（水利工程专业论文）辽河三江口地区洪水预报系统.pdf

学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：宝盎交 2 。5 年1 月9 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：室盛2 0 0 5 年1 月9 日 月叮 - 目 我国是洪涝灾害频繁发生的国家，随着国民经济的快速发展，洪水灾害给人们造成的 损失也日趋严重，国家和社会也越来越重视防汛抗洪工作。洪水预报作为一项非常重要的 防洪非工程措施，对整个防汛抗洪工作的成败起着至关重要的作用。 辽河三江口地区泛指东辽河、西辽河与辽河干流交汇地带，位于吉林省、辽宁省和内 蒙古自治区三省( 区) 交界处，是我国重要的产粮基地之一，同时也是松辽水利委员会重 点防汛地区之一。因此，做好该地区的实时洪水预报工作对三江口地区乃至整个辽河流域 的防洪都具有十分重要的意义。 辽河三江口地区在1 9 9 8 年发生洪水后，河道及洪水特性发生较大改变，致使原有预 报方案的精度不能满足实际防洪工作的要求。为了做好该地区的防汛工作，必须重新编制 洪水预报方案，并开发预报软件，为防洪减灾提供及时、准确的决策依据。论文作者结合 生产实际需要，选择“辽河三江口地区洪水预报系统”作为硕士学位论文题目，对相关 的洪水预报问题进行了系统、深入的研究。 论文在评述目前洪水预报技术在国内外研究现状及发展趋势的基础上，对辽河三江口 地区防洪预报面临的问题及其特点进行了分析；对辽河三江口地区的自然地理特性、暴雨 洪水特性、水利工程运用等问题进行了调查和描述；在收集大量的水文资料基础上，对研 究流域的产汇流特点进行了分析，并提出了采用确定性预报方法和统计预报方法相结合的 解决方案，建立了满足精度要求的洪水预报方案，实现了洪水过程预报和洪峰预报；利用 了地理信息系统( g i s ) 、关系型数据库( d a t a b a s e ) 、v i s u a lb a s i c 软件开发等新技术开发 了实用先进的辽河三江口地区洪水预报软件。 论文研究成果的创新及特色之处包括：( 1 ) 针对东辽河流域蓄满和超渗两者皆有的产 流特点，采用新安江模型中加入超渗产流模块，即新安江陕北模型，研制了东辽河洪 水预报模型，解决了东辽河流域的洪水过程预报中比较复杂的技术难题；( 2 ) 针对西辽河 流域下垫面情况复杂、人类活动强烈、水文测站少和资料缺乏等特点，研制了基于线性动 态系统理论框架下的统计预报模型，解决了西辽河流域在缺乏实测资料实际情况下作预报 的技术难题。 摘要 论文在综述了国内外洪水预报技术发展现状的基础上，对辽河三江口地区的自然地理 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，根据所研究流域的特 点，并结核实际防汛工作的要求，确定了采用确定性预报和统计预报相结合的研究方法。 实现了辽河三江口地区各控制断面的洪峰预报和洪水过程预报。 东辽河下游出口控制站( 王奔站) 以上河长2 7 9 k m ，集水面积1 0 4 1 8 k m 2 。东辽河流 域水系发育较好，水利工程影响较小，水文资料条件较好，所以采用流域水文模型方法对 各预报断面流量过程进行预报。新安江模型是目前国内大部分地区应用较为广泛的流域水 文模型，模型的特点是：概念清楚，各参数的物理意义明确。但由于模型采用的是蓄满产 流机制，在湿润地区应用效果更好。东辽河流域属于半湿润、半干旱地区，在降雨形成径 流的过程中，既有蓄满产流，又有超渗产流。针对东辽河流域这种产流特点，本文在新安 江模型中加入超渗产流模式，将蓄满和超渗两种产流机制耦合，建立了新安江陕北模型， 并将其应用于东辽河流域的实时洪水预报。通过对各断面的预报精度的分析表明，这种改 进的新安江陕北模型能较好地适用于蓄满产流和超渗产流两者皆有的半干旱半湿润地 区。 西辽河郑家屯站为西辽河下游出口控制站，距上游通辽站1 7 0 k m ，断面以上集水面积 9 1 3 6 8 k m 2 。西辽河流域的特点是：水系发育极不完善，其支流乌力吉木仁河只有在较大洪 水时才会影响下游来水；沿河建有多处拦河闸；流域下垫面条件十分复杂，有：草原、沼 泽、沙漠等：流域内测站较少，资料条件很差。针对西辽河流域以上特点，采用了线性动 态系统模型方法进行洪水过程预报，同时采用了相应流量法进行洪峰要素预报。 论文采用了理信息系统( g i s ) 、关系型数据库( d a t a b a s e ) 、v i s u a lb a s i c 等软件技 术，开发了辽河三江口地区洪水预报计算机软件系统，为辽河三江口地区的实际防汛工作 提供了方便、实用的技术工具，使研究成果真正应用于生产实际。 