（水利水电工程专业论文）昌江洪水预报模型研究.pdf

摘要 摘要 昌江是饶河的一大支流，流经景德镇市，每年的洪水灾害给景德镇造成的 经济损失极大，严重影响当地的经济发展。随着社会的发展和财富的积累，洪 水灾害造成的经济损失会越来越大。因此，必须加强昌江流域洪水预报系统的 研究，同时加强防洪设施的建设，最大限度的降低洪水灾害造成的经济损失。 昌江位于我国南方湿润地区，属于山区性河流，洪水陡涨陡落，对流域预 报造成一定的困难。该流域代表站渡峰坑水文站预报方案属经验预报方案( 降 雨径流经验相关法) ，对于连续的洪水过程，预报成果往往难以满足生产实践的 需要。因此有必要对昌江流域的洪水进行分析，以提出更高预报精度的洪水预 报模型来较好地进行洪水的预警预报，为防洪抢险赢得时间。 本论文以渡峰坑水文站作为流域控制站，对其洪水预报模型进行研究，研 究的方法和得出的结果如下： ( 1 ) 、利用新安江( 三水源) 模型、萨克拉门托模型和降雨径流经验相关 模型对昌江流域的洪水进行模拟预报，模拟的结果表明：新安江( - - 水源) 模 型和萨克拉门托模型的模拟精度较高，并且新安江模型的模拟效果要优于萨克 拉门托模型，而降雨径流经验相关模型的模拟精度相对较低。 ( 2 ) 、对新安江( 三水源) 模型的蒸散发模块进行改进，建立昌江洪水预 报模型，对昌江流域的洪水模拟结果表明：新建立的昌江洪水预报模型在昌江 流域的洪水预报中能够取得较好的模拟效果，并且模拟的结果要优于新安江( 三 水源) 模型。 ( 3 ) 、采用自回归修正法和递推最d , - 乘算法对新建立的昌江洪水预报模 型模拟的洪水过程进行修正，修正的结果表明：递推最小二乘算法的修正效果 要好于自回归修正法的修正效果。 从上面的结论得出昌江流域渡峰坑水文站的洪水预报方案如下：首先采用 新建立的昌江洪水预报模型对流域的洪水进行模拟，同时采用递推最小二乘算 法对预报的洪水过程进行校正。校正后的洪水预报值作为最终的预报成果。 关键词：昌江洪水预报新安江模型实时校正递推最小二乘法 a b s t r a c t a b s t r a c t a so n et r i b u t a r yo fr a or i v e r , t h ec h a n gr i v e rf l o w st h r o u g ht h ej i n g d e z h e nc i t y e a c hy e a rt h ee c o n o m i cl o s s e sc a u s e db yt h ef l o o d si nj i n g d e z h e ni sv e r ys e r i o u sa n d i ti m p a c t so nl o c a le c o n o m i cd e v e l o p m e n te x t r e m e l y w i t ht h es o c i a ld e v e l o p m e n t a n dw e a l t ha c c u m u l a t i o n ，t h ee c o n o m i cl o s s e sc a u s e db yt h ef l o o d sw i l lb eg r o wy e a r b yy a e r t h e r e f o r e ，w em u s ts t r e n g t h e nt h es y s t e mo ff l o o df o r e c a s t i n go ft h ec h a n g r i v e r , e n h a n c ef l o o dc o n t r o lf a c i l i t i e s ，a n dm a x i m i z et h ee c o n o m i cl o s s e sc a u s e db y t h ef l o o dd i s a s t e r s t h ec h a n gr i v e ri sl o c a t e di ns u b - h u m i da r e a si ns o u t ho fc h i n a ，b e l o n g i n gt ot h e m o u n t a i nr i v e r s ，a n dt h ef l o o d ss t e e pu p sa n dd o w n sw h i c hi sac e r t a i nd i f f i c u l t i e st o f o r e c a s t t h ef o r e c a s t i n gm e t h o do ft h ew a t e r s h e dh y d r o l o g i c a l f o r e c a s t i n go n d u f e n g k e n gs t a t i o ni sf o r e c a s t i n ge x p e r i e n c e ( e x p e r i e n c er e l a t e dt or a i n f a l lr u n