（水利工程专业论文）黄龙滩水库洪水预报调度研究.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) ： ( 注：手写亲笔签名) 塑室生 学位论文使用授权说明 0 “年月付日 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) ：兰8 童主。一6 年月，矿 日 ( 注：手写亲笔签名) 摘要 洪水预报模型是随着计算机技术应用和发展而产生的一种对流域上发生的水文过程 进行模拟的技术，是通过一系列数学方程来模拟水文自然过程。水库调度是根据水库所承 担的水利水电任务的主次和规定的运用原则，凭借水库的调蓄能力，在保证大坝安全的前 提下，对水库的入库水量过程进行调节，确保大坝下游防洪安全、多发电能，提高综合利 用效益的一种控制运用水库技术。 防洪预报调度是根据水库洪水预报的一定精度和预见期，在洪水到来之前腾出库容以 蓄纳即将发生的洪水，取得增加一部分防洪库容的作用。研究水库的预报预泄调度，就要 研究和评价水库的洪水预报精度和预见期、现有调度模式，通过综合分析，得到预报预泄 的方法。 本论文的主要研究内容就是通过对黄龙滩水库流域水文特性和工程特性的研究，结合 水库现有的气象和水文预报技术，研究研制适合该水库的水文预报模型，制订水库的洪水 预报方案，以提高水库的洪水预报精度和预见期，为水库的防洪和发电提供可靠保障。研 究在特大暴雨情况下的洪水预报，不同的暴雨等级将产生多大的洪水。 研究在现有条件下黄龙滩水库的洪水调度，探讨在确保水库工程安全的前提下，黄龙 滩水库在理论上能否采取有效安全的预报预泄调度，如何利用水库洪水预报进行有效安全 的预报预泄调度，制定水库不同的预泄调度方案。以解决水库自身防洪与水库承担下游防 洪之间的矛盾，以及水库防洪与兴利之间的矛盾。 关键词：水文模型、预见期、洪水预报、洪水调度、预报预泄调度 a bs t r a c t f l o o df o r e c a s t i n gm o d e l i st h et e c h n o l o g yw h i c ho c c u r e sw i t ht h ea p p l i c a t i o nm a dd e v e l o p m e n t o fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , s i m u l a t e st h eh y d r o l o g i c a lp r o c e s sw h i c hh a p p e n e di nt h ew a t e r s h e d ， a n ds i m u l a t et h en a t u r a lh y d r o l o g i cp r o c e s s e st h r o u g has e r i e so fm a t h m a t i c a ie q u a t i o n s a c c o r d i n gt ot h ep r i o r i t yo fh y d r a u l i ct a s k sa n da p p l i c a t i o nr u l e so fr e g u l a t i o n s ，r e s o r t i n gt h e s t o r a g ec a p a c i t yo fr e s e r v o i r , a n do nt h ec o n d i t i o no fg u r a n t e e i n gt h ed a ms a f e t y , t h er e s e r v o i r r e g u l a t i o ni sak i n do fc o n t r o l l e dr e s e r v o i ra p p l i c a t i o nt e c h n i q u er e g u l a t i n gt h ei n l e tp r o c e s s e n t e r i n gr e s e r v o i r ，i n s u r i n gf l o o ds a f e t yd o w n s t r e a n ao ft h ed a m ，g e n e r a t i n gm o r ee l e c t r i c i t y ， a n di m p r o v i n gt h ei n t e g r a lu t i l i z a t i o ne m c i e n c y a n t i - f l o o df o r e c a s t i n gr e g u l a t i o ni sa c c o r d i n gt os o m ed e g r e eo f p r e c i s i o na n dp r e d i c t i n gp e r i o d o ff l o o df o r e c a s t i n go fr e s e r v o