（水利工程专业论文）水库实时洪水预报调度研究及系统软件开发.pdf

摘要 本文以潭口水库洪水预报调度系统为例，进行了水库实时洪水预报调度的研 究，采用了新安江水文模型，在6 0 8 平方公里的潭口水库流域巴率定了模型参数， 建立了水库实时洪水预报调度系统。该系统将水库洪水预报、水库调度以及水库 的地理信息系统等藕合为个统一的整体。在水库调度中，分析研究了常用的调 度方法，并提取了规则调度、指令调度、自动优化调度、出库控制调度等四种形 式并应用于潭口水库调度上面。在地理信息系统应用方面，通过对各类g i s 软 件的研究，提出了自主建立水文信息管理系统的思路，使得水文信息管理系统的 建立可以不依赖于任何g i s 工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理 分析及结果输出，所有算法都独立设计，只要掌握一门程序语言就能建立个人的 地理信息系统。 最后，通过对潭口水库洪水预报调度系统功能的详细介绍，探索了如何建立 水库预报调度系统，如何丰富系统的内容，尽可能的满足水库防洪兴利的要求。 关键词：洪水预报水库调度地理信息系统水文信息管理系统 a b s t r a c t r e s e a r c ho nr e s e r v o i rr e a lt i m ef l o o df o r e c a s ta n do p e r a t i o ni sc a r r i e do u ta n das y s t e mo f r e s e r v o i rr e a lt i m ef l o o df o r e c a s ta n do p e r a t i o ni sb u i l ti nt h i sp a d e l - w i t hac a s es t u d yo ft h e t a n k o ur e s e r v o i r 1 1 1 j ss y s t e mi n t e g r a t et h eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ( o l s ) r e s e r v o i rf l o o d f o r e c a s t a n dr e s e r v o i ro p e r a t i o n t h ef l o o df o r e c a s to ft h et a a k o ur e s e r v o i rb a s i nw i t ha r e ao f6 0 8 k m 2i sc a r r i e do u tb yt h eu s eo ft h ex i n a n j i a n gh y d r o l o g i c a lm o d a la n dt h em o d e lp a r a m e t e r sa r e c a l i b r a t e d t h et r a d i t i o n a lo p e r a t i o nm e t h o di sa n a l y z e di nt h ep a r to f r e s e r v o i ro p e r a t i o n f o u r k i n d so fo p e r a t i o nm e t h o di n c l u d i n gr u l eo p e r a t i o n ，i n s t r u c t i o no p e r a t i o n ，a u t o - o p t i m i z a t i o n o p e r a t i o n ，a n do u t l e tc o n t r o lo p e r a t i o na r ea p p l i e d t ot h et a n k o ur e s e r v o i ro p e r a t i o n a ss o o na s g i si s c o n c e m e d ，a f t e rt h es t u d yo fv a r i o u sk i n d so fg i ss o f t w a r e ，t h et h o u g h to fb u i l d i n g i n d i v i d u a lh y d r o l o g yi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mi sp r o p o s e d t h i st h o u g h tm a k e st h e e r e c t i o no f h y d r o l o g ym a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e mi n d e p e n d e n tf r o ma n yg i st o o ls y s t e m a l l a l g o r i t