关键词：洪水预报，新安江陕北模型，线性动态系统，软件开发 i i a b s t r a c t t h i sp a p e ri sf o c u s e do nf o r e c a s t i n gt h ep e a kf l o wa n df l o o dh y d r o g r a p hf o re a c hc o n t r o l p r o f i l eo fs a n j i a n g k o ur e g i o n ，l i a o h er i v e r ab r i e fi n t r o d u c t i o nt ot h ed e v e l o p m e n to ff l o o d f o r e c a s t i n gt e c h n o l o g y a th o m ea n da b r o a di s p r e s e n t e d a t f i r s t s t r a t e g yc o u p l i n g t h e d e t e r m i n i s t i ch y d r o l o g i c a lm o d e la n ds t a t i s t i c a l s t o c h a s t i cf o r e c a s t i n gm e t h o di sd e t e r m i n e dt o a d o p ti nb m l d i n gt h ef o r e c a s t i n gs c h e m e s ，w h i c hi sb a s e do nt h ea b o r a t i v ei n v e s t i g a t i o na n d a n a l y s i so fc h a r a c t e r i s t i c so ft h es t u d i e dc a t c h m e n t ，i n c l u d i n gi t sn a t u r a lg e o g r a p h y , r a i n f a l l e v e n t s ，f l o o de v e n t s ，a n dt h er u no f w a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t se t c s i m u l t a n e o u s l y , t h ep r a c t i c a l r e q u i r e m e n t so nf l o o dp r e v e n t i o nf o rt h es t u d i e db a s i na r e c o n c e r n e di n s e l e c t i n gv a r i o u s f o r e c a s t i n gm o d e l s w a n g b e ns t a t i o ni s ac o n t r o l l i n gg a u g el o c a t e di nt h ed o w n s t r e a mo fe a s to fl i a o h er i v e r ( e l 目，t h el e n g t ho f t h er i v e r ，a b o v eo f w h i c h ，i s2 7 9 k ma n dt h eb a s i na r e ai sa b o u t1 0 4 1 8k m t h ew a t e r s h e dh 3 7 d r o l o g i c a lm o d e li ss e l e c t e da st h er a i n f a l l - r u n o f ff o r e c a s t i n gm o d e lt op r e d i c t t h ef l o o dh y d r o g r a p ha te a c hc o n t r o l l i n gc r o s s s e c t i o nw i t h i ni ne l h ，c o n s i d e r i n gt h a tr i v e r s y s t e mi sw e l ld e v e l o p e d ，t h ee f f e c to fw a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t si sv e r ys m a l la n dh y d r o l o g i c a l d a t aa r ea v a i l a b l ei np r a c t i c ex i n a n j i a n gm o d e lh a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nm o s tr e g i o n so f c h i n af o rt h em e r i t so fc l e a