i r , b e f o r et h ec o m i n go ff l o o dt om a k er o o mf o rt h ec o m i n gf l o o d t oh a v et h ef u n c t i o nt oi m p r o v et h ea n t i - f l o o dc a p a c i t y i no r d e rt os t u d yt h er e g u l a t i o no f f o r e c a s t i n ga n df l o o dd i s c h a r g ec a p a c i t y , o n es h o u l dm a k ec a r e f u lr e s e a r c ha n da s s e s s m e n to f p r e c i s i o n ，p r e d i c t i n gp e r i o d ，c u r r e n tr e g u l a t i o np a a e mo ff l o o df o r e c a s t i n g o fr e s e r v o i r ， t h r o l i g h ti n t e g r a t e da n a l y s i s ，t oo b t a i nt h em e t h o d o l o g yo ft h ef o r e c a s t i n ga n df l o o dd i s c h a r g e c a p a c i t y t h ep r i m a r ys t u d yo ft h i sp a p e ri st h r o u g ht h ec o m b i n e ds t u d yo fb o t hw a t e r s h e dh y d r o l o g i c a l c h a r a c t e r so fh u a n g l o n g t a nr e s e r v o i ra n ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r s i nc o m b i n a t i o no ft h ec u r r e n t m e t e o r o l o g i c a la n dh y d r o l o g i c a lf o r e c a s t i n gt e c h n i q u e s ，t od e v e l o ph y d r o l o g i c a lf o r e c a s t i n g m o d e lw h i c hf i t st h er e s e r v o i r , t oe s t a b l i s ht h es c e n a r i o so ff l o o df o r e c a s t i n go ft h er e s e r v o i r , t o i m p r o v et h ep r e c i s i o no ff l o o df o r e c a s t i n ga n dp r e d i c t i n gp e r i o do ft h er e s e r v o i r ，t op r o v i d e r e l i a b l es a f e g u a r dt oa n t i - f l o o da n de l e c t r i c i t yg e n e r a t i o nt os t u d yt h ef l o o df o r e c a s t i n gu n d e r e x t r e m es t o r m a n dt h ed i f f e r e n tf l o o dg e n e r a t i o nu n d e rd i f f e r e n ts t o r ml e v e l s s t u d yt h ef l o o dr e g u l a t i o nu n d e rc u r r e n tc o n d i t i o n so fh u a n g i o n g t a nr e s e r v o i r , e x p l o r eu n d e r t h ec o n d i t i o no fi n s u r i n gr e s e r v o i rc o n s t r u c t i o ns a f e t y ，i ft h eh u a n g l o n g t a nr e s e r v o i rc a n a d o p te f f e c t i v es a f ef o r e c a s t i n ga n df l o o df o r e d i s c h a r g er e g u l a t i o ni nt h e o r y a n dh o w t