（水文学及水资源专业论文）秦淮河流域洪水预报与调度模型研究.pdf

河海大学硕士学位论文 摘要 秦淮河流域洪水预报与调度模型研究 论文在评述了国内外发展动态的基础上，对秦淮河流域洪水统计相关预报模型、山丘 区及圩区产汇流预报方法、流域出口处长江潮位过程预报模型、河网水流运动模拟模型等 进行了研究，建立了流域洪水统计相关预报模型和流域洪水预报与调度模拟模型。 基于混合回归模型理论和方法建立了流域防洪重点控制站东山站水位统计相关预报 模型。 依据不同的地形地貌和产汇流特性，将秦淮河流域划分为两部分，山丘区和圩区。分 别为山丘区和圩区建立了产汇流模型。根据不同的产流特性，将秦淮河流域山丘区的土地 利用类型分为水面、水稻田、旱荒地和城市道路等四类，为这四种类型下垫面分别建立了 相应的产流计算方法，山丘区的汇流采用无因次单位线法并考虑了水库湖泊的调节作用。 针对圩区独有的产汇流特点，建立了圩区产汇流模型。 分析了长江南京下关站潮位过程的影响因子和实时报汛资料情况，用简单实用的统计 相关方法建立了下关站潮位过程预报模型。用实测资料对潮位过程统计相关预报模型进行 了率定和验证，结果表明，提出的下关站潮位过程预报模型且具有一定的精度，能够满足 秦淮河流域河网水动力学模型边界条件预报的要求。 针对秦淮河流域特殊的概化河网，建立了河网水流运动模拟模型，采用了简单实用的 预报校正求解方法。用实测资料对河网水动力学模型进行了验证，结果表明，建立的秦淮 河流域河网水流运动模拟模型具有一定的精度，能满足比选调度方案的功能要求。 统计相关预报模型简单实用，预报计算所依据的实时雨水 统计相关预报模型不能全面地考虑流域防洪工程的运用情况， 案模拟预报。基于产汇流原理和河网水 域防洪工程的运用情况，能用来作防洪 情及工情信息较少。但是， 因而不能用来作防洪调度方 动力学原理的预报与调度模拟模型能全面地考虑流 调度方案模拟预报，预报各种防洪调度方案的调度 后果。两类模型各有特色、相互参证和补充。 关键词：感潮河网、洪水预报、潮位预报、水动力学模型、防洪调度 i i a b s w a c t a b s t r a c t a f t e rr e v i e w i n gt h es t a t u so f t h es t u d ya b o u tt h eh y d r o l o g ym o d e l sa th o m ea n da b r o a d ，t h e s t a t i s t i c a lc o r r e l a t i v ef l o o df o r e c a s t i n gm o d e lo fq i n h u a if i v e rc a t c h m e n t ，t h er u n o f fa n df l o w c o n c e n t r a t i o nm o d e l i n gm e t h o di nt h eu p p e rl a n da n dt h ep o l d e r so ft h el o w e rl a n d ，t h e f o r e c a s t i n gm o d e la b o u tt h ep r o c e s so ft h et i d el e v e li nt h ec h a n g j i a n gr i v e r , t h es i m u l a t i n g m o d e lo ft h ew a t e rf l o wm o v e m e n ti nt h er i v e rn e t w o r ka r es t u d i e d ，t h es t a t i s t i e a lc o r r e l a t i v e f l o o df o r e c a s t i n gm o d e lo fq i n h u a if i v e rc a t c h m e n ta n dt 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 n g m o d e lo f q i n h u a if i v e rc a t c h m e n ta r es e tu p b a s e do nt h et h e o r ya n dm e t h o do fm i x e dr e g r e s s i v em o d e l ，t h es t a t i s t i c a lc o r r e l a t i v e f o r e c a s t m gm o d e lo f t h ed o n g s h a n sw a t e rl e v e li sg o t ，i ti st h ek e y l e v e lo f c o n 订o l l i n gf l o o d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h el a n d f o r ma n dp h y s i o g n o m ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h