（水文学及水资源专业论文）太湖流域实时洪水预报调度系统研究.pdf

摘要 太湖流域是我国水资源综合利用水平较高的地区之一，党和政府十分重视 太湖流域的综合治理。于1 9 8 7 年6 月国家计委批复同意了太湖流域综合治 理总体规划方案。该方案以流域防洪除涝为主，统筹兼顾供水，航运和环境 保护等方面的利益，计划分期实施包括太浦河、望虞河、环太湖大堤、杭嘉湖 南排、湖西引排、红旗塘、东西苕溪防洪、武澄锡引排、扩大拦路港疏浚泖河 及斜塘、杭嘉湖北排通道及黄浦江上游防洪工程等十一项骨干工程。 近年来，由于太湖流域城乡经济的高速发展，人类活动对该地区生态环境 和下垫面状态的影响目益加剧，流域水污染问题严重。同时，工业用水、农业 需水以及城镇生活用水等逐年递增。地下水超采现象严重，导致流域部分平原 区地面持续沉降。一方面，枯水年份因大量取用水及河湖水质恶化而造成当地 水资源短缺。另一方面，遇大水年份，区域性洪涝灾害愈来愈频繁。水问题己 成为该地区经济社会发展的主要制约因素。 由于太湖流域为平原水网地区，水流运动极其复杂。再加上流域内水工控 制建筑物( 闸，泵，圩，堤等) 星罗棋布，给流域内洪水预报和防汛减灾方案 的编制带来了一定的难度。本文在已有全流域水量模型的基础上，对目前太湖 局正在使用的h o h y 2 水量模型的功能作进一步扩充和提高。并在此基础上开发 建立适合太湖流域的洪水预报与调度系统，为实现水资源可持续利用和流域经 济社会发展提供支持。 本文所研究的内容主要概括如下：1 ) 太湖流域实时预报调度系统的建立 与开发机制：2 ) 沿长江及杭州湾潮位预报方法；3 ) 太湖流域产汇流预报模型 机理；4 ) 太湖流域平原河网水动力学预报模型机理：5 ) 太湖流域实时洪水 预报与调度实例研究。 本文所研究的预报调度系统有如下特点： ( 1 ) 本系统采用产汇流理论和水动力学方法预报太湖及重要节点水位， 首次在平原河网地区建立了具有实时校正功能的全流域预报调度系统。以适合 太湖流域复杂的水力条件，增强预报的可靠性： ( 2 ) 预报模型可以根据预见期降雨量进行多方案预报，并随时间推移， 可以实时进行调整，克服由于预见期降雨不确定引起的误差，使预报结果更接 近实际。系统具有实时校正功能，可以避免误差累积，极大地提高了预报精度： ( 3 ) 防洪调度系统可以进行多方案设计，即可以根据水工建筑物不同的 调度方式来设计调度方案，并进行仿真调度计算，最终生成多个方案，供领导 决策，提高了防洪决策的科学性； ( 4 ) 系统采用的数据均建立在实时雨情、水情、工情和天气预报等数据 库基础上，预报、调度均能做到快速及时。系统以人机交互方式进行预报、制 定实时调度方案，用户使用方便，实用性强。 关键词：实时洪水预报；潮汐预报；流域防洪；水动力学模型 a b s t r a c t t a i h ul a k eb a s i ni so n eo ft h e r e g i o n s i nc h i n aw h e r ew a t e rr e s o u r c e sh a sb e e nh i g h l y i n t e g r a t e du s e d o u rg o v e r n m e n th a sp a i dg r e a ta t t e n t i o nt oi t sc o m p r e h e n s i v er e g u l a t i o na n d t h es t a t e p l a n n i n g c o m m i s s i o n a p p r o v e dt h e t h ec o m p r e h e n s i v er e g u l a t i o np l a n n i n g s c h e m ef o rt a i h ul a k eb a s i n ”i nj u n e1 9 8 7 f l o o dp r e v e n t i o na n dw a t e rl o g g i n gc o n t r o la r e t h em a j o ro b j e c t i v e so ft h es c h e m e ，w a t e rs u p p l nn a v i g a t i o na n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na r e c o n s i d e r e da sw e l l ，t h ep l a n sw i l lb ec a r d e do u ti nd i f i e r e n ts t a g e s w h i c hi n v o l v e s1i k e y p r o j e c t s ，i n c l u d i n g ：t a i p ur i v e r , w a n g y ur i v e r , d y k ea r o u n dt h et a i h ul a k e ，s o u t h d r a i n a g ei n h a n g j i a i mp l a i n ，w