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淮河治理后的洪水预报模型集成系统研究 摘要 根据淮河流域洪水灾害发生频繁、严重影响流域社会经济可持续发展的工 程需求和洪水预报理论技术发展的内在需求，针对治理后的淮河洪水预报系统 的复杂特性。在简要阐述淮河流域的治理情况、洪水预报技术的研究意义以及 研究现状的基础上，采用现代洪水预报的理论方法及其综合集成技术，对淮河 治理后的淮河洪水演进过程进行了预报和模拟，为淮河洪水预报、调度和管理 提供了重要的技术支撑，对于保障淮北大堤、沿淮河重要城市和工业设施的安 全均具有十分重要的作用。论文的主要研究内容有： 1 系统分析了治理后的淮河干流的洪水特性和河道的行洪能力。 2 建立了水文学和水力学方法相耦合的洪水预报与行蓄洪区调度模型，提 高了淮河洪水预报模型的适应性。 3 对水文模型中各子流域的划分进行了优化和补充，对模型参数进行了调 试和优选。 4 建立了淮河治理后的洪水预报模型集成系统，进行了系统模型的参数率 定、模型验证和精度分析，可以方便快捷地实现防洪设施调度效果的模拟。提 高了洪水预报和调度的工作效率 关键词：淮河流域；洪水灾害管理；洪水预报；综合集成；系统开发 s t u d yo ne n g i n e e r i n gr e g u l a t e di n t e g r a t i o ns y s t e mo f h u a i h ef l o o df o r e c a s tm o d e l s a b s t r a c t f l o o dd i s a s t e ro c c u r r e sf r e q u e n t l yi nh u a i h ew a t e r s h e d ，a n di tt a m p e r sw i t h t h er e g i o n a ls o c i a le c o n o m i cs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts e r i o u s l y b e c a u s eo ft h e e n g i n e e r i n gd e m a n da n dt h ei n t e r i o rd e m a n do ft h ed e v e l o p m e n to ff l o o df o r e c a s t t h e o r ya n dt e c h n i q u e ，t h ec o m p l e x i t yo ft h ee n g i n e e r i n gr e g u l a t e dh u a i h ef l o o d f o r e c a s ts y s t e m ，t h er e g u l a t e ds i t u a t i o no fh u a i h ew a t e r s h e dw a si n t r o d u c e db r i e f l y f i r s t l y ，t h es i g n i f i c a n c ea n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no fs t u d yo nf l o o df o r e c a s t t e c h n i q u ew a si l l u m i n a t e ds e c o n d l y ，a n dt h e nt h em o d e mt h e o r i e sa n dm e t h o d so f f l o o df o r e c a s ta n dt h e i rc o m p r e h e n s i v ei n t e g r a t i o nt e c h n i q u ew o r ea d o p t e dt o s i m u l a t ea n dp r e d i c tf l o o dr o u t i n go fe n g i n e e r i n gr e g u l a t e dh u a i h ew a t e r s h e d t h e c o m p r e h e n s i v ei n t e g r a t i o ns y s t e m o ff l o o df o r e c a s tc a np r o v i d es i g n i f i c a n t t e c h n i c a ls u p p o r t i n gf o rp r e d i c t i o n ，s c h