（水利工程专业论文）白云水电站实时洪水预报调度系统研究.pdf

播要 论文主要根据目前湖南省水库预报和调度工作中存在的突出问题，通过对 灞南省自云水瘁流域的自然特征弱暴丽洪拳特娃进行了深入磷究，运用水文学 模型、水痒调发模型和计算极技术、避理稼息技术等，编制出一个能释决实际 问题、通用性较强的实时洪水预报调度系统。系统预报模块具有参数集成编译 的功能，将参数集成为一个以文件卡的形式存放在参数文件中，该文件与参数 数据痒形成有机的连接，可实现参数文件与数据库的编译与反编译，从丽筏预 报调度系统残为个有撬豹整俸。敬变过去承痒调度随意牲大，行政螽令多的 弊端，为水库预报设计套实用、先进、通用的预报系统，为水库洪水预报提 供了一种快捷方便的有效途径。目前已经用于多座水库的预报调度，形成多种 预报模型和调度模式相结合的综台系统，已成为湖南省魍水流域实时预报调度 敲通用纯系统，实瑰了与洞庭湖承力学模型粒有掇连接，为实现湖摩省飚永稻 漏庭潦实时预报调度迈密了重要一步。研究内容主要龟摇模型参数调试秘方案 设计、实时滋水颥报和水库洪水调度、实时信息焱询等四个部分。 开发的预报调度系统实际应用结果与传统预报方案相比预报精度得到了较 大提高，预见期也有明显增长。 关键词；预掇模型、调度系统、参数率定、方案设计 河海大学工程硕士论文自主毒毋籀枯舞耐默霸疆蠲罐谚鞠 蓼防 a b s t r a c t b a s e do nt h ek e yp r o b l e m so ff l o o df o r e c a s ti nh u n a np r o v i n c e ，h y d r o l o g ym o d e l s ， r e s e r v o i rd i s p a t c h i n gm o d e l s ，c o m p u t e rt e c h n o l o g i e sa n dg i st e c h n i q u e sw e r eu s e dt o s t u d y n a t u r a lc h a r a c t e r i s t i ca n df l o o d - r a i n s t o r mf o r m i n gm e c h a n i s mi nb a i y u nr e s e r v o i rf o fd e v e l o p i n g r e a lt i m ef l o o df o r e c a s ta n dr e s e r v o i rd i s p a t e h i n gs y s t e mi nb a i y a nr e s e r v o i r , w h i c h b eu s e d w i d e l ya n dm a ys o l v ea c t u a lp r o b l e m so ff l o o df o r e c a s t 。f l o o df o r e c a s tm o d u l e si nt h i ss y s t e m a r eo ff u n c t i o n so fi n t e g r a t i n ga n dc o m p i l i n gm o d e lp a r a m e t e r s a n df i n a l l yf o r m i n gap a r a m e t e r f i l ei nf o r mo f t h ep a r a m e t e rc a r d sw h i c hc a l lb el i n k e dt op a r a m e t e rd a t a b a s e t h e s em o d u l e s c a na l s oc o n d u c tc o m p i l i n ga n dr e c o m p i l i n gb e t w e e nt h ep a r a m e t e rf i l ea n dt h ep a r m n e t e r d a t a b a s es oa st om a k et h ef l o o df o r e c a s ts y s t e mb e c o m ea ni n t e g r a t e do n e ，t h es y s t e m d e v e l o p e di nt h i sp r o j a c tc h a n g e dc o m p l e xf o r e c a s ts c h e m e si n t oap r a c t i c a l ，a d v a n c e da n d u n i v e r s a ls y s t e m t h i ss y s t e mp r o v i d e dac o n v e n i e n ta n de f f e c t i v ea p p r o a c hf o