om a k e u s eo ft h ef l o o df o r e c a s t i n go ft h er e s e r v o i rt om a k ee f f e c t i v ea n ds a f ef o r e c a s t i n ga n df l o o d f o r e d i s c h a r g er e g u l a t i o n ，a n dt oe s t a b l i s hd i f f e r e n tf l o o df o r e d i s c h a r g er e g u l a t i o ns c e n a r i o s t os o l v et h ec o n f l i c tb e t w e e na n t i f l o o do ft h er e s e r v o i ra n da n t i f l o o dt a s ko fd o w n s t r e a m ，a n d t h ec o n f l i c tb e t w e e nr e s e r v o i ra n t i - f l o o da n db e n e f i c i a lu s e k e yw o r d s ：h y d r o l o g i c a lm o d e l ，p r e d i c t i n gp e r i o d o ff o r e c a s t ，f l o o df o r e c a s t i n g ，f l o o d r e g u l a t i o n ，f o r e c a s t i n ga n df l o o df o r e d i s c h a r g er e g u l a t i o n 1 1 问题的提出 第一章概述 黄龙滩水电站位于鄂西北山区堵河下游、十堰市黄龙镇以上4 公里的峡谷出1 2 1 处。 工程枢纽总体布置为左岸岸边引水式地面厂房，通航建筑物位于右岸，拦河坝坝型为混凝 土重力坝，最大坝高1 0 7 米。该电站是一个以发电为主，同时具有工业供水、农田灌溉、 改善航运以及发展渔业等综合效益的大型水利枢纽工程。共安装两台7 5 万k w 的水轮发 电机组，单独运行保证出力5 3 万k w ，年平均发电量7 5 9 亿k w h ，经1 9 9 3 年底机组增 容改造，电站装机容量1 7 万k w 。 黄龙滩水电站是“文革”期间建设的“三边”工程。该工程最初的设计等级为一等工 程，即1 0 0 0 年一遇洪水设计，1 0 0 0 0 年一遇洪水校核。1 9 6 9 年工程开工后，设计施工历经 三次重大变更：1 9 6 9 年9 月，水库正常蓄水位由原初步设计审定的2 5 6 0 0 m 降为2 4 7 0 0 m ， 工程等级由一等降为二等，设计洪水重现期2 0 0 年、校核洪水重现期1 0 0 0 年，坝型由混 凝土宽缝重力坝改为混凝土实体重力坝；1 9 7 0 年8 月，对设计洪水标准作了调整，即按 1 8 6 7 年历史洪水( 相当于重现期6 2 年) 设计、1 7 7 9 年调查洪水( 相当于重现期2 3 6 年) 校核，坝型由实体重力坝改为带厚底板的单支墩大头坝，底坎高程为2 2 7 m 的潜孔溢洪道 由7 孔减为5 孔；1 9 7 2 年8 月，适当提高了设计洪水标准，将潜孔溢洪道由5 孔增加为6 孔，又在右岸矿坝段改建一孔底坎高程为2 3 8 m 的非常溢洪道，确定设计洪水重现期1 0 0 年、校核洪水重现期5 0 0 年，并要求1 0 0 0 年一遇洪水保坝( 水库水位低于坝顶防浪墙顶 2 5 3 5 m ) ，大坝的宽缝也要求回填，恢复为混凝土实体重力坝。 1 9 8 0 年6 月2 4 日出现本水库建库以来最大的一次洪水，最大入库流量1 1 5 0 0m 3 s ( 来水频率3 6 年一遇) ，发生了水淹厂房事故。为使洪水预报更加快捷和准确，从八十年 代开始，黄龙滩水库进行了水情自动测报及联机预报调度系统的研究，1 9 9 9 年在原有系 统的基础上，又开发研制了水库调度综合自动化系统。 黄龙滩水库的设计标准偏低，防洪任务繁重。为了确保水库工程安全，在气象、水 文预报系统的支持下，充分利用水库洪水预报的精度和预见期，采取小水常规调度、大水 预泄调度的措施，使水库既能最大限度地发挥防洪作用，又能最大限度地发挥发电效益。 1 2 国内外研究现状 由于信息技术的大力发展，我国研制流域水文模型的技术手段有了显著的提高。据统 计，参加1 9 9 7 年1 2 月在武汉举行的由水利部水文司、水利部水利信息中心和中国水利学 会水文专业委员会共同举办的全国水文预报技术竞赛的流域水文模型有1 0 个，其中我国 自行研制的有5 个，从国外引进并加以改进的也有5 个，它们分别是新安江及其改进模型、 姜湾径流模型、双超产流模型、河北雨洪模型、双衰减曲线模型、s c l s 模型、改进的连 续a p i 模型、改进的n a m 模型、改进的水箱模型和改进的萨克门托模型等，这充分反映 了近年来我国研制和应用流域水文模型的发展和科技进步。 