e d u l i n ga n dm a n a g e m e n to ff l o o d ，a n di t a l s oh a ss i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h es a f eg u a r a n t e eo fh u a i b e il e v e e ，c i t i e sa l o n g t h eh u a i h e ，a n dt h ei n d u s t r i a lf a c i l i t i e s t h es p e c i f i cc o n t e n to ft h et h e s i si s s u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1a n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es t e mc h a n n e lf l o o da n dt h ed i v e r s i o n c a p a c i t yo fw a t e r c o u r s eo ft h ee n g i n e e r i n gr e g u l a t e dh u a i h e 2 e s t a b l i s ht h ef l o o df o r e c a s tm o d e l c o u p l e db yh y d r o l o g y a n d h y d r o d y n a m i c sm e t h o d sa n dt h ed e t e n t i o nb a s i n ss c h e d u l i n gm o d e l 3 s u p p l e m e n ta n do p t i m i z et h ep a r t i t i o n i n go fs u b - w a t e r s h e di nh y d r o l o g y m o d e l ，a n dc a l i b r a t ea n do p t i m i z et h em o d e lp a r a m e t e r s 4e s t a b l i s ht h ec o m p r e h e n s i v ei n t e g r a t i o nf l o o df o r e c a s ts y s t e m ，c a l i b r a t et h e m o d e lp a r a m e t e r s ，v a l i d a t et h ef o r e c a s tm o d e la n da n a l y z et h em o d e lp r e c i s i o n t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a nr e a l i z et h es i m u l a t i o no ft h ee f f e c to ft h ec o n t r o l f l o o df a c i l i t i e ss c h e d u l i n gc o n v e n i e n t l y ，a n dc a ni m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c yo f f l o o ds c h e d u l i n ga n df o r e c a s t k e y w o r d s ：h u a i h ew a t e r s h e d ；f l o o d d i s a s t e r m a n a g e m e n t ；f l o o df o r e c a s t ； c o m p r e h e n s i v ei n t e g r a t i o n ；s y s t e md e v e l o p m e n t 表格清单 表2 1 淮河干流主要站洪水传播时间表7 表2 2 王家坝站不同水位级2 0 0 3 年与1 9 9 1 年流量比较表1 0 表2 3 王家坝站不同流量级2 0 0 3 年与1 9 9 1 年水位比较表。