rb a i y u nr e s e r v o i r f l o o df o r e c a s t t h es y s t e mh a sb e e nu s e di nt h ef l o o df o r e c a s to fm a n yo t h e rr e s e r v o i r s ，a n di t b e c 眦eu n i v e r s a ls y s t e mo ff l o o df o r e c a s ta n dr e s e r v o i rd i s p a t c h i n gi nt h ef o u rr i v e r s a n d d o n g t i n gl a k ew a t e r s h e d st h r o u g hi n t e g r a t i n gm a n yh y d r o l o g i c a la n dr e s e r v o i rm o d e l s 。i t r e a l i z e dg o o dl i n k sw i t ht h eo t h e rs y s t e m ，i e 。t h ed o n g f i n gl a k eh y d r a u l i c s r o u n t i n gm o d e l i t w a sak e ys t e pt o w a r d sd e v e l o p i n gr e a lt i m ef o r e c a s ti nh u f i n a np r o v i n c e t h er e s e a r c hc o n t e n t s i nt h ep a p e ra r e 粘f o l l o w s ：m o d e lp a r a m e t e rd e b u g g i n g ，f o r e c a s ts c h e m ed e s i g n ，r e a lt i m ef l o o d f o r e c a s t 。f l o o d d i s p a t c h i n g o f t h er e s e r v o i r , a n dp r e c i p i t a t i o n a n d 粕o d i n f o r m a t i o n e n q u 拓y i tr e v e a l e dt h a tt h ef l o o df o r e c a s ta c c u r a c yo f t h er e s u l t so b t a i n e d 谤a p p l y i n gt h ep r o p o s e d s y s t e ma r ei m p r o v e dt os o m ee x t e n da n dt h el e a dt i m eo ff o r e c a s ta r eo b v i o u s l yl e n g t h e n e d c o m p a r i n gw i t h t r a d i t i o n a lf l o o df o r e c a s ts c h e m e s k e yw o r d s ：f l o o df o r e c a s tm o d e l ，f l o o dd i s p a t c h i n gs y s t e m ，m o d e lf m r a m e t e rc a l i b r a t i o n ， s c h e m ed e s i g n 河海大学工程酶士论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 承是人类赖以生存豹最重要豹物质之。、江河洪东与人类生产、生癌息息钼关。全世界 每年因洪灾造成瓣经济损失占各穆自然灾害之首。茏其是当今，隧着经济的发展，辩羹然资源 的破坏加剧，导致洪水频繁发生，给我们圈家带来了不可估最的损失。 洪水灾害的防治，工程措施的作用是最照要的，必不可少的。建国四十余年来，全国水利工 程措麓在防御自然灾鬻方面的作用，功不可没，但也暴露出一些问题。 防洪水剥工程，最主簧的是承库和堤围嚣丈类。一般承痒王程的设计标准商，农防洪中要 求在确保其本身的安全前提下最大程度地发挥防洪作用。丽渡河疆闺，其工程的设计标准远低 于水库，而且同一江河的堤围，其设计标准也经常差别很大。一般在重要城镇、熏点厂矿附近 的江堤，设计标准要商熊，可达5 0 年或1 0 0 年一遇设计标准，一般地区或农村地区，设计标准就 较低，如2 0 年或l o 年一通，局部地区可能不是s 年一遥。因诧，霹予局部遗区来说，豳予零利工程 捺施设计标准高，撬瓣灾害的能力强，但对予整体雨言，抗翻滋炎豹熊力常是缀弱鹣。丽对于洪 水灾害，有很强的时空变化一发生特大洪水导致洪灾的往往越局部地区，如果普谪撮高工程措 施的设计标准，不仅投入资金巨大，而且使用率低，发挥的效益不健，这也是为什么水利工程标 准不謦遮提高的最主要原阂之一。 