪涝灾害 是人类面临的主要自然灾害，中国是一个饱尝水患之苦的国家，历史沉痛地记载着 这样的统计数字，水患无穷的中国，从公元前2 0 6 年至公元1 9 4 9 年中华人民共和 国成立的2 1 5 5 年间，大水灾发生了1 0 2 9 次，平均每两年就有一次。据1 9 5 0 年至 1 9 8 0 年统计，每年受涝耕地面积1 5 亿亩，成灾面积1 2 亿亩，粮食损失达2 0 0 亿 斤左右，受灾人数数以百万计，造成经济损失平均每年达1 5 0 2 0 0 亿元。江河防洪 对我国具有极其重要的作用，素有“治国先治水”之说。 洪水是一种不可避免的自然现象，大洪水将给人类造成极大的灾难。人类要学 第1 页 涌海走学硬七学缎论交 会与洪水和平共处，减少洪水灾害造成的损失，重要的是研究洪水的燧幼规律，主 动让出洪水通道，溅免人类活动与洪水运动的遮遇。对于举可避免的遭遇，应傲好 弱部的安全彳采护，鼯蓬减多漂永灾害造成熬揆炎。久粪娶鬻会每洪永焚艇存、和平 共处，首先要研究了解洪水的产生、发展、邀动、行为的愁过程研究洪水运动规 律，掌握洪水的习性。洪水是由东的运动形成的，东是自然器最普遍的物质之一。 必须邂循自然赛关予物质运动的藻率定律。镪何防洪工稷臻施韵防御滚承的能力总 是有限的，洪水预报作为一项非常重要的防洪非工程措施，对防汛抗洪工作的成败 起着坚关重要的作粥。 濒江省豹河流多为独立入海，大部分其脊如下共同特杰：汛期洪水太；秸承期 流量小；潮汐影响大。浙江省的流域一般可分为上游区、中游区和下游医。上游区 一般多为丘陵和山妖，河道毖降较大；水滚滚发快，属予惑滚滚态，鸯唆确的承位 流量关系曲线存在，河道豹洪水波运动属予遴动波。在中游区，河道扶山区进入警 原，河道的比降变缀，水流速度减慢，河道水流流态转为缓流，水流运动受到下游 水位壤托的影响，河遵於过流黢力会受到下游水位静影响，燃理莽 洪不惦躲瑗象。 超标滋承露，需要嬲用行洪区、分洪区等辅渤行洪，是簖汛的重要河段。这时的永 位流量关系曲线不褥唯一，是缀与下游水位相关的曲线。在下游区，河道进入平 原入海段，河道的魄晦极其平鬃，农流受濑瘩翔洪水静双熬佟月，零徽、流量受潮 汐的佟髑丽波动，水流流态为缓流。这一段河道一般具有较强的过流能力，摊拱不 畅主要是受潮汐的顺托。洪水泛滁是上游洪水和河口大潮邋遇的结果。从河口到潮 流界豹下游区，潺邀零漉方是疆潮汐变纯，浚态魄较复杂，鸯涨滚滚_ 嚣落灌滚，錾 瑟的水位流量关系髓线不复存在。 平原河网区自然条件优越，溱有“鱼米之多”之称，似随着经济和卒士会发展， 也出现了一些薪的阍露，主要怒：( 1 ) 排农耱调蓄能力下降。嚣侵占水域使潺鼹瀵 蓄容羹和洪涝排瀵通道断面减少，雨季常发生洪涝；( 2 ) 供水不足。j 建袅河网醒承 运和取水非常便利，随着用水量不断增加，特别是城市和工业用水增加，河网调蓄 水量酱遮不敷用水嚣要；( 3 ) 东污繁趣慰。+ 河阏地区在菲捺本季节是一个封耀夔拳 域，环境容量很小，随着废污水摊放量增加，水质趋于恶化，许多地方已出现水乡 有水不能用的局面。 第2 页 攒海太警疆士学傻论文 尔蓿溪作为太湖流域浙西的条重要入湖河流。上游为山溪性河流，下游为平 原溺雕，是澎江省的防添重点之，攫受着确镰校州市区、狡豢濒客嚣警原窝本流 域范嗣内的防洪安全，其特殊的水文气象条传和重要的地毽位置，使其谯整个太湖 流域的防洪与调度当中都起着举熙轻重的作用。因此，做好该地区的实时洪水预报 工传其蠢+ 分重要黪意义。疆究嚣发东营溪流域洪承预报系统靛基鳃是；嶷矮科学 合理的洪水预报方法建立该流域洪水预报方寨，并研制开发一套能够以人枫交互方 式选择预报方案，快速进行洪水预报计算，并鼠有洪水预报数据预处理、信息查询、 报表生成、系统繁璞答臻助珐戆瓣洪求颈援系统诗算枧应翔较终，蠢东羲溪流域豹 防洪减灾提供重要驹决策参考依搬。 