a t e rd r a i n a g ea n dd i v e r s i o ni nh u x i ，h o n g q i t o n g , f l o o dc o n t r o li ne a s t - w e s t t i a o x i ，w a t e rd r a i n a g ea n dd i v e r s i o ni nw u c h e n g x i ，e n l a r g i n gl a n l u g a n g ，d r e d g i n gl i u h ea n d x i e t a n g ，n o r t hd r a i n a g ei nh a n g j i a h u ，a n df l o o dp r e v e n t i o ni nt h eu p p e rs t r e a mo fh u a n g p u r i v 髓 i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f e c o n o m y i nt h et a i h ul a k ed i s t r i c t ，h u m a na c t i v i t i e s h a v ec a u $ e ds e r i o u s i m p a c to nt h ee c o e n v i r o n m e n tm a dt h el a n dc o v e rc o n d i t i o n ，w h i c h i n t e n s i f yt h ew a t e rp o l l u t i o no ft h eb a s i na tt h es a m et i m e ，w a t e rd e m a n d so fi n d u s t r ya n d a g r i c u l t u r ea sw e l la sw a t e rs u p p l yi nc i t i e sa r ei n c r e a s i n gy e a rb yy e a r g r o u n dw a t e ro v e r d r a f t l e a d st ot h ec o n t i n u i n gs u b s i d e n c eo f p a r tp l a i ns u r f a c e l a r g eq u a n t i t yo f w a t e ru s ea sw e l lt h e d e t e r i o r a t i o no fw a t e rq u a i i t yi nr i v e r sa n dl a k e sr e s u l ti nr e g i o n a lw a t e rr e s o u r c e ss h o r t a g ei n d r yy e a r s ，o i lt h eo t h e rh a n d ，r e g i o n a lw a t e rl o g g i n ga n df l o o dd i s a s t e r sf r e q u e n t l yo c c u ri n p l e n t y w a t e ry e a r s w a t e rr e s o u r c e sp r o b l e m sh a v ec o n s t r a i n e dt h es o c i a la n de c o n o m i c d e v e l o p m e n t i nt h i sr e g i o n t a i h ul a k eb a s i ni sap l a i nw a t e rn e t w o r kd i s t r i c tw h e r ew a t e rf l o w sa r ev e r yc o m p l i c a t e d i n a d d i t i o n ，w a t e rc o n t r o lp r o j e c t ss u c ha sg a t e s ，p u m p s ，p o l d e r sa n dd i k e ss p r e a da l lo v e rt h e b a s i n a l lt h e s eb r i n gm o r e d ! f f i c u l t i e st os c h e m em a k i n g f o rf l o o db r o a d c a s t i n ga n dp r e v e n t i o n a sw e l la sd i s a s t e rr e d u c t i o n o nt h eb a s i so f t h e e x i s t i n gw h o l eb a s i nw a t e rq u a n f i t ym o d e l ，t h i s p a p e rf u r t h e re x p a n d e da