洪灾静局帮性鞠承剿工程措麓豹非灵滔往，这是萃一永铡工程措藏防洪静一对茅露。麴强 非工程防灾措旅的研究，实行工程与非工稷撩施相结台的防灾方寨，常可以缓解上述矛盾，提 高防洪效益。 1 9 8 1 年7 月和9 月间，长江上游和黄河上游相继发生罕见大洪水，由于水文预报及时、正确， 饺正在藏工豹长江葛渊坝农裁枢纽工程翻蘩河龙芋峡水电工程帮安全度汛，重庆紊2 2 万詹民 褰静蜜全转移。 1 9 9 5 年7 月初，湖南省发生了一次仅次习= ：1 9 5 4 年型的特大洪水，这次洪水使沅水千流浦市、 桃源、常德，资水干流桃江、益阳，西南洞庭湖部分站以及湘水、沅水部分一级支流近2 0 个站 如现了1 9 4 9 年以来最商洪水位，有些是2 0 髓纪以来最大洪水，造成严重洪涝灾害。内予水文特 壤预缀准确、及对，减少鬣接经济损失5 亿元狱上，减少闻接经济损失1 2 亿元戬上。例如，5 月3 1 日凌晨3 点，永顺水文站根据上游的雨水情预报，猛洞河将发嫩比“9 3 7 ”更大的洪水( 猛洞河 “9 3 7 ”洪水几乎给水顺县造成毁灭性的灾难) ，县政府在凌晨4 点便开始部署抗洪抢险工作。 河海大学工程酶士论文 马鞍由电站开始镑蜂渣洪，县城屠氏开始疏散，为防汛捻险争取了时闻，为永蹶县减少直接经 济损失1 6 亿元，减少间接损失不可估璧。 研制洪水预报系统，可以提早预报洪水，科学调度，大大减少洪灾损失；水情预报准确，水 库可以及时大胆蓄水，充分发挥工稷措施的作用，增加兴利效益。 1 9 9 3 年游滚河流壤根据及时熬浃承预报实旋痒潺洪零错峰调度以及承露颈蓄预澄调度， 许家崖求蓐8 胄7 疆最大入库流量3 5 0 0 i 矿3 ，相应出痒7 西i 3 漕4 减洪峰9 9 8 舔，拦嚣洪水近l 亿酽。 沂沐临沂站8 月5 日1 8 时实测洪峰8 1 0 0 m 3 3 ，若没有及时、准确的洪水预报及水库的调蓄，其还 原流量将达1 2 8 0 0 m 3 3 ，削减洪峰3 7 ，为临沂的洪涝灾害损失减少2 0 亿元。 福建省漳势| 市南一水库由于聚臻先进的洪水预报调度系统，汛期中多次为下游削减洪峰 流量，著提离水霹蓄农量，产生了较大豹经济效益和社会效蕊。其中“9 9 1 0 ”次洪承与历史籀 似的“9 0 0 6 ”次台风洪水相比，减少巅接经济损失近亿元，借助及时准确的洪水预报调度系统。 汛末多蓄水1 8 0 0 万m 3 ，增加发电效菔6 0 万元，充分发挥了水库的防洪效益和必利效益。 水库防洪，臻发挥最大的效益需要科学调度和决策，丽可靠的实时洪水预报是其科学调度 与决策的依据。 实时洪永颡缀，除了要有一个结构台瑾、有效的流域永文预报模型，还需要有一套合理的、 有效的实时修正技术，两者缺一不可。 1 。2 硪究迸骚 1 。2 1 产汇藏疆论发震过程 1 ) 产流 最早的产流理论是d h h o r t o n 在1 9 3 3 年提出的，这就是著名的下渗理论。当雨强小于下渗能 力隧，嶷有鹃降蕊餐被土壤吸收，露警它大于下渗能力羁重，等予下渗能力，其余部分簸是产流 量。这秘蕊点静应瘸，使许多永文闯题德到篱纯，便于她毽。h o r t o n 把下渗理论与滚域实际情 况结合起来，形成了完整的流域产流理论，阐明了自然界超渗地面径流和地下水径流产生的机 制。 六十年代以来，山坡水文学的碜f 究给水文学带来了突破性的发展。它提出了壤中流和饱和 玻蘧流的形成税铡。壤中流和饿移坡螽流酌概念是古典豹h o r t o n 概念中没有能，这就是由坡水 文学与古典h o r t o n 概念的基本区别。 在此期间，中国的水文工作者通过对大量的实测水文资料的分析研究，得出了湿润地区以 2 河海大学工程酶士论文 蓄湔产滚为主穗子晕遗嚣 三i 超渗产流为主的霪要论点。并醑涮了逶角于湿滤地区的新安江模 型和适用于干旱地区的陕北模型。 。 但是，蓄满产流和怒渗产流是两种典烈的、实际应用概化了的产流理论和计算方法，前者 适合于湿润地区，后者邋含于干旱地区。倪程许多地区，既非干旱也不湿润，常称为千早半干旱 她氍。在半干旱地区的流域上，有些洪永楚鬻满产流，有些是怒渗产滚。同一场洪水，懿期可是 怒渗产流，到后期又交为誊满产流，在鞍予翠地区，一个以趣渗产流为主魏流域，遇上长期连绵 的低强度降雨，也可是鬻满产流：类似地，猩较湿润地区，以蓄满产流为主的流域，久旱后遇雨 强特大的暴雨，也会有超渗产流发生等等。一个流域，蓄满产流和超渗产流并存，称为混合产 流。湿然，对于一个实际流域丽言，混合产流韪绝对的，其健两静机铡都是耜对的。 混合产流，至今还没鸯形成一套独立豹产流理论。其磷究，嚣是戳蓄满产流和麓渗产流两 种典型理论为基础的，因此加强混合产流的研究，并提出一套实用的混合产流计算方法，乃是 十分有意义的。 2 ) 仁流 降落在流域上熬水质点，扶流域各处淘漉域出日断面汇集鹃过程称为流域汇流。逶常流域 汇流可分为坡她汇流和河掰汇流两个部分。 