o f f ) i f t h ef l o o d sa r ei nar o wf o r t h ep r o c e s s ，i ti so f t e nd i f f i c u l tt of o r e c a s tt h eo u t c o m eo f t h ep r o d u c t i o nt om e e tt h en e e d so fp r a c t i c e i ti st h e r e f o r en e c e s s a r yf o rt h ec h a n g r i v e rt oh i g h e rf o r e c a s ta c c u r a c yo ff l o o df o r e c a s t i n gm o d e lt ob e t t e rc a r r yo u tt h e f l o o dw a r n i n g , f l o o dc o n t r o la n dr e s c u ef o rt h ew i n n i n gt i m e i nt h i sp a p e r c h o o s et h ed u f c n g k e n gs t a t i o na sac o n t r o ls t a t i o na n ds t u d yi t s f l o o df o r e c a s t i n gm o d e l t h er e s e a r c hm e t h o d sa n dt h ec o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) ，u t i l i z ex i n a n j i a n g ( t h r e ew a t e r s ) m o d e l ，t h es a c r a m e n t om o d e la n dt h e e x p e r i e n c em o d e lr e l a t e dt or a i n f a l lr u n o f ft os i m u l a t et h ef l o o df o r e c a s t i n go ft h e c h a n gr i v e r , a n a l y s et h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dc o n c l u d et h a t ：x i n a n j i a n g ( t h r e e w a t e r s ) a n dt h es a c r a m e n t om o d e lc a nr e a c hh i 曲p r e c i s i o n ，a n dx i n a n j i a n gm o d e li s b e t t e rt h a ns a c r a m e n t o ，b u tt h ee x p e r i e n c er e l a t e dt or a i n f a l lr u n o f fm o d e li so fa r e l a t i v e l yl o wa c c u r a c y ( 2 ) ，i m p r o v et h ee v a p o t r a n s p i r a t i o nm o d u l eo ft h ex i n a n j i a n gm o d e l ，a n d e s t a b l i s ht h ef l o o df o r e c a s t i n gm o d e lo ft h ec h a n gf i v e r t h ef l o o ds i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t ：t h en e wm o d e lo ft h ec h a n gr i v e rh a v eag o o ds i m u l a t i o ni nt h ef l o o d f o r e c a s t i n go ft h ec h a n gr i v e rb a s i n ，a n di ti sal i t t l eb e t t e rt h a nx i n a n j i a n gm o d e l ( 3 ) ，a d o p t e da m e n d m e n t st ol a w sa u t o r e g r e s s i o na n dr l sa l g o r i t h mf o rt h e p r e d i c t i o no ff l o o d sa m e n d m e n tp r o c e s s ，i tc o n c l u d e d t h a tt h ee f f e c to ft h er e c u r s i v e l e a s ts q u a r