h m si n c l u d i n gg a t h e r i n g ，e d i t i n g ，a n a l y z i n g a n d e x p o r t i n g o fd a t aa r e d e s i g n e d i n d e p e n d e n t l y a ni n d i v i d u a lg i s c a nb eb u i l tw i t ho n l yak i n do f c o m p u t e r l a n g u a g e f i n a l l y ，t h r o l l g hd e t a i l e di n t r o d u c eo ft h et a n k o ur e s e r v o i rf l o o df o r e c a s ta n do p e r a t i o n s y s t e m ，t h et e c h n o l o g i e so nh o w t ob u i l dar e s e r v o i rf o r e c a s ta n d o p e r a t i o ns y s t e m ，a n dh o w t o s a t i s f yf l o o dd e f e n dd e m a n do f r e s e r v o i rm a n a g e m e n t i sp r e s e n t e d k e y w o r d ：f l o o df o r e c a s t ，r e s e r v o i ro p e r a t i o n ，g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m ，h y d r o l o g y i n f o n n a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m 刖舌 洪水给人类生命和财产安全带来的危害是毁灭性的。每年洪水给世界的工 业、农业、家庭和公共设旌造成巨大的经济损失，而其夺走人的生命，毁坏人类 家园给人类造成的精神损伤更是无法用金钱来衡量。尤其是在我国，洪水灾害更 为频繁，每年由于洪水造成直接经济损失多达国民生产总值的5 e 2 ”，并且随着 经济的发展和社会进步，洪水损失逐年增加。因此，防洪减灾是与社会、经济和 自然环境发展变化密切联系的多层次、多目标的大系统工程。 洪水预报调度是防汛工作与管理中一项非常重要的非工程措施，尤其是在科 技突飞猛进的今天，治理洪水的观念也在改变，以前是强调要控制洪水而今天已 经在向管理洪水利用洪水逐渐转变，而要实现这种转变就更依赖于正确及时的洪 水预报调度，只有依靠正确及时的洪水预报调度才能有计划的及时的采取分、蓄 洪措施，逃洪疏散等紧急行动，将洪涝灾害降到最低程度。随着计算机科技的飞 速发展，水文水资源科学领域也发生了巨大变化，越来越多的现代化手段应用于 水文水资源预报预测、水库( 群) 优化调度等方面。 湖北省水库星罗棋布，其中仅大型水库就有5 5 座，中型水库2 3 8 座，小型 水库更是不计其数，水库数量之多居全国首位。众多的水库留住了水资源，解决 了城镇用水、发电、养殖等诸多问题。但是，水库的防洪与兴利是一对矛盾，不 能因蓄水兴利而不顾水库及下游防洪的安全。应在确保防洪安全的前提下，尽可 能多地利用洪水资源。因此，建立洪水预报调度准确、自动化程度较高的预报调 度系统非常必要，它将为人与洪水和谐相处提供重要手段。 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) ： 4 垒豳! 垂 2 。旷年4 月肛日 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) ：! 至麴! 垒2 。j 年幺月肜只 工程硕士学位论文绪论 1 1 本文研究的背景和意义 第一章绪论 湖北省水库星罗棋布，其中仅大型水库就有5 5 座，中型水库2 3 8 座，小型水库 更是不计其数，水库数量之多居全国首位f 2 ”。众多的水库留住了水资源，解决了城 镇用水、发电、养殖等诸多问题。但是，水库的防洪与兴利是一对矛盾，不能因蓄 水兴利而不顾水库及下游防洪的安全。应在确保防洪安全的前提下，尽可能多地利 用洪水资源。因此，建立结果准确、自动化程度较高的预报调度系统势在必行。湖 北省水库洪水调度自动化做了大量工作，但在不少水库，尤其是中小型水库，仍然 存在着不少问题，与国家防办的要求还相差甚远。主要问题包括： ( 1 ) 水库库区水雨情遥测系统部分站点经常出现这样和那样的问题，直接影响基本 资料的收集。除正常维护外，需进一步完善。 ( 2 ) 现有的洪水预报中，影响因素很多，如降雨观测资料误差，无水库动库容的观 测分析资料，库区人类活动影响频繁等，致使预报结果有时不够准确。 ( 3 ) 调度方案的拟定存在着多级决策的问题，没有多方案比较和风险分析。 ( 4 ) 水库工程除险加固尚未完工，下游河道防洪标准低。