由于流域汇瀛的复杂性，或者是人们对水文现象的了解还不够深刻，对影响汇流的因素的 研究还不够透彻，因而程实际解决汇流计算问题时，由于考虑的因索不同，产生了许多计算方 法。魄妇：单蕴线法、等流孵线法鼓爱她虢警控线等方法。 肇位线法属予索总链的黑箱子模爱，只要求系统反应，不论系统豹状态，缺乏物理概念，所 以在应用与发展上都受到了限制。 等流时线法没有考虑河网的调节作用，认为定等流时线上的水质点能同时达到出口断 磷，算出的结果往往比实际过程峰高且偏早。实际工作中，一般使用基子等流时线基础的一些 改进方法，如克拉克法，来考虑调蓄作翊。 地貔单位线法试图将她貔学的一璧或聚弓f 入流域汇流计冀中，考虑、影响汇流的流域地貌 特征和河道水力特征，导出流域汇流单位线的分析表达式。这是一种新的尝试，可以说在如何 将地貌学和水文学结合起来方面开创了一个新的领域。 2 。2 滚壤水文鬟鋈 发袋过程 流域水文模型属于数学模型，它在水早灾害防治和水资源开发利用中广泛应用，也是研究 河海大学工程酶士论文 流域产沙过程和污染物质输移过程鲍必要兹提，瀛域承文模型豹研制约始予2 0 氆纪5 0 年代。7 0 年代至8 0 年代中期是其蓬勃发展时期，些著名的模型，如美国的斯坦福模型( $ t a r d o r d ) 和萨 克拉门托( s a c r a m e n t o ) 模型，日本的水箱( t a n k ) 模型以及中国的新安江模型等都在这一时期 提出并得到应用。 8 0 年代簌翘，考虑到流域内人类活动对于环境豹影镌程度，其有物理纂锻鸵分毒型水文数 学模墅得到了更好的发展。昆摇：以致形为基础的t o pm o d e l 。t o pm o d e l 不是个农文模拟的 程序包，而是一组概念工具，以分布或半分布的方式，再现流域水文习性，特别是考虑了地表或 地下产流面积的动态变化。t o pm o d e l 的产流部分可以和水量平衡其他成分的任何形式的模型 组合，构成完整的模型。这些成分包括：蒸散发、融雪、河道汇流等。总的来说，t o pm o d e l 属 于毙较现代豹概念性模型。还有在s h e 模型的基础上发展起来戆m i k es h e 模瑟，是一个综合斡、 确定性的、分散的、以物理为基础的模拟系统。它可以模拟东文循环陆士呶部分所有主要的水 文过程。它可以模拟水流、水质和泥沙运动。m i k es h e 模型较s h e 模型，用户界面更友好，并且 它还包括一些前期和后期处理，比如数字化、地图编辑、等商线绘制、划分网格、地图结果展 示等。它是专为那些相对藏价，高能熊翁工作站设计的。 1 2 3 实耐惨眶研究现状与特点 实时修正技术，研究方法很多，归纳起来，都是以实时计算误差系列为耩本信息依据的。充 分利用误差镶惠遴行擎正，这是一个方覆，但是也存在不少闯蘧。比翅在遴行窳簿洪承预报薅， 我们用的实测流蓬是反推的入库滚慧。大家知遘，反摇的入库流量波动缀大，因淹水位蕊溅误 ， 差在i 一2 厘米之间是允许的。如果水位相差卜2 厘米，库容可能差到几十万方，反推流量误差 可能很大，这叫误差放大。如果把计算流量与此入库流趱的误差作为信息来进行实时修正，效 果是不理想的。遮藏需要先对反掇的入艨流量进于亍过滤，然焉再进 亍修正。 我们在耀模型进行洪承预报诗舞孵，渗缓定流域的囱然地理状况是不变的。既然这样，郏 么同样条件下，场发生在历史上的洪水与发生在现在的洪水应该存在很多稽似处。也就是说 只要预报环境相同，历史洪水有可能煎现。这就启发我们，是不是可以利用洪水之间的相似性 来进行误差修正睨? 传统的实射修正技术都是戳实时误差为依据，需要鸯实测流量作为参照，这裁损失洪承预 报的预觅期。一个好的洪水预报系统，颥觅期是疆重要的一个指标。如倪掇离颈掇精度而又不 损失预报的预见期，应是洪水预报应该解决的一个重臻课题。利用洪水之间的相似性，进行实 河海大学工程酶士论文 瓣修正，常可以达到上述要求。 1 3 本文研究的生黑内密 一个实时洪水预报调度系统，洪承颈缀黔精度是系统应用效果好坏酊关键。掰水文模型 的遇羯性、误差静实时修正，一壹是困扰饕求文预报研究的两大难题。本文就这鹾大阔题展 开了些研究，在此撼础上进行防洪调度模型研究。 本文主要研究内容如下： 1 ) 自云水电站洪水预报模型和方法研究。采用颓安江三水源模型对自云水电蛄流域产流 汇流等进季亍研究。 2 ) 模型参数的优选、率定方法研究，应用r o s e n b r o c k 方法，改进单纯形方法对模型参数 进行选定。 3 ) 白云水电站安时洪水预报模型研究。 4 ) 自云水电站糖洪调度模型应耀研究。 河海大学工程酶士论文 第二章自露水电站洪水预报模型和方法 2 1 流域地囊特性及基本憧凌 沅水是我省四大水系之一。巫水则为沅水右岸的一级支流，发源于城步苗族自治县巫 山，向北流径城步、绥宁、会同三县，在洪江市汇入沅水。巫水全长2 2 4 k m ，流域集水面积 4 1 1 6k 舒，约占沅承漉域露积豹4 。6 。 巫东流域位予j e 纬2 6 。57 2 7 。8 、东经1 0 9 。5 0 l l o 。