e si sb e r e rt h a nt h ee f f e c to ft h er e u n i f i c a t i o na m e n d m e n t f r o mt h ec o n c l u s i o no ft h et o p ，w ec o n c l u d et h a tt h ed u f e n g k e n gs t a t i o n sf l o o d f o r e c a s t i n gm e h o do ft h ec h a n gr i v e ri sa sf o l l o w s ：f i r s to fa l l ，u s i n gt h e m o d e lo ft h e c h a n gr i v e rt os i m u l a t et h ef l o o d , a n dt h e nu s i n gr l sa l g o r i t h mf o rt h ef l o o d f o r e c a s t i n gp r o c e s so fc o r r e c t i o n t h ec o r r e c t i o no ft h ev a l u eo f f l o o df o r e c a s t i n ga sa p r e d i c t i o no ft h eu l t i m a t eo u t c o m e k e yw o r d s ：c h a n gf i v e bf l o o df o r e c a s t i n g ；x i n a n j i a n gm o d e ；r e a l - t i m e c o r r e c t i o n ；r e c u r s i v el e a s ts q u a r e s m 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，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，也不包含为获得壶昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：多庆弓最 签字日期：溯年，2 月z 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) 易粝孝缓 导师签名( 手写) ：彳荀哆各 签字日期：加咖iz , q 加日签字日期：矽厂年月印日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究区域概况 昌江系饶河一级支流，发源于安徽省祁门县的大洪岭、分水岭、吊木岭等 诸多大山间。河源在安徽省祁门县、黟县交界的横联乡顶，位于东经1 1 7 。5 5 ， 北纬2 9 。5 3 。祁门县以上有二源，一支来自大洪岭，另一支来自西坑，二水 至祁门县城汇合后，往西南流，至皖赣边界祁门县倒湖右岸纳利济河，过倒湖 流入江西省浮梁县境内。昌江自北向南穿越景德镇区域，至鄱阳县姚公渡与乐 安河汇合。河口位于东经1 1 7 。4 2 ，北纬2 8 。5 87 。昌江与乐安河汇合后称饶 河。 昌江流域地处黄山余脉、怀玉山脉与鄱阳湖平原过渡地带，是典型的江南 红壤丘陵区。地势由东北向西南倾斜，东北部和西北部多山，群峰林立，冈峦 重叠。昌江一路蜿蜒曲折，过倒湖、潭口等地沿途纳沂溪、英溪诸水，至杨村 于右岸汇小北港水。昌江倒湖至杨村河段旧称大北港，水面宽1 0 0 1 5 0 米。河 流继续南下经樟树坑至景德镇市区，沿途有梅湖水、建溪水、东河、西河和南 河加入，渡峰坑以下至姚公渡纳丽阻水、南滨河和游城河。潭口水文站以上为 上游，地形陡峭，峡谷盆地相间，落差较大，水浅多滩，河床稳定由岩石组成， 流域内多古老变质岩。耕地面积少，森林植被良好；潭口至渡峰坑水文站为中 游，多属低丘陵区，流域多为古老变质岩，岩层质坚，侵蚀轻微，河床稳定由 岩石、卵石、沙石组成。水面宽1 5 0 2 0 0 米，高水漫滩可达3 0 0 - - 4 5 0 米；渡 峰坑水文站以下至姚公渡为下游，河床多卵石、沙石，水面宽2 0 0 - 5 0 0 米，沿 河两岸有部分冲积小平原，主产粮食，进入鄱阳县境后，水面开阔，为滨湖水 网区。 昌江水量丰富，落差大，上游可溯安徽省祁门县城，下通鄱阳湖，长江水 道，昌江实施渠化工程后，成为5 级航道，可常年航行3 0 0 t 客、货轮，每年能 发运数万吨出口瓷经鄱阳湖直抵九江口岸，转运世界各地。 昌江流域面积6 2 6 0 平方公里( 其中在安徽省境内1 8 9 4 平方公里) ，其中渡 峰坑水文站控制流域面积为5 0 1 3 平方公里。本课题即是以渡峰坑站为代表的洪 水预报模型研究。昌江主河道长2 5 4 o k m ，多年平均降水量1 8 0 0 o m m ，多年平 均产水量6 2x1 0 8 m 3 ，水力资源理论蕴藏量3 9 8x1 0 4 k w 。