n di m p r o v e d t h ef u n c t i o no f t h ew a t e r q u a n t i t ym o d e lh o h y 2 u s e db y t h et a i h ul a k ea u t h o r i t y a tt h es a m e t i m e ，t h ef l o o df o r e c a s t i n ga n dr e g u l a t i o ns y s t e ms u i t a b l e f o rt a i h ul a k eb a s i nh a sb e e ne s t a b l i s h e d ，w h i c hp r o v i d e ss u p p o r tf o rs u s t a i n a b l eu s eo fw a t e r r e s o u r c e sa n ds o c i a l e c o n o m i c a ld e v e l o p m e n ti nt h eb a s i n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h ep a p e ri n v o l v e ：e s t a b l i s h m e n to fr e a lt i m ef o r e c a s t i n gs y s t e m o ft a i h ul a k e b a s i n ；f o r e c a s t i n gm e t h o d f o rt h et i d a ll e v e l sa l o n gy a n g t z er i v e ra n d h o n g z h o u b a y ；m o d e lm e c h a n i c so ff l o wg e n e r a t i o n a n dc o n f l u e n c e f o r e c a s t i n g ；f o r e c a s t i n gm o d e l m e c h a n i c so f f l o wd y n a m i c si np l a i nr i v e rn e t w o r k so ft a i h ul a k eb a s i n ；c a s es t u d yo fr e a l t i m ef l o o df o r e c a s t i n ga n dc o n t r o li nt a i h ul a k eb a s i n t h em a i nf e a t u r e si nt h es t u d yo f f l o o df o r e c a s t i n ga n dc o n t r o ls y s t e ma r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) r u n o f fg e n e r a t i n ga n dc o n f l u e n c et h e o r ya n dh y d r o - d y n a m i cm e t h o da r ea d o p t e dt op r e d i c t t h ew a t e rl e v e lo f t a i h ul a k ea n d k e yn o d e s ，t h eb a s i nw i d ef o r e c a s t i n ga n dc o n t r o ls y s t e m w i t ht h ef u n c t i o no fr e a lt i m ec o r r e c t i o nh a sb e e nf i r s te s t a b l i s h e di np l a i nr i v e rn e t w o r k t o m e e tt h ec o m p l i c a t e df l o wc o n d i t i o n so ft a i h ul a k eb a s i na n dt oe n h a n c et h e r e l i a b i l i t yo f f o r e c a s t i n gr e s u l t s ； ( 2 ) a c c o r d i n gt o t h er a i n f a l li nf o r e s e e n p e r i o dm u l t i p l e s c h e m e sc a l lb em a d ei n t h e f o r e c a s t i n gm o d e la n da d j u s t e d w i t ht i m e ，w h i c ho v e r c o m e st h ee r r o r sc a u s e db yt h e u n c e r t a i nr a i n f a l li nt