我国的水文气象信息监测和洪水预报调度系统是从“7 5 8 ”河南大水后开始受到重视 的，经过摸索、引进和改造，现已发展到具有中国特色的专家交互式洪水预报调度系统。 从参加全国水文预报技术竞赛的水文预报系统展示来看，有以下的发展和进步：系统结构 合理，功能齐全，系统面向网络，人机交互式预报功能增强，地理信息系统得到应用，信 息处理和数据管理完善，系统开发技术先进。系统中普遍应用多种水文模型和优化调度方 法，有的还提供中长期水文预报功能，使防洪调度决策更为科学；系统充分利用各种信道 传输信息，广泛应用多窗口和多媒体技术，并重视了系统的可靠性和充分考虑了系统的通 用性和开放性。近几年来，水利部水文局又开展了中国洪水预报系统的研究，并逐步在有 些流域推广使用。由此可知，我国的水文预报系统开发己达到较高的水平，在某些功能方 面甚至已超过国外同类系统的水平。 中国开展水电站水库实时洪水预报调度研究和业务工作已有1 0 多年历史，目前已建 成一批水电站水库实时洪水预报调度系统，这些系统在保障防洪安全、增加发电量、提高 经济效益等方面作出了重要贡献。 水电站水库实时洪水预报调度系统一般由雨、水情实时信息子系统、实时洪水预报子 系统和实时水库调度子系统等三部分组成。雨、水情实时信息子系统的功能是信息的自动 采集、传输、处理和储存：实时洪水预报子系统必须包括能进行实时校正的洪水预报模型， 其功能是利用实时信息子系统提供的实时雨、水情信息，准确、及时的预报出入库洪水过 程线；实时水库调度子系统主要包括水库调度模型，其功能是根据实时洪水预报子系统预 报的入库洪水过程线，给出满足防洪、发电等要求的水库水位与水库出流的合理或最优配 合。水电站水库实时洪水预报调度系统通过及时、准确、可靠的调度来保证水电站水库防 洪安全和获得尽可能好的经济及社会效益。 实时洪水预报是一种在联机水情测报系统中，使用实时雨、水情及其它有关气象信息 作为洪水预报模型的输入，并不断根据信息校正或改善原有的模型参数，力求预报结果逐 步逼近真值的洪水预报。其主要特点可归纳为：一是信息采集自动化、信息传输现代化、 洪水预报方法模型化；二是信息处理和作业预报充分借助于计算机，做到快速、及时、准 确；三是必须具有实时校正功能。 与脱机洪水预报比较，实时洪水预报所使用的信息的质量一般较差。例如：实时洪水 预报使用的遥测或报汛资料，一般不及脱机预报采用的整编水文资料完整、可靠；实时洪 水预报采用的流量资料往往由水位一流量关系求得，一般不及脱机预报中使用的实测流量 资料精度高；在蒸发计算中，脱机预报可采用实测资料，而实时洪水预报因无实测资料可 用只得用近似方法估算。此外，在脱机预报中，预见期内的降雨是已知的，但在实时洪水 预报中，预见期内的降雨量是未知的，这必然使得两者在处理预见期内降雨上有所不同。 预报总是有误差的。对于实时洪水预报，由于上述种种原因，预报误差更不可忽视。 预报误差可表现为系统误差，也可表现为随机误差，因此，在发布实时洪水预报之前，对 预报值进行误差实时校正是十分必要的。通常使用的实时校正方法有卡尔曼滤波法、递推 最小二乘方法、误差自回归法和自适应算法等。卡尔曼滤波法是对系统的状态变量进行最 优估计，既可以达到最小方差，又可不损失预见期，是一种比较理想的实时校正方法。在 实时洪水预报中可供选择的状态变量有洪水预报模型的参数、预报对象和预报误差等。卡 尔曼滤波实质上是一种线性无偏最小方差估计，可用于任何线性随机系统，可综合处理模 型误差和量测误差。但洪水预报系统一般不是线性随机系统，模型误差和量测误差一般也 不是白噪声，这就限制了该法在实际中的应用。递推最小二乘方法根据最新输入与输出信 息，给现时刻的预报误差以一定权重，用于校正模型参数，属于参数的在线识别，反映了 预报时刻参数的状态。该法简单易行，但跟踪实时洪水预报系统变化的灵敏性较差。误差 自回归法通过对输出的残差序列进行自回归分析，用前推若干个时刻的残差值作为实时校 正系统的输入来推求当前时刻的输出误差，以达到实时校正的目的。由于该法不涉及洪水 预报模型本身的结构，仅从输出误差序列着眼进行校正，因而有广泛的适应性。自适应算 法是指滤波器本身具有自动调整功能，可根据预报过程中模型所出现的偏差自动调整模 型，使之处于最优状态的一种算法。该法能考虑噪声统计量的时变特性，是现行比较完善 的滤波方法之一，有较好的应用前景。 中国是一个洪水灾害频发的国家之一，水库防洪调度常是水库调度重点。水电站水库 实时防洪调度的目的就是根据已得到实时洪水预报的成果及水库的初始状态，对水库未来 的可能运行方案进行选择，在确保水库防洪安全的前提下获得最好的发电效益。近年来， 全国各大江河和水库都逐步建立了洪水预报调度系统【2 j 。 我国从6 0 年代就开始研究水库优化调度问题，8 0 年代后发展迅速，研究应用成果很 多，董子敖教授等在8 0 年代中期提出多目标多层次优化数学模型【3 】，先后完成黄河以南 4 3 个水电站水库群的优化调度和补偿调节计算。冯尚友教授1 9 9 0 年出版的多目标决策 理论与应用和水资源系统工程两部专著【4 】，总结和反映了以他为首的课题组多年的 科研成果。