er u n o f fa n df l o wc o n c e n t r a t i o n , t h eq i n h u a if i v e rc a t c h m e n ti sc o n s i s to ft w op a r t s ，t h eu p p e r l a n da n dt h ep o l d e r so ft h el o w e rl a n d ，t h em o d e l so ft h er u n o f fa n df l o wc o n c e n t r a t i o nf o r t h o s ea r es e tu p b yt h ec h a r a c t e r i s t i co f t h er u n o f f , t h ek i n d so f t h el a n du s ei nt h eu p p e rl a n da r e c l a s s i f i e di n t ot h ew a l | e rs u r f a c e ，t h er i c ef i e l d ，t h ed r yc r o pf i e l da n du n c u l t i v a t e dl a n d ，a n dt h e s e a l e da r e a ( c i t ya r e a , r o a d , e ta 1 ) ，t h em e t h o d so fc o r r e s p o n d i n gr u n o f fa r ea l s og o tf o rt h o s ef o u r k i n d s ，t h eu n i th y d r o g r a p hw i t h o u tu n i t sa r eu s e di nt h ef l o wc o n c e n t r a t i o no ft h eu p p e rl a n d , i t a l s oc o n s i d e r st h er e g u l a t i n ge f f e c to ft h er e s e r v o ka n dl a k e t h er u n o f fa n df l o wc o n c e n t r a t i n g m o d e lf o rt h ep o l d e r so ft h el o w e rl a n di sg o ta c c o r d i n gt ot h eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i co ft h e p o l d e r so f t h el o w e r t h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft i d el e v e lp r o c e s so ft h ex i a g u a ns t a t i o no ft h ec h a n g j i a n gr i v e r a n dt h ed a t ao fr e p o r t i n gf l o o do ft h ex i a g u a ns t a t i o ni nr e a lt i m ea r ea n a l y z e d ，t h et i d el e v e l p r o c e s sf o r e c a s t i n gm o d e lo ft h e x i a g u a ns t a t i o ni sg o tb yt h es i m p l e a p p l i e ds t a t i s t i c a l c o r r e l a t i v em e t h o d t h em o d e li sc a l i b r a t e da n dv a l i d a t e db yu s i n gt h eo b s e r v i n gd a t a , t h er e s u l t i n d i c a t e st h a tt h em o d e li sc o r r e c ti nac e r t a i nl e v e la n dc a ns a r i s f yt h ed e m a n do ft h er i v e r n e t w o r kh y d r a u l i cm o d e lf o rq i n h u a lf i v e rc a t c h m e n ta st h eb o u n d a r yc o n d i t i o n t h ef i v e rn e t w o r kw a t e rf l o ws i m u l a t i n gm o d e li ss e tu pa n di ti sc a l c u l a t e db yt h e s i m p l e - a p p l i e df o r e c a s t i n ga n dr e v i s i n gm e t h o da c c o r d i n gt ot h es p e c i a ln e t w o r kw a t e ri nt h e q i n h u a if i v e rc a t c h m e n t t h er i v e rn e t w o r kw a t e rf l o ws i m u l a t i n gm o d e la r ev a l i d a t e db yu s i n g i n 塑堕兰翌! 