昌江渡峰坑水文站多 第1 章绪论 年平均流量为1 4 9 m a s ，实测最大流量为8 6 0 0m 3 s ( 1 9 9 8 年6 月2 6 日) ，最小 流量为1 2 8m 3 s ( 1 9 7 8 年8 月2 7 日) 。历史调查洪水以1 8 8 4 年为最大洪水，推 算的洪峰流量1 3 0 0 0m 3 s ；其次是1 9 1 6 年，推算的洪峰流量为1 1 0 0 0m 3 s 。该 站汛期洪峰出现频繁，一般多为尖瘦的单峰，若遇降雨时间持续较长，且降水 强度时大时小，也会造成平缓或复式洪峰，一般主峰雨过后半天左右就出现洪 峰。流域内设芦溪( 安徽省) 和渡峰坑等7 个水文( 位) 站及祁门、潭口等钙 个( 其中安徽省1 2 个) 雨量站【l 】o 1 2 国内外洪水预报研究现状 汇流方面：1 9 3 2 年谢尔曼( l ks h er m a ) 的提出了单位线方法解决流域汇流 问题。1 9 3 8 年麦卡锡( qt m a c a r t h y ) g l j 建了马斯京根法。3 0 年代末施奈德帆m s n y d e r ) 提出综合单位线的方法，推求单位线与流域地理特征问的关系。等流时 线的概念出现的很早，1 9 4 5 年克拉克( c 0 c l a r k ) 提出的克拉克法将等流时线推流 的结果作一次线性水库的调蓄。1 9 5 7 年加利宁米留柯夫提出了特征河长概念 及公式，特征河长概念把水力学表达成为水文易用的形式，使河道汇流具有明 确的物理概念。1 9 5 9 年纳希( j e n a s h ) 推导了瞬时单位线公式并提出了用矩法求 参数的方法。纳希瞬时单位线使经验单位线有了一个函数的表达形式。这些方 法对以后水文学的发展有很大的影响，大大推动了汇流理论的研究。1 9 7 3 年杜 格( d o o g e ) 提出了水文系统的线性理论。纳特( n a t a l e ) 、托迪尼( t o d i n i ) 于1 9 7 4 年 提出约束线性系统( c l s ) 。纳希等人在1 9 8 3 年和1 9 8 8 年分别提出线性扰动模型 ( l p m ) 和总径流响应模型( t r l ) 2 1 。以上的汇流方法目前都还在广泛应用。近年 来分布式模拟中多采用的方法是区分坡面汇流和河道汇流，坡面汇流采用线性 水库与等流时线结合的方法，河道汇流部分采用马斯京根法。 产流方面：1 9 3 3 年霍顿( r e h o r t o n ) 提出超渗坡面流的概念。1 9 4 9 年，林 斯雷( 1 i n s l e y ) 在应用水文学一书中详细介绍了a p i ( 前期影响雨量指数) 用于流域产流的预报1 3 j 在2 0 世纪5 0 年代以前，产流计算主要靠建立各种降雨 径流相关图，最有代表性的是美国五变量一降雨( p ) 、前期影响雨量( p a ) 、降雨 历时m 、月份或周数0 9 和径流的合轴相关图。我国也编制了很多类似的简 化相关图，如p - - p a ，p + p a - - t - - r 以及p + p a - - i 韧掼、p + p a i 后掼，等。这些相关 关系简易实用，现在仍在实际作业预报中使用。这类经验相关图的物理概念不 够清晰，只能在已有资料范围内应用，不能外延，不能移用于无资料地区，且 2 第1 章绪论 在时段产流计算方面很不严格，5 0 年代后随着计算机的出现，研究人员开始把流 域水文循环的各个环节当作一个整体来研究，1 9 6 9 年美国天气局西纳( s i t t e r ) 等在“用a p i 型水文模型综合连续过程线法一文中，将a p i 方法与单位线法 相结合，发展成为一个完整地模拟降雨径流过程的流域模型，后称为连续的叠母i 流域模型【4 j 。 流域水文模型是随着计算机技术的广泛使用而发展起来的新一代洪水预报 方法。流域水文模型在进行水文规律的研究和解决生产实际问题中起着重要作 用，是现代实时洪水预报的核心部分，也是提高预报精度和增长预见期的关键 技术。 1 9 6 1 年日本国立防灾中心的菅原正已博士提出单列的水箱模型【5 1 【6 1 ，以后不 断改进、发展，由湿润地区扩展到干旱地区，并在模型中增加了融雪径流结构， 成为一个多列的复杂水箱模型。 2 0 世纪6 0 年代末至7 0 年代初美国国家天气局萨克拉门托预报中心的r c 伯纳什( b u m a s h ) 和r l 费雷尔( f e r r a l ) 以及加利福尼亚州水资源部的r a 麦圭尔( m c g u i r e ) 开发研制了萨克拉门托( s a c r a m e n t o ) 流域水文模型 6 1 ，简称 s a c 模型。s a c 模型虽然研制完成时间相对较晚，但是其功能较为完善，既适 用于湿润地区，也适用于干旱地去。s a c 模型在美国的水文预报中广为应用， 也是国内引进的水文模型中人们较为熟悉的模型之一。 1 9 7 3 年河海大学赵人俊等对新安江水库作入库流量预报工作中提出了新安 江模型【5 1 。它的特点是认为湿润地区主要产流方式为蓄满产流，所提出的流域蓄 水容量曲线是模型的核心。近几十年，新安江模型不断改进，已成为有我国特 色应用较为广泛的一个流域水文模型。 