rc o n c e p ta n de x p l i c i tp h y s i c a lm e a n i n go f e a c hp a r a m e t e r h o w e v e r , a st h em o d e lu t i l i z e sas a t u r a t e dr u n o f fm e c h a n i s m t h em o d e li sm o r es u i t a b l ef o rh u m i da r e a s w h i l et h ee l hc a t c h m e n tb e l o n g st os e m i h u m i da n ds e m i a r i dr e g i o n ，t h u sr u n o f fw i t ha n i n f i l t r a t i o ne x c e s sm e c h a n i s mw o u l do c c u ri nt h ef o r n a t i o do fr u n o f t w i t hc o n s i d e r a t i o no ft h i s f e a t u r e ，t h em o d eo fi n f i l t r a t i o ne x c e s si sc o u p l e dw i t ht h ex i n a n j i a n gm o d e l ，n a m e l y x i n a n j i n g s h a n b e im o d e l ，a n dt h e na p p l i e d i ne l hc a t c h m e n t f o r e c a s t i n gm o d e l sa r e c a l i b r a t e db yh i s t o r i c a lr m n f n l r u n o f fe v e n t sa n df o r e c a s t i n gp r e c i s i o n sa r ei n v e s t i g a t e d ，r e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ex i n a n j i a n g s h a n b e im o d e lc o u l dc o m p a r a t i v e l yw e l la p p l i e di ns e m i - h u m i d a n ds e m i a r i dr e g i o n sw i t ht h ee x i s t e n c eo f b o t hs a t u r a t e da n di n f i l t r a t i o ne x c e s sr u n o f f 。 z h e n g j i a t u ns t a t i o ni st h eo u t l e to ft h ew e s to fl i a o h er i v e r ( w l h ) ，a b o v eo fw h i c h ，t h e l e n g t ho ft h er i v e ri s1 7 0 k mw i t hat o t a la r e aa b o u t9 1 3 6 8k m 2 t h ec h a r a c t e r i s t i c so fw l h c a t c h m e n ta r ea sf o l l o w s ：t h er i v e rs y s t e mi sn o tw e l ld e v e l o p e d ，a n dt h eb r a n c h ，w u l i j i e m u r e n r i v e rw i l lr o u t er u n o f fd o w n w m - do n l yw h e nab i gf l o o de v e n to c c u r s ；t h e r ea r ean u m b e ro f b r a k e sw h i c hc o n t r o lt h ef l o o dr o u t i n ga l o n gt h er i v e r ；t h ec o n d i t i o no fg r o u n ds u r f a c ei sv e r y c o m p l e x ，i n c l u d i n gg r a s s l a n d s ，s w a m p sa n dd e s e r t s ；h y d r o l o g i c a lg a u g e sw i t h i nt h ec a t c h m e n t a r es c a