1 l 表2 4 王家坝( 钐岗) 站不同水位级2 0 0 3 年与1 9 9 1 年流量比较表1 l 表2 5 王家坝( 钐岗) 站不同流量级2 0 0 3 年与1 9 9 1 年水位比较表1 1 表2 6 润河集站不同水位级2 0 0 3 年与1 9 9 1 年流量比较表1 3 表2 7 润河集站不同流量级2 0 0 3 年与1 9 9 1 年水位比较表1 4 表2 ，8 鲁台子站不同水位级2 0 0 3 年与1 9 9 1 年流量比较表1 5 表2 9 鲁台子站不同流量级2 0 0 3 年与1 9 9 1 年水位比较表1 6 表2 1 0 蚌埠吴家渡站不同水位级2 0 0 3 年与1 9 9 1 年流量比较表1 8 表2 1 1 蚌埠吴家渡站不同流量级2 0 0 3 年与1 9 9 1 年水位比较表1 8 表4 1 息县以上单元划分3 1 表4 2 息县新安江模型参数表。3 1 表4 3 潢川以上单元划分3 1 表4 4 潢川1 新安江模型参数表 表4 5 白露河流域单元划分3 2 表4 6 白露河率定参数表3 2 表4 7 班台以上单元划分3 3 表4 8 班台新安江模型参数表 表4 9 王家坝区间单元划分。3 4 表4 1 0 王家坝区间参数表一3 4 表4 1 l 蒋家集以上单元划分3 7 表4 1 2 蒋家集新安江模型参数表3 7 表4 1 3 横排头以上单元划分3 8 表4 1 4 横排头新安江模型参数表3 8 表4 15 王鲁区间淮北单元划分3 9 表4 1 6 王鲁区间淮北新安江模型参数表3 9 表4 1 7 王鲁区间淮南单元划分3 9 表4 1 8 王鲁区间淮南新安江模型参数表4 0 表4 1 9 鲁蚌区间淮北单元划分。4 0 表4 2 0 鲁蚌区间淮北新安江模型参数表4 0 表4 2 l 鲁蚌区间淮南单元划分4 l 表4 2 2 鲁蚌区间淮南新安江模型参数表4 l 表4 2 3 蚌洪区间淮北单元划分4 1 表4 2 4 蚌洪区问淮北新安江模型参数表4 2 表4 2 5 蚌洪区间淮南单元划分4 2 表4 2 6 蚌洪区间淮新安江模型参数表4 2 表4 2 7 2 0 0 2 年率定时段边界特征值统计。4 3 表5 1 各河段水文学模型提供的控制断面流量和区间产流过程表 4 4 表5 2 子流域及王家坝预报结果分析内容5 7 插图清单 图2 1 王家坝站实测大断8 图2 2 王家坝( 钐岗) 站实测大断面图9 图2 3 王家坝站水位流量关系线图1 0 图2 4 王家坝( 钐岗) 站水位流量关系线图l o 图2 5 润河集站实测大断面图。1 2 图2 6 润河集站水位流量关系线图。1 3 图2 7 鲁台子站实测大断面图。1 4 图2 s 鲁台子水文站水位流量关系图一1 5 图2 9 蚌埠( 吴家渡) 站1 9 9 1 年、2 0 0 3 年大断面图1 7 图2 1 0 蚌埠( 吴家渡) 水文站水位流量关系线图1 7 图3 1 新安江( 三水源) 模型流程图。2 l 图3 2 一维模型计算变量在网格上的布置示意图2 5 图3 3 淮河干流洪水预报模型集成系统的总体结构图3 0 图4 1 班台分流曲线3 5 图4 ，2 钐岗分漉啦线( 资料取自2 0 0 2 2 0 0 3 年) 3 6 图5 1 水文学模型集成框架结构4 5 图5 2 模型集成的框架结构 图5 3 王家坝以上及王家坝润河集计算结构图。4 8 圉5 4 王家坝以上及王家埂润河集计算结构图4 9 图5 5 王家坝洪水位流量关系曲线调整5 l 图5 6 子流域和区间日模型计算 图5 7 王家坝以下洪水预报一5 3 图5 8 边界流量过程修正5 5 图5 9 常规方案计算王家坝流量示意图。5 5 图5 1 0 王家坝计算结果与实测值图形显示5 8 图5 1 l 淮河干流断面水位、流量计算结果与实测值对比5 8 图5 1 2 行洪区上下口门流量过程5 9 图6 1 日雨量查询结果表格和图形 6 0 图6 2 支流流域流量水位查询结果表格和图形6 1 图6 3 干流河道数据查询结果表格稻圉形6 l 图6 4 干流闸门数据查询结果表格和图形6 2 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 盒壁王些盔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。 繇藩钐哆 一期岬铭 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王些盔堂有关保留、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。本人授权金起王些盍堂可 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 躲街勿哆 导师签名： 合格茛 签字日规御年侈月? 1 3 签字日期： t 0 0 7 年1 2 月z 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 在论文完成之际，首先感谢合肥工业大学给我这个进一步学习和提高的宝 贵机会，特别是导师金菊良教授对我的悉心指导和蒂助，借此机会向他表示衷 心的感谢! 