尉肘，东苕溪千流河道汛期舒洪而在非汛期则主要承担沿江两岸工农业生产及 城镶骰承任务，是澎注省l 邦的豢蘩供窳淫瀵，宅不仅囊绞为霞于于浚蠹豹季l 痰、 提水工程提供水源，而且通过干流东岸的堰闹向东部平原地区供水。做好该地区的 水资源调查评价及供水水源论证，合理利用和科学管理水资源具有十分爨要意义。 螽汪是溪江省狻宠入海潺浚之一，惑潮滔段壹予受上游漠窳及下游潮拳赘莛鞫 影响，水流运动其水力要素均随时阃变化，流态复杂，寻求入海水文站邂年涨、落 潮量报冀的有效方法，对掌握入海径流量也最得特别重要。 综主掰述，由予传统承文学方法酃难驻黪决淤上淘嚣，开展承力学模鼙在本文 学的臌用研究，是了解洪水的运动规律，做到人水和谐，人类与洪水共擞存的必要 手段。该项研究成果具有很强的实际生产应用价值。 。2 圈内乡卜礴究现状 与很多其它学科的发展过程类似，水文科学也经历了从经验性阶段向近代科学 转变的过程。现代洪水预报技术形成的起点在上世纪3 0 年代，1 9 3 1 年，霍顿( 的r t o n ) 在在水文循环中下渗豹俸蠲“巾，提出了下渗豹建论。1 9 3 2 年，落尔曼( s h e r m a n ) 在用单位线法由降雨推求径流中”，提出了预报流域汇流的单位线滋。1 9 3 5 年 - 1 9 3 8 年，麦卡锡( m c c a r t h y ) 猩曩雷总结了以“马斯京于法”著称盼洪水演算预 报方法“。1 9 3 8 年，荚雷斯奈德( s n y d e r ) 在文献“综合零往线”中，掇出了对短 缺资料地区使用综合单位线的预报方法。这些都是在当是十分有效并一赢沿用至今 的基本滋水预报技术。 第3 页 溺海太掌疆士学静论文 从2 0 世纪6 0 年代开始，概念性流域水文模型的概念逐步形成并得烈了快速发 展。浚域求文摸鬃楚对流域上发熏戆求文瑗象滋孬概他，将些经验残德魉甄物蠼 瓣释。用严密羽数学方式表这出来，再把番个永文过程综合起来，形成全流域韵水 量平衡计算系统。1 ，并在计算机上实现。邋用的概念性水文模型有很多， 其中 s t a n f o r d 模型、s a c r a m e n t o 攘慰、t a n k 模凝蠢我国豹凝安江模型。”熬蹩褥囊了广 泛应用的模型。攘越的很多参数靠优选获得，当所选用滋水资料豹代表性鞍差漪， 较难获得满意结果。所以，从实际应用要求出发，“实时”的概念引入了水文预报 当中。 寅时预测的核心技术是利用“新息”( 当前时亥9 预报值与实铡值之麓) 为导向， 对予系统模型或者对预报做出现时校正。系统动态识别( 亦称参数自邋应估计) 及 卡笨鬟滤波( k a l m a nf i l t e r i n g ) 羲是这类方法夔葵墅饯凌“3 。1 9 7 0 冬，嚣奉学者 h i n o 在“使用线俄预报滤波器的径流预报”中使用了实时预报的概念，并在1 9 7 3 年“水文系统的在线预报”中加以发展。1 9 8 0 年，凯特尼迪和伯挝斯发表了论 文“瓣凝念经水文模鍪遴蠢实霹颈壤”鼬，壤鸯了薅美嚣必气是( n w s ) 摸螫遴嚣实 对他处理的第一个研究。这一工作在1 9 8 2 年由波沙达( p o s a d a ) 和伯拉斯在论文 “一个大概念性降雨一径流模型的自动参数供计；一种极太似然法“”中，推广到 萨竟羧门藐模墼孛。在器肉，实孵洪零矮掇技本氇裴褥? 一系裂令入骥楚豹残裁。 其中代表性的研究成果包括：1 9 8 4 年，葛守髑将卡尔曼滤波算法与畜满产流模型结 合，建议了以土壤禽水量为状态变量，应用卡尔曼滤波技术单独对于产流预报进行 动态裳辩校歪赘凝按本m ，1 9 8 7 颦，寒孥在“骂鬻衷壤法熬矩簿方程袋瓣法”一交 中“”，对于一个可分为多个子河段的长河段，以各子河段的出口流量作为状态向量， 将一个多河段的马斯京根演算问题变为一个状态向量的递攘问题：以备予河段出口 瑟嚣浚爨俦轰获态巍藿，秀戳擎馕簿终鸯褒溯矩簿揭遥聪溺方程，簸蠢海健蘑骂鬻 京根方法进行实时预报提供了个可用的模型形式。