以王本德教授为首的课题组在水库模糊优化调度理论与方法领域做了许多开创 性工作。9 0 年代先后提出了多目标洪水模糊优选调度模型，梯级水库群防洪系统多目标 洪水调度的模糊优选模型等瞪】。张恭肃等出版了洪水预报系统【6 j ，郭生练编写水库 调度综合自动化系统 7 1 ，介绍了水库调度应用成功实例。中国水科院从8 0 年代开始开 展水库实时洪水预报调度项目的研究和开发，在国内四十多个水库、流域得到很好地应用。 西方发达国家在水库优化调度领域丌展的工作较早，有以下应用成果：( 1 ) 美国加利 福尼亚中心流域工程优化调度系统，该系统由九座水库、九个发电站、三个引水渠、四个 抽水站组成，整个系统实施运行三个模型，即轮流优化年内月运行、月内日运行、日内小 时运行模型；( 2 ) 美国田纳西流域机构的水资源优化调度系统，该系统主要目的是对航运 和防洪以及4 2 座水库电站的发电进行优化控制，系统主要由四个模型组成，即周计划、 周调度、日计划、日调度模型；( 3 ) 加拿大等开发了水库调度分析的专家决策支持系统， 它是由1 1 个水库分析模型组成的模型库，并把图形技术应用于界面和成果显示，该系统 可确定水库规模或制定水库长期或短期运行计划，还可判断计算成果是否已达最优解及进 行敏感分析，并拟推广应用到全国的其他水库”。 1 3 本文的主要研究内容 本文在较为深入地分析黄龙滩水库的流域水文特性和工程特性的基础上，结合水库现 有的气象和水文预报方法，研究适合该水库特性的洪水预报模型，以提高入库洪水的预报 精度和预见期，为水库的防洪和发电提供可靠保障。 为了确保水库安全的需要，研究特大暴雨情况下的洪水预报，分析不同的暴雨等级将 产生多大的洪水。研究在现有条件下黄龙滩水库的洪水调度，分析水库常规调度的安全和 不足。在确保水库工程安全的前提下，探讨水库能否采取安全有效的预报预泄调度，以及 如何利用水库的洪水预报进行预报预泄调度，制定不同的预泄调度方案，以解决水库自身 防洪与水库承担下游防洪以及水库防洪与兴利之间的矛盾。 4 第二章水库基本情况 2 1 流域基本特性 黄龙滩水库位于鄂西北山区堵河下游( 图2 1 ) ，坝址以上流域面积1 1 1 4 0 k m 2 ，占整 个堵河流域面积的9 5 。主河长2 9 3 k m ，坝址多年平均流量1 9 1m 3 s ，原设计校核洪水位 ( p = 0 2 ) 2 5 1 7 m 以下总库容1 1 7 亿m 3 ，为季调节水库。堵河流域属副热带季风气候， 雨量较丰沛。流域内降雨量自上游到下游递减，流域多年平均年降雨量为1 0 1 6 m m 。每年 4 1 0 月为汛期，暴雨频繁，实测最大一日面雨量1 1 5 m m ，最大三日达1 5 0 4 m m 。暴雨持 续时间一般为1 2 天，最长可达4 天。流域内多为森林、灌木林、杂草覆盖，植被条件 良好，受到人类活动影响较小。黄龙滩水库的水文特性和水库工程特性见表2 1 和2 2 。 图2 1黄龙滩水库流域示意图 表2 1黄龙滩水库流域水文气象特征 序号 名称单位 数量备注 全流域面积 k m 21 1 7 2 5 1 坝址以上面积 k m 2 1 1 1 4 0 2 利用水文系列年限 年 3 1 3 多年平均年径流量亿m 36 0 2 多年平均流量 m 3 s1 9 1 实测最大流量 m 3 s 1 0 6 0 0 1 9 3 7 年9 月2 6 调查历史最大流量 m 3 s 1 2 3 0 01 8 6 7 年 4 设计洪水流量( p = 1 ) m 3 s 1 3 7 0 0 坝址洪水 校核洪水流量( p = o 2 ) m 3 s 1 7 2 0 0 坝址洪水 非常洪水流量( p = 0 1 ) m a s 1 8 6 0 0坝址洪水 施工初期导流流量m 3 s8 0 0 枯水期5 年一遇 实测最大洪量亿m 32 0 5 1 9 3 7 年9 月 5 设计洪量亿m 32 3 3 校核洪量亿m 3 多年平均年输沙量万吨 8 5 8 6 多年平均含沙量 k g m 3 1 3 7 实测最大含沙量 k g m 3 4 5 下游常水位m1 6 2 实测最低水位m1 6 0 4 2 黄龙滩站1 9 5 8 年2 ) j 2 5 日 ( 吴淞平差前基面) ( 相应流量) m 3 s 1 9 7 实测最高洪水量 m 1 7 6 4 6 黄龙滩站1 9 3 7 年9 ) 日2 6 日 ( 吴淞平差前基面) ( 相应流量) m 3 s 1 0 6 0 0 黄龙滩站1 8 6 7 年 调查最高洪水位m1 7 8 1 8 ( 吴淞平差前基面) 表2 2 黄龙滩水库工程特征 序号 名称单位 数量备注 正常高水位m 2 4 7 设计洪水位( p = 1 )m2 4 8 2坝址洪水位 校核洪水位( p = o 2 ) m2 5 1 9 坝址洪水位 1 非常洪水位( p = o 】) m2 5 3 3 坝址洪水位 汛限水位m 2 4 7 死水位m 2 2 2 非常死水位m 2 1 8 5 2 水库面积 k m 23 2 正常高水位 总库容 亿m 31 2 2 8 校核洪水位以下 3 调节库容亿m 3 5 9 9 死库容亿m 3 4 1 4 2 2 2 米以下 4库容系数 o 1 5 调节特性季调节 6 径流利用系数 o 7 1 8 2 2 水库现有洪水预报调度情况 黄龙滩水库现有的预报方法主要包括以下两个：一个是经验模型，主要采用传统的降 雨径流相关方法，再加入人工经验的预报方法；另一个是8 0 年代研制开发的采用分块 分单元的三水源新安江模型的预报方法。 