（水利工程专业论文）黄河小花区间洪水预报模型研究及软件系统开发.pdf

摘要 摘要 论文在综述了国内外洪水预报模型与软件开发技术发展现状的基础上，对 黄河小花区间自然地理特性、暴雨洪水特性、水利工程运用等问题进行了详细 调查和分析，结合黄河实际防汛工作的要求，确定了采用中国洪水预报系统软 件平台构建黄河洪水预报系统的研究方法，并研制和开发了适用于黄河流域的 洪水预报模型。 黄河小花区间干流河长1 2 8 k m ，集水面积3 5 8 万k m 2 ，有伊洛河、沁河两 支流。区间有小浪底、陆浑、故县三座大型水库，对洪水的调节作用较大。该 区属半湿润半干旱地区，在降雨径流形成过程中，既有蓄满产流，又有超渗产 流。针对小花区间这种产流特点，本文将下渗曲线和下渗能力面积分配曲线结 合起来，建立了一般性产流模型，并应用于小花间洪水作业预报。通过对各断 面预报精度的分析表明，这种一般性产流模型能较好地适用于蓄满产流和超渗 产流两者皆有的半湿润半干旱地区。 论文采用了软件复用技术、地理信息系统( g i s ) 、关系型数据库管理系统 ( r d b m s ) 等软件开发技术，采用v t s u a lb a s i c 、v i s u a lf o r t r a n 、c + + 等软件开 发工具，开发了黄河洪水预报软件系统，为黄河流域洪水作业预报提供了一种 新的预报手段，在实际应用中取得了良好的效果。 关键词：黄河；小花区间；洪水预报系统；水文模型；作业预报 工程硕士学位论文 黄河洪水预报模型研究及软件系统开发 a b s t r a c t o nt h eb a s i so fs u m m a r i z i n gt h ec u r r e n t d e v e l o p m e n ts t a t u so nf l o o d f o r e c a s t i n gm o d e la n ds o f t w a r ep r o g t a m i n gt e c h n o n o g yi nt h ew o r l d ，a n do f p a r t i c u l a ri n v e s t i g a t ea n da n a l y s i so np h y s i c a lg e o g r a p h i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ，r a i n s t o r m a n df l o o dc h a r a e t e r i s t i c s ，w a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t so p e r a t i n go nx i a o h u ar e a c ho f t h ey e l l o wr i v e r t h er e s e a r c hm e t h o di sd e t e r m i n e dt oe s t a b l i s ht h ef l o o df o r e c a s t i n g s y s t e mo ft h ey e l l o wr i v e rb yu s i n gn a t i o n a lf l o o df o r e c a s t i n gs y s t e m ，a n dt h e f l o o df o r e c a s t i n gm o d e lw h i c hi sf i t t e dt ot h ex i a o h u ar e a c hi sd e v e l o p e d t i t e r a r ey d u or i v e ra n dq i nr i v e rt oc o n c e n t r a t et ot h ex i a o h u ar e a c ho f y e l l o wr i v e r , o fw h i c ht h el e n g t ho fm a i nc h a n n e li s1 2 8 k m a n dt h ed r a i n a g ea r e ai s 3 5 8 1 0 - n z t h e r ea r ex i a o l a n g d i ，l u h m l ，a n dg u x i a nt h r e er e s e r v o i r sw i t hal a r g e f l o o dr e g u l a t i o ne f f e c t s x i a o h u ar e a c hb e l o n g st os e m i h u m i da n ds e m i - a r i d r e g i o n , i nt h ep e r i o do fm n o f ff o r m a t i o n , n o to n l yt h et h ei n f i l t r a t i o ne x c e s sm e c h a n i