主兰垡垫 一一一童堂塑鎏塑堂查塑塑兰塑堕蔓型堡壅 t h eo b s e r v i n gd a t a , t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h em o d e li sc o r r e c ti nac e r t a i nl e v e la n de a l ls a t i s f y t h ef u n c t i o n a ld e m a n do ft h ec o m p a r i n gt h ef l o o dr e g u l a t i n gs c h e m e t h es t a t i s t i c a lc o r r e l a t i v ef o r e c a s t i n gm o d e li s s i m p l ea n da p p l i e d ，t h er e q u i s i t ei n f o r m a t i o n o ft h er a i na n dw a t e rs i t u a t i o ni sl e s s ，b u ti tc a nn o tc o m p a r e t h ef l o o dr e g u l a t i n gs c h e m e t h e f o r e c a s t i n ga n dr e g u l a t i o ns i m u l a t i n gm o d e lb a s e do nt h et h e o r yo fr u n o f fa n df l o w c o n c e n t r a t i o na n dt h ef i v e rn e t w o r kh y d r a u l i c sc a l lc o m p a r et h ef l o o dr e g u l a t i n gs c h e m e t h o s e t w ok i n d so fm o d e l sh a v et h e i ro w n c h a r a c t e r i s t i c ，t h e ya r ec o m p l e m e n t a r yf o re a c ho t l l e l k e yw o r d s ：r i v e rn e t w o r k ；f l o o df o r e c a s t i n g ；t i d el e v e lf o r e c a s t i n g ；h y d r a u l i cm o d e l ：n o o d r e g u l a t i n g 1 v - - j - 刖看 秦淮河流域呈蒲扇形，长宽各5 0 k i n 左右，四周为丘陵山区，腹部为低洼圩区，总面 积为2 6 3 1k m 2 ，其中丘陵山区占8 0 ，圩区占2 0 ，总耕地面积1 5 3 万亩，干流长3 4 1 k m 。 秦淮河流域四周高中间低、出1 ：3 地形平坦、下游具有长江潮汐顶托影响，使得流域排水不 畅，汛期东山水位常保持在8 5 m 以上，对流域腹部低洼圩区和下游南京市构成严重的洪 水威胁。建国5 0 年多以来，秦淮河流域的水利建设成就，虽然已经大大增强了流域的防 洪能力，但是，流域内的人文、经济和土地利用情况不断改变，流域的现代化防洪系统也 还没有建立起来，现有的各种防洪工程的联合优化调度管理更有待研究。因此，秦淮河流 域的防洪问题还没有得到满意的解决。相反，随着城市的改革开放、经济的不断发展，秦 淮河的防洪问题仍比较尖锐地摆在人们面前。建立秦淮河流域洪水预报与调度系统是江苏 省防汛的一项重要的且必需的非工程性措施，是防汛决策的重要依据。建设一个能够依据 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，并且有防洪预报调度数据预处理、信息查询 等辅助功能的洪水预报与调度系统计算机应用软件，对辅助防洪减灾决策业务人员进行必 要的模拟分析和评价、及时制定防洪减灾决策方案、为秦淮河流域防洪减灾决策提供重要 的依据有着重要的意义。 国内外关于“流域水文预报模型和方法”问题已有大量研究和成熟的预报模型，但对 于具有较大比重水稻田、塘坝水库的调节、相对封闭的圩区等复杂下垫面条件的感潮河网 流域水文预报方法和模型的研究还不完善。