h ef o r e s e e np e r i o ds oa st om a k et h ef o r e c a s t i n gr e s u l t sa p p r o a c h r e a l i t y t h es y s t e mp o s s e s s e st h e r e a lt i m e c o r r e c t i n gf u n c t i o n ，w h i c hc a r l a v o i de r r o r a c c u m u l a t i o na n dh i g h l yi n c r e a s et h ef o r e c a s t i n g a c c u r a c y ； ( 3 ) t h ef l o o dc o n t r o ls y s t e mc a nb em u l t i p l e - s c h e m ed e s i g n e d ，t h a ti s ，t h ec o n t r o ls c h e m e sc a n b ed e s i g n e di nt e r m so fd i f f e r e n tc o n t r o lw a y sf o rh y d r o - p r o j e c t s s i m u l a t e dc o m p u t a t i o n c a nb ec a r r i e do u tt oo b t a i nm u l t i p l es c h e m e st h a tc a nb eu s e db yt h el e a d e r sf o rd e c i s i o n m a k i n ga f t e rr i s ka n dc o n s e q u e n c e se s t i m a t i o n ，s oa st os c i e n t i f i c a l l ye n h a n c et h ef l o o d c o n t r o jd e c i s i o n ( 4 ) d a t au s e d a r ea l lo nt h eb a s i so fr e a lt i m er a i n f a l l ，w a t e rf l o w , p r o j e c tc o n d i t i o na n d w e a t h e rf o r e c a s t i n gd a t a b a s es ot h a tt h ef l o o df o r e c a s t i n ga n dc o n t r o lc a nb et i m e l ya n d q u i c k l ym a d e 。f o r e c a s t i n ga n dr e a lt i m ec o n t r o ls c h e m e sa r em a d ei nt h ew a y o fp e r s o n i n t e r a c t i o nw i t hc o m p u t e r si nt h es y s t e mt of a c i l i t a t et h eu s e r s ； k e y w o r d s ：r e a l - t i m e f l o o d f o r e c a s t i n g ；t i d ep r e d i c t i o n ；f l o o dc o n t r o l ；h y d r o - d y n a m i c m o d e l 前言 日i j 吾 洪涝灾害是世界上最主要的自然灾害之一，防洪是中国江河湖泊治理的首 要任务，是全社会防御自然灾害的共同要求，具有全民的公益性。“太湖流域 实时洪水预报调度系统”是一项规模庞大、结构复杂、涉及面广的系统工程， 是解决平原河网地区防洪减灾的一项重要的非工程措施，其在平原河网地区洪 水预报调度方法研究和应用上提出了一种全新的途径，在平原河网地区具有广 泛的应用前景。 太湖流域是以太湖为中心的水系区域，是典型的平原赶潮河网区，其位于 长江三角洲的南缘，是长江水系的一个支流区，也是长江三角洲重要的组成部 分。流域面积为3 6 8 9 5 k m 2 ，约占全国总面积的0 3 8 。 太湖流域滨江临海，由于地势低洼，平均地面海拔高程3 4 ，低于长江 口高潮位2 3 m ：低于杭卅湾高潮位5 6 。沿江和沿湾建有江堤和海塘，受 风暴潮、长江洪水的双重威胁。再加上流域内大多数圩区地面高程在3 5 m 左 右，自明末就奠定了以黄埔江为主的泄水格局，致使该地区排水不畅，洪涝灾 害频繁。如1 9 9 1 年6 7 月太湖流域梅雨期长，雨量又大，致使太湖地区遭受 到了十分严重的洪涝灾害，损失巨大。 近年来，由于太湖流域城乡经济的高速发展，人类活动对该地区生态环境 和下垫面状态的影响日益加剧，流域水污染问题严重。同时，工业用水、农业 需水以及城镇生活用水等逐年递增。地下水超采现象严重，导致流域部分平原 区地面持续沉降。