在学习和论文的写作过程中，金菊良教授给予了我极大的关怀和帮 助，从论文题目的确定、具体工作的进展以及最后论文的撰写与修改，无不渗 透着他的智慧和心血论文有幸得到国家自然科学基金项目( 编号7 0 7 7 1 0 3 5 ) “洪水灾害风险管理广义熵智能综合分析理论与应用”的资助，以及。淮河流 域洪泽湖以上洪水预报与行蓄洪区调度系统”项目的大力支持，并得到了李纪 人教授的指导和帮助，作者特表示衷心感谢l 最后。感谢一直给予我帮助、鼓 励和关怀的领导、老师、同事和同学们l 作者：薛仓生 2 0 0 7 年1 1 月5 日 1 i 研究背景 第一章绪论 淮河是我国七大江河之一。淮河流域地处中国东部，跨豫、皖、苏、鲁、 鄂五省4 0 个市( 地) ，1 8 1 个县( 市) ，总面积约2 7 万k m 2 ，以废黄河为界 分淮河水系和沂沭泗两大水系，面积分别约为1 9 和8 万k m 2 。淮河流域地处南 北气候交绥的地带，气候变化剧烈，是极易发生水灾害的地区。进入汛期，淮 河干流中上游山区产生暴雨洪水并迅速汇集到中游，由于中游河道比降的突然 平缓，下渣不畅，治灌湖泊、洼地成为滞蓄洪水的场所。下游河网地区是一个 锅底状平原洼地，遇大暴雨极易形成洪涝灾害。由于位于特定的气候和下垫 面条件，淮河流域历史上洪、涝、旱、风暴潮灾害频繁，局部的或较大面积的 洪涝灾害时有发生，给流域经济社会发展造成楣当大的经济损失。淮河流域的 安徽省部分位于流域的中游，地处南北气候过渡地带，气候变化复杂，降雨时 空分布不均由于流域内众多支流多为扇形网状水系结构，上游为山区，洪水 汇流快；中游为平原区：下游出口处有洪泽湖顶托，洪涝灾害经常发生。尤其 是由于黄河多次改道，淮河入海水道被夺，更使淮河涣涝灾害频繁。1 9 4 9 年以 来安徽省淮河发生了1 9 5 0 、1 9 5 4 、1 9 6 9 、1 9 7 5 、1 9 8 2 、1 9 9 l 、2 0 0 3 年等7 年较 大洪水，1 9 5 9 、1 9 6 6 、1 9 7 8 、1 9 9 4 、2 0 0 0 年特大干旱。淮河流域是安徽省洪旱 灾害的重点地区，洪、旱灾害部是约3 年一遇。造成洪涝灾害的原因很多，主 要有：一是洪水来量大于河道安全承泄能力小的矛盾突出，二是淮河洪水位高， 洪泛淹没面积大、范围广。淮河进入安徽以后，除淮河南岸湖洼接丘陵岗地外， 淮河以北为一广阔平原，受淮河洪水威胁的耕地达1 6 0 0 万亩。三是行蓄洪运用 与该区人口、经济发展的矛盾突出。因此，防洪在相当长的一段时间里仍是治 淮工作面临的首要任务。 为改变过去淮河流域的“小雨小灾”和。大雨大灾”的状况，1 9 9 1 年淮河 大水后，国务院作出了进一步治理淮河的战略决策，确定兴建1 9 项治淮骨干工 程，加大了对淮河干流的治理力度。至2 0 0 2 年底，先后实魔和完成了王家坝以 上堤防加高加固；史灌河下游险工险段加固和古铜寺切滩：淮河干流王家坝至 正阳关河段河道整治，包括童元、黄郢、建湾和润赵段4 个行洪区废弃，漾洼 蓄洪区尾部退建，南润段、邱家湖和城西湖退堤；临王段淮河大堤和正南淮堤 加固；城西湖和城东湖进洪闸加固：峡山口拓宽、小蚌埠切滩、临北缕堤梅家 园段退建以及怀洪新河、包浍河治理和临淮岗控制工程等。随着这些工程的完 成，正阳关以上河段整治成1 5 0 0 2 0 0 0 m 的通畅排洪通道，有效地改变了局部 河段的束水状况，加快了洪水下泄，淮河干流的行洪能力得到了迸一步的提高， 王家坝到正阳关的洪水传播时间由原来的3 天缩短为2 天左右，两岸行洪区进 洪机遇由原来的2 3 年一遇减少到5 7 年一遇。针对淮河流域的洪水特性， 国家确立了“蓄泄兼筹”的治淮方针，在流域内兴建了一系列的防洪工程。在 山区修建水库，中游开辟行蓄洪区、整治加固堤防，下游拓宽河道，开辟入海 和入江水道，增大流域出流泄量等工程。经过近5 0 多年的治淮建设，淮河流域 基本形成了一套比较完整的防洪工程体系，使得淮河流域的河道特性和水力学 因素都发生了很大的变化，因此急需根据治理后的淮河特性研制出新的洪水预 报模型集成系统，为科学合理地调度和管理洪水提供决策支持。 1 2 研究课题及其意义 1 2 1 有利于更好地认识淮河流域的洪水规律 淮河流域近几年河道治理力度加大，1 9 9 1 年后完成的河道治理工程有：中 游的漾洼蓄洪区尾部、南润段、邱家湖、城西湖闸至陈郢子、邹台至陈咀子、 陈咀子东至上河口和寿西湖退建，退建距离在7 0 0 m 至1 6 5 0 m ，润赵段行洪区、 童元、建湾、黄郢生产圩的废弃，以上总退出面积共4 5 4 7 1 m a 2 王家坝高水测 流断面上、下游附近河道，于1 9 9 9 年初进行了清淤，左岸新河主槽河底高程平 均降低2 m 之多。