河海大学赵人俊教授等学者选择水文站网较密、资料观测精度较高的陕北 子洲径流试验站，分析了人工积水试验下渗规律，探讨了子洲径流试验站、团 山沟径流试验站及流域的产流计算问题后，提出了陕北模型1 7 】。该模型适用于干 旱地区或者以超渗产流为主的地区。 水箱模型、s a c 模型、新安江模型和陕北模型属于集总式概念性流域水文 模型，在水文学科领域研究时间较长，应用比较广泛。 水文学理论的发展和高新技术在水文学科领域的广泛应用促进了分布式流 域水文模型的发展。1 9 6 9 年f r e e z e 和h a r l a n 发表的“一个具有物理基础数值模 拟的水文响应模型的蓝图 的文章。随后，h e w l e t t 和t r o e n a l e 在1 9 7 5 年提出 3 第1 辛绪论 了森林流域的变源面积模拟模型( 舢) 。在该模型中，地下径流被分层模拟， 在坡面上的地表径流被分块模拟。 1 9 7 9 年b e v e n h 和k i r b b y 提出了以变源产流为基础的t o p m o d e l 模型。其 主要特征是数字高程模型( d e m ) 的广泛适用性以及水文模型与地理信息系统 ( g i s ) 的结合应用。该模型基于d e m 推求地形指数( i n ( q t a n l 3 ) ) ，并利用 地形指数来反映下垫面的空间变化对流域水文循环过程的影响，模型结构简单， 优选参数少，充分利用了容易获取的地形资料，而且与观测的物理水文过程有 密切联系。模型的参数具有物理意义，能用于无资料流域的产汇流计算。 f a m i 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。但t o p m o d e l 并未考虑降水、蒸发等因素 的空间分布对流域产汇流的影响，因此，它不是严格意义上的分布式水文模型， 这类模型也称半分布式水文模型【8 1 2 1 。 由丹麦、法国及英国的水文学者( b e v e n 等，1 9 8 0 ；a b b o r t 等，1 9 8 6 ；b a t h u r s t 等，1 9 9 5 ；r e f s g a a r d 等，1 9 9 5 ；c h a p t e r s 等等) 联合研制及改进的s h e 模型( s y s t e m h y d r o l o g i ce u r o p e a n ) 则是一个典型的分布式水文模型。在s h e 模型中，流域 在平面上被划分成许多矩形网格，这样便于处理模型参数、降雨输入以及水文 响应的空间分布性；在垂直面上，则划分成几个水平层，以便处理不同层的土 壤水运动问题。s h e 模型为研究人类活动对于流域的产流、产砂及水质等影响 问题提供了理想的工具【1 3 1 5 1 。s h e 模型应用数值分析来建立相邻网格单元之间 的时空关系，这类模型也称紧密耦合型分布式水文模型，即人们所指的具有物 理基础的分布式水文模型。 j e f f a r n o l d ( 1 9 9 4 年) 为美国农业部( u s d a ) 农业研究中心( a r s ) 开发 了s w a t 模型。s w a t 是在s w r r b 模型基础上发展起来的一个长时段的流域分 布式水文模型。s w a t 是一个具有很强物理基础、适用于具有不同的土壤类型、 不同的土地利用方式和管理条件下的复杂大流域，在加拿大和北美寒区具有广 泛的应用。主要用来预测人类活动对水、沙、农业、化学物质的长期影响。不 适用于模拟具体的单一洪水过程。s w a t 能够在缺乏资料的地区建模，具有输入 数据容易获取、计算效率高等特点。它能够利用g i s 和r s 提供的空间信息，模 拟复杂大流域中多种不同的水文物理过程。模型可采用多种方法将流域离散化 ( 一般基于栅格d e m ) ，能够响应降水、蒸发等气候因素和下垫面因素的空间变 化对流域水文循环的影响。s w a t 模型应用现有的概念性模型在每一个网格单元 4 第1 苹绪论 ( 或子流域) 上进行产流计算，然后再进行汇流计算，最后求得出口断面流量， 这类模型也称松散耦合型分布式水文模型f 1 5 】。 此外，u s g s 模型、w a t f l o o d 模型、s l u r p 模型和p r m 模型等都属于 分布式水文模型的范畴。 相对于国际水文学界，我国分布式水文模型的研究起步较晚，但也取得了 较大进展。 1 9 9 5 年沈晓东等在研究降雨时空分布与下垫面自然地理参数空间分布的不 均匀性对径流过程影响的基础上，提出了一种在g i s 支持下的动态分布式降雨 径流流域模型，实现了基于栅格d e m 的坡面产汇流与河道汇流的数值模拟。2 0 0 0 年黄平等建立了描述森林坡地饱和与非饱和带水流运动规律的二维分布式水文 数学模型，并用有限元数值方法求解模型。同年郭生练等建立了一个基于d e m 的分布式流域水文物理模型，用来模拟小流域的降雨径流时空变化过程。该模 型详细描述了网格单元的截流、蒸散发、下渗、地表径流、地下径流、融雪等 水文物理过程，在每一个网格上用地形高程来建立地表径流之间的关系。同年， 任立良和刘新仁在数字高程模型( d e m ) 的基础上成功开发了分布式的新安江 模型。