3 37 之闻，量游嵩酐蓑狭长豢 状，南部高山海拔高程2 0 2 0 m ，河口商程仅1 7 0 m 。沅水支流渠水、资水的赧水分别与巫水左 右相邻。 自云水电站位予巫水上游上游城步县自云洞乡，坝址下距城步县城5 k m ，是一座以发电 为主，兼有防洪、灌溉等综合效藏的水电工程。瑷娃以上控铡流域蕾积5 5 6 k m 2 ，约占巫承 流域面积的1 3 5 ，域址以上河长5 1 k m ，河道平均城降1 4 4 。除白毛坪、歌午、萝卜洞一 带地形较开阔外，沿河两岸大部分为高山峡谷，河床深切呈“v ”字型。坝址以上主要支流 有过江、兰蓉河和大阳河。 巫水上游娃扳溪群、震旦系和寒藏系碎屑岩建造为主，岩浆岩主要分帮其上游及其隧 近遣区，鼓酸性侵入岩秀主。大地构造缝子南龄巨型终| 萄毒哿造带鲍j 郄，耪华夏系第三隆 起带的南端；中生代以来，经向构造和新华夏系构造横赁全区，构成本区主蒙构造格架。 坝址以上流域以松、杉以及灌术林为主，植被良好。 坝址班上流域无大中型水利水电工程。小型水电工程仅3 处，这些工程对本工程的来 瘩来涉影晌不大。无努流域弓| 本。 2 2 水文气象特征 自云埂壤戳上漉域无气象鼹测台站。气象要素按城步气象站观测资辩绕誊卡。城步气象 站于1 9 5 6 年设立。1 9 5 6 年1 1 月至1 9 6 8 年1 2 月，使予城步县儒秫镇教场坊郊外，1 9 6 9 年 1 月迁至城步县儒林镇新田树观测至今。观测项目主翳有气压、气温、温度、降水、日照、 蒸发、地温、风、云等。本次采用的地面气候资料，全部为湖南省气象局憋编刊印成果， 6 河海大学工程酶士论文 资辩可靠。 巫水流域地处照热带气候区，温热多雨。冬冷夏热，夏攀既受西风带天气系统的控制， 也受付热带系统的影响，有时受两类系统的共同作用。峰面活动显著，气旋经过频繁。 自云坝址多年平均雨量1 3 8 5 r r ，多年平均径流深9 1 9 m m 。暴雨主要集中于5 6 月份， 露鲎占全年弱5 0 甓左右，年最大暴雨洪水多蹬现在s s 胃份，实测最大一日降水撬1 2 8 6 瑚 ( 1 9 6 1 年1 2 胃、1 9 6 2 年6 月3 0 日) 。鼹大三日降水量2 1 8 m m l ( 1 9 6 2 年6 月3 0 日7 胃2 日。白云水电站流域站网分布图见图2 ，l 。 i l l2 。1 鑫云窳毫蛄鼯量站疆努奄鞠 根据白云水电站的地理及水文气象特征，通过分析，在自云水电站预报调度系统中预 报方案选用了新安江三水源模型。 2 。3 麓安汪三瘩瀑撰篓i 漂理与流程霉 新安江模型是7 0 年代由华东水利学院( 现河海大学) 提出的完整的降雨径流流域模型， 属确定性概念模型。它是一个有一定物理纂础的概念性模型，适用于湿润地区和半湿润地 7 河海大学工程酶士论文 区，在国内承霹洪承预摄与溺废串，被广泛应用。 本系统采用的新安江三水源模型是一个具有分散参数的概念性模型，它把全流域分成 为若干单元块，对每个单元块作产汇流计算。得出单元流域的达到流域出口的流量过程。 把每个单元流域的出流过程线性叠加，就求得了流域总出流过程。 薪安江模篓l 流程醒觅图2 。2 。其中蒸发计算采用三瑟蒸发模型，产流计算采溪蓄满产流 模型，其核心戆两条曲线，即用b 次抛物线型的张力水嚣水容量曲线考虑壤蓄水能力在 面上的不均匀分布，计算径流总嚣的大小，然后用e x 次抛物线型自由蓄水容量曲线进行水 源划分，即地袭径流r s ，壤中流r i 和地下径流r g 。为了模型参数的自动优选，本系统中 遗表隶汇流诗簿采囊j 。e 。n a s h 瞬辩攀经线，壤中滚臻避下径流的汇流计葵均采鬻线牲求痒 法，汇流参数分翔必e i 移c g 。这样新安江模型共有1 5 个参数： 圈2 2 新囊汪三永源搂塑计算流程圈 掰：可调节黪壤最大缺零鬣，即壤最大含永鬃； x ：上层土壤蓄水能力比例系数； y ：中层土壤蓄水能力比例系数； k e ：蒸发能力辑算系数； b ：主壤含水量分布馥线据数； s m ：自由水蓍水能力 e x ：自由水分布曲线指数i 河海大学工程酶士论文 k i ：壤中流系数； k g ：地下径流系数； i m p ：不透水面积比： c ：深层蒸发系数； c i ： 壤中流消退系数； c g ：地下永消邋系数； n ： 纳希模型线性水库个数； n k ： 纳希模型线性水库消退系数。 2 。4 赣安江攘型缝构 2 。4 1 土壤水分燕散发的计算 土壤蓄水量的计算采用三层( 上层、中层、下层) 模型即： w = w u + w l + w d w 酣篡u m + l 融+ d m w u = x w m w l = y ( 1 一x ) w m w d = w 秘獬j w 乙 式中，w 一一流域主壤张力承蓄量； w u - - - - k 层张力水蓄量： w l 一下屡张力水蓄量； w o - 一深层张力承蓄量； 翻一一漉域土壤张力农容量： u m 一一上鼷强力农容量； l m 一下层张力水容量； d m 一一深层张力水容量； ( 2 ，1 ) ( 2 。