上游河南省的白露河于2 0 0 0 年开始治理，标准为1 0 年一遇， 流量2 3 2 0 m 3 s 。2 0 0 2 年开始洪汝河开始河道治理，班台分洪闸复建，目前工程 尚未完工。由于以上治理，淮河干流主要控制站的洪水汇流特性从1 9 9 1 年以来 发生了较大变化。主要表现在：王家坝站淮干过水能力加大，流量比以前偏大 4 至1 2 ；淮河中游王家坝至鲁台子段高水情况下，同级水位的流量比以前偏 大5 0 0 至8 0 0m 3 s ，同流量下水位比以前偏低o 3 至0 5 m ；淮河中游王家坝至 润河集，润河集至正阳关河段洪水传播时问较治理前提前约1 0 小时左右；洪干 过水能力加大，当班台总流量超过1 5 0 0 m 3 s 时，洪干流量比以前偏大约1 0 。 由此可见，由于淮河经过近5 0 年的治理，淮河干支流的河长、河宽、河道比降 等水力学因素、河道的下垫面条件和行洪能力、沿淮的行蓄洪区和水库的运用 条件等都发生了很大的变化。因而，造成了淮河的洪水特性和行蓄洪区的调度 运用也相继发生了根本的变化。原有的水文预报方案和模型已不能适应治理后 的淮河防汛的实际需求，急需对治理后的淮河洪水特性进行重新分析研究，为 今后的淮河流域规划和水资源配置提供参考。 1 2 2 有利于更好地为防洪决策和规划运用提供决策依据 1 - 1 4 i 自古至今，水灾害一直是人们面临的最严重的自然灾害之一。千百年来， 水灾害吞噬了亿万人民的财产，造成了巨大损失，严重制约了社会经济的发展。 因此，管理水灾害，把洪水带来的损失减少到最小程度，一直是人们梦寐以求 的愿望。 为了防止洪水泛滥成灾，减少因洪水所带来的损失所采取的方法和手段目 前主要有防洪工程措施和防洪非工程措施两大类。 防洪工程措施指为控制或抗御洪水以减免洪水灾害损失而修建的各项工 程。按照工程的运用方式通常可分为可控工程措施和非可控工程措施。 ( 1 ) 防洪工程措施 1 ) 增加河道泄洪能力的非可控工程措施，主要指河道和两岸的堤防工程， 包括疏浚河道、清除河滩障碍、加宽河床断面、裁湾取直等。其主要目的在于 增大河道的泄洪能力，以便尽快把调蓄后的多余洪量排泄入海。由于河道和堤 防自身无法控制洪量进行调节，因而是非可控的。 2 ) 拦蓄洪水控制泄量的可控工程措施，主要包括防护区上、中游筑坝建库 而形成的水库防洪措施。其主要目的在于通过一定调蓄洪水能力的水库或湖泊， 使天然洪水变形，以减少下游河道过水流量，从而降低河道水位。用于水库的 泄水建筑物通常有闸门控制，可以进行人为的调洪调度，所以它是可控的 3 ) 蓄滞洪工程应用分流的可控或非可控工程措施，主要指预先建设的行蓄 洪区等。其主要作用在于将水库不能控制、河道无力宣泄的那一部分洪水暂时 滞蓄起来，根据河道当时的水情，实时排入河道，以减轻重点防洪地区的安全。 行蓄洪区的应用，常通过预先建成的进洪闸或漫堤溃破、i 临时扒口( 炸堤) 等 方式实现，所以它有时是可控的，有时又是非可控的。 ( 2 ) 防洪非工程措施 非工程措施包括洪水预报与警报、分蓄洪区管理、实施洪水保险、避洪安 全措施及转移设施等。 洪水的形成和传播特性是洪水最重要的物理属性。利用这种物理属性，能 够预见洪水的形成和发展，并在此基础上形成了洪水预报技术。 早在公元1 5 世纪，中国黄河中下游已开始利用原始的洪水预报作为防洪减 灾的重要措施。当时，沿黄河自上游向下游每1 5k m 设一驿站，每站换一队骑 手和快马，将水情不断向下游传递，由于马的速度快于洪水传播速度，所以下 游居民能提前知道洪水情况，作好防汛准备或及时撤离。 随着水库、堤防等防洪工程的兴建，为了充分发挥防洪工程的作用，现代 意义下的洪水预报迅速发展，并在洪水预报的支持下进行洪水调度，形成了洪 水预报调度系统。洪水预报调度系统现已成为防洪工程系统运行不可缺少的支 持条件。如果把防洪工程视为防洪工程系统的硬件，则洪水预报调度当视为防 洪工程系统的软件。 借助洪水预报调度系统，防洪工程可以改变洪水特性，例如削减洪峰、延 长洪水传播历时等，也可以使沿河居民有较多时间根据洪水情势采取有效防洪 措施或及时撤离将被淹没的地区。从防洪减灾实践中考察，增长预见期比提高 预报精度更为迫切和重要。 在2 0 0 4 年全国水利厅局长会议上，水利部部长汪恕诚就提出要大力推进防 汛抗旱工作的“两个转交”，即由控制洪水向洪水管理转变，由单一抗旱向全 面抗旱转变。也就是说，我们要牢固树立科学发展观，尊重洪水规律，主动协 调人与洪水关系的自然协调观和社会发展观。倘若把防洪工程措施的防洪策略 思想理解为使洪水“远离”人类，即将洪水阻挡于人类生活和生产区域之外，则 防洪减灾非工程措施的策略思想可以理解为使人类“远离”洪水。即人类通过调 整自身行为尽可能避让洪水的袭击，以达到防止和减轻洪水灾害的目的。 