s m w o n i do c c u r , b u ta l s ot h es a t u r a t e dm n o f t a i m i n ga tt h i sf e a t u r eo fr t l n o f fg c u e m t i o n i n ) ( i a o h u ar e a c h , t h ei n f i l t r a t i o nc o l n ei sc o m b i n e dw i t ht h ei n f i l t r a t i o nc a p a c i t y a r e ad i s t r i b u t i o ng d r v e ，a n dt h eu n i v e r s a lm n o f fg e n e r a t i o nm o d e li ss e tu pa n d p u u e di ti nt or e a l - t i m ef l o o df o r e c a s t i n g t h er e s u l ts n a l y s i so fa l lt h ef o r e c a s t i n g s e c t i o i l si n d i c a t et h a tt h i su n i v e r s a lr u n o f fg e n e r a t i o nm o d e lc o u l db ep r e f e r a b l y a p p l i e dt os e m i - h u m i da n ds e m i a r i dr e g i o nw i t hb o t ho fs a t u r a t e da n di n f i l t r a t i o n m o d e s o f t w a r ed e v e l o p m e n tt c c h n o n o g y , s u c ha s $ o f t w a r er e u s e t e c h n o l o g y , g e o l o g i c a l i n f o r m a t i o n s y s t e m ( g i s ) a n d r e l a t i o nd a t a b a s e m a n a g e m e n t s y s t e m ( r d b m s ) ，e t c , i sa d o p t e d ，a n dt h ef l o o df o r e c a s t i n gs y s t e mo ft h ey e l l o w r i v e ri sd e v e l o p e db yu s i n gv i s u a lb a s i c ，v i s u a lf o r t r a n , c + + ，e t c , a n dt h es y s t e m p r o v i d e san e wf o r e c a s t i n gt 0 0 1 a n di th a sb e e na p p l i e dt op m c l i c ew i t hab e t t e r e f f e c t s k e yw o r d s ：y e l l o wr i v e r , x i a o h u ar e a c h ，f l o o df o r e c a s t i n gs y s t e m , h y d r o l o g i c a l m o d e l f l o o do p e r a t i o nf o r e c a s t i n g n 图表目录 图i i 黄河三花区间水系站网图 图2 i 霍顿下渗曲线示意图 图表目录 。9 1 4 图2 2 下渗能力流域分配曲线1 6 表2 i 伊洛河夹滩地区决溢洪水分析2 3 表3 i 三花区间子流域划分。2 6 表3 2 三花区间子流域地理参数2 7 表3 3 三花区间子流域汇流节点。2 8 表3 4 三花区间雨量站同情况统计2 9 图3 1 两参数模型r 0 s e 船c i ( 法优化计算步骤示意图。3 5 表3 5 三花区间子流域产流参数3 6 表3 6 三花区间子流域汇流参数3 7 表3 7 三花区间河道汇流参数3 7 表3 8 预报项目精度等级表：3 8 表3 9 花园口站洪水模拟计算结果统计表 图3 2 花园口站1 9 8 0 0 7 0 6 次洪水计算与实测流量过程 3 9 4 0 图3 3 花园口站1 9 8 2 0 8 0 2 次洪水计算与实测流量过程。4 0 图3 4 花园口站1 9 8 3 1 0 0 8 次洪水计算与实测流量过程 图3 5 花园口站1 9 8 4 0 9 2 8 次洪水计算与实测流量过程。 