2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 壤水分蒸发按戳下规则：下渗拳墅孙充土壤蓄永( 壤蒸发) ，先补充( 蒸发) 上层， 主鼷瞽满( 蒸发耗尽) ，褥幸 充( 蒸发) 下鼷。阍理，由下盛转懋深层。各层壤水分蒸发 计算公式如下： 9 ( 2 6 ) 型鲨坚矍曼坚婆生 塑鲨蔓塞巡麴蹩暨薹丝塑堕 e l = ( e k e m + e u ) 群l l m e l = c e k e m e = e u + e l + e d 式中，c - - - 一参数； e k 蒸发扳算系数； e m 实测永面蒸发： e u 一上层土壤蒸发； e l 下层土壤蒸发； e d 深层土壤蒸发。 土壤汞分豹 充夯按麸上至下进行， 终补充下层，计算公式如下： w u ( t + t ) = w u ( t ) + p e u - r 当w u = u m 时， 甩( t + t ) = w l ( t ) + p - 硼一嚣卜r 当w u u 骈时， w l ( t + t ) = w l ( t ) 一e l 当w l = l m 时， ( 2 。7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) 即先上层蕾满爱，髯 充中屡，孛屡蓄满后，最 ，睡( t + a t ) = w d ( t ) + 叫+ w l + p u 挺一l 卜e u - e l e d - r 当w l o 短p - e k e m + a u m s 对， r s = ( p - e k e m s m + s + s m ( 1 一( p - e k e m + a u ) m s ) “f r( 2 。2 6 ) 当p - e k e m + a u m s 时， r s = ( p e k e m + s s m ) f r ( 2 2 7 ) 式中，1 ( i 一壤中流出流系数：k g 一地下径流出流系数。 蟪表永汇流计算，采趸荸霞线方法；壤中、地下径滚、汇流均用涝霹线健承痒法诗算， 计算公式为： w s ( t ) = c k s q s ( t ) r s ( t - l s ) u - q s ( t ) = d ws ( t ) d r 式中，c k s - - - 一流域遗表径滚调蕾系数； l s 一薅袭径流滞时； u - 单位转换系数； ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) q s 流域地表径流出流过程； w s 一流域缝表水蓄量。 对于矩形入流上式兹有限蓑分形式为： q s ( t + t ) = 2 c 。r s ( t 十a t l s ) u + c z q s ( t )( 2 3 0 ) 其中，cl = t ( 2 c k s + a t ) c 2 _ ( 2 c k s t ) ( 2 - c k s + t ) 上式为姥表径滚的汇漉计算公残，壤中流、地下承的汇漉 中薄公式与箕相同，壤串漉豹参数为c k t 、 l i ，地下径流的参数为c k g 、l g 。 2 5 模型参数的饶选率定方法 流域水文模型参数的优化具有多参数同时优化的特点，其目标函数滩以用模型参数来 表达，网对也不蜀能透过目撂函数对参数求导求解其鼹优使，因此，在流域水文参数的优 化过程中，纹嚣求蟊标函数馕，露不鬟簧髫标函数导数等量篷。在该系统魏滋承颈掇模型 中采用了r o s e n b r o c k 、单纯形法和经验优选等三种优选方法率定模型参数。 篓墨查鲎i ；堡翌主篓苎 堕蕉垄童型鎏i 壁壁壅塑錾塑鬯塑! 塑! 堕 2 。5 。i 勋h n b r o o k 蠢茨 r o s e n b r o c k 方法是一种多变量的寻优算法。该方法只需要每步寻优的目标函数值，而 不涉及到目标函数的导数等量值的计算。因此，在水文模型的参数优化中应用较广泛，方 法的基本步骤如下： 1 ) 校据各参数的物瑗意义帮合理的取馥范围，确定各参数的初始嬗。印定义寻圣| | 己酝数楚蘑 上怒始点x 。，利用轮换坐标法对每一个参数按单一变量遴行罨优，所有变量寻优绐束后， 得到一个新的起始点x “。 2 ) 确定新的寻优方向，假如从起始点x “到较优点x “”，避一步寻优确定更优点x “”， 则以x “和_ ) ( “”两感豹连线为最优的基准线，各参数的方向均与该参数垂直，从x “开 鲶愆塑标轮换法沿耨确定静寻优方向隶每个参数酶最往值，则褥到凝靛最往点x “”。 3 ) 重复步骤2 ，直到精度满足寻优计髯提出的指标或前后两次寻优的目标函数小于给定的 误差范围。 x l 圈2 4 鼹参数r o s e n b r o c k 蒎优忧步骤示意霉 x 2 河海大学工程酶士论文 鬻2 。sr o s e n b r o c k 冀法撵窿 河海大学工程酶士论文 2 。5 。2 改进革缝澎方法 单纯型法由s p l e n d y 等1 9 6 2 年提出，n e l d e r 和m e a d1 9 6 5 年针对该法不熊加速搜索以 及在曲谷中或曲脊上进行搜索所遇到的困难，对搜索方法做了很多改进，从而形成改进的 单纯形法。