该方法在众多流域如黄河三花 区间、穰布革水库的实时洪水预报中得到成功应用。 考虑弱零文要素在空润主簿变异毪，叠觚1 9 6 9 年f r e e z e 帮h a r l a n “8 第一次提 出了分布式水文模粼的概念以来，分布式水文模型得到了越来越快的发展。分布式 模型能够模拟整个衽流过程，可以预洲水文变爆如径流量、1 壤含水量以及蒸散发 第4 页 溺海大学硕- b 学能论文 等懿霹空格弱。1 9 7 9 年b e v e n 等蘩予由装东文掌壤论提出了t o p m o d e l ”穰爨；1 9 8 6 年丹麦水力学研究所、英国水文研究所和法国的s o g r e a h 合作汗发了欧洲水文系统 模型s h e 3 ，该模型充分考虑了截辩、下渗、土壤蓄承量、蒸散发、地表径流、壤 中流、逡下径流、敲雪辍流等窳交过载；1 9 9 2 每f a m o g l i e t t i 等将修改匏t o p m o d e l 和一个表厮能量平衡模挺耦合在一越，计算整个流域范围内的蒸散发空间黛化“”。 国内在这一方面起步较晚，但也取锶了一定的成绩。李兰等”提出的包括小流域产 流、汇流、流域革蠢入滚和上游入滚爱演、潺i 簦滚水演逡4 个部分懿分毒式承文模 型；苏风阁等“7 1 建立了参数网格化分布式月径流模型；郭生练簿“”提出的熬于d e m 靛分布式流域水文物爨模型。分布式水文模型可以充分考虑参数和变量的空间变异 往，并考虑不同单元阗的水平联系。因瑟，在模孝夔地弱焉、遗覆盖、窳 士流失 变化的水文响应及面源污染、陆面过程、气候变化影响评价等方面应用最出优势。 并且，容爨解决参数阚豹不独立性鞠不确定性问题，便于在嚣实测水文赍料的地区 推广便嗣“”。 随着3 s 技术和雷达测雨技术的不断发展，将d e m 、实时降雨以及与表达土壤、 植被、地矮、水文墟痰等特性的参数进行对空勰会，在此基础土构建流域水文模型， 将是流碱水文模型未来的发展趋势。同时，耨一代的水文模登将遴一步熊与描述 环境、生淼、社会经济要素的模型耦合，变成更大和更高层次上管理模型的一个组 成部分。可敬预辩，髓麓信息技术帮一些交叉学科豹发展，流域水文模型的发聂将 变的更加_ i 氇猛。 描述河道非恒定水流运动的熬奉方程最早魑法国科学家b s a i n t v e n a n t 于 1 8 7 1 年提出豹，即人 f l 熟知豹圣维窳方程组。”。其中包含了浅水流动的三个基本瑕 设，帮：流速浍坐栎辘方向并夜横断面内均匀分布；水孤力沿东深服从静压分 布：无疆直速度与加速度，它们藏是由流动的 一维性所引起( 如断戚澎状及弯 道产生的= 次环流) ，娥是由密度不均产生的浮力所g 起( 如水中含沙、鼓、热、 气等导致的垂向交换) 。除深海外大部分地表永程一定条件下都可近戳作为浅永来 处理。 由予诗算工其兹筠羧，基于j # 糠定流理论方法豹疆变秘瘟搦受到了援大约限 制。随着计算机的广泛应用，水科学与f 程中i l j 现了一门新兴学科，邮计算水力学。 第5 页 朔海天学致七学穗论文 2 0 世纪5 0 年代初j j s t o k e r 和他的合作者柱n e w y o r k 犬学开始了明渠非恒定流的 数值研究；随后，p r e s s i m a n n 、a b b o t t 及其会l 窜者分别对明渠非恒定溅及其它水力 翊邃遴行。r 研究；麓2 0 毽纪7 0 冬代中出版y e v j e v i c h 等象编、壶当时一批著名专 家分工执笔的明勰非恒定流三卷本名著，标志了一维渐变浅水明巢流数值模拟 的初步成熬。 魏后又出现了一些较薪憨感豹研究方法及一些耽较实用的演算方法。