根据世界气象组织( w m o ) 的估计，洪水预报调度系统在全球防洪减灾中 的贡献率约为防洪总效益的1 0 一1 5 因此，研制预报精度高的洪水预报集 成系统显得尤为突出和重要，尤其针对工程众多复杂的淮河流域进行洪水预报 模型的研究一对合理制定防洪工程规划方案及洪水的调度具有十分重要的意义。 1 3 研究现状 1 , 6 , 1 5 - 2 3 】 水文预报( h y d r o l o g i c a lf o c a s t ) 作为一项重要的水利基础工作和防洪非 工程措施，直接为防洪减灾、水资源保护与合理利用、水利工程建设与管理及 工农业生产服务。纵观水文预报研究历史，最早可以追溯到公元前3 5 0 0 年，那 时人们为了生存、为了防御洪水就开始观测和研究了。早期的洪水预报研究仅 仅局限于经验计算与估计，到了2 0 世纪初期才逐渐形成了流域的产汇流理论， 比如达西( d a r c y ) 的地下水流理论、马尔凡尼( m u l v a n e y ) 的暴雨成因公式、 麦克瑟( g t m c c a r t h y ) 的马斯京根河道流量演算方法( m u s k i n g u mr o u t i n g m e t h o d ) 以及霍顿( h o r t o n ) 的下渗计算公式等。 新中国成立以来，随着计算机技术的发展与应用，大大加速了信息的传递 与处理，使得人们对水文规律的综合性研究、利用复杂模型对洪水的模拟成为 可能，水文预报技术发展迅速。到了2 0 世纪9 0 年代，除继续研究各类水文预 报模型及参数优化方法外，已在研究发展功能齐全、通用性好、自动化程度高、 使用方便的洪水预报系统。目前，流域水文模型通常可以分为三大类：( 1 ) 概 念性模型、物理模型和系统理论模型。概念性模型( c o n c e p t u a lm o d e l ) 是以 水文现象的物理概念和一些经验公式为基础来构造的，可分为集总式模型 ( l u m p e dm o d e l ) 和分布式模型( d i s t r i b u t e dm o d e l ) ，主要有蒸散发模型、 产流模型、水源划分模型、汇流模型等。( 2 ) 物理模型则是指根据物理或力学 上的一些基本定律对水文现象进行描述的模型，一般都是分布式模型，主要有 s h e 模型、t o p k a p i 模型、d b s i n 和w e t s p a 模型等。( 3 ) 系统理论模型又称系统 响应模型，一般是采用回归分析方法，又称为黑箱子模型( b l a c k b o x m o d e l ) ， 它只注重输出结果，而不考虑输入与输出的关系，主要有总径流线性响应模型 ( t l r ) 、线性扰动模型( l p m ) 和神经网络( a n n ) 模型等。 淮河流域洪水运动演进过程受到复杂河道地形和众多防洪工程的影响，因 此进行准确的洪水预报的难度很大，在技术实现和经验处理方面都存在一定的 问题。2 0 世纪9 0 年代以前，淮河流域的预报多采用降雨径流相关、相应水位 ( 流量) ，时段涨差和合成流量等经验相关方法，其预报精度尚可。但对于淮 河流域来说基于经验相关方法的洪水预报只是洪水调度的基础，要以此为基 础来迸行沿淮行蓄浃区、大型水库等模拟调度和调度方案优选，则是难以实现 的。为此，1 9 8 9 年9 月安徽省水文局与河海大学合作，研制了淮河上中游实时 洪水预报调度系统，该系统主要分为两大部分：淮河上游( 王家坝以上) 主要 采用三水源的额安江模型：中游( 王家坝至鲁台子) 则考虑到洪水调度的需要， 采用水文学与水力学方法结合的途径。该系统在1 9 9 1 年、2 0 0 3 年淮河洪水预 报调度中取得了良好的效果。1 9 9 9 年安徽省水利水电勘测设计院自行研制了淮 河王家坝“正阳关洪水演进及行蓄洪区调度模型主要是采用水力学数学模型与 水文学楣结合的技术路线，主要应用于对已知来永情况下豹各种调度方案的比 较、行蓄洪区调度研究及规划方案研究等：1 9 9 9 年2 月2 0 0 0 年1 2 月淮河水 利委员会水文局与中国科技大学合作研制开发了“淮河流域防洪、防污智能调 度系统”，系统采用水文学模型、水力学模型、新安江模型和实时校正技术， 系统包括水库优化调度和河道、行蓄洪区调度等；2 0 0 2 年水利部水文局刘志雨 先生进行了“改进的t o p k a p i 模型在淮河流域洪水模拟中的应用研究”，取得 了很好的模拟效果，但由于需要大量的水文要素和下垫面特征的时空变化等参 数，就目前的观测条件而言。还不能够实时采集缛烈，因丙限制了其在洪水预 报中的应用。 1 4 本论文的主要研究内容 论文共分七章。第一章主要介绍了淮河流域的治理情况、洪水预报技术的 研究意义以及目前的研究现状，并提出了本论文的主要研究内容。