r c e l ya n ds h o r to fr a i n f a l l r u n o f fd a t a t h e r e f o r e ，al i n e a rd y n a m i cs y s t e mm o d e li s i l l u t i l i z e dt of o r e c a s tt h ef l o o dh y d r o g r a p h sf o rm a i np r o f i l e s ，a n das t a t i s t i c a l l yb a s e da p p r o a c h n a m e l yc o r r e s p o n d i n gd i s c h a r g em e t h o di sc a l i b r a t e dt oo f f e rt h ep r e d i c t i o nf o rf l o o dp e a kf l o w a tt l l es a l i l et i m e n e w c o m p u t e rs o f t w a r et e c h n o l o g i e sa r ea d o p t e dt oa c t u a l i z et h es o f t w a r es y s t e mf o rf l o o d f o r e c a s t i n go fs a n j i a n g k o ur e g i o n ，i n c l u d i n gg i s ，r d b ，v ba n do t h e rc o m p u t e rt o o l s t h e s o t c w a r ep r o v i d e sac o n v e n i e n ta n dp r a c t i c a lt o o lf o r t h es t u d yb a s i nf o rp u r p o s eo ff l o o d p r e v e n t i o n k e yw o r d s ：f l o o df o r e c a s t ，x i n a n j i a n g s h a n b e im o d e l ，l i n e a rd y n a m i cs y s t e m ，s o f t w a r e d e v e l o p m e n t i v 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 随着我国国民经济的飞速发展，洪水灾害给人们造成的损失也日趋严重，国家和 社会也越来越重视防汛抗洪工作。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至关重要的作用。 研究开发辽河三江口地区洪水预报系统的目的是：利用科学合理的洪水预报方法 建立该流域洪水预报方案，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，为辽河三江口地区的防洪减灾提供重要的 决策参考依据。 辽河三江口地区泛指东辽河、西辽河与辽河干流交汇地带，位于吉林省、辽宁省 和内蒙古自治区三省( 区) 交界处，是我国重要的产粮基地之一，同时也是松辽水利 委员会重点防汛地区之一。因此，做好该地区的实时洪水预报工作对三江口地区乃至 整个辽河流域的防洪都具有十分重要的意义。 在以往的工作中，一方面考虑西辽河干流年径流量较小，另一方面，为了满足农 业及居民用水需要，西辽河中上游地区在五、六十年代建有多座拦水闸坝和引水式水 库，致使西辽河下游进入辽河干流的水量很少，此外，西辽河北部大部分区域的河系 发育尚不完善，该区域的降水并不影响西辽河的来水，因此在该地区原有的预报方案 中，只考虑东辽河的来水影响。而在1 9 9 8 年辽河三江口地区洪水中，其主要水源为 西辽河来水，且西辽河北部区域来水较大，致使在实际预报中误差较大。实践充分说 明该地区原有的预报方案已不能满足实际防汛工作的要求，必须深入研究该流域的暴 雨、洪水规律，充分考虑该流域的自然地理特征、气候特点、人类活动以及历史资料 条件等因素重新编制洪水预报方案，并开发功能齐全、实用方便的实时洪水预报系统， 以满足该流域现代防汛工作的要求。为此松辽委水文局确立了开发“辽河三江口地区 实时洪水预报系统”的工作任务。该项研究成果具有很强的实际生产应用价值。 1 2 国内外研究现状 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 31 年，霍顿( h o r t o n ) 在在水文循环中下渗的作用 2 】中，提出了下渗的理论。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 3 1 ，提出了预报流域汇流的单位线法。