下游河道汛期的水情信息 缺乏收集手段，常规简易的通信联系时常中断，造成一定程度的决策滞后和调度盲 目性。 针对以上问题，为了及时掌握水库上下游水雨情情况，改变水库水文数据收集、 传输、处理的落后状况，提高水文信息时效性和可靠性，增加洪水的预见期，提高 洪水预报的精度，创造最大的防洪调度综合效益，必须进一步建设和完善水库防洪 调度自动化系统，并解决流域水雨情信息自动收集和向防洪调度指挥机关的信息传 送，逐步解决下游行洪区报警及自动化调度等一系列问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 。1 水库洪水预报调度系统软件开发情况 国内从2 0 世纪8 0 年代初起，许多省的有关单位，先后引进国外先进技术或委 托国内科研院校开展了大量有关水库防洪非工程措施的研究，开发出了水库洪水调 _ 程硕士学位论文绪论 度系统，用于日常洪水调度，发挥了较大的效益。但从系统开发的现状看，南丁参 与研究设计与开发的单位较多，各单位开发人员水平参差不齐，标准不统一，只针 对某一项需要进行开发的系统功能单一，加之调度功能不完善，影响了推广应用。 从国外引进的一些水库洪水调度系统的运用情况看，由于预报调度和决策思路、方 法不适合我国国情，也难以发挥很好的作用。为促进水库防洪调度信息的统一规范 化管理，提高我国水库防洪调度决策水平，国家防办提出了建设现代水库洪水调度 系统的目标。要求通过解决水库防洪调度中的关键性技术问题，开发水库洪水调度 系统应用软件标准化“开发模板”和支持标准化“开发模板”的数据库，并利用“开发模 板”和标准化数据库开发建设适应我国水库调度实际情况、标准化与先进程度较高、 满足水库现代防洪调度需要的水库洪水调度系统，以促进全国水库调度现代化水平 的整体提高。 为做好该项工作，国家防办组织有关专家，在总结分析水库洪水调度和一般水 库防洪调度决策流程的基础上，于1 9 9 8 年制定了水库洪水调度系统设计与开发规 则( 以下简称规则) 。在规则的指导下，总结、分析和研究我国水库防洪特 点和规律以及现有洪水调度系统状况的基础上，提出了水库洪水调度系统总体设计， 进行关键技术难题研究，研制、开发了标准化“开发模板”，还进行了现代水库( a - ) 洪水调度系统建设与开发试点。 1 2 2 洪水预报 近三十年来，随着电脑技术的应用和其它信息技术的渗透已经提出了百余种数 学物理模型。在7 0 年代中期，当时比较流行的模型有澳大利亚气象局模型( c b m ) ； 法国海外科研研究办公室的模型( g i r a r d i ) ；日本国立防灾研究中心的水箱i 、i i 型模型( t a n k 一1 ，t a n k 1 i ) ；罗马尼亚气象和水文所的洪水预报模型( i m h z - s s v p ) ；美 国国家天气局的水文模型( n w s h ) ；美国陆军工程兵团的径流综合和水库调节模型 f s s a r r ) ；美国国家天气局河流预报中心的萨克拉门托河流预报中心水文模型 f s r j c h ) ；苏联水文气象中心降雨径流模型( h m c ) ；意大利帕维亚大学的约束线性系 统模型( c l s ) 。近2 0 年开始研究应用校正预报技术，如美国天气局河流预报系统一 般使用的简单调合法、概念修正法；意大利e t o d i n i 教授应用卡尔曼滤波校正技术 的实时预报算法。我国水文预报理论和方法与世界各地水平相当。在产流方面：6 0 年代蓄满产流概念，7 0 年代初河海大学的赵人俊教授等研制了新安江模型，在湿润 工程硕士学位论文绪论 地区得到了广泛应用；辽宁省水文总站提出了比较完善的超渗产流模型在辽河流域 首先应用。在汇流方面：，“泛的采用线性系统分析法，用系统分析理论将现行多种 线性汇流曲线概括成一个动力系统的曲线族。另外，水调中心及长江水利委员会水 文局应用卡尔曼滤波校正技术，研究实时洪水预报方法与实时校正模型已取得许多 成果。但在实际水库预报调度中，仍然采用暴雨径流相关图配合经验单位线。 在科学技术突飞猛进的今天，新理论、新技术和新方法层出不穷，水文研究的技术 手段发生了根本性的变化。水文水资源中不确定性问题已引起国内外水文水资源界 的高度重视，一些新的理论、技术和方法在近十几年来不断的引入水文学中，如随 机过程理论、混沌理论、模糊集理论、灰色理论、时间序列分析技术、分维分形分 析技术、人工神经网络分析技术等，这些新的理论、技术和方法的研究应用大大提 高了洪水预报的精度【2 7 】。 1 2 3 水库调度 水库调度问题的研究经历了由常规调度到单库优化调度，再到库群优化调度三 个阶段。目前我国普遍采用的是按水库调度图运行的常规调度，这种方法简单直观， 但其运行总带有一定的经验性，且在编制调度图时，通常不考虑短期或中长期预报， 因而精度不高，难以增加效益。随着科学技术的不断发展，短期预报、中长期预报 都有了长足的发展，从而为水库优化调度提供了必要条件。 在近4 0 年的研究中，已有了很多水库调度模型，根据系统输入和目标函数特点 可划分为四大类：确定性水库优化调度模型；随机性水库优化调度模型；模糊性水 库优化调度模型；多目标决策理论及在水库优化调度中的应用。