第二章分析 了治理后的淮河干流河道的行洪能力，进一步分析了淮河干流的洪水特性，为 提高实时洪水预报精度打下基础，第三章淮河治理后的洪水预报模型集成系统 的关键技术及系统结构是本论文的重点之，在大量分析治理后的淮河洪水特 性基础上，对原有的新安江的单元进行了重新划分。例如，白露河以前是作为 王家坝区间处理的，经过淮河治理后的白露河断面大大的拓宽了，已经具备了 建立独立单元的条件，此次模型研制就把自露河作为一个独立的单元来看待。 第四章针对治理后的淮河洪水特性进行了洪水预报模型集成系统的参数率定分 析。论述了针对不同流域和不同模型所采用的不同率定方法，以及针对不同的 河道特性所采取的不同处理方法。第五章是洪水预报模型集成系统的模型集成 技术及应用。第六章则是洪水预报模型集成系统的维护管理。第七章是结论与 展望。 第二章治理后的淮河干流行洪能力分析 1 9 9 1 年淮河大水后。国务院作出了进一步治理淮河的战略决策，确定兴建 1 9 项治淮骨干工程，加大了对淮河干流的治理力度，至2 0 0 2 年底，先后实施 和完成了王家坝以上堤防加高加固：史灌河下游险工险段加固和古铜寺切滩； 淮河干流王家坝至正阳关漏段河道整治，包括童元、黄郢，建湾和润赵段4 个 行洪区废弃，漾洼蓄洪区尾部退建，南润段、邱家湖和城西湖退堤；临王段淮 河大堤和正南淮堤加固：城西湖和城东湖进洪闸加固；峡山口拓宽、小蚌埠切 滩、临北缕堤梅家园段退建以及怀洪新河、包浍河治理和临淮岗控制工程等。 随着这些工程的完成，共退出面积3 9 k m 2 ，新筑堤防5 0 k m ，铲除老堤7 4 k m ， 正阳关以上河段整治成1 5 0 0 2 0 0 0 m 的通畅排洪通道，有效地改变了局部河段 的束水状况，加快了洪水下泄，淮河干流的行泱能力得到了进步的提高，王 家坝到正陬关的洪水传播时阊由原来的3 天缩短为2 天左右，两岸行洪区进洪 机遇由原来的2 3 年一遇减少到5 7 年一遇。 2 1 淮河千流洪水传播时间分析 河道断面边界条件的差异对洪水波的推移和坦化变形有着显著的影响，若 河段下断面面积比上断面面积大许多，其影响更为显著，比如洪水漫滩时，洪 水波的展开量将大大增加，致使洪峰降低，洪水传播时间延长。此外，河段在 有区闻支流汇入时，由于有旁铷入流的加入，改交了洪水波韵流量和速度，从 而使洪水波变形，其影响更为复杂。 淮河流域地形复杂，支流众多，洪水组成复杂多变，沿淮湖泊、洼地、行 蓄洪区众多河道对洪水的调蓄作用明显，加上行蓄洪区的运用，致使淮河干 流洪水的传播时间随着洪水的不同组成，其传播时间变化复杂而难以掌握。 随着1 9 9 1 年淮河大水后，国家加大了对淮河河道的治理，拓宽了行洪通道， 加快了洪水波的传播速度，因而缩短了传播时间。由于洪水波在河道中的运动 受洪水特性、河道的边界条件等诸多因素的影响。其在河道中的传播时间也各 不相同，故在分析过程中采用平均传播时间。从1 9 9 6 、1 9 9 8 、2 0 0 0 、2 0 0 2 及 2 0 0 3 年淮河干流的传播时间统计分析结果来看，王家坝至润河集的传播时间为 2 0 3 0 小时：润河集至鲁台子传播时间为2 0 3 0 小时；鲁台子至淮南传播时 间为1 2 2 4 小时；淮南至蚌埠传播时间为1 2 2 4 小时；其各段平均传播时间 分别比淮河治理前缩短了约1 l 、l l 、1 6 、8 小时。 6 表2 1 淮河干流主要站洪水传播时间表单位：h 2 2 淮河干流行洪能力分析 2 2 1 概述 河道的行洪能力是指在河道一定的水位下，能够正常通过多少流量，或者 说在一定的流量下，河道水位能达到的正常高度。水位和流量是反映洪水大小 的两个指标，也是反映河道行洪能力的两个主要指标。因此，分析淮河流域河 道行洪能力主要就是分析淮河干流主要控制站酌水位流量关系。影响水文站水 位与流量关系变化的主要因素有两类：几何因素和水力因素，这两种因素分别 影响过水断面的面积和流速。在山区河道，一般断面比较稳定，没有明显冲淤 变化的测站其水位面积关系曲线为一条单一曲线，水力因素也相对稳定，河道 洪水波在向下游的运动过程如没有顶托情况下则近似理想渠道，水位流量关系 一般是单一线关系，而在实际情况下的天然渠道中，洪水波的运动往往受到河 道冲淤变化、河道阻塞、洪水涨落、变动回水顶托以及行蓄洪、溃口影响，从 而改变了洪水波的水面比降，使断面的水位流量关系变得复杂。淮河流域支流 众多，沿淮共有行蓄洪区2 2 个，中下游有蚌埠闸控制，虽然淮河干流河道比较 稳定，但在一次洪水涨落过程中，往往受支流洪水汇入以及闸门调度等因素影 响，淮河干流淮滨以下各控制站水位流量关系线呈现复杂的绳套关系，再加上 大洪水时，沿淮各行蓄洪区的运用改变了洪水的水面比降和涨率，使得水位流 量关系更趋复杂。 淮河千流河道主要控制站的水位流量关系因受涨落差和变动回水顶托的影 响很大，水位流量关系呈现复杂的绳套关系，一次洪水同样大小的流量其涨落 水位变化，王家坝站最大可达l m 以上，而润河集可达近2 m 。