图3 6 花园口站1 9 8 5 0 9 1 7 次洪水计算与实测流量过程 图3 7 花园口站1 9 8 8 0 8 2 1 次洪水计算与实测流量过程 圈3 8 花园口站1 9 8 9 0 8 2 1 次洪水计算与实测流量过程 图3 旷花园口站1 9 9 6 0 8 0 5 次洪水计算与实测流量过程 图3 1 0 花园口站2 0 0 3 0 9 0 3 次洪水计算与实测流量过程 图3 1 1 花园口站2 0 0 5 0 8 1 9 次洪水计算与实剥流量过程 表3 1 0 黑石关站洪水模拟计算结果统计表 图3 1 2 黑石关站1 9 8 2 0 8 0 2 次洪水计算与实测流量过程 图3 1 3 黑石关站1 9 9 6 0 8 0 4 次洪水计算与实测流量过程 图3 1 4 黑石关站2 0 0 3 0 9 0 3 次洪水计算与实测流量过程 表3 1 l 武陟站洪水模拟计算结果统计表 图3 1 5 武陟站1 9 8 2 0 8 0 2 次洪水计算与实测流量过程 图3 1 6 武陟站1 9 8 8 0 8 1 6 次洪水计算与实测流量过程 图3 1 7 武陟站1 9 9 5 0 8 0 5 次洪水计算与实测流量过程 图4 i 系统软硬件体系结构 图4 2 系统客户端软件文件目录结构 4 6 4 7 4 8 图4 3 模型参数自动优选数据流程5 7 图4 4 实时作业预报数据流程图5 8 图5 1 黄河洪水预报系统快速界面6 3 图5 2 定制预报方案界面之一 图5 3 模型参数率定界面之一 图5 4 建立预报方案界面之一 图5 5 实时预报界面之一 v 6 4 6 5 6 6 6 7 加n钉乱铊铊镗船甜甜铒钙钙 工程硕士学位论文黄河洪水预报模型研究及软件系统开发 图5 6 仿真计算界面之一 图5 7 人机交互界面之一。 图5 8 预报会商与发布界面 图5 9 系统管理之修改测站属性界面 图5 1 0 系统管理之区域管理界面 6 8 6 9 7 0 7 0 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究的背景和意义 洪水预报工作是黄河防汛的三个关键之一，是防洪指挥、调度、决策的重要 依据。8 0 年代后期以来，由于黄河流域连续枯水和人类活动的影响，黄河暴雨 洪水出现了许多新情况。主要表现为下游河道淤积严重、漫滩流量减小、小水大 灾、中小洪水出大险等防洪问题。随着小浪底水库的建设和投入运用，从长期看 黄河下游防洪工程抗御洪水的标准有明显提高。但在黄河小花间水利工程未控制 区，出现大洪水的可能性并不能排除，黄河下游仍时刻会受到大洪水的威胁。同 时，小浪底水库建成运用初期，黄河下游河道将面l 临调整过渡期，随时都可能发 生新的情况和危险。可以预见，小浪底水库投入运用后，为充分发挥水库的防洪 功能，防洪调度将会对洪水预报提出新的、更高的要求。 ； 2 0 0 1 年7 月4 日，黄委领导在水文局视察工作时指出；“水利的现代化要 从信息化开始，水利的信息化要从水文和防汛开始，黄河水文信息化的切入点应 放在小花间。小花间暴雨洪水预见期太短，危害极大，应借鉴国内水文现代化建 设的成果和经验，尽早立项，集中资金，全力以赴优先实现小花间水文信息采集、 处理和传输的现代化，为下游防汛争取时间和主动”。由此，小花间暴雨洪水预 警预报系统项目正式提出。 2 0 0 1 年下半年水文局先后分南北两个组对水文测验、预报、信息传输和大 屏显示进行了全国调研，并在此基础上编制出项目任务书。在项目总体设计过程 中多次举行技术咨询会，邀请国内科研单位和高校的著名学者、专家对项目的关 键技术把关，以确保系统的先进性。同时也举行内部设计审查会，对设计中一些 问题及时修改。 2 0 0 2 年6 月4 日，黄委水文局将修改完成的小花问暴雨洪水预警预报系 统总体设计上报黄河水利委员会。2 0 0 2 年6 月1 1 日，黄委正式将该设计上报 水利部审批。 2 0 0 2 年1 0 月2 3 日至2 5 日，受水利部委托，水利部水利水电规划设计总院 在北京主持召开了专家审查会议，对小花间暴雨洪水预警预报系统总体设计 报告进行了审查。 工程硕士学位论文黄河洪水预报模型研究及软件系统开发 2 0 0 3 年1 月2 2 日黄委会宣布小花项目正式启动。 黄河洪水预报系统是小花间暴雨洪水预警预报系统的重要组成部分。研究开 发黄河洪水预报系统的目的是：利用适合黄河小花区间暴雨洪水特点的洪水预报 方法建立该区域洪水预报方案，并研制开发一套能够以人机交互方式选择预报方 案，快速进行洪水预报计算，并且有洪水预报数据预处理、信息查询、报表生成、 系统管理等辅助功能的洪水预报系统计算机应用软件，为黄河下游防洪减灾提供 重要的决策依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 洪水预报模型 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 ( h o r t o n ) 在在水文循环中下渗的作用中，提出了下渗理论。1 9 3 2 年，谢 尔曼( s h e r m a n ) 在用单位线法由降雨推求径流中嘲，提出了预报流域汇流 的单位线法。1 9 3 5 1 9 3 8 年，麦卡锡( m c c a r t h y ) 在美国总结了以“马斯京干 法”著称的洪水演算预报方法啪。