目前常用的优化技 术有线性规戈l j ( l p ) 、非线性规划( n p ) 和动态规划( d p ) 三种。近代兴起的水库防洪预 报调度，是水库调度方法这一概念的外延，它具有增长预见期、提高防洪效益的优 点，但要冒预报误差带来的风险。国外始于7 0 年代初，而国内最先见到的成果是在 8 0 年代。1 9 8 3 年，s a w a s i m i 提出了洪水期应用线性二次系统控制进行水库群实 时预报调度方法，虞景江教授提出了水电站水库洪水优化控制模型。遗传算法是8 0 年代才出现的新型优化算法，马光文于1 9 9 7 年将遗传算法应用于水电站优化调度 中，该法大大减少了计算机的内存。近几年来，神经网络及与模糊系统、进化算法 的相互结合，为水文预报预测及水库智能调度、决策提供了新的研究途径【2 ”。 工程硕士学位论文绪论 1 3 本文研究主要内容 本文是在规则指导下，认真分析湖北省境内水库的特点，在此基础七进行 水库实时预报调度研究，并结合潭厂| 水库流域实例，利用该流域的历史水雨情数据 资料，进行了产汇流模拟，率定了模型参数，并在此基础上进行了水库调度的研究 开发了四种调度模式。建立了水雨情查询、站信息管理的信息管理系统。本论文研 究的主要内容和工作如下： ( 1 ) 预报模型：介绍新安江模型的基本概念，并且在潭1 2 1 水库流域上率定了新安江( 三 水源) 模型参数。该模型由蓄满产流、自由水箱划分水源、线性水库坡面汇流及马斯 京根法四部分组成。 ( 2 ) 水库调度方法介绍：阐述几种调度方法并进行应用研究，在系统中开发了规则 调度、指令调度、自动优化调度和出流控制调度四种方式。 ( 3 ) 研究无需g i s 软件而通过自主编程实现g i s 技术在水文信息管理中的应用，使 信息管理系统的界面更具有个性化，针对性更强。 ( 4 ) 建立数据库：建立实时水雨情数据库用于存放实时水雨情数据；建立预报调度 方案数据库用于存放模型参数、中间变量、站信息等数据；建立文本数据库用于存 放文档，说明等。 ( 5 ) 建立水库实时洪水预报调度系统：运用v b 结合一些a c t i v e 控件，建立了水库预 报调度软件系统，系统有洪水预报子系统、水库调度子系统，信息管理子系统。 工程硕士学位论文洪水预报模型 2 1 关键技术 第二章洪水预报模型 实时洪水预报系统在许多情形下都需要自适应修正 】。例如，不断累积的人类 活动作用，会给流域水文特征带来影响。当系统软件运行一段时间后，一般为十年 左右，需要对模型参数作修正：系统软件在运行过程中，会遇到种种非正常因素， 如中心系统设备或遥测系统设备故障等，破坏了洪水预报模型的运行环境，系统重 新启动后，需对模型运行环境作修复；还有如有些流域，在建立洪水预报方案时， 没有足够的历史水文资料率定模型参数，水文测报自动化系统运行后，随着水文资 料的不断累积，模型参数要不断修正等等【6 。 实时洪水预报系统，常见的误差主要有： n ) 设备故障，导致资料缺测或不正确的观测数据。水文遥测系统，有许多水位站 和雨量站，在系统的运行过程中，常会遇到各种各样的故障，给实时洪水预报带来 误差。这在任何水文遥测系统中都是存在的。 ( 2 ) 水利工程、农田蓄放水误差。流域中，常有许多中小型水利工程，遇干旱、农 业需水季节，放水灌溉，泄空库容，遇洪水，先拦蓄洪水，若长期洪水拦蓄不下， 又大量放水泄洪，这一减一加，常给洪水预报带来大的误差，这误差的大小，取决 于流域内中小型水利工程的多少，在干旱地区以中小水库为主，南方湿地区除中小 水库、塘堰外，还有水田蓄泄作用，影响也很大。 f 3 1 流域水文规律的变化。这变化主要有流域水文规律受气候条件和下垫面条件的 改变而改变。如锋面雨引起的洪水特征与雷暴雨、台风雨引起的洪水特征差异，北 方高寒地区融雪径流形成的洪水与暴雨型洪水的差异等，还有系统长期运行过程中， 流域人类活动，如修建大型水库、水土保持治理、森林的大面积砍伐，开挖人工河 渠等，长年累积作用，会给水文规律带来大的影响，这些变化也会给实时洪水预报 带来一定的误差。 ( 4 ) 模型结构对水文规律概化误差，即模型结构误差。如产流机理简化为蓄满产流 和超渗产流降雪作为降雨处理，农业活动作用的忽略等等，所有的处理，都属于 模型结构概化误差，当与实际出入大时，就会带来大的误差。 t 程硕十学位论文 洪水预报模型 ( 5 ) 雨量资料代表性误差和水文资料观测误差。 f 6 ) 模型参数率定误差| ；5 】o 2 1 1 人工干预洪水估报 人工干预洪水估报，就是据实测的雨量和估计的未来降雨预报入库洪水。未来 时期降阿估计，可以是模型预报，也可据气象卫星云图或使用者的经验判断估计。 人工干预洪水预报，引入了预估的未来降雨，延长了洪水预报的预见期，但由 于引入了降雨量预报误差，增大了系统的不确定性，在一定程度上降低了洪水估计 的精度。因此，一般洪水估报的精度低于实时洪水预报，所以此估报仅供用户参考 1 9 】。 2 1 2 模型中间变量初值估计 每个模型都有中间变量，在系统软件启动时，其中间变量的初值需要估计。