论文结合“秦淮河流域洪水预报与调度系统” 项目，在评述了国内外发展动态的基础上，针对秦淮河流域的实际情况，对流域洪水统计 相关预报模型、山丘区及圩区产汇流预报方法、流域出口处长江湖位过程预报模型、河网 水流运动模拟模型等进行了研究。研究建立了秦淮河流域洪水预报与调度模型，包括秦淮 河流域洪水统计相关预报模型和预报与调度模拟模型。研究成果对于“秦淮河流域洪水预 报与调度系统”的建设有着重要的参考价值，对感潮平原河网地区的洪水预报有一定的理 论意义和实际应用价值。 论文的创新特色是：( 1 ) 主要依据大通站流量过程和镇江站前期潮位过程资料来预报秦 淮河流域沿江口门潮位过程，采用简单实用的近似方法建立了镇江、下关站潮位过程预报模 型；( 2 ) 针对秦淮河流域的实际情况，将产汇流理论与水动力学方法相结合，研制了秦淮河 流域实时洪水预报与调度模拟模型，模型采用了简单实用的预报校正求解方法。 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 的任何贡献均己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) ： 粥 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) ： 粥 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 秦淮河水系位于长江下游，南京市区上游，流域面积2 6 3 1 k m 2 ，流域呈蒲扇形，流域 四周环山，东部为茅山山脉，北部为宁镇山系，南部有浮山、东芦山等，西部有云台山、 牛首山等；山下均为丘陵地带，延伸与平原圩区相连，地形降落坡度较大。秦淮河干流长 3 6 6 1 k m ，句容河和漂水河是她的两条主要支流，它们在西北村汇合为秦淮河干流。在东山 镇又分为两支：一支为老秦淮河，长2 3 5 1 k m ，绕南京城至三汊河入长江：另一支为秦淮 新河，长1 4 8 0 k m ，从东山镇河定桥起经铁心桥、西善桥至金胜村入长江。秦淮河流域属 北亚热带向中亚热带的过渡地带，四季分明，气候温和，雨量充沛，常年降雨量1 0 4 7 8 嘲， 但因受季风环流的支配，每年季风出现的迟早和强弱的不同，常使年际、季际的降雨量出 现咀显的差异。秦淮河下游出口与长江相接，因而汛期洪水水位流量受长江潮位影响较大， 长江潮位直接影响到秦淮河的排洪。秦淮河排洪因受长江潮位顶托，排水不畅，一次降雨 退水时间要十多天，造成长期高水位压境的态势。由于秦淮河流域的气象特征和下垫面条 件，流域洪涝灾害频繁。据首都志“1 等历史文献记载，自公元2 5 0 年以来至今，秦淮 河流域共发生水灾2 3 2 次。仅1 9 4 9 年以来就发生过1 9 5 4 、1 9 5 6 、1 9 6 2 、1 9 6 9 、1 9 7 2 、1 9 7 4 、 1 9 8 3 、1 9 8 7 、1 9 9 1 、1 9 9 6 、1 9 9 8 、2 0 0 3 年等大洪水年份。每次洪水灾害都不同程度带来经 济损失，尤其是1 9 6 9 年和1 9 9 1 年特大洪水，造成的损失更为严重。 秦淮河流域地形复杂，人类活动的影响也比较大。虽然解放后兴建了许多水利工程， 大大增强了秦淮河的防洪能力，但是流域内的包含洪水预报与调度系统的现代防洪系统还 没有完全建立起来。随着城市的改革开放，流域内的人文、经济和士地利用情况的不断改 变，经济的不断发展，秦淮河的防洪问题更加尖锐。建立秦淮河流域洪水预报与调度系统 是江苏省防汛的一项重要的且必需的菲工程性措旋，是防汛决策的重要依据。建设一个能 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流域洪水预报计算，以人 杌交互方式制定实时调度方案，进彳亍调度方案仿真，并且有防洪预报调度数据预处理、信 息查询等辅助功能的洪水预报与调度系统计算机应用软件，对辅助防洪减灾决策业务人员 进行必要的模拟分析和评价、及时制定防洪减灾决策方案、为秦淮河流域防洪减灾决策提 供重要的依据有着重要的意义。 秦淮河流域洪水预报与调度模型是“秦淮河流域洪水预报与调度系统”的核心模块。 河海大学硕士学位论文秦淮河流域洪水预报与调度模型研究 研究建立秦淮河流域洪水预报与调度数学模型，对于“秦淮河流域洪水预报与调度系统” 的建设有着重要的参考价值，对于秦淮河流域防洪减灾决策有着重要的意义。本论文将结 合“秦淮河流域洪水预报与调度系统”项目，针对秦淮河流域的实际情况，研究建立秦淮 河流域洪水预报与调度数学模型，即研究建立秦淮河流域洪水统计相关预报模型( 即黑箱 模型) 和预报与调度模拟模型。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 统计相关预报方法研究 统计相关预报方法，就是基于系统论的观点和思维方式，针对水位、流量等预报对象， 根据流域实际情况和物理成因，寻找主要的相关因子，建立预报对象和主要相关因子之间 的相关关系，利用相关因子的实际取值来预测( 预报) 预报对象的取值。统计相关预报方 法在水文领域有着广泛的应用。 系统理论和方法向洪水预报技术的渗透是从5 0 年代开始的。它经历了一个从个别方 法的借用逐步到系统理论引入的过程。最初引起水文学者兴趣的是谢尔曼单位线与系统 响应函数的惊人一致。