1 9 3 5 年1 9 3 8 年，麦卡锡( m c c a r t h y ) 在美国总结了以“马斯京于法”著称的洪水演算预报方法 4 1 。 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。这些都是在当是十分有效并一直沿用至今的基本洪水预报 技术。 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p ，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，只反映有关影响因素对流域径流形 成过程的平均作用 6 。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 a nf i l t e r i n g ) 就是这类方法的典型代表 1 】。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”中使用了实时预报的概念f ”，并在1 9 7 3 年“水文系 统的在线预报”【8 】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”f 9 】，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( 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估计：一种极大似然法【”】”中，推广到萨克拉门托模型中。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 状态变量，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【1 】，1 9 8 7 年，朱华在“马斯京根法的矩阵方程求解法”一文中n “，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成 功应用。 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 i ”】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t o p m o d e l ”1 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 k e a h 合作开发了欧洲水文系统模型 s h e t ”】，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【l ”。国内在 这一方面起步较晚，但也取得了一定的成绩。李兰等【l6 】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、河道洪水演迸4 个部分的分布式水文模型；苏风阁等 d 7 建立了参数网格化分布式月径流模型；郭生练等【1 8 1 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 1 9 1 。 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“。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 3 研究思路及技术路线 洪水预报方法可分为确定性预报和统计预报两类。采用哪类方法取决于所针对的 问题。一般情况下，流域降雨径流的预报采用确定性方法，如采用概念性流域水文模 型、a p i ( 前期雨量指标) 模型等；河道洪水预报常采用统计预报方法，如相应流量( 水 位) 或合成流量法、时间序列分析法或动态系统模型法等。对流域系统的洪水预报， 通常是结合采用两类方法。 根据辽河三江口地区实际防洪工作需求，本论文研究确定的预报断面为：西辽河 包括：通辽、郑家屯；东辽河包括：城子上、双山渠首、王奔；辽河干流包括：福得 店。( 各断面之间的关系见图1 31 ) 。要求对各预报断面既要有洪峰预报，又要有洪水 过程预报。 西 辽 河 图1 3 1辽河三江口地区预报断面结构示意图 东 辽 河 根据所研究流域的地理特点、工程运用及资料条件，本项研究中，采用确定性预 报和统计预报相结合的方法。东辽河流域的各预报断面流量过程的预报以流域水文模 型方法为主，降雨径流预报主要采用新安江一陕北模型，河道汇流采用马斯京根法或 i 滞后演算法；某些环节或个别断面辅之以统计类方法处理。西辽河各预报断面洪峰和 流量过程的预报以统计方法为主，洪峰要素预报采用相应流量法或合成流量法，洪水 过程预报采用线性动态系统模型方法；个别变量的处理借鉴确定性模型预报中的技术 方法。 实时校正预报在实时洪水预报中起着重要作用。实时校正预报是指在做出预报之 前，根据当前的实测信息( 新信) 对模型的参数、状态变量或预报值进行某种修正或 校正，使其更接近当前流域的实际状态，提高预报精度。