铡摇， 1 9 7 7 年v m p o n c e 和b s s i m o n s 应用摄动方法解出了q # 恒定流方程的近似解析 解；1 9 8 3 年t 。t i n g s a n c h a li 对扩散方程雳皴酱拉颠变换求出了其响成缀数；1 9 9 3 年h j m o r e l s e y t o u x 等入提出了水力学与统计学结合的方法。 水文学家与工襁师从另一途径对河道洪水演算进行了研究。这一系列方法的理 论蒸戤是河道鸵逡续方程积攒豢方程。最藩名魏虽至今仍然在放广泛应用夔 m u s k i n g u m 法其原娥形式最先予1 9 3 4 年在美潮俄亥俄m u s k i n g u m 湾流域洪水控制规 划中由m c c a r t h y 提出的，后来缀完善发展为目前全世界广泛应用的方法。 。3 研突思路及技末路线 1 3 i 东苕溪平原洪水预报 洪水演算是水文学研究的黧要课题之一，目的是揭示洪水波在各种水体的运动 鬟律。为痰资嚣纛怒、漤拳预羧、瘩弱工程诵疫等援供季萼攀俊据。嚣遂零流运动麸 严格的角度上讲，其水力要素均怒肘空变化的水流运动，即三维非恒定问题。由于 三维非恒定的问题张数学求解及其基本方程的理论假设上还有诸多问题，故在实际 诗舅孛攀零将阂题蕊纯秀二维、一维藿定阏瑟遴 亍求瓣。 根据东苕溪流域实际防洪工作需求，结含所研究流域的自然地理特点、工程运 用及资料条件，本论文研究确定的预报断面为：青山水瘁入库流量及露水位预报； 藏窑瓣滚量及瘩位颈狠。专由承瘴入库流鬟预掇采瘸薪安谣二承源模羹，逶过谲滋 演算得到青l b 水库的库水位预报；瓶窑站流龋预报采用变动权重新安江三水源洪水 预报模型，并引进平原区洪水演进水力学模粼，考虑网水的影响，预报瓶窑站水位。 。3 2 余硫区承瓷源调查译价及侯水承源论证 水资源通常是指每年可以j 鬟 到更新的那部分淡水昔，怼一种动态资源。大气降 水量怒水资源总 飨来源，扣除陆域、水域、镶被等蒸发以及补给深联地7 i 水所剩 第6 页 溺海太学疆十学位论文 余的水最即为水资源量。山区测到的河川径流( 经过还原) 即为水资源罱，平原地 区的承资源为平原河川径流与潜水蒸发之和。 在东蓥溪承资源调查译份凝缨拳本源论诞中，鑫；l 予穗零东蕾溪手滚承漉状态鞫 时受上游青山水库来水、下游太湖倒灌水量和沿江东岸排水闸的共同影响，流态十 分复杂，利用取锝的实测资料尚不能充分反映取水以后水流的变化。为了论证在9 5 绦 蚕率条传下，象罄溪簸窑德潺交嚣楚溪毅麓否渍是瓣露及麓翔取承霪，采竭一 维非懒定流计算模型进行分析。 1 3 3 河口潮流量推算方法研究 溜廉豹糙率辩予实际潺遥静模损请提蠢缀太影响。淡水河系下游灏段受潮汐影 响，其水位、流量除台风或暴雨影响产生异常变化外，在平常状况下受潮波自河口 向上游传播的影响作规律性涨落变动。另一方弱对于潮汐游墨，由于潮波变形，涨、 落潮不对称，对输水输沙的作用是不一样的，其水力特性麓异比较大。针对河口地 区特点，建立了能用于潮流量推算的一维水动力数学模型。模型将s a i n t v c n a n t 方 程缀逡行差分求瓣，著莰据涨、藩潮承力特瞧豹差吴，将糙率分鳃受涨潮糙率窝落 潮糙率，采用优化方法来率定糙率，即根据河段内若干断面的水位、流嫩等水力要 素历史资料观测值，与一维水动力模型的计辣值相差最小，作为率定的嗣标函数率 定窭袋绩糙率，分翔避孬涨、落潮糙率率定，壤礁逢诗舞爨逐薅段弼遵备鼗瑟静承 位和流最。 宁波三江口潮流量的推算，以澄浪堰水文站年逐次逐时实测潮流爨过程及与之 霜步溪溺的上游渡菇、下游镶海鏊逐对潮瘩经过程、魏江大窝淫漉逡程为速赛， 利用水力学计算方法，以澄浪堰站逐次实测涨潮、落潮量分别与计算涨潮、落潮量 之差最小为目标函数率定计算参数。