于是用系统离线识别算法作为推求单位线的数学手段的研究首先兴 起。1 9 4 9 年，l i n s l e y 等在应用水文学一书。1 中提出，单位线可以用最d , - - 乘法推求。 但是，算法比较完整的介绍则是1 9 5 5 年，s n y d e r 在“用最小二乘法作水文过程线分析” 一文 4 中，采用的表述形式与线性系统最小二乘离线识别完全一致。1 9 5 7 年，n a s h 在文 献 5 中，首次提出使用系统脉冲响应函数瞬时单位线的概念：1 9 5 9 年他在“单位线 参数的系统”一文中，利用系统分析中的矩累积量法，对线性时不变系统用统计矩表 达瞬时单位线二参数，用求矩解决其推求，1 9 6 0 年，他在“关于英国各河流单位线”一文 中，建立了瞬时单位线二参数与地形特征之间的相关关系，以解决缺乏资料地区预报应用 问题“1 。1 9 6 7 年8 月，在美国农业部农业研究所主持下，美国马里兰洲大学农业工程系邀 请国际水文科学协会主席、爱尔兰都伯灵大学土木工程系d o o g e 教授作了“水文系统的线 性理论”的专题讲座，报告在1 9 7 3 年1 0 月正式出版”1 ，1 9 7 9 年1 1 月，d o o g e 教授曾来我 国进行了讲学。这是各国水文学者公认集大成的水文系统原理的专著，其中全面阐述了系 统理论对于水文学的适用性，完整地介绍了系统理论的基本概念，用系统分析方法将水文 的推理公式，等流时线、u h 、i u h 、s - 曲线、马斯京根法、加里宁一米留柯夫法、壤中流、 地下径流及流域水文模型都用系统理论贯穿起来，总结了响应函数离线识别的i o 余种方 第一章绪论 法，对于识别中出现单位线振荡问题作了研究和讨论。由于权威学者的推动，系统理论 的应用进入了加速发展时期。关于洪水洪峰流量和传播时间预报的相应水位( 流量) 法、 合成流量法、涨差法等，和关于洪水过程预报的线性扰动模型( l p m ) 、约束线性系统模型 ( c l s ) 、v o l t e r r a 函数模型，连续的a p i 流域模型，及神经网络模型( a n n ) 等”1 ”方法，都是 统计相关预报方法或者说都是系统理论、观点和方法在工程水文中广泛应用的具体体现。 1 9 5 7 年，k o l m o g o r o v 证明， 0 ，1 “上的连续函数可以用一元连续函数的复合表示逼近。 k o l m o g o r o v 的这一重要工作奠定了多层前向人工神经网络映射能力数学证明的基础。基于 k o l m o g o r o v 的定理可以证明，对于任意的非线性连续映射，存在一个以非常量、有界单调 连续增函数为神经元作用函数的三层前向人工神经网络，以任意给定的精度逼近该连续映 射o ”。近年来，由于人工神经网络的非线性连续映射能力，人工神经网络在我国洪水预报 领域也有着大量的应用，例如文献 1 3 - 1 7 。水文预报中的人工神经网络方法实际上就是 一种统计相关预报方法，其输入输出之间的相关关系是非线性相关关系。人工神经网络在 水文预报中的应用说明，近年来非线性系统理论和方法开始在水文预报中应用。水文预报 中的人工神经网络方法的缺陷是，容易造成过量拟合训练样本而忽略对相关关系的提炼。 1 2 2 预报与调度模拟模型研究 秦淮河水系为感潮水系，河网水动力学模型几乎成了秦淮河流域洪水预报模型必不可 少的组成部分，河网水动力学模型的边界条件由四周山区和圩区的降雨形成的径流过程和 流域出口处长江潮位过程组成。秦淮河流域洪水预报与调度模拟模型涉及到降雨径流预 报、潮位过程预报、河网水流运动模拟等方面。 ( 1 ) 流域降雨径流预报方面 从2 0 世纪6 0 年代s t a n f o r d 模型问世以来，概念性模型如雨后春笋般大量涌现，具 有代表性的概念性水文模型有斯坦福( s t a n f o r d ) 模型、萨克拉门托( s a c r a m e n t ) 模型、 坦克( t a n k ) 模型，和新安江模型“”删等。概念性模型的大量涌现使人们对流域水文过程 的模拟进入了一个新的阶段，很多概念性模型在实际应用中也取得了大批相当有用的成 果。随着水文实践的发展，人们又提出了许多新的观点和方法。比较典型的有：文献 2 1 针对水箱模型在北方寒冷地区应用的限制，在水箱模型中引入了气温要素，并考虑了不同 形态的降水以及冻土的影响，使得水箱模型可以应用于寒冷湿润半湿润地区的多年连续模 拟：文献 2 2 针对新安江模型在有超渗产流的半干旱半湿润或者湿润地区植被较差、土层 较薄地区应用的限制，提出了对新安江模型的改进意见，即在新安江模型的基础上增加了 间海大学硕士学位论文秦淮河流域洪水预报与调度模型研究 超渗产流，扩大了该模型的适用范围：文献 2 3 3 在新安江模型的基础上，针对半干旱半湿 润地区的产流特点提出了蓄满一超渗兼容模型的概念；文献 2 4 针对半干旱地区产流特 点，在新安江模型的基础上提出了垂直混合模型的概念。 