1 9 3 8 年，美国斯奈德( s n y d e r ) 在文献“综合 单位线”中，提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 时十分有效并一直沿用至今的基本洪水预报技术。国内在产流模式研究方面， 1 9 9 2 年，武汉大学雒文生等提出了蓄满超渗兼容模型，1 9 9 7 年，河海大学 包为民和王从良针对半干旱地区产流特点提出了垂向混合模型。1 9 9 8 年由国 家计委立项，水利部水文局主持，组织全国有关高等院校、科研院所、水文系统 及有关专业技术人员开展了中国洪水预报系统的开发建设，计划用几年左右时 间，开发完成中国洪水预报系统，并在全国推广使用m 1 。 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到了快速 发展。流域水文模型是对流域上发生的水文现象进行概化，将一些经验规律加以 物理解释，用严密的数学方式表达出来，再把各个水文过程综合起来，形成全流 域的水量平衡计算系统“1 ，并在计算机上实现。适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 模型、t a n k 模型和我国的新安江模型都是得 到了广泛应用的模型。概念性流域水文模型的许多参数缺乏明确的物理意义，只 2 第一章绪论 反映有关影响因素对流域径流形成过程的平均作用”。而且，模型的很多参数靠 优选获得，当所选用洪水资料的代表性较差时，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。 实时预测的核心技术是利用“新息”( 当前时刻预报值与实测值之差) 为导 向，对于系统模型或者对预报做出现时校正系统动态识别( 亦称参数自适应估 计) 及卡尔曼滤波( k a l m nf i l t e r i n g ) 就是这类方法的典型代表旧。1 9 7 0 年， 日本学者h i n o 在“使用线性预报滤波器的径流预报”一文中使用了实时预报的 概念吲，并在1 9 7 3 年“水文系统的在线预报”咖中加以发展。1 9 8 0 年，凯特 尼迪和伯拉斯发表了论文“用概念性水文模型进行实时预报”嘲，报告了对美国 天气局( n w s ) 模型进行实时化处理的第一个研究。这一工作在1 9 8 2 年由波沙 达和伯拉斯在论文“一个大概念性降雨一径流模型的自动参数估计：一种极大似 然法“帅中，推广到萨克拉门托模型中。在1 9 8 4 年1 9 8 7 年期间，乔治卡科斯、 伯拉斯等提出了一个随机动态的整体的气象水文实时预报模型( 即i h f s 系统) ， 针对这一研究先后发表国许多论文，比较完整的概括此项研究成果的是1 9 8 7 年 发表的论文“实时骤发洪水预报”嘲。模型的基本原理是将作者在1 9 8 4 年为实 现单站降雨定量预报而建立的模型与a p i 、非线性水库汇流预报模型咖1 结合为 一个模型，使之实现从预报未来降雨开始，到预报洪水流量过程的完整的气象水 文模型。在国内，实时洪水预报技术也取得了一系列令人瞩目的成就。其中代表 性的研究成果包括：1 9 8 4 年，葛守西将卡尔曼滤波算法与畜满产流模型结合， 建议了以土壤含水量为状态交量，应用卡尔曼滤波技术单独对于产流预报进行动 态实时校正的新技术哪，1 9 8 7 年，朱华在。马斯京根法的矩阵方程求解法”一 文中“”，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推问题；以各子 河段出口断面流量作为状态向量，再以单位阵作为观测矩阵构造观测方程，从而 为使用马斯京根方法进行实时预报提供了一个可用的模型形式。该方法在众多流 域如黄河三花区间、鲁布革水库的实时洪水预报中得到应用。 考虑到水文要素在空间上的变异性，自从1 9 6 9 年f r e e z e 和h a r l a n 第一 次提出了分布式水文模型的概念以来“”；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径流过程，可以预测水文变量如径流量、土壤含水 量以及蒸散发等的时空格局。1 9 7 9 年b e v e n 等基于山坡水文学理论提出了 3 工程硕士学位论文黄河洪水预报模型研究及软件系统开发 t o p m o d e l 模型“”；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 合作开发了欧洲水文系统模型s h e “”，该模型充分考虑了截留、下渗、土壤蓄 水量、蒸散发、地表径流、壤中流、地下径流、融雪径流等水文过程；1 9 9 2 年 f a m o g l i e t t i 等将修改的t o p m o d e l 和一个表面能量平衡模型耦合在一起，计算 整个流域范围内的蒸散发空间变化“”。国内在这一方面起步较晚，但也取得了一 定的成绩。李兰等提出的包括小流域产流、汇流、流域单宽入流和上游入流反演、 河道洪水演进4 个部分的分布式水文模型“；苏风阁等建立了参数网格化分布 式月径流模型o ”：郭生练等提出的基于d e m 的分布式流域水文物理模型“”。