李兰等提出和建立了一个按子流域划分的分布式水文物理模型，该模型 包括产流模型、汇流模型、流域单宽入流和上游入流反演模型、河道洪水演进 四大部分。2 0 0 1 年郭生练、杨井等建立了基于g i s 的分布式月水量平衡模型。 2 0 0 2 年俞鑫颖、刘新仁等建立了分布式冰雪融水雨水混合水文模型。同年，夏 军等开发了分布式时变增益水文模型( d 1 v g m ) ；唐莉华等提出了一个针对小 流域的分布式水文模型，包括产汇流和产沙模型；杨大文等建立了全黄河流域 的分布式水文模型；张建云等建立了参数网格化的分布式月径流模型；贾仰文 等在黄河9 7 3 项目研究中建立了分布式天然人i - - 元水循环模拟模型【1 5 6 1 。 2 0 0 4 年李致家【1 7 】等人提出大流域的洪水预报和洪水调度管理需要采用水文学和 水力学、确定性与随机性模型相结合的综合方法。 此外，在水文预报中应用较多的还有时间序列模型【1 8 1 9 1 、人工神经网络模 型、马尔可夫链预测、法【2 0 2 2 】和模糊数学模型 2 3 - 2 4 1 等。 1 3 昌江流域的研究现状 国外关于昌江流域洪水预报的研究几乎没有，国内则有少部分学者对昌江 的洪水规律和水质状况等进行了研究和分析。 5 第1 章绪论 陈建、詹晓群【2 5 】分析了浯溪口水利枢纽工程对昌江流域的水环境、移民、 水土保持、人群健康以及施工期可能产生的影响。金世良、金恺【2 6 l 对景德镇市 饮用水源的水质状况进行了监测，发现部分水厂的取水断面的极个别样品有超 标现象。曹起、江道和、章慧芳、韩文华【2 7 】在客观分析水体污染的原因基础上， 结合区域实际，有针对性的采取截流、控源、治污和活水等综合措施，提出了 解决办法和对策。严忠平【冽基于昌江水运现状与存在的问题，探讨了昌江水运 经济发展的相关模式。提出构建生态型航道建设模式，社会化的营运模式和信 息共享的管理模式，将生态理念、人文景观、旅游开发、信息网络等融入水运 建设中，更好的发挥昌江的综合功能、综合效应，促进水运经济的持续发展。 张宇平、李国文、蒋志兵【2 9 j 从天气环流背景、降雨特征等方面分析了1 9 9 8 年洪 水形成的特点和发展过程。冯其全、冯丽珠【刈根据渡峰坑水文站1 9 5 0 - 1 9 8 7 年 的实测水文资料统计得出，超过警戒水位( 2 8 5 0 米) 的年最高水位发生2 2 次， 平均每1 7 年一遇；超过警戒水位1 5 0 米以上，造成灾害的年最高水位发生1 1 次，平均每3 4 年一遇。 从上面的总结可以看出，国内学者对昌江流域的研究主要集中在昌江的水 质、水运、暴雨分析以及洪水规律的探讨这几个方面，而对昌江流域的洪水预 报目前也仅限于使用降雨径流经验相关模型。降雨径流经验相关模型由于受到 前期影响雨量p a 或流域起始蓄水量、降雨历时、降雨强度、暴雨中心位置等 因素的影响，其预报精度通常难以满足生产实践上的需求，因此有必要对昌江 流域的水文状况进行仔细的研究，以提出更高预报精度的洪水预报模型。 1 4 问题的提出 景德镇市属于不设防城市，在江西经济发展中占有一定的重要位置，而且 随着社会经济的发展，洪水灾害所造成的损失越来越大。因此，必须加强洪水 预报系统的研究，同时加强防洪设施的建设，最大限度的降低洪水灾害造成的 经济损失。 随着洪水灾害造成社会经济损失的持续增长，简单的以工程防洪措施来控 制洪水的理念是不现实的，必须加强非工程防洪措施的建设。流域洪水预报是 防洪减灾的一项重要的非工程措施，是解决防洪问题的关键，直接为防洪调度 和防汛抢险服务。 昌江位于我国南方湿润地区，属于山区性河流，洪水陡涨陡落，对流域预 6 第1 章绪论 报造成一定的困难。该流域代表站渡峰坑水文站预报方案属经验预报方案( 降 雨径流经验相关法) ，对于连续的洪水过程，预报成果往往难以满足生产实践的 需要。因此有必要对昌江流域的洪水进行分析，以提出更高预报精度的洪水预 报模型来较好地进行洪水的预警预报，为防洪抢险赢得时间。 1 5 研究内容与技术路线 1 5 1 研究内容与方法 本论文以渡峰坑水文站作为流域控制站，对其洪水预报模型进行研究。主 要研究内容与方法包括： ( 1 ) 、将新安江( 三水源) 模型、s a c r a m e n t o 模型和降雨径流经验相 关模型应用到昌江流域的洪水预报中，对比分析得出较优的模型。 ( 2 ) 、对较优的模型进行改进，建立昌江流域洪水预报模型。利用新建立 的昌江洪水预报模型对昌江流域的洪水进行模拟。 ( 3 ) 、采用自回归修正法和递推最小二乘算法对昌江洪水预报模型模拟的 结果进行校正，对比选择较优的校正方法应用于昌江流域的洪水预报。 各章节具体内容安排如下： 第一章：绪论。简要介绍研究区域概况、国内外研究进展、昌江流域的研 究现状、研究的内容方法和技术路线。 第二章：模型概述。简要介绍新安江( 三水源) 模型、s a c 模型、降雨径 流经验相关模型和常用的洪水预报校正方法。 第三章：三种模型在昌江洪水预报中的对比分析。即新安江( 三水源) 模 型、s a c 模型和降雨径流经验相关模型在昌江洪水预报中的应用对比分析。 第四章：昌江洪水预报模型的建立。对第三章中较优的模型进行改进，建 立昌江流域的洪水预报模型，利用新建立的昌江洪水预报模型对昌江的洪水进 行模拟。