没有实时校正功能的模型或 方案，随着预报时间的推移，预报模型的误差会逐步累积，特别对以统计类为基础的 预报模型更是如此。常用的实时校正方法主要有卡尔曼滤波法、误差预测法和模型参 数动态识别法等。根据各种实时校正方法的优缺点，本项研究中，在不同的预报流域 和预报断面，分别采用误差预测法和模型参数的动态识别法两种方法进行实时校正。 第二章流域概况 2 1 流域地理特征 辽河三江口地区泛指东、西辽河与辽河干流交汇地带，是东辽河王奔站、西辽河 郑家屯站及辽河干流福德店站之间形成的区间( 参见图21 1 、图21 2 ) 。 东辽河王奔站是东辽河下游出口控制站，断面以上河长2 7 9 k m ，集水面积 1 0 4 1 8 k m 2 。城子上站至王奔站区间河长9 6 7 k i n ，区间集水面积5 4 1 8 k m 2 ，有小辽河汇 入。小辽河出口控制站十屋站，集水面积1 1 0 8 k m 2 。城子上至王奔站区间为平原区， 河流两岸有堤防，防洪标准为2 0 年遇洪水。 西辽河郑家屯站为西辽河下游出口控制站，距上游通辽站】7 0 k m ，断面以上集水 面积9 1 3 6 8 k m 2 。郑家屯站以上还有支流新开河与教来河汇八。由于教来河本身的径 流量很小，加之沿河水利工程的作用，因而汇入西辽河的水量很小。故西辽河郑家屯 站的洪水，主要还是来自西辽河干流上游及新开河支流乌力吉木仁河。乌力吉木仁河 原为闭流区，在1 9 9 3 年西辽河上游发生大水时，冲刷形成了河道汇入新开河，因此 近年来西辽河洪水的来水量，有很大一部分来源于乌力吉木仁河。 辽河干流福德店站位于辽宁省昌图县，东、西辽河汇合处，集水面积1 0 6 9 2 5 k m 2 ， 距上游西辽河郑家屯站9 4 k m ，距东辽河王奔站5 5 3 k i n 。郑家屯、王奔两站至福德店 站区间集水面积5 1 3 9k m 2 。该站的洪水主要来自东、西辽河，由于东、西辽河集水面 积、下垫面条件、产汇流规律等相差很大，所以很少有同时发生洪水的情况。西辽河 上游老哈河上的红山水库及东辽河上游的二龙山水库建成后，分别拦截了上游洪水， 也减少了福德店站出现大洪水或特大洪水的概率。因此，西辽河洪水主要来自支流西 拉木伦河及乌力吉木仁河，东辽河洪水主要来自二龙山水库以下区间。另外，东、西 辽河水流含沙量相差很大，西辽河来水混蚀，含沙量较大，东辽河来水较清澈，含沙 量较小，有“东水西沙”之说。因此，不同的水源对河道的冲淤有一定区别。郑家屯、 王奔至福德店区间的辽河三江口地区，是辽河防汛的重点地区，河道两岸均有堤防， 现有防洪标准均为二十年一遇洪水，其中西辽河的防洪能力为1 1 3 0 m 3 s ，东辽河的防 洪能力为1 3 9 0 m 3 s 。 一6 一 2 2 流域暴雨特征 辽河三江口地区带属北温带半湿润、半干旱大陆性季风气候区，为华北气旋主要 入境路线，降雨主要集中在夏季，常出现局部暴雨。多年平均降雨量为5 0 01 1 1 1 1 左右， 降雨量年内分配很不均匀，年降雨量的7 0 集中在6 9 月，尤其是集中在7 、8 月份， 其中又以7 月下半月到8 月上半月最为集中。形成较大洪水的长历时暴雨一般在两天 左右，最长三天基本结束，更长历时的降雨基本是几次降雨组成，三日暴雨主要集中 在2 4 小时内降落。 造成本区暴雨的天气系统主要是高空槽、低压冷锋、华北气旋和台风，以华北气 旋影响次数居多。形成本区大洪水的暴雨，多是几个天气系统连续出现且维持较长时 间的结果。 2 3 流域洪水特征 辽河三江口地区的洪水主要是由暴雨产生。洪水特性主要受暴雨、下垫面及河流 形态等因素的制约。 受暴雨特性制约，辽河三江口地区的洪水有8 0 9 0 出现在7 、8 月份，尤以7 月下旬至8 月中旬为最多。由于暴雨历时短，雨量集中，东、西辽河上游又多流经山 丘地区，汇流速度快，因此洪水多陡涨陡落。一次洪水过程，西辽河洪水一般为3 5 天，东辽河因植被较好，涨落较西部缓，一次洪水一般为5 7 天。主峰多集中在1 3 天内。 由于流域内各地暴雨情况及下垫面条件不同，东、西辽河洪水的特点有所差别。 西辽河干流、新开河、教来河下游一带平原区，绝大部分为风蚀沙土区，下渗损失大， 降雨量也较少，极少出现地面径流。西辽河洪水主要来自上游的老哈河、西拉木伦河 及乌力吉木仁河。老哈河上游区虽然出现暴雨的机会较辽河流域东部少，但在某种天 气形势组合下，有时也会产生特大暴雨，且该区多为黄土丘陵，植被很差，因此，发 生的洪水峰高量小，陡涨陡落，洪峰流量很大；而西拉木伦河暴雨出现机会很少，又 系沙质土壤，出现的洪水较小，其特点是陡涨陡落，洪峰历时短，河道断面冲淤变化 很大，水流含沙量也极大，水位流量关系极不稳定。东辽河洪水，一般主要来自二龙 山以上山丘地带，但也有的年份则主要来自二龙山至三江口区间。由于洪水成因和河 道汇流方面的原因，东、西辽河的洪水与辽河干流洪水一般不遭遇。 