以该参数和全年北渡站、镇海站逐对潮位，姚 江大鹚游逐对港流蘩( 关藏羁淹滚囊餮零) 捺求澄浪疆站全年逐莓涨潮平筠流量、 落潮平均流量和全湖平均流量。 采用当年实测资料率定计算参数推算当年涨、落潮量的方法，可以大大减小澎 霖交诧对推流静影稠，疆高箍浚残采翁可靠拣。 第7 页 洞海人学硬十学傍论文 1 4 本章小结 洪水是一种不可避免的自然现象，人类目前仍然无法完全控制洪水的发生。洪 水灾害是人类活动与洪水运动的遭遇，洪水灾害是古今中外面临的主要自然灾害， 象美国这样发达的国家，1 9 9 3 年的洪水仍然造成严重的洪灾损失。近几十年来发生 在世界范围内的洪水灾害损失越来越大，说明人类抗灾能力的增长跟不上经济建设 的增长以及人类盲目活动，不遵循自然规律造成的。正确的防洪减灾的方法是科学 地处理和协调人与自然的关系，正确处理人类活动与洪水运动的关系，做到人水和 谐。要做到这一点，首先要研究流域的洪水运动规律，研究流域洪水演进模型是人 类与洪水共生存的必要手段。 本文着重研究水力学模型在水文学中的应用。在新安江三水源模型基础上，建 立东苕溪流域水文学洪水预报模犁，并结合流域的实际情况，在流域下游平原区采 用一维非恒定流进行洪水演进，可以考虑回水的影响预报出水位。将水力学方法应 用于平原流域的水资源调查评价与供水水源论证、河口的潮流量推算中，由此建立 一个比较通用的水力学数学模型，解决传统水文学难以解决的生产任务。本章主要 阐明了研究的目的和意义及国内外的研究现状，最后提出了本论文的研究思路及技 术路线。 第8 页 锢海大学碗士学位论文 第二章降雨径流水文预报模型 短期的洪水预报有三类：流域降雨径流预报、河道洪水预报和“河流一流域” 洪水预报。其中流域降雨径流预报基本任务是依据流域降雨径流形成规律，根据流 域面上的一场降雨预报流域出口断面水位流量过程：河道洪水预报基本任务是依据 洪水波在河道中的运动规律，根据河道上断面的水情预报河道下断面的水情；“河 流一流域”洪水预报基本任务是将一个流域按自然分水线划分为若干个互不嵌套但 有河道相连的子区域，对各个子区域作流域降雨径流预报，然后通过河道洪水演算 求得各子区域对流域总出口断面洪水的贡献，线性叠加可预报得到总出k i 断面的水 位流量过程。因此，洪水预报主要涉及到产、汇流计算和河道洪水演算。 2 1 流域水文循环机制 流域内的水并不是静止不变的，而是在不断地运动变化和互相交换着。水在太 阳辐射能的作用下，不断蒸发变成水汽进入大气，并随气流的运动输送到各地，在 一定条件下凝结形成降水，一部分形成地面径流沿江河回归大海。渗入地下的水， 有的被土壤或植物根系吸收然后通过蒸发或散发返回大气；有的渗透到较深的土 层形成地下水，并以泉水或地下水流的形式深入河流回归大海。水圈中的各种水体 通过不断蒸发、水汽输送、凝结、降落、下渗、地面和地下径流的往复循环过程， 称为水文循环，也称水循环。 2 2 流域产流分析 2 2 1 产流计算基本方法概述 1 9 3 3 年h o r t o n 提出了下渗的理论，其基本思想是：当雨强小于下渗能力时， 所有降雨都被土壤吸收；当雨强大于下渗能力时，七壤吸收率只能等于下渗能力， 其余部分就是产流量。随后，1 9 7 8 年英国学者m j k i r k b y 等人提出了山坡水文理 第9 页 洞海大学硕七学伉论文 论，建立了壤中流、饱和坡面流、局部产流等新概念。其基本观点是：在表层土比 较疏松，而且有植被的地方，通常要产生壤中流：当十壤有分层结构，土壤的水力 传导率随深度发生不连续变化时，在每层的饱和带中形成饱和串流，在未饱和带形 成不饱和串流；在未饱和带增厚，达到地面时。形成饱和坡面流。 在此期间，中国的水文工作者也对此进行了大量的研究，由赵人俊教授等人提 出了蓄满产流和超渗产流的概念。