针对预报的误差采用自回归修正法和递推最小二乘法进行修正，以提 高模型的模拟精度。 第五章：结论与展望。简要介绍本文的成果、创新和不足之处，并对课题 的研究发展方向进行展望。 7 第1 章绪论 1 5 2 技术路线 本文在利用前人成果的基础上，收集了大量的昌江水文资料。根据本人的 实际情况制定如下技术路线图，见图1 1 。 收集昌江流域水文资料 率定s a c 模型的参数 利用s a c 模型对昌江 流域的洪水进行模拟 降雨径流经 验相关模型 对昌江的洪 水进行模拟 率定新安江模型的参数 利用新安江模型对昌江 流域的洪水进行模拟 递推最 小二乘 法对洪 水模拟 过程进 行校正 对比得出较优的模型 对较优模型改进，建立 昌江洪水预报模型 对昌江洪水进行模拟，并 对模拟过程进行校正 对比分析得出昌江流域洪水预报方案 图1 1 昌江洪水预报模型研究技术路线图 8 采用自 回归模 型对洪 水模拟 过程进 行校正 第2 章模型综述 第2 章模型综述 流域水文模型在进行水文规律研究和解决生产实际问题中起着重要的作 用。目前在水文学科领域研究时间最长，影响最大，发展最快，付之实用的主 要还是概念性流域水文模型。其中以新安江( 三水源) 模型的应用最为广泛， 萨克拉门托( s a c r a m e n t o ) 模型( 简称s a c 模型) 在美国的水文预报中广 为应用，也是国内引进的水文模型中人们较为熟悉的模型之一。 2 1 新安江模型 新安江模型【5 6 3 1 “3 9 】是河海大学赵人俊等人1 9 7 3 年对新安江水库作入库流 量预报工作中提出来的降雨径流流域模型。它的特点是认为湿润地区主要产流 方式为蓄满产流，所提出的流域蓄水容量曲线是模型的核心。近几十年，新安 江模型不断改进，已成为有我国特色应用较为广泛的一个流域水文模型。 最初研制的是二水源新安江模型。2 0 世纪8 0 年代中期，借鉴山坡水文学的 概念和国内外产汇流理论的研究成果，提出了三水源新安江模型。 t 2 1 1 模型的结构 三水源新安江模型的结构分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流 计算四个层测6 】。采用自然流域划分法或泰森多边形法将计算流域划分为n 块 单元流域。每块单元流域的计算流程见图2 1 ，其中方框内写的是状态变量，方 框外写的是模型的参数。 2 1 2 模型的计算 ( 1 ) 、蒸散发计算 在三水源新安江模型中，流域蒸散发计算没有考虑流域内土壤含水量在面 上分布的不均匀性，而是按土壤垂向分布的不均匀性将土层分为三层，用三层 蒸散发模型计算蒸散发量。 蒸散发计算的思路是：上层按蒸散发能力蒸发；上层含水量不够蒸发时， 剩余蒸发能力从下层蒸发，下层蒸发与剩余蒸散发能力及下层含水量成正比， 与下层蓄水容量成反比。要求计算的下层蒸发量与剩余蒸散发能力之比不小于 9 第2 章模型综述 深层蒸散发系数c ，否则，不足部分由下层含水量补给，当下层水量不够补给时， 用深层含水量补。 图2 1 三水源新安江模型流程图 ( 2 ) 、产流计算 三水源新安江模型的产流计算采用蓄满产流假定。蓄满是指包气带的土壤 含水量达到田间持水量，不是饱和。蓄满产流是指：在土壤湿度满足田间持水 量这个门槛值以前不产流，所有的降雨都被土壤吸收成为张力水。而在土壤湿 度满足田间持水量以后，所有的降雨( 减去同期的蒸发) 都产流。其概念就是 设想流域具有一定的蓄水能力，当这种蓄水能力满足以后，全部降水变成径流， 产流表现为蓄量控制的特点。湿润地区产流的蓄量控制特点，解决了产流计算 在这些地区处理雨强和入渗动态过程的问题；而降雨径流理论关系的建立，解 决了考虑流域降雨不均匀的分布式产流计算问题。 按照蓄满产流的概念，采用蓄水容量面积分配曲线来考虑土壤缺水量分 布不均匀的问题。蓄水容量面积分配曲线见图2 2 。实践表明，对于闭合流域， 流域蓄水容量面积分配曲线采用抛物线型为宜，其线型为： ft 了7 - 上1 一( 1 一刍b ( 2 1 ) f、v 1 7 m m 。 上式中w m m 表示流域内最大的点蓄水容量，矽t 表示流域内某一点的蓄水 1 0 第2 章模型综述 容量，表示蓄水能力不大于矽值的流域面积，f 表示全流域面积，b 表示抛 物线的指数。 |l 箨，脚! l 嫠蠹二乙= 二：| j l 三一冀 飞 i 毽l f i 图2 2 蓄水容量面积分配曲线图 ( 3 ) 、水源划分 水源划分是新安江模型结构最重要的几个部分之一。二水源新安江模型主 要通过调试稳定入渗i f c 参数划分水源，而三水源新安江模型去掉了参数f c ， 采用一个自由水蓄水库进行水源划分。自由水蓄水库结构见图2 3 ： 图2 3 自由水蓄水库结构图 其中自由水蓄水库设置两个出口其出流系数分别记为k s s 和k g ，产流量r 1 1 第2 苹模型综述 进入自由水水库内，通过两个出流系数和溢流的方式把它分成地面径流( r s ) 、 壤中流( r s s ) 、和地下径流( r g ) 。图中的地下径流再经过地下水库调蓄，可 得到地下水对河网的总入流t r g ，壤中流( r s s ) 可以认为是对河网的总入流 t r s s ，图中另设置了一个壤中流水库，可再作一次调蓄计算，它为了备用，一 般可以不用它。 