分 布式水文模型可以充分考虑参数和变量的空间变异性，并考虑不同单元间的水平 联系。因此，在模拟土地利用、土地覆盖、水土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显出优势。并且，容易解决参数间的不 独立性和不确定性问题，便于在无实测水文资料的地区推广使用“” 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、地质、水文地质等特性的参数进行时空耦合，在此基础上构建流域水 文模型，将是流域水文模型未来的发展趋势洲。同时，新一代的水文模型将进一 步地与描述环境、生态、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。可以预料，随着信息技术和一些交叉学科的发展，流域水 文模型的发展将变的更加迅猛。 1 2 2 洪水预报系统。 在国外，最早将水情信息处理与洪水预报计算机制作直接联为一体的系统是 从研制水文自动遥测洪水警报、预报系统开始的。1 9 5 8 年日本富士通株式会社 研制的水文自动测报系统运行成功；1 9 6 6 年美国天气局在波托马克河流域、1 9 7 0 年法国在多尔顿流域、1 9 7 2 年英国在迪河流域、1 9 7 4 年日本在淀川流域、1 9 7 5 年澳大利亚在墨尔本市郊、1 9 7 6 年意大利在欧姆布隆河流域开始有水文自动遥 测系统投入实际运行，并先后具有自动化洪水预报、自动警报功能。踟年代后， 这种技术走向成熟和普及。这一类系统的共同特点是使用遥测水文信息( 雨量、 水位、，直接实现联机洪水预报作业。它们属于第一代洪水预报系统。 8 0 年代以后，由于控制理论的实时预报技术大量引入到洪水预报中来，实 现自动的实时校正，以解决单纯用数学模型计算以至在许多时候与实际出入过大 第一章绪论 的问题。这种系统称为“联机实时预报系统”，从预报技术的角度看，比较第一 代系统有了实质的进步，故可以划分它属于第二代的洪水预报系统。 1 9 8 9 年，美国天气局在河流预报系统( m v s r r s ) 第5 版上安装了交互式预报 程序( i f p ) 【4 刀，揭开了第三代洪水预报系统研制的序幕。该系统采用完全模块化 的结构，预报算法独立于计算机系统，因而，该系统具有以下功能：1 、允许有 多种模型并行使用( 实际已装入1 8 种数学模型) ；2 、让用户选择模型和使用顺序： 3 、方便于增加新的模型和功能；4 、大大加强了数据处理能力：5 、使用标准化、 通用化的模块设计思路，各功能子程序代码独立，子程序的输入和输出分离：6 、 利用图形交互处理技术对洪水预报数学模型的计算结果进行人工干预，从而得到 可以发布和实行河系连续预报的成果，保证了河系预报作业的连续性。 美国天气局河流预报系统( n w s r f f s ) 具有包含2 8 个常用的预报模型的预报 模型库，用户可任意选择所需模型用于构建预报方案。系统对在预报模型库种增 加新的预报模型设计有一标准接口。系统可通过编辑一工作文件0 0 af i l e ) 来构 建预报方案，并可采用文本界面方式自动完成参数率定。系统可对实时数据、状 态过程等部分信息进行交互式分析。美国全国1 3 个河流预报中心均广泛使用该 系统。 在意大利广泛使用的c i _ s 模型系统中采用拉格朗日罚函数方法对河流汇流 参数进行自动优化，而产流参数则采用人工试错方法。该系统也可通过编辑一文 本文件来构建预报方案，并通过组合多个文本文件完成河系预报。该系统不足之 处在于系统中除c l s 模型外，不能增加其他模型，且系统的人机交互功能不强。 我国洪水预报系统的应用较晚。1 9 8 3 年以后，为了加快洪水预报系统的应 用进程，开始引进国外技术设备。最早的一批系统有：黄河三花区间遥测系统、 长江陆水流域预测系统，这两个系统均由美国国家天气局中介，招标购置了美国 s m 公司的全套商售系统，系统于1 9 8 5 年建成并投入运行。该系统预报部分是 通用的萨克拉门托模型的作业预报运行软件。 国内一些科研院所在借鉴引进的系统的基础上，在微机d o s 系统上开发了 一些从遥测数据处理到洪水预报、实时校正及水库防洪调度的功能较完备的遥测 预报系统，配合国产遥测硬件设备研制的进展，使遥测预报系统在我国迅速推广， 迄今国内引进与自产的此类系统总数已近5 0 0 个。 1 9 9 9 年，由水利部水利信息中心联合有关单位开发的全国水情信息及洪水 5 工程硕士学位论文黄河洪水预报模型研究及软件系统开发 预报预测业务系统实现了多个预报模型库的构建，用户可通过编辑一参数文件完 成预报方案的构建，具有一定的人机交互分析功能。但系统不具备参数率定功能。 由长江水利委员会水文局开发的降雨径流相关图交互式建模技术可通过人 机交互界面完成降雨径流相关图的参数率定，实现了降雨径流相关图参数率定计 算机化，一旦将历史水文数据( 降雨、流量、蒸发) 和流域基本资料( 站网水系图等) 输入计算机后，从原始数据套错、分手段开始，逐步进行模型参数率定，直到模 型建立，演算检验、精度评定、成果打印等全部在计算机上完成，不需任何机下 作业。