蓄满产流是指：某一点土湿满足田间持水量以前 不产流，所有降雨都被土壤吸收，而在土湿满足田间持水量以后，所有扣除雨期蒸 发的降雨都产流：超渗产流是指降雨强度大于下渗能力而产生的地面径流。 按照上述观点，确立了许多产流量计算的方法，主要有以下几种： ( 1 ) 直接求定法 是指直接借助于降雨过程和下渗曲线资料来推求径流量的一类方法，如下渗曲 线法，下渗能力累积曲线法等。 ( 2 ) 相关曲线法 即降雨径流相关曲线。它是将降雨量、产流量及其主要影响因素，通过一定的 图表关系表达出来。它主要是由实测数据点绘出的经验关系，如四变数合轴相关图 等。 ( 3 ) 经验系数法 将产流量用经验公式表示：，( i ，) = p ( 1 - a ) 一r 。式中f ( i ，) 为下渗能力函数， a 为调整系数，在实质上是表示流域的不产流面积。 ( 4 ) 流域模型法 采用数学物理方法来模拟径流形成过程。流域水文模型将在第四节作进一步的 介绍。 2 2 2 水量平衡关系 ( 一) 通用的水量平衡方程 根据物质不灭定律，在水文循环过程中，对r 任一区域、任一时段输入水量与 输出水量之差必等于其蓄水量的变化量，这就是水量平衡原理。根据此原理可列出 水量平衡方程： ，一o = + a w ( 2 1 ) 第1 0 页 阕海大学硕+ 学位论文 式中，、d 在给定时段内输入、输出该区域的总水量 w 时段内区域蓄水量的变化量，蓄水量增加为正，减小为负。 上式为水量平衡方程的通用形式，对于不同区域和不同问题，需具体分析输入 水量和输出水量的组成，写出相应的水量平衡方程。 ( 二) 河流流域的水量平衡 对于河流的流域，一般只有一条流出的河道，没有自流域外边流入的河道( s k 网地区或人为跨流域引水除外) ，如果流域闭合，即流域的地下分水线和地面分水 线相重合，没有其它流域的地下径流进入，而且河床下切到足够的深度，使下渗到 地下的水量最终能以地下径流的形式汇集到河槽内，并经流域出口断面流出，则其 水量平衡方程为 p r e = w ( 2 2 ) 式中p 流域内的降水量； r 流域内的径流量： e 流域内的蒸发量。 上式中，若流域的蓄水变量a w 为正值，表示该时段内的降水除耗用于径流和 蒸发外，还有一部分储存在流域内：反之，则表示该时段的径流和蒸发不仅取源于 降水，还消耗一部分流域蓄水量，使流域蓄水量减少。 对多年平均而言，上式中蓄水变量项a w 的正负值可抵消，则闭合流域多年平 均水量平衡方程式为 p=r+e ( 2 3 ) 式中p 、r 、e 分别代表流域多年平均降水量、径流量和蒸发量。 对于非闭合流域或河床下切深度较浅的小流域，上式不能成立，作分析计算时， 需作深入细致的调查研究。 2 2 3 单点产流机制 由流域上降水( 液态或固态) 所形成的，沿流域地面及地下汇集到河网，并沿 第l l 页 溺海大学硕士学位论文 河槽下泄流经出口断面的水流统称为径流。所谓产流，就是指流域中各种径流成分 的生成过程。它实质上是水分在下垫面垂向运动中，在各种因素综合作用下的发展 过程，也是流域下垫面( 地面及包气带) 对降雨的再分配过程。 所谓产流机制，我们把它定义为：水分沿十层垂向运动中，供水与下渗矛盾在 一定介质条件下的发展机理和过程。不同的供水和介质条件下，这一机理和过程就 表现为不同的径流生成机制： ( 1 ) 超渗地面径流r s ( 2 ) 壤中径流r s s ( 3 ) 地下径流r g ( 4 ) 饱和地面径流r s a t ( 5 ) 同归流r r 2 2 4 产流模式 前述的五中产流机制构成了径流的五种组成成分。在天然情况下，对于流域中 某一地点，存在着何种产流机制是与当地的下垫面构成状况密切相关的。由于下垫 面状况的差异可能出现不同产流机制的各种组合，我们称这种产流机制的组合为产 流模式。这种产流模式决定了当地产流的基本特征。常见的产流模式有以下三类。 ( 1 ) r s ( 超渗产流) 型 ( 2 ) r s a t + r s s + r g ( 蓄满产流) 型 ( 3 ) r s 骨( r s a t + r s s + r g ) 型 2 2 5 流域产流的影晌因素 影响流域产流的因素很多，归纳起来，主要分为三类： ( 1 ) 流域下垫面因素：包括地形地貌特征、地质条件、植被类型及分布、土壤 类型及分布、包气带的分布特征及土壤含水量的分布等： ( 2 ) 流域降雨特性：主要指降雨的时程及空间分布； ( 3 ) 流域蒸发特性：指蒸发的时程及空间分布。 第1 2 页 酒海人学臻+ 学位论文 2 3 流域汇流分析 2 3 ，1 汇流计算基本方法概述 流域汇流包括坡地和河网两个汇流阶段，坡地汇流计算主要途径有两种，一种 是黑箱子性质的单位线法；另一种是属于概化推理性质的等流时线法。随着应用与 研究的深入与发展，逐步形成概念性模型。 2 3 2 流域汇流过程 降落在流域上的雨水，从流域各处向流域出口断面汇集的过程称为流域汇流， 包括坡地汇流和河网汇流两个阶段。 在坡地汇流阶段，雨水经过产流阶段扣除损失后形成净雨，净雨在坡地汇流过 程中，有的沿着坡面注入河网成为地面径流；有的下渗形成壤中流和地下径流后再 流入河网。地面径流流速较大且流程短，因而汇流时间较短；地下径流要通过土层 中各种孔隙再汇入河网，流速小，汇流时间较长；壤中流则介于两者之间。值得一 提的是，地面径流在坡面流动过程中，有一部分会渗入土层中成为壤中流；而壤中 流在流动过程中，部分水流又会回归地面成为地面径流。各种水源的径流进入河网 后，即开始河网汇流阶段。在这一阶段，各种水源的径流汇集在一起，从低一级河 流汇入高一级河流，从上游到下游，最后汇集到流域出口断面。因此，这一阶段不 同水源的径流在汇流时间上就不再有差异。河网中水流的汇流速度比坡地大得多， 但因汇流路径长，所以，汇流时间也较长。上述两个汇流阶段，在实际降雨过程中 并无截然的分界，而是交错进行的。 流域汇流是研究流域上的地面净雨、壤中流净雨和地下净雨如何转化为流域出 1 ：3 断面的流量过程。由于地面径流和壤中流具有一些共同的特性，且不易划分，实 际工作中常把二者合并为直接径流，一般仍称为地面径流。所以，流域汇流过程分 为地面径流汇流过程和地下径流汇流过程，计算时分别求得流域出口断面各自的流 量过程，二者叠加，即为流域出口断面的流量过程。 2 3 3 流域出口断面流量的组成 流域出口断面的流量过程取决于流域内的产流过程和汇流过程。当已知流域内 降雨形成的净雨过程，只要确定出流域的汇流曲线，就可以推求流域出口断面的流 第1 3 页 溺海炙学硬 ：警僚论文 量。 ( 一) 流域调豢作用 癞予同一时刻夜流域各处形成熬净雨基流域密弱鹫瑟露逶有运，越流速也分布 不均匀，所以不可熊全部在同时刻到达流域出口断面，躐离流域出口断面较远和 流速较幔的雨水必然暂时滞留在流域蠹，引趣流域蓄水量的变化。 设流域翡净雨输入过程线为l ( t ) t ， i i 瀛域静氆强鞭两滋东过稷线为o ( t ) t ，则猩d t 时段内，进入流域的水量是净雨墩i ( t ) d t ，而流出流域的水擞是出流量 q ( t ) d t ，它们存在如下关系：涨滋对，i ( t ) d t o ( t ) d t ，时段d t 内沆域截水量增搬； 反之，落浃时，i ( t ) d t o ， 产滚瓣。当p e + a w r f l m ，r = p e - ( w m - w o ) 式中：w 嘲为流域态最大的点瞽水容量；弹疆为滚域戎装一点鹣蓄拳容霪； f 为持水能力不大于w m 值时的流域面积 模鍪熬辘入为怒，参鼗包瑟流域平均 薷水容鬣w m 和撇物线指数b ；输出为流域 产流量r 及流域主壤蓄承重箨。 ( 3 ) 划分水源的计算公式 由于产流面积f r 上自由水的蓄承容 爨还不激认为是均匀分布蛇，即是常数不 太合适，要考虑嚣水容缀的匿积分布。