在 系统软件运行过程中，正常情况下随时间变化的中间变量模型软件会自动逐时段递 推估计出并保存在计算机中。若遇非正常情况，如中心站计算机设备故障、遥测设 备故障等原因使模型中间变量遭受破坏后，系统软件重新启动时，需重新估计模型 中间变量初值2 8 1 。 2 1 3 模型参数修正 模型参数的估计，依赖于水文资料，一般水文资料系列越长，供参数估计的信 息就越多，估计出的参数就越能反映流域实际情况。但由于许多水库流域，在系统 软件启动时能用于模型参数率定的水文资料系列很短，或根本就没有水文资料。模 型参数修正模块，就是在系统软件运行过程中，随着水文资料的累积，可以不断修 正模型参数。使得系统软件应用时间越长，越能反映流域实际情况，使用效果越好。 2 2 预报模型及参数率定 我国南方地区年降水量丰沛，年径流系数大，洪水过程线呈胖型且退水时间长 ，m 流宜采用成熟的新安江蓄满产流模型，用自由水水箱将坡面水源划分为三水源， 坡面单元汇流采用线性水库，河道汇流采用马斯京根分段连续演算法【1 4 - 1 5 。 工程硕士学位论文洪水预报模型 2 2 1 模型的结构与参数 二水源新安江模型是一个概念性降雨径流流域模型，其主要特征是：在产流 计算中应用蓄满产流概念；将水源分为地面、壤中与地下三种；在洪水演算中 应用马斯京根法( m a s k i n g u nm e t h o d ) 线性系统，必要时可改为非线性解。模型 计算流程图见图2 1 。 输出输 燕敌发e 雕对p 、水面蒸技e m ” p 递水面积产流r不进水面积产琉r b 酽琉面 严流面税 积i f r i 地面经流l i i t s j 张力水w “i 地覃ll 地蛩涟| 上屡w l j 最层 么 自由 濂屡w d 水s 渭 苴 辆 下屉w l u 壤妻琉一塞愚 。 妻，曼 网 扎出 总 面流 戒c s 积域 琉 出出 流流 r 地下径流l t t t , 锚t 流 q 一lr一 图2 1 三水源新安江模型流程图 图2 1 中输入为实测雨量p ，实测水面蒸发e m ：输出为流域出1 2 1 流量q ，流域 蒸散发e 。方框内是状态变量、方框外是参数。模型结构及计算方法可分为四个部 分。 蒸散发计算 蒸散发计算采用三个土层的模型，其参数有上层张力水容量u m ，下层张力水 容量l m ，深层张力水容量d m ，流域平均张力水容量w m ，蒸散发折算系数k c ， 深层蒸散发系数c ，所用公式如下： 当p + w 1 j e p 时，e u = e p ，e l = 0 ，e d = 0 当p + w u c x l m 则e l = ( e p e u ) ，e d = 0 l m 若w l c x w l m 且w i _ c x ( e p e u ) 则e u = w u + p ，e l = c x ( e p e u ) ，e d = 0 t 程硕士学位论文洪水亍贞报模型 若w l ( c l m 且w l s m ，贝u r s = ( s + p e s m ) ，r 式中， 尸一e 为净雨： f r 为产流面积； 蝴为流域撮大点自由水蓄水容量。 汇流计算 i 地面径流的坡面汇流 地面径流的坡面汇流时间不计，直接进入河网。 q s ( ，) = 兄，( j ) x u i i 壤中流汇流 表层自由水以i ( i 侧向出流后成为表层壤中流， 由水尚可渗入深层土，经过深层土的调蓄作用， 库模似，其消退系数为c i ，计算公式为： 计算公式为 ( 26 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 进入河网。但如上层较厚，表层自 才进入河网。深层自由水用线性水 q ，( ，) = c i q i ( ，一1 ) + ( i c 1 ) r ，( ) u ( 2 1 4 ) i i l 地下径流汇流 地下径流用线性水库模拟，其消退系数为c g ，出流进入河网。表层自由水以k g 向下出流后，再向地下水库汇流的时间不另计，包括在c g 之内，计算公式为： q g ( 1 ) = c g q g ( 1 一1 ) + ( 1 一c g ) u ( 2 1 5 ) o 丁二程硕十学位论文 洪水预报模型 单元面积河网汇流 单元面积的河网汇流用滞后演算法，参数有滞后量l 与消退系数c s 2 5 ，汁算公式 为： q ( 1 ) = c s x q ( i l ) 十( 1 一c s ) q t ( i l ) ( 2 1 6 ) 式中， u 一为单位转达换系数川= 纂靠 q t 一一为单元面积河网总入流，q t ( i ) = q s ( ，) + q ，( ) + q g u ) 。 v 单元面积以下的河道汇流 单元面积以下的河道汇流用马期京根分段连续演算，计算公式为： ! 丛。m w = k 0 合解( 3 一1 8 ) 式得 q 2 = c o 1 2 + c 1x i 】+ c 2 o l c o ：! ：! ! 垒生墨! 兰 、 k k x + 0 5 a tj c ： ! ：! 兰垒! 墨! 兰 l 1 尺一k 。+ o 5 。 