在使用6 年资料率定一个流域的模型时，在1 2 天之内可完成全部建模 工作。效率得到大大提高，率定成果的质量比人工作业更高。 在预报系统的体系结构上也得到了发展。最早引进的意大利c l s 模型系统 是建立在v a x 系列小型机上，采用终端一主机模式，终端是一种“武智能”的 设备，只负责将用户的请求传递给主机，并将主机的处理结果反馈给用户，其中 间处理过程均由主机完成，这种计算模式的缺点在于系统性能主要依赖主机的资 源，其灵活性较差。随着计算机硬件水平的快速发展和网络的普及，预报系统也 已发展为基于客户机，服务器的两层模式，运行于服务器的软件一般为关系数据 库( r d b m s ) ，运行于客户端的则为根据实际需要而开发的预报系统。近几年研 究开发的一些软件系统，包括目前运行于水利信息中心的实时水情查询系统、防 汛会商系统和洪水预报系统等多属于此类模式。对于较为复杂的应用，两层模式 存在的主要不足是系统性能欠佳，因为这种模式对用户的业务处理和用户图形界 面绑定在一起，消耗了客户机的系统资源。 当前水文情报预报系统是紧密结合防汛抗旱工作的需要，并根据水文情报预 报工作的业务流程进行设计，在强调系统的先进性的同时，更注重系统的实用性， 一般具有信息接收和数据处理、水情预测预报、信息服务、系统维护和管理等四 方面的基本功能。 地理信息系统( g i s ) 在水文情报预报工作中得到了越来越多的应用，其具有 很好的信息管理、检索、空间分析和显示功能。近年来，g i s 常常应用于洪水预 报系统中，进行信息程序和空间信息分析、模型参数的确定、分布式水文模型开 发、数字高程模型( d e m ) 分析等。 第一章绪论 1 3 本文研究思路和内容 1 3 1 研究思路 概念性水文模型在实时洪水作业预报方面已有广泛的应用，在防洪减灾工作 中发挥了巨大作用。本项目在借鉴国内外成熟的概念性水文模型和软件开发技术 的基础上，研制适用于黄河流域暴雨洪水特点的实用预报模型，并开发可用于实 时作业预报的软件系统，满足黄河防洪调度对洪水预报的需要。 1 3 2 研究内容 一 为了能够向三门峡、小浪底、陆浑、故县四库联合调度提供全面技术支撑， 小花项且黄河洪水预报系统预报模型覆盖范围扩展至三花区间。 本项目的主要研究内容为：( 1 ) 引进中国洪水预报系统平台，构建黄河洪水 预报软件系统；( 2 ) 建立黄河流域实时水情数据库和预报专用数据库；( 3 ) 研制 黄河小花区间洪水预报模型，并集成到预报系统中；( 4 ) 结合黄河防汛工作的实 际需要，开发相应的辅助软件。 ( 1 ) 构建黄河洪水预报软件系统 在中国洪水预报系统软件平台上构建黄河流域边界、河流水系、报汛站网、 以水文站为控制点的预报区域子流域边界等地理信息图层。 ( 2 ) 建立数据库 建立黄河实时水情数据库和预报专用数据库。实时水情数据库按照实时雨 水情数据库表结构与标识符标准( s l 3 2 3 2 0 0 5 ) 建立，预报专用数据库按照中国 洪水预报系统平台预报专用数据库表结构设计建立。 ( 3 ) 研制黄河小花区间洪水预报模型 预报模型是预报系统的核心根据预报模型标准化和规范化的要求，对于纳 入洪水预报系统的模型进行标准化开发，形成了预报模型库，以便供选择用于构 建洪水预报方案。黄河洪水预报系统中除了利用预报系统平台使用的标准模型 外，针对黄河部分地区产汇流特点复杂的特点开发适用的经验预报模型。本项目 开发了适用于黄河三花区间的1 8 个经验预报模型。 ( 4 ) 开发辅助软件 为了满足黄河防汛工作的实际需要，需开发相关辅助软件来实现。辅助软件 7 工程硕士学位论文黄河洪水预报模型研究及软件系统开发 包括模型状态参数计算( 如前期影响雨量) 、预报系统与调度系统数据交换等。 1 4 研究区域概况 1 4 1 自然地理 黄河三花区间位于东经1 1 0 。0 0 1 1 3 。3 07 ，北纬3 0 。4 0 3 7 。0 0 之间，黄河中游末段、下游首段的一个区间流域，面积4 1 6 万k m 2 ，是黄河下游 主要洪水来源区之一。建国后，花园1 3 站发生的三次洪峰流量大于1 5 0 0 0m 3 s 的洪水( 即1 9 5 4 年的1 5 0 0 0 m 3 s 、1 9 5 8 年的2 2 3 0 0 m 3 s 及1 9 8 2 年的1 5 3 0 0m 3 s ) ， 皆以三花间来水为主。清乾隆二十六年( 公元1 7 6 1 年) 洪水，亦系三花问干、 支流洪水并涨所致，据推算花园1 3 站洪峰流量为3 2 0 0 0m 3 s 。该区洪水的特点是 涨势猛、洪峰高、预见期短，对黄河下游的威胁最为严重。 该区南北两面为山，北面有中条山、太岳山、太行山，南面有秦岭、伏牛山， 其走向自西向东逐渐散开。大小支流沿南北两翼向黄河干流汇集，呈蝴蝶型流域， 主要支流有伊洛河和沁河。该区地势西高东低，南北高中间低。该区海拔高度北 面2 0 0 0 m 左右，南面在1 6 0 0 1 8 0 0 m 之间，中间由南北两面逐渐下降至1 0 0 3 0 0 m 根据自然地理条件，该区大体上可划分为石山区、丘陵区和平原区三种地貌 类型。石山区主要分布在黄河干流三门峡至八里胡同、伊洛河、沁河上游及沁丹 河中下游，其特点是地势高耸、山峰重叠、土层较薄、岩石裸露，植被较好。