模 傍张力农分毒不缘匀熬处理方式，把蠡囊 水蓄水能力在产流面积上的分布也用一条 糖耪线来表示( 翔圈2 + 4 ) ： 壁：i - 娃- 里l ，“ f 为流域面积；b 为抛物线指数。 0 灏2 4 流域宣妇承蓄永容量曲线 ( 2 1 1 ) s m m = ( 1 + 鳓。s m ( 2 。1 2 ) 肌s m m 一寺“堋】 泣i 3 ) 式中，f r 为产流面积，s m m 为全流域最大一点自由水藿水容量，s m 为自由水蓄 承库在流域面积上的蓄承容量，f s 为自由水蓄水能力不大于s m7 值的流域面积， s 为自由水蓄水艨在漉域蕊积上的蓄承深，a u 为鑫虫承器求容餐越线上与s 耀怼应 的纵坐标。当全流域达到自由水蓄水容鬣时，a u 数值等于s m m 。 逯j 妻上式摧浮，烈鸯： 当p e + a u ：u h ( i ) x t r ( t i 1 ) 计鲰公式为： 符 ( 2 1 8 ) 式串：毽 t ) 灸单元整日簸t 薅裁静流量德；u b ( i ) 鸯纛嚣次辩羧革经线；n 为单位线的历时时段数。 流域汇流计算弱输入是单元面积上盼地面径流( r s ) 、壤中流( r i ) 、地下径流 ( r g ) 及计算开始时刻的单元瑟糨上的壤中流流量和地下径流流量僮。输出为单元 出口的流量过程。 ( 兰) 不弱孵段长魔魏转像 一般情况下，模型的出流系数都是按日模型给定的。但是，进行实时洪水预报 瓣，诗冀辩段矗t 罄奎予2 4 h ，舅癸，在穰墼诗舞中，为了湾豫j 摹线瞧静影嫡，减 少计算时段过长所引起的误差，模型的水源划分中又用5 m m 净雨作为个量级，进 一步作势步长诗算。那么模型的出流系数和消遥系数都必须骰出糯应豹变纯。 设模型计算所取时段长为t ( h ) ，r 为t 内的净雨。 m = 2 4 ，a t 则 n32 4 1 乒t i n t ( r 1 5 ) + i ( 2 。1 9 ) 计算步长内的壤中流蓄水库的消退系数( c l d ) 和地下蓄水库的消退系数( c g d ) 岛裰应熬蠢模羹溃退系数c i 、e g 瓣关系梵 上上 c i d = 俄村c g d = c g ” ( 2 z o ) ( 四) 参数含义与估计 毅安江模型参数的懿璎意义及模型终稳可分麓疆类。 第一类：蒸散发计算参数，k 、w u m 、w l m 、c ： k ：蒸散发黥力帮蒸发盈实测值之比。k = k ，：女，其中k ，是大水面蒸发与 第2 2 页 溺海大学预七学秘论文 蒸发皿蒸发之比，k ，是蒸散发能力与大水面蒸发之比，k ，用来把蒸发站蜜测值敬正 至浚域乎臻 妻； 9 u m ：上层土壤水容爨。该值对蒸散发计算影响显著，经验估计在森林地区w u m 程2 0 m m 左右，予旱遣送爨| l ，j 、予蘧篷； w l m ：下层土壤水容爨，常取6 0 9 0 m m ： e ：深层蒸散发系数。该值决定于深层植物的覆盖灏积，焱南方多椿地区可达 0 。1 8 ，藤j b 方半漫润地区约为0 0 8 ； 第二畿：产流量计算参数，w m 、b 、i m p ； 翱：张力本容量，分必上层w u m ，下朦w l m ，深层w d m 三层。它也羧是流域张力 水最大缺水量，即表示流域的干旱程度，该值在我国南方约为1 0 0 m m ，北方举湿 澜壤区约隽1 7 0 挣嬲； b ：流域蓄水容量分布曲线指数。该值决定予张力水鬻水条件下的不均匀分谍， 岛流域瑟积有美，当流域面积为凡百平方公里一千平方公里对，其值菇0 2 至0 3 发右； i m p ：不透水丽积占全流域面积百分比。天然流域该值约为0 0 1 o 0 2 ，城镇地 飘则可戆很大： 第三类；分水源计算参数，s m 、e x 、k g 、k i ； 翻：袭篡鑫由