从1 9 3 5 年h o r t o n 发表地表径流现象一文，初次提出产流的物理条件，到1 9 7 8 年k i r b y 等的专著山坡水文学的出版，关于产流机制的研究已经经历了近半个世纪， 现在已知的关于产流的物理条件可以概括为瞌5 1 ：降雨强度与下渗的对比，下渗到包气带的 水量与其缺水量的对比以及包气带岩石结构的均匀程度等，有此三个条件，己能合理地解 释自然界超渗地面径流、饱和地面径流、壤中流和地下径流四种径流成分的形成机制，不 同径流成分一般存在于不同的介质中。研究不同径流成分的形成机理，对于合理划分水源 及提高流域汇流的计算精度有重要意义“”1 。现有的概念性水文模型大多数都是基于山坡 水文学的概念、原理和方法。对于人类活动强烈、水稻田比重比较大的南方湿润地区( 包 括山丘区和平原圩区等，典型流域例子是太湖流域和秦淮河流域等) ，现有的概念性水文 模型受到了一定的限制。河海大学程文辉教授针对太湖流域的具体情况，开发了h o h y 模 型1 ：其中的产流模块，将太湖流域的土地利用类型分为水面、城镇道路、水稻田和旱荒 地四种类型，并为这四种类型分别建立了产流模型。 集总式的概念性模型中，普遍将流域作为一个整体来研究，这样就忽略了气候因子和 下垫面因子空间分布不均的事实，所以只能给出空间均化的模拟结果，这样，必然使得水 文模拟的结构和参数的物理意义模糊，使其在模拟流域降雨径流形成过程时存在较大的局 限性，精度也不尽人意。由于以上原因，概念性模型在经历了一段时期的蓬勃发展之后， 便出现了相当停滞的状态。此时具有物理基础的分布式流域水文模型受到人们的普遍重 视。具有代表性的分布式水文模型有欧洲水文系统模型s h e 汹1 、s w a t 模型1 、t o p m o d e l 模 型。”等。随着计算机技术和一些交差学科的发展，流域水文模拟的研究方法开始产生了 根本性的变化，“3 s ”技术的引进，为这种模型的发展注入了新的血液。”。目前，水文模 拟技术趋向于将水文模型与地理信息系统( g i s ) 集成，以便充分利用g i s 在数据管理、 空间分析及可视化方面的功能。1 9 5 6 年美国麻省里工学院c h a r i e s l m i1 e r 教授提出数 字高程模型d e m ( d i g i t i a le l e v a t i o nm o d e l ) 的概念，其目的是用航空摄影、测量、遥感 等技术来获得地形数据，在满足一定精度要求的条件下，用离散数字的形式在计算机中进 行表示，并用数字计算的方式进行各种分析。d e m 作为地理信息系统的基础数据，己在水 利领域得到广泛的应用o ”。利用d e m 可以提取流域的许多重要水文特征参数，如坡度、坡 第一章绪论 向、水流运动方向、汇流网格、流域界线等m 1 。基于d e m 的具有物理基础的分布式水文模 型的优点是模型的参数具有明确的物理意义，可以通过连续方程和动力方程求解，可以更 准确地描述水文过程，参数和变量充分考虑了空间的变异性，并着重考虑了不同单元的水 力联系，对水量和能量过程均采用偏微分方程模拟，参数般不需要通过实测水文资料来 率定，解决了参数问的共线性和不确定性问题，便于在无实测水文资料的地区推广应用， 同时由于模型具有物理基础，它可用于描述水文循环的时空变化过程；由于其分布特点， 能够与g c m 嵌套，能及时模拟出入类活动或下垫面因素豹变化对流域水文循环的影响。“。 总之，分布式水文物理模型能客观反映实际降雨洪水产汇流的空间分布特性，全面地描述 水文系统分散输入集中输出的产汇流规律，己成为当今水文科学领域中研究的热点。一方 面，分布式水文物理模型的单元越分越细，描述水文现象的物理过程趋于详尽细致，模型 参数的率定更强调其本身的物理意义，模型的检验趋于重视对其内部过程的检验，在模型 的研究与实际应用中更重视参数不确定性，预报不确定性的定量化；另一方面，人们试图 通过分析小尺度的水文过程和不同下垫面条件能量和水分循环规律，分析比较非均匀区域 内水平衡要素的相似性和尺度效应，从而将具有明确物理意义的参数或描述水循环要素的 指标与下垫面特征建立关系m 3 。随着3 s 技术、雷达测雨技术和数字天气预报技术的不断 发展，将d 脚、实时降雨预报以及与表达土壤、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、提高洪水预报的精度，将是流域水文模型未来 的发展趋势。 ( 2 ) 潮位过程预报方面 地球上的海水，受到月球和太阳的吸引力而产生的周期性的升降运动称为潮汐，由其 引起的海面升降称为天文潮。根据周期，潮汐可分以为半日潮、全日潮、混合潮等三种类 型o ”。台风、寒潮等天气系统引起的海面水位异常升降现象称为风暴潮。风暴潮又称为“风 暴增水”或气象海啸。根据诱发风暴潮的大气扰动特征，可以将其分为由热带风暴引起的 风暴潮和由温带气旋引起的风暴潮两类m 。受潮汐影响的近海平原河网地区，往往在遭遇 河段某一不利潮型时，涨潮时段适逢暴雨，河段潮位上涨，当高于内河水位时，内河雨涝 靠自排不能排出，迫使内河水位上涨，往往造成洪涝灾害。对于感潮平原河网地区，作为 河网水动力学预报模型的下游边界条件，首先要解决潮位预报问题。 用于洪水预报的河网水动力学模型与用于防洪规划设计的河网水动力学模型1 不同， 规划设计情形的边界条件是已知的，而预报情形的潮位过程边界条件是未知的，必须预报 河海大学硕士学位论文 秦淮河流域洪水预报与调度模型研究 出来。文献 4 0 用统计相关法建立了感潮河段长江镇江站高潮位预报模型。