司! ；1 糸，j ；可及j i 三，j 口地f x 水系圈 8 第三章辽河三江口地区洪水预报方法 3 1 统计相关预报方法 河道洪水洪峰流量和传播时间的统计相关预报方法包括相应流量( 水位) 法、合 成流量法、涨差法等。这类方法可用下述方程统一表示： q 下。，= ( q 上，q 上，q 下”q e 问，p 区目，其它因素) ( 31 1 ) f = ( q 上a q 上，q 下”q 区间，月，其它因素) ( 3 1 - 2 ) 式中： q 。，。待预报的下游断面的洪峰流量，在t 竹时刻出现； qt ，。上游断面的洪峰流量，发生在t 时刻； 0t 上游断面t 时刻的流量增量； qt 下游断面t 时刻的流量( 相应流量) ； qz 一区间的入流影响( 如支流汇入等) ； ps m 区间的降雨影响； 其它因素方程中没有包含的其它所有影响预报变量的因素。 对于不同预报断面，分析其预报变量的影响因素，分别采用相应的自变量组合建 立方案进行预报。理论上，可以采用通用的回归分析技术如逐步回归分析方法，对所 有可能的影响因子进行优化筛选，从而确定最终的预报方程( 方案) 。但进行自变量 的优化筛选，需要有较多的洪峰和各影响因素的样本数据，考虑到西辽河的资料条件， 本次在实际建立模型时，采用经验相关图分析方法确定模型的结构和参数。 3 2 线性动态系统模型预报方法 3 2 1 线性系统模型的数学方程 一个单( 多) 输入、单输出的线性动态系统模型可统一表示为： k m ( j ) 酏) = a ，q ( t f ) + “如一f ) 螺限：_ 1 ) i = 1 j = l i = l 式中： q 系统输出，如预报断面在未来t 时刻的流量值： 畸( t - o 第j 个影响因素在t i 时刻的输入，如上游断面的入流量、区间降雨量等； a ，模型参数，t = l ，k ，表示当前时刻( t ) 系统的输出状态直接受到其前k 个状态的影响； 模型参数，i = l 一，吲= ，m 。表示有m 个其它因素，每个因素共有前 删个状态对当前时刻( t ) 系统的输出状态产生直接影响； f 随机误差项，代表所有其它因素的综合影响。 式( 32 1 ) 表示的是输入、输出变量之间随时间变化的函数关系，形式上是一种 差分方程，是对线性动态系统的一种描述。 3 2 2 模型阶数( 结构) 和模型参数的估计 模型结构和阶数的估计属模型识别问题，常用的算法有残差方差图法、a i c 准则 法和逐步回归优化筛选法等。本项研究采用逐步回归优化筛选法，并结合洪峰预报中 的分析结果确定模型中应包括的自变量个数及其阶数。 模型参数的估计可由逐步回归识别模型阶数时一并完成，算法上属最d , - 乘法准 则范畴。 3 3 新安江陕北模型预报方法 5 6 【1 1 3 3 1 引言 从产流机制上讲，湿润地区是蓄满产流，干旱地区是超渗产流，而半干旱和半湿 润地区则是蓄满和超渗产流两者皆有。对于湿润地区的水文模拟，国内广泛采用的是 新安江模型；而对于干旱地区的水文模拟，可采用陕北模型。国外著名的沙克拉门托 模型和坦克模型均可用于湿润和干旱地区。与沙克拉门托模型和坦克模型相比，新安 江模型的结构和参数的物理意义比较明确以及容易调试，故在国内水文预报中，新安 江模型得到了广泛使用。由于新安江模型的核心是蓄满产流模型，对于有超渗产流的 半干旱半湿润地区，或对于气候湿润但植被较差、土层较薄的地区，新安江模型的使 用受到了些限制。针对东辽河流域蓄满和超渗两者皆有的产流特点，本项研究将新 安江模型和陕北模型相结合，在新安江模型中加入了超渗产流模块，开发了改进的新 安江模型或称为新安江陕北模型。 3 3 2 新安江模型 ( 1 ) 蓄满产流的概念 一1 0 一 土壤，实际上任何有孔介质都具备一定的持水能力，能保持一部分水份构成蓄量 而没有因地球引力的作用流失，这部分蓄量被称为田间持水量。根据其定义，这部分 蓄水不能形成径流且只能通过蒸发消耗。在湿润地区，通常整个土层的土壤含水量都 达到了田间持水量。这意味着下一个阶段的雨量补充将等于本阶段的蒸发。这也表明 了降雨和径流之间的一个非常简单的关系，即径流产生之前上次发生的降雨必须满足 田间持水量的不足，之后的降雨就会全部产流，因为土壤已经没有容量保持它们。这 就是新安江模型中最基本的蓄满产流概念。 ( 2 ) 新安江模型结构 流域被划分为许多子流域。首先模拟每个子流域的出流过程，然后把每个子流域 的出流沿着河道演算到整个流域的出口。基于蓄满产流的概念，每个子流域的出流过 程的模拟都由四个主要部分构成： 1 ) 蒸散发计算蒸散发造成了土壤中蓄水量的不足，采用三层蒸散发模型计算； 2 ) 产流依据降雨量和土壤缺水量产生径流； 3 ) 分水源把产生的径流划分为三种主要成分：地表径流，壤中流，地下径流； 4 ) 汇流把当地产生的径流汇集到子流域出口断面，形成子流域的出流过程。 新安江模型的结构如图33 1 所示。所有方框内的符号表示变量，包括输入变量， 输出变量，状态变量和中间变量，而方框外面的是参数。 ( 3 ) 新安江模型变量 模型的输入是面平均降雨量p 和实测蒸发皿蒸发量e m 。输出的是整个流域的出 口断面的流量t q 和实际蒸散发量e ，e 包括三部分e u ，e l 和e d 。状态变量 是面平均土壤张力水蓄量w 和面平均自由水蓄量s ，w 分别由上层的w u ，下层的 w l 和深层的w d 组成。f r 是和w 有关的径流产流面积因子。方框内所有其它的 符号都是中间变量，r b - - + 部分不透水面积上的直接径流。r 是透水面积上的产流， 可以分为三部分，r s ，r i 和r g 分别表示地表径流，壤中流和地下径流。三种径流 成分分别转化为流量q s ，q i 和q g ，然后形成总径流流入河道系统进行汇。 ( 4 ) 新安江模型参数 方框外的符号全都是参数。新安江模型中用到1 5 个参数，另外主河道的流量演 算用到两个参数。参数按下述方法被分类； 1 ) 蒸散发参数：k ，w i ”讧，w l m ，c 2 ) 产流参数：w i v l ，b ，i m 3 ) 分水源参数：s m ，x ，k g ， 4 ) 汇流参数：c gc i ，c s ，l g 5 ) 马斯京根参数：x e k e 所有参数都有物理意义。一般地输出对八个参数k ，s m ，k g ，k i ，c i ，c g ，c s 和l g 比较敏感，这几个参数可以用实测资料率定。其它参数w u l v l ，w l m ，c ，w m ， b ，i m ，e x 可以根据经验估计。 k 是蒸发能力对蒸发皿蒸发的比率。如果k 值增大，蒸散发量增加，相应地就会 引起土壤张力水缺水量的增长，所以产流就会减少。k = k l * k 2 * k 3 ，k 1 是蒸发皿系数， 把蒸发皿数值转化为大水面值，它取决于蒸发皿的种类的，器械的安装和环境的条件。 k 1 可以通过实验确定，并且已经分析和积累了许多经验值。k 2 是陆面蒸发能力与水 面蒸发之比，该值在夏天约为1 3 15 ，冬天约为1 0 。k 3 把蒸发测站的蒸发量转换为 全流域的的蒸发量，k 3 的值主要取决于测站的高程相对于全流域的平均高程。 w u l v l 是上层的张力水蓄水容量、w l m 是下层的张力水蓄水容量。w u m 的典型 值从植被很差到植被很好的地区大约为5 2 0m m 。w l m 根据蒸散发量可取6 0 9 0 m m ，假定蒸散发量为潜在的土壤含水量。 c 是深层蒸散发系数。深层蒸散发系数c 决定于深根植物占流域面积的比例。它 的值中国北方为o 0 8 ，在南方为01 8 。湿润地区和湿润季节径流对c 值不敏感，但是 在于旱的地区和季节非常敏感。c 值也与w u m + w l m 的值有关，但是，通常 w u m + w l m 的值大致固定为1 0 0m r r l ，这样一个合适的近似c 值就可以确定了。 w 1 v l 是面平均张力水容量。面平均张力水容量w m 是上层w e ) m ，下层w l m 和 深层w d m 的和，因此w d m 完全依赖于另外三个值不必考虑优化。w i v l 是干旱程度 的指标，可以变化的范围为从中国南方的8 0l l l t n 到北方的1 7 0m m 。如果w m 的值取 的足够大能够保证计算的面平均土壤含水量w 非负，则模型对w m 不敏感。 b 是蓄水容量分布曲线的指数。从统计学角度定义的b 表达了包括地形，地质， 土壤类型和植被覆盖等地表状况的不均匀性。通常，当流域面积小于1 0k m 2 时b 取 01 ，当流域面积大于1 0 0 0 k m 2 时取0 4 ，当流域面积介于1 0 0k m 2 和1 0 0 0k m 2 之间时， 1 2 一 b 取0 2 至03 。 i m 是不透水面积占流域总面积的比值。这依赖于流域是城市还是天然面积。在 城市里由于建筑物，道路和许多不透水的结构，i m 值很高。如果i m 很高，表面径流 就会很大，则流量过程线尖瘦，洪峰很高。天然面积的i m 值约为1 2 ，城市里约 为2 0 3 0 。 s m 是自由水蓄水容量。s m 表示自由水蓄量的最大可能缺水量，s m 的值取决于 土壤覆盖的特征和基岩的特性。当土壤层的厚度较高的时候，s m 的值增加。如果s m 减少，自由水蓄水容量会降低，从而产生较大的径流。对于薄土层s m 1 0r l l l r l ，而对 于厚而多孔的表面土壤层，s m 的值取5 0i n l r l ，一般情况s m 取l o 2 0m l n 。 e x 是土壤水容量分布曲线的指数。e x 是常数，它影响饱和面积发展。通常，e x 取1 5 + k g ( 自由水蓄量对地下水的出流系数) + k i ( 自由水蓄量对壤中流的出流系数) ， ( k g + ) 的值决定了自由水蓄量排水率。通常假定( k g + k i ) 的值为0 7 。 比值k g k i 确定了壤中流和地下水流的比例。这意味着增加k i ，同时减小k g ， 在保持总数不变时壤中流的比例