据调查，近三十年来江苏省苏、锡、常地区漏斗中心地面沉 降达1 m ，苏南地区漏斗范围面积达到7 0 0 0k m 2 ，浙江省嘉兴地区地面沉降也 达0 7 m 。一方面，枯水年份因大量取用水及河湖水质恶化而造成当地水资源 短缺。另一方面，遇大水年份，区域性洪涝灾害愈来愈频繁。水问题已成为该 地区经济社会发展的主要制约因素。再加上太湖流域为平原水网地区，水流运 动极其复杂，流域内水工控制建筑物( 闸，泵，圩，堤等) 星罗棋布。因此， 给流域防洪建设带来了新的挑战。 前言 针对太湖流域防洪调度工作的现状和问题，以及该地区“雨量充沛、洪涝 频繁，地势低洼、容易成灾，太湖水位易涨难落、险情不断，经济发达、均淹 不得”的防洪特点。建立太湖流域洪水预报与调度系统，即建立一个“能够依 据实时雨、水、工情信息和天气预报，在计算机上快速进行太湖流域洪水预报 计算，以人机交互方式制定实时调度方案，进行调度方案仿真，并且有洪水预 报调度数据预处理、防洪调度信息查询、防洪预报调度报告编制、系统管理等 辅助功能的太湖流域防洪预报调度系统计算杌应用软件”，对于辅助防洪减灾 决策及制定防洪减灾决策方案具有重大的社会经济效益。 本论文重点研究太湖流域实时洪水预报调度的方法和基本原理。主要包括 以下内容： ( 1 ) 产水量预报 产水量预报所依据的基础为降雨径流模型。关于太湖流域降雨径流关系已 有众多部门进行了长时期的研究，并取得了很好的成果。本次研究首先要收集 现有的各类降雨径流模型，分析和考核这些模型，取长补短构成适合于本研究 的降雨径流模型。 ( 2 ) 沿长江、杭州湾各出口断面潮位预报 太湖流域沿长江出口断面潮位受潮汐和长江上游径流影响。长江下游吴淞 口距长江口不远，因此受长江上游径流影响不大，主要受潮汐影响。吴淞口潮 位预报是很关键的一环，因为黄浦江的泄流与吴淞口潮位密切相关，而且吴淞 口上游沿江各出口断面潮位亦由吴淞口潮位推算而得。 ( 3 ) 水量模型初始条件的校正 在规划设计中，水量模型的初始条件，即各断面的水位和流量是假定的。 为了消除初始条件假定所引进的误差，常需要把计算起始日期向前推一段时 间，提前这段时间的计算结果是舍弃不用的。因此，不存在初始条件及其逐时 校正的问题。但对实时防洪调度而言，经常有实时的数据反馈回来，而反馈回 来的实测值与预报值总是会存在误差。为了充分利用实时数据所提供的宝贵信 息，修正原先预报中的误差，尽可能地减少预报误差的积累，提高流域洪水预 前蔷 报的精度，对实时预报调度是特别重要的一环。 从技术角度来说，也就是如何根据实时遥测及报汛水情数据( 水位、流量) 来修正初始条件，使得预报模型在校正后新的初始条件下继续计算。 ( 4 ) 河网水动力学预报模型 与降雨径流模型相一致，水动力学模型亦分为两个阶段：即模型校正阶段 和模型预报阶段。 预报的结果与遥测( 报汛) 结果不一致，为了不使误差积累，必须将流域 的水力状态( 水位、流量) 根据实时数据进行校正。本次研究过两种校正方法。 第一种“全面校正”。即根据报汛的降雨量，先用降雨径流模型计算流域 径流量，再用水动力学模型计算。水动力学模型计算中，闸坝、泵站等根据实 际的运行方式，报汛的水位作为内边界条件。 第二种“局部校正”。只考虑降雨和闸坝、泵站的运行方式两项因素，没 有利用报汛的水位来校正概化河网的水力状态。 研究成果主要创新点 ( 1 ) 将产汇流理论与水动力学方法相结合，研制了大型复杂感潮河网地 区的全流域实时预报调度模型，实现了大型湖泊环湖水量的实时预报。 ( 2 ) 提出采用潮差因子相关途径预报太湖流域沿江潮位方法，提高了太 湖流域沿江潮位预报的精度。 ( 3 ) 提出大型复杂河网水系实时预报的校正技术，采用增量加局部校正 的途径进行实时校正，避免了计算误差的累积和基面沉降因素对预报结果的影 响，提高了预报精度。 ( 4 ) 模型将矩阵标识法和高斯一塞德尔迭代法相结合，实现了大型河网水 动力学方程组的求解，满足了实时防洪预报和调度的要求。 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) ： 盏! 至2 。3 年1 1 月3 。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) ： 茔丝 2 0 0 3 年1 1 月3 0 曰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究意义及目标 防洪是中国江河湖泊治理的首要任务，是全社会防御自然灾害的共同要 求，具有全民的公益性“1 。“太湖流域实时洪水预报调度系统”是一项规模庞 大、结构复杂、涉及面广的系统工程，是解决平原河网地区防洪减灾的一项重 要的非工程措施。其在平原河网地区实时洪水预报调度方法研究和应用上提出 了种全新的途径，在平原河网地区具有广泛的应用前景。目前该方法己在太 湖流域各省市防洪规划及区域综合治理中得到全面应用，具有重要的指导意 义。 太湖流域是以太湖为中心的水系区域，位于长江三角洲的南缘，是长江水 系的一个支流区，也是长江三角洲重要的组成部分。流域面积为3 6 8 9 5 k m 2 ， 约占全国总面积的0 3 8 。至1 9 9 7 年末，流域总人口3 6 1 1 万，约占全国总人 口的3 。