黄龙滩水库现有的洪水调度方案为常规调度。所谓常规调度，就是用当前库水位作为 调度决策的判断条件，依照水库调度图调度的调度方法。这种方法比较简单，易于操作， 应用很广，而且在设计上为安全起见，通常都采用常规调度方法进行调洪演算。但常规调 度只是利用当前水位作为判断条件，没有考虑未来洪水的发展情况，所利用的信息比较有 限，所以难以得出最优调度方案。对于超标准洪水，若用常规调度方法调度，则坝前最高 水位和最大下泄流量均不可能优于设计值，而大坝设计标准偏低，更希望能在优化洪水调 度上挖潜力，最大限度提高大坝及厂房抗洪能力。 现有水库洪水调度的方案为：为了保证多发电，一次来水泄水过程，希望库水位维持 在兴利水位2 4 7m 附近；保证河道安全，在较大洪水发电时，水库下泄不超过6 0 0 0m 3 s ， 下泄避免大于来水最大流量；当来水流量超过6 0 0 0m 3 s ，下泄要保证大坝、电厂的安全。 第三章水库洪水预报 3 1 基本水文模型 3 1 1 概述 对水文现象进行模拟而建立的一种装置或数学结构称为水文模型。水文模型是伴随着 电子计算机的应用和发展而出现的一种水文模拟方法，它通过对流域上发生的水文过程进 行模拟，建成数学模型，从而在计算机上解决有关的水文问题。水文模型按建模的技术分 为以下两种： ( 1 ) 水文物理模型 水文物理模型可分为比尺和比拟模型两类，前者是根据几何相似和力学相似原理，按 一定比尺缩制的模型；后者是以一些物理量来比拟水的某些特性的模型。 ( 2 ) 水文数学模型 它又可分为确定性模型和随机性模型两类，确定性模型是描述水文现象必然规律的数 学结构，它可分为数学物理模型、概念性模型、回归模型和系统理论模型等四类；随机模 型系描述水文现象随机性的数学结构。对水文预报模型来说，确定性模型可分为集总式和 分散式模型两种，前者忽略水文现象的空间分布差异，后者则相反。此外，如果模型的解 可以线性叠加且满足均匀性，则称为线性模型，否则为非线性模型：若模型的参数是随时 间变化的，则称为时变模型，反之称为时不变模型。 流域水文模型属于水文数学模型中确定性模型的范畴，它是以流域为研究对象，对流 域内发生的降雨径流这一特定的水文过程进行数学模拟，即将流域上的降雨过程，模拟计 算出流域出口断面的流量过程。 流域水文模型就是结构加参数，模型的计算步骤与方法，称为结构，对流域降雨径流 过程中产、汇流各个主要阶段进行水文物理规律的数学模拟，它由一系列数学函数与逻辑 判断组成。在模型结构当中，需要有一定的参数以具体规定流域的水文特性，这也就相当 于计算机程序中需要读进的常量。有了结构与参数之后，流域的水文规律与水文特性就完 整地描述出来了，只要有输入，就可计算出相应的输出。结构是根据我们对水文规律的认 识而构造出来的，参数是流域的水文特性，是一些原则上可以实测的物理量f j 2 】。 目前，世界上有2 0 0 多种流域水文模型，其中比较著名的有：澳大利亚气象局模型 ( c b m ) ，法国海外科技研究办公室的模型( g i r a r d i ) ，日本国家防灾研究中心的水箱 i 、i i 型模型( t a n k i 、t a n k i 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 ) ，美国国家天气局河流预报中心的萨克门托河流预 报中心水文模型( s r f c h ) ，原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 ) 和我国的新安江系列模型等，还有当今水文科学研究和 应用的热点的分布式流域水文模型f 1 3 】。 3 。1 2 三水源新安江水文模型 新安江模型是由原华东水利学院赵人俊教授等提出，并在近代山坡水文学的基础上 改进成为现在的三水源新安江模型【1 4 j 。 新安江模型是分散型结构，它把流域分成许多块单元流域，对每个单元流域作产汇 流计算，得出单元流域的出口流量过程。再进行出口以下的河道洪水演算，求得流域出口 的流量过程。把每个单元流域的出流过程相加，就求得了流域出口的总出流过程。 把模型设计成为分散性的，主要是为了考虑降雨分布不均的影响，其次也便于考虑下 垫面条件的不同及其变化。特别是大型水库等人类活动的影响。 模型的产流部分就是蓄满产流模型。但增加了一个参数i m p ，是流域不透水面积之 比。这个参数在湿润地区不重要，可不用；在半湿润地区，由于经常干燥，此参数就有必 要。 模型的蒸散发计算，采用三层模型。模型的河道洪水演算，采用线性解。再将流域汇 流的部分补充进去。 在流域汇流中，地面径流的汇流采用经验单位线，并假定每个单元流域上的无因次单 位线都相同，使结构比较简单。无因次单位线乘上地面径流深再乘上流域面积，得到出流 过程。 要使各个单元流域的无因次单位线相同，首先要求地形条件一致，其次要求流域面积 相近。