也称可交多面体搜索法。 单纯形方法是墩要率定静n 个模薹i 参数构造一个( n 一1 ) 的多边形，在伉往过程中，该 多边形按照一定规则逐步向最优目标函数移动，循环搜索矗至给定的优化条件满足。寻找 寻优计算的具体步骤如下： 根据各参数的物理意义和合理取值范围，确定各参数的初始值，设模型有n 个待优化 参数， 即定义寻钱函数鼗面一h 起始点x ”： x ”= ( x ，x 2 ”，x 。)( 2 。3 1 ) 以x “为一个顶点，构造n 个顶点( n 一1 ) 条边的多边形，如下所示： x i ( o ，+ d ix l ( o ) 十d 2 x l 。) + d 2 x 2 + d 2x 2 o + d l x 2 8 蝎 x 3 ( 4 d 2x 3 ( o ) + d 2 _ 1x 3 0 十d 2 x n o ) + d 2x 日。+ d 2 x n + d l ( 2 3 2 ) 2 3 2 式中，d l 和d 2 是确定多边形大小的控制参数。计算并比较多边形备顶点的目标 瓣数毽，找出目标函数疆大鲍顶点，记为x t “( h 为顶点编号，k 为寻找循环次数) ，将x 。一 翻葵反射点x 。“ _ 懿，良梅成一个毅静多边影，反射点k 。“j 褪多边髟重心x 。分掰由 下式确定： x ”= 2k ”一x h “ ( 2 3 3 ) 15 兰查查鲎兰矍翌主鎏苎 堕耋垄墨墼茎壁壁壁塑篓塑塑登i ! ! 堕 x 。“= i n ( m “一x h “) ( 2 ，3 4 ) 重复步骤( 2 ) ，如果：最新确定的多边形顶点( 反射点) ，在下一次循环中目标函数 最大( 在构成耨的多逮形对将被滂除) ，到求次最大弱标函数的反射点，势盘诧取代最大强 标嚣数的预点；在循环中，多边形豹移动绕着菜顶点转，娴缩小多边形豹大小后荐循环 寻优。 重复步骤( 2 ) 、( 3 ) ，直到满足精度要求或达到寻优计算规定的其它指标。 在实际应用中，常用改进的单纯形法通过加大或缩小反射点距离的算法来加速计算的速度。 2 s 。3 燕辩校正横整 流域水文模型是采用水文模拟手段而建立起来的一种预报流域降雨径流计算途径，由于 模型对流域产流、汇流等水文现象的概括尚有一定麓距，因而在实时预报时将出现预报误 差，造成预报误差的原因是： 模型对水文瑗蒙的耱耱概纯砖均纯，如壤禽东量的分层计算、多个水库的连续演算攥 叛，鸯盘承疼对凡静求源出漉的模拟计算等等。 输入的雨甓蒸发等信息在时空上代表性不足，鲫雨量站点分布与降雨特性不相适应，观测 时段过粗镩等，蒸发资料也存在类似情况。 不断敬进模型的结构，努力提高预报精度，这是主要的一个方隧；德育一些差距如量测 误差，不霹预觅误差等，在当静楚难班漕豫驹。认真分橱这种预掇误蓑痔剜静交讫援律， 从而对模型预报计算值加以必瑟的实时校正，实时校正方法有经验方法，也有从自动控制 理论移植过来的分析处理方法如卡尔曼滤波、时间序列分析等方法。 卡尔曼滤波方法是采用状态变嫩方程和量测方程联立求解状态变量( 流量、水位) 。这维方 程静建立是逶避描述流域簿蓠径瀛下残差分方程： q ，。丢万。q 。+ 荟彩r p 。 他_ 3 的 由n 阶系统线性常微分方程转换而来，式中q 为出流爨，p 为降雨量，6 、u 为待定系数， 下标为时序号。由于系统的状态是不断变化的，褒敖线性随杌系统，即攒状态方程其有潋 下形式： x l 。l ；5 + b 阢十r i ( 2 - 3 6 ) 式中x 。k 时刻系统的状态向量；n 维。 河海大学工程酶士论文 u 。氍眩妻l 外界环境对系统的输入；p 维a 。k 时刻的系统嘈声 r 维。 巾状态转移矩阵；r l n 维。 8 一埝入分配矩蓐；n x p 维。 r 一噪声分配距阵； k 计算时段编号。 系统的量测方程为： 蠡= h x + 致 ( 2 。3 7 ) 式审苏 ( 时刻m 维观测蠢量；v 。喵时亥m 维随辊寓量；攮浏误差。h _ 哪n 维躐浏矩 阵。 卡尔曼滤波方法适用于大的流域、大的系统。为了提高白云水电站预报模型的预报糟度， 建立适当的模型进行误蓑预测，采用自圈妇模型( a r ) ： 哆，= l 誓。+ 痧2 识：十p z 。+ 掰 ( 2 。3 8 ) 式中n 为预报误差。将预测的误差与预报模型叠加藕合成白云水电站实时预报系统。自回 归模型系数采用可变遗忘因子递推最小二乘法。 2 。s 4 弱标鋈散与参数傥像准期 隧栝函数是用于评价模型模拟结果的一个重要手段，在水文模型参数自动优选方法中 以目标函数最小，使模拟的出流过程与实测的流量过程拟合最佳。目前常用的目标函数有 方茇、标准差、绝对箍、对数值差以及相关系数等等，应用不嗣的目标函数，优他的结果 巍然也不阉。具体在饿纯参数时，可摄攥不同豹要求选定穗应簿霆标函数。一般穗况下锺 栋霸数取方差形式，帮 o f f 2 ：，( q 一绒) 2 ( 2 3 9 ) 式中q 和q 分别为估算与实测慎，n 为资料数。为考虑水量平衡，可在式中4 5 中增秘一项，其形成必： 。