l ， k k x 一0 5 x l l 一一 j k k “x + 0 5 。出j c o + c l 十c 2 = 1 0 。 k ：= d w ：l d q dc o l， 一互一五z z = 璺l c 参。0 口掣 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 叫甏 洪水预报摸型 式中， ，为入流； o 为出流： 为蓄量； 世为稳定流时的传播时间； ，为特征河长； l 为河段长； q 0 为稳定流流量； f 。为稳定流坡降。 已知长河段的参数k 、x ，今等分为n 段，则每段的参数为： 弘等 n ( i 一2 x z ) 。2 广 2 2 2 模型参数率定 ( 2 2 1 ) 模型参数率定，就是根据特定的目标准则，确定一套固定的参数寻找法则，按 该法则率定模型参数值，使得模型用这一参数值计算出的结果在给定的准则下最优 【2 0 f 2 2 】。模型参数率定步骤如图2 4 所示。 工程硕士学位论文洪水预报模型 图2 4 模型参数率定框图 模型参数率定的准则通常取如下形式： m i n 扛( 臼) = l q 0 ，一q j 目e 月” 式中、 眉为正整数，一般取1 2 ； 目7 = ( o i 目：以) ，参数向量； 尺“为n 维的实数空间域； q 0 ，为实测值： q 。为模型计算值。 模型参数率定就是选择一个参数向量易，使得e ( q p ) 最，j , 1 1 6 ，即 e ( 啡) e ( 1 9 ) k 。 模型需要率定的参数如下 k ：蒸散发折算系数 w m ：流域平均蓄水容量 u m ：流域上层蓄水容量 l m ：流域下层蓄水容量 b ：流域蓄水容量分布曲线指数 c ：流域蒸发扩散系数 s m ：流域自由水平均蓄水容量 e x ：流域自由水分布曲线指数 ：自由水箱壤中流出流系数 k g ：自由水箱地下水出流系数 c s ：地表水线性水库汇流系数 c i ：壤中流线性水库汇流系数 c g ：地下水线性水库汇流系数 k e ：马斯京根单元河道传播时间 x e ：马斯京根单元河道流量比重系数 ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 工程硕士学位论文 2 3 举例：潭口水库洪水预报模型建立 2 3 1 潭口水库流域概况 潭口水库位于湖北省谷城县西部石花公社潭口，拦截汉江支流北河上游，19 5 8 年1 0 月动工，1 9 6 1 年枢纽工程基本完成，集雨面积6 0 8 平方公里，总库容4 3 2 1 万立 方米。该库以灌溉、防洪为主，兼有发电、养鱼、供水等综合效益。 本库的特点除集雨面积大、库容小、有下雨库即满、放水库即于的矛盾外，还有防 洪标准过低的问题。该库原按百年一遇设计，千年一遇校核。“7 5 8 暴雨时，坝前水 位曾高达1 4 88 米，仅低于坝顶0 2 米。同时由于溢洪道弯度大，过水断面不够，造 成局部漫坝。当时幸好溢洪道左岸导流墙与山坡按合处被洪水冲开1 7 米宽的缺口， 加大了泄量，才使大坝幸免失事。1 9 7 7 年对大坝采取了加固措施，将原溢洪道由7 6 米扩宽至1 0 0 米，新扩2 4 米溢洪道堰顶高程为1 3 6 0 米，安装两扇弧形闸门。7 8 年 经过复核，最大下泄流量只有4 3 4 0 秒米，与部颁标准三日雨量1 0 5 0 毫米，最大泄 量1 1 8 5 0 秒立米仍相差很远。目前水库的抗洪能力约千年一遇，三日降雨5 2 4 毫米。 为使j i ：程安全起见，拟定出两套加固方案：1 、加坝3 米，并建防浪墙1 米，可使最 高洪水位达1 4 9 5 米，此水位泄量为7 5 5 0 秒立米；2 、修建防浪墙1 米，另在付坝 开挖非常溢洪道1 5 6 米宽，底部高程1 3 9 0 米，可满足泄量要求。但第一种方案工 程量大，投资高。第二种方案非常溢洪道过宽、过深，受地形限制不宜布置。故加 固方案有待进一步研究。 2 3 2 流域站网及流域预报断面 水库坝址以上流域面积6 0 8 k m 2 ，根据流域内观测站的设站年份及分布情况，选 用了8 个遥测( 雨量，水位) 站，预报断面为坝址处。流域站网分布见下图2 5 。 4 工程硕士学位沦文 洪水预报模型 2 3 3 水文资料 图2 5 流域站网分布图 雨量资料 由于用于实时预报的遥测雨量站雨量资料欠缺，且可靠性较低所以选用观音堂、 北河、余家河三个人工雨量站1 9 9 5 2 0 0 0 逐日降水量及时段摘录雨量资料。 流量资料 采用潭口水库坝址的1 9 9 5 2 0 0 0 反推入库流量资料。龙头湾水文站于2 0 0 3 年所 建，所以无历史资料。 资料处理 由于水库无入库流量观测资料，所以坝址逐日平均流量及逐时段洪水资料，是 通过水量平衡方程反推出来的。由于库水位观测精度及开关闸影响，所以反推的坝 址流量过程有时会出现剧齿状，在保持水量平衡的前提下，人工适当对其作了修匀。 