因此在划分单元流域时，应尽可能使各块面积相差不要太大。 地下径流的汇流采用线性水库。 地下汇流速度很慢，它的河道汇流阶段可以忽略，降雨在面上分布不均匀的影响也可 以忽略。 把这些部分模型结合起来，就是新安江模型。 ( 1 ) 模型结构 三水源新安江模型的输入为降雨p 和水面蒸发e m ，输出为流域出口断面流量q 和流 域蒸散发量e 。模型主要由四部分组成，即蒸散发计算、产流量计算、水源划分和汇流计 算。 a ) 蒸散发计算 新安江( - - 水源) 模型中的蒸散发计算采用三层蒸发计算模式，输入是蒸发器实测 水面蒸发，参数是流域上、下、深三层的蓄水容量w u m 、w l m 、w d m ( w m = w u m + w l m + w d m ，w m 为流域蓄水容量) 、流域蒸散发折算系数k 和深层蒸 散发系数c 。输出是上、下、深各层时变的流域蒸散发量e u 、e l 、e d ( e = e u + e l + e d ) 和各层时变的流域蓄水量w u 、w l 、w d ( w = w u + w l + w d ) 。 以上e 、分别表示时变的流域蒸散发量和流域蓄水量。各层蒸散发的计算原则是，上 层按蒸散发能力蒸发，上层含水量蒸发量不够蒸发时，剩余蒸散发能力从下层蒸发，下层 蒸发与蒸散发能力及下层蓄水量成正比，并要求计算的下层蒸发量与剩余蒸散发能力之比 不小于深层蒸散发系数c 。否则，不足部分由下层蓄水量补给，当下层蓄水量不够补给时， 用深层蓄水量补给。 其中p e = p e 。所用公式如下： 当p e + w u e p 时， e u = e p ，e l = 0 ，e d = 0( 3 - 1 ) 当p e + w u e p 时， e u = p e + w u( 3 - 2 ) 若w l c w l m ，则 e l = ( e p e u ) 篇，e d = o ( 3 _ 3 ) 若w l c w l m 且w l c ( e p e u ) ，则 e l = c ( e p e u ) ，e d = 0 ( 3 4 ) 若w l c w l m 且w l 0 时，则产流；否则不产流。产流时， 当肌+ a 暇。，则 r = p e w m + + 聊( i 一笋广8 ( 3 9 ) 当p e + a 降：。，贝0 r = p e 一( w m 一) ( 3 - 1 0 ) 作产流计算时，模型的输入为p e ，参数包括流域蓄水容量删和抛物线指数b ；输 出为流域产流量r 及流域时段末蓄水量。 c ) 水源划分 三水源新安江模型用自由水蓄水库的结构代替原先粥的结构，以解决水源划分问 题。按蓄满产流模型求出的产流量r 。先进入自由水蓄量s ，再划分水源。此水库有两个 出口，一个底孔形成地下径流r g ，一个边孔形成壤中流矗跚，其出流规律均按线性水库 出流。由于新安江模型考虑了产流面积f r 问题，所以这个自由水蓄水库只发生在产流面 积上，其底宽f r 是变化的，产流量r 进入水库即在产流面积上，使得自由水蓄水库增加 蓄水深，当自由水蓄水深s 超过其最大值s m 时，超过部分成为地面径流胄s 。模型认为， 蒸散发在张力水中消耗，自由水蓄水库的水量全部为径流。 底孔出流量r g 和边孔出流量r s s 分别进入各自的水库，并按线性水库的退水规律流 出，分别成为地下水总入流t r g 和壤中流总入流t r s s 。并认为地面径流的坡地汇流时间 可以忽略不计。所以地面径流船可认为与地面径流的总入流t r s 相同。 由于产流面积朋上自由水的蓄水容量还不能认为是均匀分布的，即s m 为常数不太 合适，要考虑s m 的面积分布。这实际上就是饱和坡面流的产流面积不断变化的问题。 模仿张力水分布不均匀的处理方式，把自由水蓄水能力在产流面积上的分布也用一 条抛物线来表示，即 罴小”器尸 ( 3 - z - ， 式中：s m f 为产流面积瑚上某一点的自由水容量；s m m f 为产流面积瑚上最大一点的 自由水蓄水容量：f s 为自由水蓄水能力s m f 值的流域面积；e x 为流域自由水蓄水容 量曲线的指数。 产流面积上的平均蓄水容量深( s m f ) 为 淞= 篇 l + z w 在自由水蓄水容量曲线上s 相应的纵坐标a u 为 c i 爿u = s m m f 1 一( 1 - 赢) “】 ( 3 _ 1 3 ) 式中：s 为流域自由水蓄水容量曲线上的自由水在产流面积上的平均蓄水深；a u 为s 对 应的纵坐标。 显然，s m m f 和s m f 都是产流面积朋的函数，是无法确定的变量。这里假定s m m f 与产流面积f r 及全流域上最大一点的自由水蓄水容量s m m 的关系仍为抛物线分布 朋- 1 ”筹) “ ( 3 - 1 4 ) 则 s m m f = 【1 一( 1 一腓) ” s m m ( 3 1 5 ) s m m = s m ( 1 + e x ) ( 3 - 1 6 ) 流域的平均自由水容量跗和抛物线指数倒对于一个流域来说是固定的，属于模型 率定的参数。己知s m 和e x ，就可以得到s m m f 。 