行政区划包括上海市( 崇明县除外) ，江苏省的苏州、无锡、常州三 市、镇江市的丹阳市、浙江省的嘉兴、湖州市全部和杭州市及部分县。流域内 共有9 座特大、大、中城市和近3 0 个县。该地区生产技术和经营管理水平较 高，工业生产无论是百元成本的利润、流动资金周转率、能源利用率、劳动生 产率，都处于我国的前列，各项财政收入远大于财政支出，因而本区也是向国 家上交利税、提供建设资金的重要源地。具有中国中部对外门户和南北海运联 结点的作用。 太湖流域地处北亚热带与中亚热带的过渡地带，地貌类型以平原为主，其 间河网稠密，湖泊众多，江河湖海相通，自然条件十分优越、光、热、水、土 资源均甚优裕、搭配也较协调，对于社会经济的发展，特别是对于农业资源的 开发十分有利。作为流域内最大的淡水湖泊一太湖，一直是其周围平原地区居 民重要的生存资源。宽广的水域提供了水利、水产事业发展的良好基础，又为 内河航运的发展提供了有利条件。 太湖流域滨江临海，由于地势低洼，平均地面海拔高程3 4 m ，低于长江 第童绪论 口高潮位2 3 m ；低于杭州湾高潮位5 - - 6 m 。沿江和沿湾建有江堤和海塘，受 风暴潮、长江洪水的双重威胁。再加上流域内大多数圩区地面高程在3 5 m 左 右，自明末就奠定了以黄埔江为主的泄水格局，致使该地区排水不畅，洪涝灾 害频繁。如1 9 9 1 年6 7 月太湖流域梅雨期长，雨量又大，致使太湖地区遭受 到了十分严重的洪涝灾害，损失巨大。 针对太湖流域防洪调度工作的现状和问题，以及该地区“雨量充沛、洪涝 频繁，地势低洼、容易成灾，太湖水位易涨难落、险情不断，经济发达、均淹 不得”的防洪特点。建立太湖流域洪水预报与调度系统，即建立一个“能够依 据实时雨、水、工情信息和天气预报，在计算机上快速进行太湖流域洪水预报 计算，以人机交互方式制定实时调度方案，进行调度方案仿真，并且有洪水预 报调度数据预处理、防洪调度信息查询、防洪预报调度报告编制、系统管理等 辅助功能的太湖流域防洪预报调度系统计算机应用软件”，对于辅助防洪减灾 决策及制定防洪减灾决策方案具有重大的社会经济效益。 实时洪水预报调度数学模型是现代应用水文学”3 的一个重要组成部分，也 是近二十年来在水文领域发展最为迅速的一个应用分支。它是建立在充分掌握 客观水文规律及实时雨情、水情数据和水文要素状态变量的基础上对未来水文 要素作出准确预报与调度。1 。本论文旨在以河道、湖泊水动力学为基础，研究、 开发、建立平原河网地区实时洪水预报调度数学模型及其在太湖流域的具体应 用。期望达到的目标为在全流域河网水量模型“3 的基础上，充分利用现有遥测 系统的实测气象，水文资料，同时利用预见期内的预报降水量和潮水位数据， 结合必要的人机交互信息( 如报汛雨量数据输入，水工建筑物运行方式选择等) ， 及时作出未来数天的太湖水位、流域内重要控制节点水位及环湖水量的实时预 报。 1 2 研究背景及进展 自微型计算机诞生以来，国内外在流域水文模拟。“。“”和实时洪水预报 调度系统“”的开发和研制上发展十分迅速。前者在解决水文实际问题和进行水 文规律研究上起着显著的作用，其核心是通过建立数学模型，对流域上发生的 第一章绪论 水文过程进行模拟并在计算机上实现。目前在国际上影响较大的模型有我国的 新安江模型、美国的萨克拉门托模型、斯坦福模型及日本的水箱模型“等。这 些水文模型主要侧重于山区径流形成的研究，有关这方面的研究在国内外有大 量的学术论文发表“2 “1 ，而对平原水网地区的径流形成机理研究甚少。 实时洪水预报调度系统的出现在我国起步于7 0 年代末、8 0 年代初，如浙 江的浦阳江系统、广东的西枝江系统。1 9 8 3 起，我国在丹江口水库引进了意 大利的一套水情自动测报系统及约束线性系统模型( c l s 模型) ，对中国水情 自动测报系统的发展起了巨大的推动作用。目前，在我国较常用的实时洪水预 报模型有大型水电系统实时洪水预报与调度模型，该模型建立在一般流域水文 模拟模型，也称降雨径流模型( 如新安江模型，萨克拉门托模型等) 基础上， 再加上自适应卡尔曼滤波实时校正功能，具有较高的预报精度。此外，由意大 利e t o d i n i 等人提出的约束线性系统模型。“”2 “2 ”( c l s 模型) 在国内也 得到采用，该模型是国际上开发较早、影响较大的一个实时预报模型。另外， 水利部信息中心也开发了s c l s 实时预报模型，该模型是由新安江模型和c l s 模型结合而成，比单独应用c l s 模型的效果有较大的进步。同样地，目前这些 在水文预报中常用的实时洪水预报模型基本上都是针对山区性流域设计的。 流域水文模拟是近三十年来发展起来的种新技术，它对流域上发生的水 文过程进行模拟，建成数学模型，在计算机上实现。这种技术在解决水文实际 问题与进行水文规律研究上都起着显著的作用。太湖流域为典型的平原水网地 区，多年来，根据对太湖流域降雨径流关系的分析，认为不同的下垫面条件， 具有不同的产流机制，必须分别率定产流模型，用于产流预报的计算。模型包 括水面产流模型、水田产流模型、旱地产流模型、城镇道路产流计算模型。针 对太湖流域有山区和平原河网之分，平原河网又分为圩区和非圩区，汇流计算 时必须分别考虑。