潭口水库流域水库坝址率定参数成果见下表： 表2 1 潭口水库新安江模型率定参数表 上程硕士学位论文洪水预报模型 降雨量实测径 计算径流径流洙误预报洪峰实测洪峰 洪峰流量峰现时差峰现叫l 肓 洪号单位( m m )流深 深( m m )差评定( m 3 s 、( 1 1 3 s )误差评定( h )误差评定 ( 1 3 1 y i ) 9 5 0 4 2 】3 0 9 1521 4 91 1 6i 】o0 9 5 0 8 0 3】0 844 804 8 22 7 71 9 2x 5x 9 5 1 0 1 87 i ，94 574 6 、8， 2 4 72 3 02 9 6 0 5 0 26 8 】3 193 562 9 02 7 0 2 9 6 0 6 0 28 517 797 80 3 0 21 7 1x2 9 6 0 6 2 71 0 573 975 0 1x3 6 54 3 03x 9 6 0 8 0 2】5 921 0 671 0 6 43 8 83 7 2 3x 9 6 0 9 1 13 539787 1 2 91 2 3 l 9 7 0 5 l 】4 0 l1 3 095 x6 05 7 一3x 9 8 0 4 1 03 873 663 681 9 71 5 9 2 9 8 0 5 0 86 834 l54 201 6 81 2 8x 】 9 8 0 7 1 55 1 62 1 52 13 8 39 2 4 x 9 8 0 8 0 61 6 977 8 57 833 9 23 1 5 2 9 9 0 5 1 35 53 1 5 41 2 1x1 7 01 6 42 9 9 1 0 1 36 0 42 9 02 891 4 21 3 0j2 0 0 0 6 0 18 883 353 3 。81 6 61 4 0 1 0 0 0 6 2 6j 4 435 97 5 9 42 5 62 0 0x2 0 0 0 7 2 07 343 5 0 5 6 lx2 8 22 4 80 0 0 0 8 2 22 8 51 4 8 】4 _ 8 1 0 79 72 0 0 0 9 0 29 24 1 14 0 51 7 91 9 0 0 0 0 0 9 2 48 】43 0 - 32 5 43 8 62 3 5x 2 0 0 1 0 2 47 125 4 3 5 432 6 82 3 12 台格率 8 1 8 0 7 73 0 7 73 0 表2 2 潭口水库坝址洪水模拟成果表 1 9 9 5 年预报流量过程线圉 t 一 i i 、 、一 一“一 i h 6 9 9 6 年预报流量过程缱围 k 恶一 i n - ! 测流量薪* 瘟叠 洪水预报模型 1 9 9 8 年预报流量过程线国 一 月j 2 日0 幅l 蝎 a 明1 6 日h 月i 阳 0 1 月日 o t 月日 # 自e 量# m 女i 0 9 8 年预报梳量过程蓬目 图2 6 潭口水库次洪模拟图 通过对潭口水库坝址1 9 9 5 2 0 0 0 年水文资料模拟情况来看，洪水模拟结果较好，综 合评定合格率达7 8 8 ，达到乙等方案。按水文情报预报规范s l 2 5 0 2 0 0 0 进行 误差评定，径流量合格率为8 1 8 ，洪峰流量合格率7 7 3 ，峰现时间合格率7 7 3 。 平均合格率7 8 8 ，预报方案等级为乙等。方案未能达到甲等，一个主要原因是实 测水文资料没有一小时的时段雨量，只有通过六小时雨量来插值，这样一来必然会 影响洪峰的预报值；第二个原因是雨量站数量不够，分配不均；第三个原因是流量 资料为反推数据可靠性不足。 f 程硕士学位论文水库调度方法及应用研究 第三章水库调度方法及应用研究 3 1 实时调度概述 水库防洪兴利实时调度是一个动态决策过程，可定义为“以洪水预报为依托，结 合产汇流预报作业的实旌，调用优化模型，对预报洪水过程求解，以此指导水库调 度决策。随着过程的演进，当按照新降雨信息，可以根据新信息开展洪水预报作业， 给出新的洪水过程预报，用调度模型寻求相应的更新决策过程。循序渐进，直至该 场洪水的降雨过程结束，从而完成一场洪水过程逐次渐进调度的方法”i8 1 。 实时调度的特点是：每次只要做出一个时段的决策，每一个时段决策做出前都要充 分考虑此间可得到的各种洪水信息，及防洪兴利形势，如实际发生的、各种预报的、 以及对原有预报的补充修正等等，从而作出未来洪水的类型预估，并最终得出面临 时段的调度决策【7 】。 防洪实时调度的基本流程： 对实际雨情、水情、库水位及入库和出库流量等打印报表，向各级防汛领导部门 汇报。 暴雨时，预报入库及下游防护点洪水过程、特征值( 洪峰、峰现时间、洪量) 。 按照防洪调度规则设计确定的调度方式，或据水、雨、工情初定一些经验性的防 洪调度方案，经调洪计算寻求分析者认为满意的方案( 泄洪、蓄水、错峰方案) 。 向上级通报分析者的满意方案、次满意方案及调度结果，等待上级调令。 对上级指令性方案进行调度计算，打印成果上报备案。 必要时向下游发布警报。 3 2 水库调洪演算基本原理 水库调洪作用，是用滞洪与蓄洪的方法，利用水库的防洪库容来存蓄洪水，削 减天然河道的洪峰流量，改变天然洪水过程，以达到下游防洪和保证防护区安全的 目的1 。调洪计算就是由入库洪水过程线q ( t ) ，水库的泄洪能力曲线、库容曲线 等基本资料，推求出库的泄洪过程线q ( t ) 、相应的调洪库容和蓄水位的变化过程z ( t ) 等。