在自由水蓄水库的计算中，存在差分计算的误差问题。为了消除这些影响， 可采用5 m m 净雨分一段，进一步分段计算等处理方法。 ( 4 ) 、汇流计算 三水源新安江模型的汇流计算包括坡地和河网两个汇流阶段。 a 、坡地汇流计算。三水源新安江模型中把经过水源划分得到的地面径流 ( r s ) 直接进入河网，成为地面径流对河网的总入流( t r s ) 。壤中流( r s s ) 流入壤中流水库，经过壤中流蓄水库的调蓄作用后，直接进入河网，成为壤中 流对河网的总入流( 1 r s s ) ( 记壤中流水库的消退系数为k k s s ，壤中流r s s 也可不进行调蓄，直接进入河网，成为壤中流对河网的总入流) 。地下水( r g ) 经过地下水蓄水库的调蓄作用后，进入河网，成为对河网的总入流，记为t r g 。 坡地汇流可以采用单位线，也可以采用线性水库。采用线性水库时，其计 算公式为： t r s ( t ) 一r s ( t ) u ( 2 2 ) t r s s q ) 一t r s s ( t 一1 ) k k s s + 尺豁o ) o - k k s s ) u( 2 3 ) t r g ( t ) - t r g ( t - 1 ) k k g + r g ( t ) o - k e g ) u ( 2 4 ) t r ( t ) 一t r s q ) + t r s s q ) + t r g ( t ) ( 2 5 ) 以上各式中，u 为单位转换系数，可以将径流深转化成流量，u 一：_ _ ， - 4 , h ， 其中f 为流域面积，单位是k m 2 ；a t 为时段长，单位是h ；t r 为河网总入流， 单位是m 3 s 。 b 、河网汇流计算。三水源新安江模型采用无因次单位线模拟水体从进入河 槽到单元出口的河网汇流。单位线的分析方法是：先在本流域或者邻近流域， 找一个有资料的、面积与单元流域大体相近的流域，然后分析出地面径流单位 线，可作初值应用。计算公式为： 蔓 q o ) t i l lu h ( i ) t r q - i + 1 )( 2 6 ) 第2 苹模型综述 式中，q ( t ) 为单元出口处t 时刻的流量值；u h 为无因次时段单位线；n 为 单位线的历时时段数。其他符号意义同前。 新安江模型的河道洪水演算采用马斯京根方法【3 9 】或者分段连续演算法。 马斯京根槽蓄曲线方程为： s - k 印q 上+ ( 1 一曲q 下】 ( 2 7 ) 上式中：s 为河段内的总蓄量；k 为稳定流情况下的河段传播时间；x 为流 量比重因子；q t ，q 下为河段上下断面的流量。 河段水量平衡方程为： 等( q 上d + q 上，2 ) 一等( 鲫。+ q 下，2 ) 。一墨 ( 2 8 ) 上式中：a t 为计算时段，h ； q 上d ，q 上，2 为时段始末上断面的入流量，m 3 s ； q 下”q t ，2 为时段始末下断面的出流量，m 3 s , s ，是为时段始末河段蓄水量， h m 3 s 。 联立求解上面两式，可得马斯京根流量演算方程： q t 。2 一c o q 上，2 + c 1 q 上，l + c 2 q t 1 ( 2 9 ) 其中： 0 。5 & 一k x ” k 一缸+ 0 5 f 。0 5 缸+ k x 1 k 一缸+ o 5 f k 一缸一0 5 f k 一舡+ o 5 f 式中：c 0 ，c 】，c 2 都是k ，z ，a t 的函数。对于某一河流而言，只要确定了k 和x 值，c 0 ，c 1 ，c 2 即可求得，从而由入流过程和初始条件，通过上式逐时段演算，即 可求得出流过程。 将前述各个部分子模型结合在一起，便构成应用于流域降雨径流计算 的三水源新安江模型。有关新安江模型的详细论述见参考文献【5 6 】。 2 1 3 模型参数的分类及参数初值的确定 三水源新安江模型共有1 6 个参数( w m 中w u m 和w l m 视为两个参数) ， 分别为：k ，m 卵，b ，w m ，w u m ，w l m ，c ，s m ，e x ，k g ，k s s ，k k g ， 第2 苹模型综述 k k s s ，k e ，x e ，再加上无因次单位线u h ( i ) 。 三水源新安江模型中的参数一般都具有明确的物理意义，可分为如下四类： ( 1 ) 、蒸散发参数：k ，w u m ，w l m ，c ( 2 ) 、产流参数：v l l v i ，b ，i m p ( 3 ) 、水源划分参数：s m ，e x ，k s s ，k g ( 4 ) 、汇流参数：k k g ，娼s ，u h ( i ) ，k e ，。 三水源新安江模型大多数参数都具有明确的物理意义，它们在一定程度上 反映了流域的基本水文特征和降雨径流形成的物理过程。因此，可以按其物理 意义通过实测、实验、比拟等方法来确定。但是，由于模型是在假设、概化和 判断的基础上建立起来的，加上水文要素又十分复杂，在当前的观测技术条件 下，人们准确地获得一个流域内水循环诸要素的时空变化值还存在相当大的困 难。因此在实践中人们常采