已知上时段的产流面积f r o 和产流面积上的平均自由水深s o ，根据时段产流量月， 计算时段地面径流、壤中流、地下径流及本时段产流面积f r 和f r 上的平均自由水深s 的 步骤是： f r = r p e( 3 - 1 7 ) s = s o f r o f r( 3 - 1 8 ) s m m = s m ( 1 + e x ) ( 3 - 1 9 ) s m m f = s m m 【1 一( 1 一f r ) “ s m f = s m m f ( 1 + e x 、 一u = s m m f 1 - ( 1 一志声】 当p e + a u s m m f 时，贝0 r s = f r ( 尸e + s s m f ) r s s = s m f f r r g = s m f k g - f r s = s m f f r s s + r g ) i f r 当0 p e + a u s s m f 时，则 r s = f r 【j d e s m f + s + s m f ( 1 r s s = k i f r ( p e + s r s f r l r g = k g f r ( p e + s r s f r 、 ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) ( 3 - 2 2 ) ( 3 - 2 3 ) ( 3 - 2 4 ) ( 3 - 2 5 ) ( 3 - 2 6 ) ( 3 2 7 ) ( 3 - 2 8 ) ( 3 2 9 ) s = s + p e 一( r s + r s s + r ( j 1 f r ( 3 - 3 0 ) 式中：h 和k g 分别为壤中流与地下径流的日出流系数。 d ) 汇流计算 流域汇流计算包括坡地汇流和河网汇流两个阶段。 地下径流用线性水库模拟，其消退系数为k k g ，出流进入河网。壤中流的深层自由 水也用线性水库模拟，其消退系数为k k s s 。地面径流的坡地汇流不计，直结进入河网。 计算公式为： q g ( i ) = q g ( 1 1 ) k k g + r g ( 1 ) ( 1 一k k g ) u q j ( ，) = q ，( ，一1 ) x k k s s + r s s ( i ) x ( 1 一k k s s ) u ( 3 3 1 ) ( 3 3 2 ) 式中：u 为单位转换系数，u = 三_ ( f 为流域面积：a t 为时段长) 。 j o a t 单元面积的河网汇流用单位线法进行计算。 ( 2 ) 模型参数 三水源新安江模型的参数一般具有明确的物理意义，可以分为如下4 类： 蒸散发参数：世、蹄z 强f 、阢m 、w d m 、c 五为蒸散发能力折算系数，是指流域蒸散发能力与实测水面蒸发值之比。此参数控 制着总水量平衡，因此，对水量计算是重要的。 w u m 为上层蓄水容量，它包括植物截留量。在植被与土壤很好的流域，约为2 0 m m ： 在植被与土壤颇差的流域，约为5 6 m m 。 w l m 为下层蓄水容量。可取6 0 9 0m m 。 w d m 为深层蓄水容量。可取2 0 4 0m m 。 c 为深层蒸散发系数。它决定于深根植物占流域面积的比数，同时也与w u m + w l m 值有关，此值越大，深层蒸散发越困难。一般经验，在江南湿润地区c 值约为0 1 5 o 2 0 左右，而在华北半湿润地区则在o 0 9 o 1 2 左右。 产流量参数：w m 、b 、i m p w m 为流域蓄水容量，是流域干湿程度的指标。一般分为上层w u m 、下层w l m 和 深层w d m ，约为1 2 0 m m 1 8 0 m m 。 b 为蓄水容量曲线的方次。它反映流域上蓄水容量分布的不均匀性。一般经验，流 域越大，各种地质地形配置越多样，b 值也越大。在山丘区，很小面积( 几平方公里) 的 占为0 1 左右，中等面积( 3 0 0 平方公里以内) 的b 为o 2 o 3 左右，较大面积( 数千平 方公里) 的b 值为0 3 o 4 左右。 i m p 为不透水面积占全流域面积之比，一般较小，取为0 0 5 。 水源划分参数：s m 、e x 、k s s 、k g s m 为流域平均自由水蓄水容量，本参数受降雨资料时段均化的影响，当用日为时 段长时，一般流域的s m 值约为1 0 5 0 m m 。当所取时段长较少时，s m 要加大，这个参 数对地面径流的多少起着决定性作用，因此很重要。 e x 为自由水蓄水容量曲线指数，它表示自由水容量分布不均匀性。通常e x 取值 在1 1 5 之间。 k s s 为自由水蓄水库对壤中流的出流系数，k g 为自由水蓄水库对地下径流出流系 数，这两个出流系数是并联的，其和代表着自由水出流的快慢。一般来说，k s s + k g ：o 7 ， 相当于从雨止到壤中流止的时间为3 天。 汇流参数：k k s s 、k k g 、c s 、l k k s s 为壤中流水库的消退系数。如无深层壤中流时，k k s s 趋于零。当深层壤中流 很丰富时，k k s s 趋于0 9 。相当于汇流时间为l o 天。 k k g 为地下水库的消退系数。如以日为时段长，此值一