土 壤类型主要为黄土类亚粘土和亚砂土。丘陵区主要分布在干流八里胡同至孟津和 伊洛沁河中下游。该区山坡平缓，山顶呈馒头状，上层为黄土复盖，主要为农业 生产地。平原区主要分布在干流孟津至花园口及伊洛沁河下游。该区为冲积平原， 地势平坦，是主要的农业生产区。 3 第一章绪论 图1 1 黄河三花区间水系站网图 1 4 2 水文气象 本区气候受季风影响，每年6 月以后，季风开始活跃，南方暖湿空气不断入 侵与大陆冷空气交绥，常常造成暴雨。7 至9 月是本区的洪水期，9 月以后季风 开始南退，受西北高压控制，降水稀少，进入枯水期。年平均蒸发量9 0 0 1 2 0 0 m ， 年平均降水量6 0 0 9 0 0 n e n ，属半湿润地区。暴雨主要集中在6 9 月，降水量占 全年降水量的6 0 7 0 ，尤以7 、8 两月出现的暴雨次数最多，占汛期降水量的 8 5 左右，其中较大暴雨又多集中在7 月中旬至8 月中旬。 本区暴雨主要是由南北向切变线加低涡或台风间接影响所致，如1 9 5 8 、1 9 8 2 和1 7 6 1 年的暴雨。也有由台风直接影响形成的，如1 9 3 7 、1 9 5 6 年的暴雨。其特 点是降雨集中，强度较大，时空分布很不均匀，最大日雨量可达5 0 0 m m 以上， 最大2 4 h 雨量可达7 0 0 m m 以上，最大1 h 雨量可达l o o m m 以上暴雨中心常发 生在以下几个地带：伊、洛河上游栾川、洛南一带，伊、洛河中下游嵩县和 宜阳、新安一带，于流- - - f q 峡小浪底区间垣曲、八里胡同一带，沁河下游 济源、五龙口一带。 9 工程硕士学位论文黄两洪水预报模型研究及软件系统开发 由于该区暴雨历时短、强度大，干支流洪峰遭遇机会多，故洪峰多为陡涨陡 落，峰高，历时短，一次洪水的持续时间一般多在5 d 左右。 1 4 3 水利工程 本区有- - 1 7 峡、小浪底、陆浑、故县四座大型水库。 三门峡水库位于陕、晋、豫三省交界处，控制流域面积6 8 8 万k m 2 ，控制了 黄河河口镇至龙门区间和龙门至三门峡区间两个主要洪水来源区，对三门峡至花 园口区间洪水来源区的洪水能起到错峰作用，同时还有防凌、灌溉、发电等综合 效益。 三门峡水库于1 9 5 7 年4 月开工，1 9 5 8 年1 1 月截流，1 9 6 0 年9 月水库开始 蓄水，经初期运用后，水库淤积严重。为解决水库淤积问题，1 9 6 2 年3 月决定 采用滞洪排沙运用方式，并于1 9 6 5 1 9 6 9 年和1 9 6 9 1 9 7 3 年1 2 月先后两次对 枢纽泄洪排沙设施进行增建和改建，以扩大泄流能力。 小浪底水库位于河南省洛阳市以北4 0 k m 处的黄河干流上。上距三门峡水利 枢纽1 3 0 k i n ，下距郑州花园口站1 2 8 k m 。坝址控制流域面积6 9 4 万k r a 2 ，占花 园口以上流域面积的9 5 1 。小浪底水库的开发任务是以防洪( 防凌) 、减淤为 主，兼顾供水、灌溉、发电。水库设计正常蓄水位2 7 5 m ( 黄海标高) ，万年一遇 校核洪水位2 7 5 m ，千年一遇设计洪水位2 7 4 m 。设计总库容1 2 6 5 亿m 3 ，包括 拦沙库容7 5 5 亿m 3 ，防洪库容4 0 5 亿m 3 ，调水调沙库容1 0 5 亿m 3 。兴利库容 可重复利用防洪库容和调水调沙库容。 小浪底水库大坝于1 9 9 7 年1 0 月2 8 日截流，1 9 9 9 年l o 月2 5 日下闸蓄水， 2 0 0 0 年6 月2 6 日主坝封顶( 坝顶高程2 8 1 m ) ，水库工程2 0 0 1 年1 2 月已全部完 工，所有泄水建筑物达到设计运用标准。 陆浑水库位于嵩山县黄河支流伊河的中游，控制流域面积3 4 9 2 k m 2 ，占该河 流域面积的5 7 9 ，总库容1 2 9 亿m 3 该库以防洪为主，兼顾灌溉、发电、供 水、养鱼等。坝址处多年平均径流量1 0 2 5 亿m 3 ，多年平均输沙量3 0 1 6 万t 。 故县水库位于河南洛宁县黄河支流洛河的中游，距洛阳1 6 0 k i n ，控制流域面 积5 3 7 0 k m 2 ，占洛河流域总面积的4 4 6 。洛河故县水库是一座以防洪为主，兼 顾灌溉、供水、发电、养殖等综合利用的大型水利枢纽。坝址以上流域多年平均 降水量7 0 0 余蚴，坝址处多年平均径流量1 2 8 1 亿m 3 ，多年平均流量4 0 6 m 3 s ， 1 0 第一章绪论 约占洛河总水量的6 0 。调查历史最大洪峰流量5 4 0 0 m 3 s ( 1 8 9 8 年) ，实测坝址最 大洪峰流量3 8 4 0 m 3 s ( 1 9 5 8 年) 。 1 4 4 分滞洪区 本区有两个滞洪区，即沁南滞洪区和沁北自然滞洪区。 沁南滞洪区位于黄河北岸、沁河南岸夹角地带的武陟县境内，当预报武陟站 洪峰超过4 0 0 0 m 3 s 时，在五车口自然漫溢分洪，以确保沁北大堤安全。该滞洪 区在黄海水位1 0 2 m 时淹没面积1 4 2 6 k m 2 ，相应滞洪量5 1 8 亿m 3 。本滞洪区跨 五个行政乡，1 2 万人口，1 5 万亩耕地。 