山区汇流计算采用传统水文学方法，所得的出流断面流量过 程即为平原河网的入流过程，圩区及非圩区的汇流过程作为河道的交换水量， 应用陆域宽的概念，参与河网非恒定流计算。我国从8 0 年代初至9 0 年代，针 对太湖流域平原水网地区的产汇流模拟开展了一系列的研究工作”，主要从 第一章绪论 事平原河网地区产流机制的研究。在此期间主要的科研成果有：将平原地区划 分为水面、水田、旱地、城镇和道路四种下垫面类型分别进行研究，提出了一 整套如何解决处理平原水网地区产水量计算的理论和方法。 对平原感潮河网水动力学的模拟研究主要始于6 0 年代，随着计算机科学 的发展，从7 0 年代开始至8 0 年代后期，该领域有大量研究成果问世。在国内 起步较早，且有系统地全面地研究的成果主要有河海大学程文辉等人的研究工 作“”、4 ”。至9 0 年代，在该方面的研究成果主要有“5 1 ”、“，基本方程 常采用圣维南方程组，数值计算的方法主要有有限差分法“，有限元法“6 7 “，有限体积法”“”和特征线法等。男外，进入8 0 年代后，对于湖泊等 大水体的水动力学模拟大多已采用二维数值模拟模型或三维数值模拟模型 ”。对于太湖流域而言，二维数值模拟计算主要应用于太湖湖流计算。 由于太湖流域为大型平原感潮河网地区，具体工作中存在大量的问题和难 题需要研究，在国外有关的文献中很难找到解决这些问题的理论和方法。目前 在该流域应用最广最具影响力的水量模型为h o h y 模型( 该模型由河海大学负 责开发) ，因此有必要对该模型的研究开发历史作一回顾： 从7 0 年代开始，与上海市水利局合作，用非恒定流计算方法先后开展对 黄浦江干流数值模拟计算、青松及上嘉宝控制圩区规划、苏州河口闸桥二维流 场计算、浦东纳潮计算等研究工作。 太湖局成立后，曾与防汛办合作研究黄浦江流域非恒定流计算，涉及范围 已拓宽到东苕溪以东太浦河以南的杭嘉湖及上海浦东、浦西地区。 1 9 8 7 年起与江苏省交通厅合作，对望虞河中水行洪方案进行了研究，根 据研究成果，确定望虞河由高水行洪改为中水行洪，控制望虞河立交闸下水位 4 2 m ，望虞河西侧控制线二封三开四列，望虞河出口泵站由1 5 0 m 3 s 提高到 1 8 0 m 3 s 的规划方案。以后又先后研究了新闸控制线的防洪作用( 成果没有公 开) 。 1 9 8 8 年起与太湖局水保处( 后改为水保局) 合作，对太湖流域进行全流域 水量水质数学模拟。模拟范围已拓宽到整个江苏省及杭嘉湖区，但没有包括浙 第一章绪论 西地区及上海市。模型虽然没有覆盖全流域，但已从全流域来考虑问题，例如 浙西地区与太湖水量交换采用实钡8 值。浦东浦西没有包括在模型中，但考虑了 黄浦江和苏州河的排水作用。这是从局部模型向流域模型过渡的开始，并命名 为h o h y i ，作为第一代太湖流域水量模型。 1 9 9 0 年与太湖局规划处合作，对1 9 7 1 年典型年，用1 1 0 h y l 模型研究太浦 河泵站装机容量对太湖水位及上海市环境用水量的影响。提出了太浦闸装机容 量3 0 0 m 3 s 和太湖最低旬平均水位2 5 m 的建议。在这次研究中，首次利用1 9 8 4 和1 9 8 5 两年实测的水位、流量及控制线巡测资料，对模型参数进行了率定。 1 9 9 2 年上海市自来水厂取水口上移的论证中，利用h o h y i 模型为世行和 英国m a c d o n a l d 公司提供了水流条件。 1 9 9 4 年起与荷兰d e l f t 水力学所共同承担了太湖流域世行贷款项目j 太 湖流域三年水质研究”，其中太湖流域的水量模型是由河海大学负责开发。 该研究于1 9 9 7 年底完成。通过三年多研究，太湖流域模型不仅覆盖了全流域， 而且完成了大湖泊二维与河网一维计算的有机结合，在计算方法、计算精度及 程序通用性方面有了很大改进。为了区别h o h y i ，命名为h o h y 2 模型。在这次 研究中，采用1 9 8 7 年和1 9 8 8 年实测水位和流量资料对模型参数进行率定，用 1 9 9 5 年和1 9 9 6 年实测水位和流量资料及率定的参数进行了校核计算。 1 9 9 6 年曾用h o h y 2 模型，模拟了若干典型年的太湖流域河网水流，为日 本7 1 c a 提供了研究太湖富营养化所必须的基本水流资料。 1 9 9 8 年受荷兰d e l f t 委托，在h o h y 2 基础上开发了适用于苏州河水质模 拟的水量模型。 1 9 9 9 年与太湖局规划处进行合作，利用h o h y 2 模型作为太湖流域防洪规 划中的计算方法，针对防洪要求，对模型的功能又进一步作了改进。 与9 0 年代初h o h y i 相比，h o h y 2 主要有以下几方面的改进： ( 1 ) 数值求解方法的改进，方程组中可以包含非线性方程，因此堰流公 式不必线性化，减少了堰流公式线性化带来的误差。 ( 2 ) 根据瞬时水流条件来判断堰闸、泵站的运行方式，避免了由于根据 第一章绪论 时段初水流条件来判断堰闸、泵站的运行方式所带来的矛盾。 ( 3 ) 节点可以自由编码，河道、断面和节点的编码可以不连续。因此用 户可以方便地增加或删除河道或控制建筑物。 ( 4 ) 控制建筑物的运行方式是用数据文件来控制的，可以考虑各种复杂 的运行方式及按某种相关关系来启闭闸门；可以自动改变闸门开度来达到控制 某节点的水位或某断面的流量，而不需要修改源程序。 ( 5 ) 输出采用子程序模块，用户可以根据需要编写输出子程序。 ( 6 ) 主程序比较复杂，但不需要用户了解和修改它。 ( 7 ) 提出了河道和节点水量平衡处理的方法，使本模型适用于某些对水 量平衡要求非常严格的水质模型。 为了能更好地模拟洪水，在原来的h o h y 2 基础上又增加了以下两个功能： ( 1 ) 模拟破圩或半高地淹没。 ( 2 ) 模拟外河道水位太高而引起河道两旁陆域面上的雨水不能全部排出， 部分或全部滞蓄在面上，形成涝水，待河道水位消退到一定程度后，面上积蓄 的涝水才能排出。 h o h y 模型近二十年来在太湖流域平原水网地区的成功应用，预示着由我 国自主开发的大型平原河网水动力学模型已具备国际领先的地位。 潮汐分析和预报方法在我国起步于7 0 年代后期，常用的理论和方法主要 有基于达尔文分潮展开的最小二乘法。其中涉及到由于潮位观测资料的短少而 提出的方法有准调和分潮方法”1 嘲和短期观测的方法“”及不完整逐时潮汐观 测记录的分析方法。2 ”3 等。国外在该领域的研究起步较早，在潮汐分析和预报 研究上杜德生等人最早提出了一系列理论和方法，对近代潮汐分析和预报研究 有着极大的影响9 + ”“。 1 3 研究重点及必要性 ( 1 ) 太湖流域洪水的特点 1 ) 气象因索为主导作用的洪水特点 太湖流域属亚热带季风气候区，年平均气温为1 4 9 。c 1 6 2 。c ，气候温 第一章绪论 和湿润，雨量充沛，平均年降水量为1 0 1 0 1 4 0 0 m m 。降雨主要集中于5 - - 1 0 月，每年5 月开始，太湖流域降水增多，6 7 月尤为集中。流域洪水基本上 由梅雨和台风暴雨造成，该地区梅雨季节一般在6 7 月，往往形成长历时的 流域性洪水。期问河道无法排泄大量降水形成的地表水量，湖泊、水田也难以 容蓄，水量积滞，水位抬高，向两岸泛滥，平原洼地就成为洪涝的主要场所。 如1 9 5 4 年和1 9 9 1 年的洪涝灾害。太湖流域台风暴雨多发生在7 9 月，尤以 8 月下旬至9 月上旬为频繁，约占台风总次数的4 0 。台风平均每年影响太湖 地区2 3 次，形成水灾的约3 年一次。台风暴雨强度大，易造成地区性洪涝 灾害，如1 9 6 2 年和1 9 6 3 年发生的洪涝灾害。因受梅雨降雨和台风暴雨影响， 该地区洪峰类型有陡涨陡落型和缓涨缓落型。太湖流域洪涝灾害损失以梅雨型 为主。 2 ) 地形因素为主导作用的洪水特点 太湖流域平原2 9 5 5 6 k m 2 ，高程2 5 7 o m ，绝大部分低于长江高潮位。太 湖流域地势平坦，平原上湖泊棋布，河道如织、这些地区排水河道平均坡降为 3 0 万分之至1 0 万分之一，又都是规模不大的中小河道，排水十分不畅，加 上圩区众多、河网纵横交叉，水流速度很慢，一般不超过0 2 - - 0 3 m s ，且往 往流向不定。流域外泄洪水受潮汐项托影响明显，泄水能力小。因此、一旦发 生大洪水，容易形成大面积洪涝灾害。 3 ) 太湖水位易涨难落 太湖是太湖流域内最大的平原湖泊，占全部湖泊蓄水容积的7 7 ，对流 域蓄洪和水量调节起主要作用，对地区重要节点的水位起控制作用。然而，太 湖上游集水面积大，来水迅速，下游排水主要靠设计泄水能力合计仅1 4 0 0 m 3 s 的望虞河和太浦河工程，且两河泄洪又受下游潮水和区间来水影响，泄水困难。 因此太湖水位易涨不易落是太湖洪水的重要特点。在太湖高水位期间，又因太 湖湖面大，吹程长、风浪明显，对环湖大堤有较大的损坏威胁。如i 9 9 6 年和 1 9 9 7 年汛期，环湖大堤因风浪影响、毁坏严重。因此环湖大堤的防洪是太湖 流域防洪的重点。 第一章绪论 4 ) 围湖堵河、超采地下水及城镇化等人类活动影响严重 太湖流域目前有圩区面积1 4 5 4 l k m 2 ，其中上海浦西和浦东已各自形成大 包围圈，面积约4 3 7 5k i n 2 ，苏、浙两省的圩区约1 0 1 6 6k m 2 。凡是4 m 以下和 一部分4 5 m 的地方大多是圩区，这些圩区在太湖平原形成时，大多是湖泊洼 地，汛期蓄水。按4 m 以下的面积连同现存的湖泊面积3 1 5 9k m 2 ，合计约1 0 0 0 0 k m 2 。原来这些湖泊和洼地，汛期以蓄水深1 m 计，即有1 0 0 亿m 3 的容积，再 加上河道泄水，足以抵御各种暴雨洪水。由于不断围垦湖泊洼地，使蓄水容积 不断减少。与此同时却没有弥补措施，如开挖排水大河，加大排水能力。因此 洪水不断加剧。 太湖流域平原城市群密布，城市化率已超过4 9 ，在城市发展过程中，无 计划的过渡采用地下水，使地面发生沉降，也造成洪涝灾害的扩大。 由于城乡建设大量占用绿地，兴建不透水路面和各种场地，使降雨径流系 数提高。洪水期流域平均径流系数已从1 9 5 4 年的o 6 8 提高到1 9 9 1 年的0 7 5 ， 洪水量增加。 ( 2 ) 研究重点 1 ) 太湖上游河流源短流急、坡度大，洪水注入太湖的流速快，水量大， 导致太湖水位上涨快，对周围地区造成很大防洪压力。因此，预测太湖上游来 水及太湖水位