f 2 2 去i 善( q 。一q ：，) 2 ( 1 + ! ! 警) ( 2 4 。) 1 7 塑童壅篓：兰黧蟹圭笙茎耋薹堇查堡鳖茎竺塑篓堡塞塑鳖董燮 式3 3 6 孛西稆匿分别为实测与倍算系列戆均橙。在实际工作孛，程时对高承部分 的拟合要求较高( 如实时洪水预报) 或当模拟的高水部分有系统偏小的情况时，可在目标 函数中增加高水的权重，目标函数可选为： 。睁喜塞( 绞，如) ：+ 去警( 馥；一幺；) ：) 程+ a b s ( q 。：o , - 耍q o , ) ) 毪。4 1 ) 。睁畴善( 繇如) 2 + 万i 丢晓；一瓯) 。程+ 刁- 4 d 式中n - 为高水部分的资料系列点据数，古( q ，一q ，) 2 代袭高水部分， j v f ，= l i 兰瓦善( 筑一级) 2 代表其它部分。 参数的性质不同，对其作用的目标函数也不相同。产流参数主要取决于水量平衡和水 源划分比例，而汇流参数主要决定于流量过程中洪量的分配等等。因此选择目标函数时还 应与优选的方法和策略相结合。 当基标甄数选定后，需要设鬟终止饶让方法静琅刘，在参数蕾动优选方法中常孀黥铙 化准慰为： ( 1 ) 撮丈迭代次数i m a x ； ( 2 ) 目标函数值的收敛差t o l f ； ( 3 )参数迭代步长收敛容藏t o l l 。 上述三个缝爨粤的取值确定予参数傀选鸵精度。在参数值自动优选过程中，只要满足三 个准则中的任一一个，优化过程终止。 本项目中由于囱云水电站无实测历史资料，因此，参数率定与优化调试工作只有待收集一 定年限实测资料后，才能进季亍这工作。 第三章盘蠢求电站实静洪水预报模型 根据白云水电站流域的洪水预报要求和流域特点、自动采集站网、水文和气象资料等情 况，我们送行了突对滋水预报恩体框絮设计，包括：站点选择、子单元划分、模型调试、 实时校正、预报流程等各种软r f 孛的开发稻选用。 河海大学工程酶士论文 3 。l 幕量遥测站赢懿选撵 根据水库现行的防洪要求，考虑遥测系统的实用性、先进性和可靠性以及经济最优原则， 在水库坝址上游布设杨家团、报木坪、自毛坪、渔渡江等4 个雨量和大坝、兰蓉2 水位遥 测站点，基本可控制往流域以上的面平均雨量。按照泰森多边形原则分析计算备掰量站的 霭蠹投重，杨家函、掇本蜉、自毛坪、渔渡江其俸觅表3 。l 。 表3 1 自云水电嫡雨量遥测站点布设一燕袭 站序号站名 雨量权重站点情况 1 杨家团 0 3 4 站点设在城步县白云洞多 2 报木埒 o 2 7 3 垂亳洚 o 。2 1 4 渔渡江 o 1 8 3 。2 子单元妁捌分 皇云承电站l 冀上整个流域接报添蘑量站划分成四个预报尊元，分剐在每一擎元避行产汇 流计算，然后根据马斯京根分段连续演算的要求，将河段划分成若干个子河段。由于每个 单元的河道长度长短不，因此每个单元划分的子河段数日也= = f i 一样。河段的划分尽量满 足河段平均洪水传播时间k 等于计算时段长t 的要求，即k 堍t 。根据流域汇流特点和 预掇系统设计要求，取t = l h ，故k 瞧按l h 设计。又根据潺遵传播对闻和洪水传播速度， 彳齑计予河段长度。河段数般在1 0 万分之一豹篼图上估雾，作为参数调试静秘始俊使用， 最终的成果要通过汇流参数调试确定。在汇流模型中，分段数并不敏感，对演算结果一般 影响不大。 3 3 竣蘧参数调试 3 。3 。l 蓬水流域将蔹 a ) 流域概况：巫水发源于广西北石坳，流缀城步绥宁、会同、洪江，在洪市梨头咀注入沅 江，全长2 4 4 k m ，总流域面积4 2 0 5k 衍，干流平均坡降1 8 1 。流域控制站黄茅站以上流域 集东蕊积4 0 4 5k r a 2 ，二f 流长2 3 5 k m ，平均坡降1 8 2 ，流域内山蕴重叠，峰峦起伏，森林茂 密，盛产橙、移、棱镗等闺材禄及经济栋，翘我省重点栋区，森转覆盖率在8 0 毅，z ，植 被良好，水土流失不蒜严重，流域内地质以板岩为主，质地熙硬土壤山地为黄壤，丘陵 河替为黄红壤。 1 9 河海大学工程酶士论文 流域雨露照云( 蠛步县内) ，汲躅圹、红岩( 绥宁瑟内) 、长妥孛型电旗，班土电站均 为滚水坝，对较大洪水的调蓄影响链小，流域水系觅下圈。 鬻3 1 熬水流域承蒙承意鬻 b ) 暴雨洪水特性：巫水流域内处于副热带湿润气候，每年4 8 月，低空急流多停留在流域 上空，西风带低槽、切变、低涡等低值活动频繁，是造成降水的主骚原因，多年平均 降雨强数1 7 6 d ，多年平均簿水纛为1 4 0 0 m m ，其中6 5 以上的雨量集中在4 8 月，5 司月 出现暴雨洪水懿机会最多。根据黄茅站洪承调套资料。赞茅站1 9 9 8 年洪蜂流黧8 4 0 0 m 3 s ， 为调查以来( 1 9 2 4 年以来) 最大，洪水频率达2 0 0 年遇，流域降雨雨此后般在8 - l o h 河海大学工程酶士论文 出现洪峰，历年最大洪峰流量如下表 表3 2 历年最大洪峰流量表 | 年傍 1 9 2 41 9 4 91 9 5 51 9 6 61 9 9 6 i 流量( m 3 ，s ) 4