沁北滞洪区位于五龙口以下沁河北岸沁阳县境内沁丹两河夹角地带，面积约 4 0 k m 2 ，当五龙口洪峰超过2 5 0 0 m 3 s 以上时，即向滞洪区漫溢。本滞洪区还兼有 排泄太行山洪水的任务。 1 1 工程硕士学位论文黄河洪水预报模型研究及软件系统开发 2 1 概述 第二章洪水预报模型 水文预报是水文科学研究的重要内容之一洲m 1 ，它是根据前期或水文气象情 报，运用水文学、水力学和气象学等原理和方法，对河流、水库、湖泊或其他水 体在未来一定时段内的水文状况做出定量或定性的观测，它是防汛抗旱和有效利 用水资源以及为水电工程设计、施工、调度和管理的重要依据。它为洪涝灾害的 防御，径流的调节，河流水能的利用，内河航运、灌溉、供水和水质管理提供信 息，是采取各种水利工程措施及调度决策的依据，同时也是一项适应自然、减免 损失和合理利用水能、水资源的重要的非工程措施。 水文模型也即“水文模拟”，是研究水文规律的一种工具、模拟水文现象原 型的一种数学结构嘲。所谓模拟，就是用系统分析的观点与方法，在分析水文要 素的特征、相互影响和作用过程的基础上，抽象出主要的影响因素和主要的过程， 并用数学关系和逻辑表达式来概化和描述渊。随着对水文规律研究的深入和描述 水文过程方法的不断改进，水文模拟技术己逐渐成为水文科学的一个重要组成部 分。 流域水文模型的出现与计算机的诞生密不可分叫，5 0 年代后期，随着电 子计算机和系统理论应用的迅速发展，水文学提出了流域水文模型的概念。7 0 8 0 年代是流域水文模型的蓬勃发展时期。随着信息与通信的飞速发展，流域水 文模型在洪水预报、流域规划等领域起着越来越重要的作用。 流域的水文模型可以分为确定性模型和随机模型两大类o ”，但是在实际 中，流域水文模型一般是指确定性模型。从反映水流运动物理规律的科学性和复 杂程度而言，水文模型通常被分为三大类：系统模型( 也即黑箱子模型，b l a c k - b o x m o d e l ) 、概念性模型( c o n c e p t i o n a lm o d e l ) 和物理模型( p h y s i c a l l y - b a s e d m o d e l ) 嘲在实时洪水预报中，概念性模型和系统模型应用较多。 流域水文模型是把流域看成为一个完整的系统，对系统中的水文动态作出全 面的分析，根据各水文要素相互联系制约的物理规律，用数学方式描述主要的水 文过程与主要影响因素的关系，形成全流域的水量平衡科学计算系统。 第二章洪水预报模型 2 2 产流模型 流域产流是指流域中各种径流成分的生成过程，是研究降雨转化为径流的过 程，其特点是产流面积和降雨的时空变化，其实质是水分在下垫面垂向运动中， 在各种因素综合作用下对降雨的再分配过程，主要取决于非饱和土壤水运动的机 理、特性和运动规律嘲。 流域产流的特点是产流面积和降雨时空变化。流域产流的实质是求解非饱和 带地下水运动基本微分方程组，如何处理这个方程组是流域产流计算的核心问 题。处理方法不同，也就产生了不同的流域产流计算方法啕。 2 2 1 下渗曲线 1 9 3 1 年，r i c h a r d s 将达西定律用于非饱和土壤水流的研究，提出了r i c h a r d s 方程： q z 。k p ) 掣4 - k p ) ( 2 一1 ) 式中够一单位面积土柱上z 处的下渗流量，m s ； 伊一壤含水量； j - ( f 口广一水力传导度，为单位水势梯度时土壤下渗流量( 或流速) ，m s ； 弘基膜势( 又称毛管势) ，m ； r 土柱垂向距离( 向上为正) ，m 。 将式2 - 1 与土壤水的连续方程联立求解，则得到描述非饱和土壤水份运动的 扩散方程： 百0 0 。珈0 ，卦警 z ， 式中：d ( o ) - k p ) 詈，称为扩散系数，是土壤含水量的函数，数值上等 于毛管势梯度为1 时的水力传导度，单位为m 2 s 。 在入渗初期，重力势远远小于基膜势，式2 - 2 右边毛管力项可忽略，同时假 设不同土壤含水量下扩散系数相同，则可得土壤水分垂向运动的简化扩散方程： 塑d 粤( 2 3 )j 一 1 ， 1 3 工程硕士学位论文 黄河洪水预报模型研究及软件系统开发 式中r 时间： 伊一扩散系数，为一常数，m 2 s 。 求解式2 - 3 ，得到入渗曲线： f z ( a , - a o ) 2 o 见一 或 l i a ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 式中：一入渗强度，l n n a $ $ 卜入渗量，m m 。 ，卞曲线仅仅表示入渗强度随入渗量的变化关系，至于入渗量如何变化， 则需要根据与，于曲线等价的，1 曲线确定。假如，6 卞呈直线型，即 f = f o - c f ( 2 - 6 ) 则，i加诒 ( 2 7 ) 式2 7 即为霍顿下渗公式，式中k 为反映土壤下渗率递减特性的指数，而为 土壤最大下渗能力，单位为m s 。 图2 1 霍顿下渗曲线示意图 对霍顿下渗公式积分，得f 时刻土壤蓄水量p 4 和流域最大张力水蓄水量明讥 只- j ：，0 e 4 出一毒( 1 一e ( 2