文献 4 1 用神 经网络方法建立了感潮河段代表站洪水位预报模型。文献 4 2 、2 8 提出了潮位过程的平均 潮位、潮差、潮位过程平移、潮位过程分解与重建等概念，并用简单实用的统计相关方法 建立了太湖流域黄浦江上游米市渡潮位过程和太湖流域沿长江潮位过程预报模型。文献 4 3 利用k a l m a n 滤波资料同化技术将海洋站水位观测资料融入二维线性风暴潮模式中， 研制具有资料同化能力的风暴潮预报模式，改进风暴潮模式计算结果。目前，关于潮水位 的预报大多数都集中在未来某一固定时刻的潮水位预报或高潮位预报，关于整个潮位过程 的预报还缺少研究。 ( 3 ) 河网水流运动模拟方面 计算水力学是涉及经典水力学、计算方法、数值分析、程序编制和资料处理等学科的 一门综合性的交叉学科。它既不是水力学，也不是数值分析，它有自身的概念与特点，有 其确定的应用领域。计算水力学用的是偏微分方程( 组) ，但更注重方程中每一项所代表的 物理意义，在什么条件下可以略去方程中的某些项而仍能确切地模拟某些特定的水力现 象。方程中涉及到的物理参数的正确确定，边界条件的合理给定，均需要对所模拟的水动 力学现象的物理本质有深切的理解。为了证明一个数学模型是水动力学现象的可靠模型， 则又需要利用数值分析中的线性理论，对所用数学模式的收敛性、相容性和稳定性进行证 明。而计算结果的质量则又与资料的收集、整理和正确利用休戚相关，这往往取决于从事 数学模拟的人的经验与技巧。几十年来，在计算流体力学、计算水力学等相关领域科技工 作者的辛勤努力下，模型的研究工作取得了长足的进步，并取得了大量优秀成果，如：不 同的简化n s 方程模型“，地下石油模型娜1 ，地下径流模型“”等。数值模拟方法的研究， 在过去二、三十年的时问里得到了突飞猛进的发展。一些计算水力学中的传统方法得到了 发展与创新，如：1 8 7 1 年圣维南( a j c b d es t v e n a n t ) 导出的明渠渐变非恒定流的基 本微分方程组圣维南方程组，它描述的是明渠非恒定渐变流断面水力要素随时间和空 间变化的函数关系式，圣维南方程组的成功导出为研究水流运动规律奠定了理论基础。从 7 0 年代开始，关于圣维南方程组的数值解法的成果大量问世。圣维南方程组的数值解法通 常有直接解法、分级解法、单元划分法、松弛迭代法等。 直接解法是早期河网计算中最常用的方法，由于将方程差分离散后，所形成的是一个 不规则、不对称的大型稀疏矩阵，需要占用庞大的内存，而且大量零元素参与运算，因而 在求解时存在着存储量多，计算量大，计算速度慢等诸多问题。1 9 7 7 年我国学者李岳生等 6 第一章绪论 提出改进的河网不恒定流隐式方程组稀疏矩阵解法“”，在一定程度上节省了存储并提高了 计算速度，但矩阵中需包括所有的子河段方程和未知数，规模仍然较大，在当时的计算条 件下，处理大型复杂河网时仍有比较大的困难。 1 9 6 9 年荷兰水力学家d r o n k e r s 提出分级解法的概念，他将求解过程分结点及河道两 级处理，从而使差分方程中的未知数压缩到只含有各交汇点( 结点) 的水位与流量，再求 解只含有汉点变量的矩阵方程，得各汉点变量值，而后返回至各单一河段，最终求得各断 面的水位和流量，该法节省了内存单元，提高了求解速度。在此基础上，又有许多学者不 断将它改进并提出了三级、四级解法等，其中比较有影响的有1 9 8 2 年张二骏等提出的河 网非恒定流三级联合算法m 1 ，1 9 8 5 年吴寿红提出的河网非恒定流四级解算法1 ，1 9 9 0 年 芮孝芳以三级联合解法为指导提出的虚设单元河段处理方程组的系数矩阵，1 9 9 5 年李光 炽、王船海提出了大型河网水流模拟的矩阵标识法o “，1 9 9 7 年李义天提出的基于分级解法 的节点分组解法还可以在节点水位法的基础上进一步降低线性方程组的阶数o ”，1 9 9 9 年侯 玉等在基于系数矩阵为对称正定假设基础上提出的汉点分组解法的一般理论呻3 。 法国水力学家j e a nh c u n g e 于1 9 7 5 年提出组合单元法。该方法针对河网地区的水力 特性，将水力特性相似、水位变化不大的某一片水体概化为一个单元，以此将河网概化成 彼此相连的单元，对单元进行分组，建立以水位为自变量的矩阵方程组，解此方程组，可 求得水位和流量等变量。这种方法能有效地节省存储空间，提高运算效率，为复杂河网的 水力模拟开辟了新的途径，并成功地应用于m e k o n g 河流域的河网水力计算。国内金忠青、 韩龙喜等发表了多篇相关论文嘲。 1 9 7 3 年f r e a dd l 提出了松弛迭代法，其基本思想是将河网分解为一条条河道， 再对其分别进行求解，求解时对汇流点处支流的流量先给预估值，再用松弛迭代法逐步校 正，逼近精确值，这样就将复杂的大型河网水力数值模拟问题化为一系列简单的单一河道 水力数值模拟问题。国内徐小明等发表了多篇相关论文“7 “。 国内外的经验告诉我们，一个优秀的流域性的水数学模型其意义是深远的，对于我国 这样一个水灾频繁的国家来说，其意义尤为重大。流域性的水数学模型如长江防洪系统水 数学模型“1 和太湖流域水数学模型h o h y 系列模型。1 ，在防洪规划等生产实践中得到 了很好的应用。 