洪水进入水库形成水库洪水波运动，其流态属于明渠非恒定流。水库沿程 工程硕士学位论文 水库调度方法及应用研究 的流速、流量、水位、过水断面等都是时间的函数。其变化规律可用明渠非恒定流 的基本方程组圣维南( s a i n t v e n a n t ) 方程组表示。 动力平衡方程式 一娶：兰+ 一v 型+ 土竺( 4 1 ) 8 sc j r g 8 s g a t 、 连续方程式( 或称水量平衡方程式) 丝+ 丝：0 0 s氆 式中：嚣一水面比降 上r _ 摩阻损失或摩阻坡 c2 r 匕罢沿流程而变化的流速水头或动力坡 8 s 三娶随时间而变化的加速水头或力能坡 g 优 一a q 沿流程而变化的流量 a s 丝随时间而变化的河段断面面积 研 ( 4 2 ) 显然，这是一个偏微分方程组，由于其复杂性，通常难以得出精确的分析解。 因此，在一般的水库调洪计算中，都是采用简化了的近似解法，忽略动力平衡方程 式，只考虑连续方程式。如可以近似地假定库内的流速趋于零，将水库水面视为水 平。在这种假定条件下，就把偏微分方程写成有限差的水量平衡方程，即： 工程硕士学位论文 水库调度方法及应用研究 ( q + q f + ，) r 一吉( g ，+ 扎。) 础= _ 。一 ( 43 ) 式中：q 厂琶+ ，计算时段次、末的入库洪水量( m 3 s ) ；q ，q ，。计算时段 初、末的泄洪流量( m 3 s ) ；“计算时段初、末的水库( m 3 ) ；a t 计 算时段，其氏短视入库流量的变化情况选取，原则上需满足水位控制的要求，并使 所取时段内流量的变化接近于直线。 求解式( 4 3 ) 时，q 。、q 1 可由已知的入库过程线查得。v t 、q 。可由计算时段初始 条件得知，而v 。1 、q 。+ l 为两个未知数，方程( 4 3 ) 不能独立求解，因此还必须借 助于反映水库下泄流量与库水位( 或库容) 关系的水库泄流曲线，即： q = 厂( z ，7 n ，域吼= 厂( 1 7 n ，)( 4 4 ) 式中：n ，为水库的控制特性；z ，为水库水位。 对于独立水体，即水库的水体之间没有水量交换，相互独立，在进行调洪计算 时，由于水库入库初始条件己知，因此从起始条件开始，分时段地连续求解( 4 | 3 ) 和( 4 4 ) 联立方程组，即可推求出下泄流量过程线和库水位变化过程线，从而可以 得出最大下泄流量、最高库水位和调洪库容。 3 3 水库调洪计算方法 3 3 1 迭代方法 选用迭代法求解方程的关键在于选择迭代变量，因为迭代变量选择是否得当， 直接影响方程解的质量【9 【1 0 1 。 a ) 库容作迭代变量 迭代步骤如下： s t e p l ：设出各水体时段末蓄水量初值； s t e p 2 ：利用该初值可求出时段末的出流量； s t e p 3 ：利用出流量再次求出水体时段末蓄水量； s t e p 4 ： 如果前后求出的蓄水量之差小于所规定误差则停止该时段的迭代，转入下 列段：否则，修改库容值，返回s t e p 2 ，重复s t e p 2 s t e p 4 。 工程硕士学位论文 水库调度方法及应用研究 f h 流量作为迭代变量 迭代步骤如下： s t e p ：设出各水体时段末出流量初值； s t e p 2 ：利用该初值可求出时段末的蓄水量： s t e p 3 ：利用蓄水量再次求出水体时段末出流量； s t e p 4 ：如果前后求出的蓄水量之差小于所规定误差则停止该时段的迭代，转入下 时段；否则，修改出流量初值，返回s t e p 2 ，重复s t e p 2 s t e p 4 。 3 3 2 选择泄洪方案的计算方法 为了有效利用水利资源和确保水库工程及下游行洪安全，可根据预报的入库洪 水过程、水库允许最高蓄水位及下游河道行洪能力等情况，综合分析下泄流量的大 小和历时的长短，以此制定出较为合理的调度方案，达到有计划的蓄、泄、用水目 的1 1 2 1 。 由水量平衡原理可知： 0 = + ( 一。) = v o + ( 4 5 ) 圪。= v o + 矿( 4 ，6 ) 式中：y 。允许最高库水位的相应库容( m 3 ) ； k 起涨库水位的相应库容( m 3 ) ； 一次入库洪水总量( m 3 ) ； 。次出库洪水总量( m 3 ) ； 起涨库水位与允许最高水位的库容差( m 3 ) ； 吒。，不泄洪情况下出现的最高库水位的相应库容( m 3 ) ； 只要预报出一次入库洪水总量，则可根据水库的起涨水位和允许最高水位，查得不 超过最高水位应下泄的水量和初步拟定的平均下泄流量及相应的泄流历时。 泄流方案可根据预报的精度及其具体情况而定，故可拟定先小后大或先大后小 等不同的阶梯形泄洪过程，而后再根据水量平衡方程式试算库水位。 工程硕士学位论文 水库调度方法及应用研究 3 4 调度方案生成方法概述 目前在水库洪水调度中，常用的调度方案生成方法有：常规调度方案、补偿调 度方案、错峰调度方案及人机交互式生成调度方案【”j 。 ( 1 ) 常规调度方案 常规调度方案是根据实时洪水和水库调度规则，揭示用户应该达到的决策效果。 这种调度方式巾没有