胡四一等近年来针对长江中下游防洪系统，建立了长江干流、洞庭湖河网以及洞庭湖 湖泊水沙输运和河床变形模拟模型，所建模型较好地反映了河湖流动特征、水位流量关系、 7 河海大学硕士学位论文秦淮河流域洪水预报与调度模型研究 泥沙冲淤量和冲淤厚度的时空分布规律。通过长江中下游防洪总体布局、分蓄洪运用和江 湖关系等模拟实例，较好地解决了防洪措施蓄泄后效评估和工程优化调控模式等关键难 题，为防洪规划和实时调度方案的制定和实施提供了定量的设计依据，主要成果已应用于 长江中下游防洪规划中。 程文辉从七十年代开始，针对太湖流域实际情况，开发了h o h y 系列模型。七十年代 开始用非恒定流方法先后对黄浦江干流进行模拟计算；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。1 9 8 7 年起对望虞河中水行洪方案及新 闸控制线的防洪作用进行了研究。1 9 8 8 年起，对太湖流域进行全流域水量水质数学模拟， 模拟范围己拓宽到整个江苏省及杭嘉湖区，没有包括浙西地区及上海市；模型中虽然没覆 盖全流域，但己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测值、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 l ，作为第一代太湖流域水量模型。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一“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 域模型不仅复盖了全流域，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 l f l ，命名h o h l 2 。在这次研 究中，采用1 9 8 7 年及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 年及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j i 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，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 功能又进一步地作了改进。 用于洪水预报的感潮河网水动力学模型与用于防洪规划设计的感潮河网水动力学模 型不同，规划设计情形的潮位过程等边界条件是已知的，而预报情形的潮位过程等边界条 件是未知的，必须预报出来。以程文辉教授为首的课题组，2 0 0 0 2 0 0 3 年期间，开发了“太 湖流域洪水预报与调度系统”，其核心模块是h o h y 2 洪水预报与调度模拟模型汹1 ，h o h y 2 洪 水预报与调度模拟模型己不同于以往主要用于规划设计目的的h o h y 系列模型。关于感潮 河网地区流域性的洪水预报与调度模拟模型，还较少见。 1 2 3 洪水预报方法选择 第一章绪论 水文系统是一个高度非线性的复杂系统。1 7 世纪末，在人们建立了水文循环的基本概 念和流域水量平衡基本原理后，流域对降雨的水文响应成为地表水文学的中心问题。在现 代计算机出现之前的1 0 0 多年里，人们用物理( 试验) 模型来了解水文过程。2 0 世纪5 0 年代，随着电子计算机科学技术的发展及系统论的成熟，出现了流域水文模拟的数学模型。 数学模型易于使用，又能经得起复杂水文系统的检验。因此，数十年来，水文模型有了长 足的进展，人们研制了各种水文模型并在许多流域中广泛应用。这些数学模型既有基于系 统观点的黑箱子模型( b l a c k b o xm o d e l ) ，又有对真实物理背景进行假设和概化的概念性 模型( c o n c e p t u a lm o d e l ) ，还有基于对水文过程的物理机制充分理解、可以充分考虑参数 和变量的空间变异性、并考虑不同单元问的水平联系的分布式水文模型( d i s t r i b u t e d h y d r o l o g i c a lm o d e l ) 。 黑箱子模型( 含统计相关模型) 较多地关注水文系统输入输出之间的关系，不去过多 地追究系统内部复杂的物理机制。黑箱子模型简单实用，建模所需要的实测水文资料相对 较少。当对研究流域缺乏深入了解、缺少完整的水文资料以至于难以建立基于水量平衡原 理的概念性水文模型时，黑箱子模型是唯一可行的方法。 概念性水文模型是对流域产汇流机制等真实物理背景进行假设和概化，新安江模型等 好的概念性水文模型的参数大多数都具有物理意义，并不像有些文献在研究分布式水文模 型时，强调分布式水文模型的参数大部分都有物理意义的同时，认为概念性水文模型缺乏 物理基础。没有对流域产汇流机制的深入理解，不可能研制出对流域产汇流规律进行高度 提炼的概念性水文模型。概念性水文模型的参数大多数都需要利用实测资料来率定，率定 的准则就是模型的输出和相应的实测值之间的误差最小。这是概念性水文模型的缺陷，也 是概念性水文模型的优点。缺点是概念性水文模型的参数值依赖于实测资料，优点是概念 性水文模型率定的目标与生产实际运