因此，为了研究 淮河干流在治理后的行洪能力，对淮河干流各站的水位流量关系的涨落水进行 概化平均，采用中轴线来处理。即采用涨水和落水的平均值，作为淮河干流治 理前后行洪能力分析比较的依据。 7 2 2 2 淮河干流主要站行洪能力分析 ( 1 ) 王家坝( 钐岗) 、王家坝水文站 王家坝水文站位于豫、皖交界处安徽省境内，为淮河上游总控制站，集水 面积3 0 6 3 0 k m 2 ，干流河长3 6 0 k m ，河道比降为0 5 ，其上游右岸为淮南大别 山，较大的支流有谬币河、竹竿河、潢河、白露河等，左岸发源于伏牛山的洪汝 河。流经丘陵、平原后汇入淮1 河。下游5 5 k m 处有史河汇入。 王家坝有两个测流断面：中低水断面和高水断面。中低水断面位于王家坝 基本水尺断面处，宽4 2 6 m ；高水断面位于中低水面断下游2 k m 处的张湾，宽 9 8 0 m ，断面比较稳定，冲淤变化不大。当淮河水位超过2 8 m 时中低断面失去控 制，启用高水断面。王家坝站总流量是由淮河王家坝、官沙沏分洪道、王家坝 进水闸和洪河分洪道地理城等4 个断面流量组成。官沙湖分洪道王家坝( 钐岗) 断面宽1 9 0 0 m ，为宽浅复式河床。当淮河干流流量超过3 0 0 m 3 s 对，官沙湖分 洪道开始过水，水位在2 6 3 0 2 7 o o m 时漫滩，受洪水涨落影响和其下游支流 史河汇入顶托的共同影响，王家坝( 钐岗) 和王家坝站水位流量关系曲线为 逆时针绳套曲线( 参见图2 1 图2 4 ) 1 i i 一一? 1 气 随。一一一匕型r b f 一飞 f 气 fif 甑j 。 lj i 一强ko lf 1 v ol o o2 0 0 3 0 0 4 0 05 0 06 0 0 7 0 0 8 0 0 起篇印( ) l o o o 图2 1 王家坝站实测大断面图 8 札四剪龉驵憎坫 3 哗惺延霹 名3 2 蚤3 0 坦 差2 8 2 6 2 4 2 2 2 0 ill = ：引 一、nk 。一一 i j 1 i v l 0 2 0 04 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0 1 8 0 0 2 0 0 0 起点距( - ) 图2 2 王家坝( 钐岗) 站实测大断面图 1 9 9 1 年淮河大水后，对淮河干流王家坝至正阳关段河道进行了整治，于 2 0 0 0 年底前先后完成了童元、黄郢、建湾、润赵段4 个行洪区的废弃，潆洼蓄 洪区尾部退建，南润段退堤等工程，将正阳关以上河道整理出一条1 5 0 0 2 0 0 0 m 宽的行洪通道。从1 9 9 1 年和2 0 0 3 年的水位流量关系线可以看出，王家坝( 钐 岗) 和王家坝站1 9 9 1 年的水位流量关系线比2 0 0 3 年水位流量关系显得宽胖， 2 0 0 3 年的水位流量绳套关系线在水位超过2 8 o m 时明显偏右变窄，1 9 9 1 年洪 水涨落同一级流量的水位差最大可达2 6 0 m ，而2 0 0 3 年最大也只有1 4 m 的左 右。由于受童元、黄郢、建湾行洪区废弃和漾洼蓄洪区尾部退建影响，使得王 家坝站下游的河段变宽，增加了洪水水面比降，其河道过水能力加大，当水位 超过2 8 o m 时。同一级水位2 0 0 3 年水流量比1 9 9 1 年大1 1 0 5 6 0 m 3 s ，而同一 级流量下2 0 0 3 年的水位比1 9 9 1 年水位降低o ，2 m 左右( 见表2 2 ) 。王家坝( 钐 岗) 站在高水段( 水位超过2 8 m ) 相同水位条件下2 0 0 3 年的流量比1 9 9 1 年增 加3 0 0 1 0 0 0 m 3 s 不等。从王家坝( 淮干+ 钐岗+ 王家坝闸) 站历年的洪峰水位 和洪峰流量关系来看，淮河干流王家坝至正阳关段河道治理后的点距大部分偏 右，高水时相同水位条件下的流量比治理前增加5 0 0 1 2 0 0m 3 s 不等。当然， 对不同洪水组合、底水情况、工程的运用及下游洪水顶托程度的不同，其影响 程度也不尽相同。 9 3 0 省 i 2 9 * 2 8 2 7 2 6 2 s 2 4 2 3 2 2 土 气：童二! f母：! ；j 二贮互赣菱渤_ p + 一 成劳= 萨 f 秽饧 ：r 一 0 ? 。备雇峙 f 一 j j ：。 1 鲈7 - - - 1 9 9 1 年o 二簪。_ o 一2 0 0 3 年l o 3 0 v 2 9 捌 * 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 5 l o 1 5 2 吣o2 5 0 0 3 0 0 03 5 0 04 0 0 a 谴量( m ，i ) 图2 3 王家坝站水位流量关系线图 - 。二- - 二二墓裂垂夔酽- 一奇 ， 一鬯妒旨匆毒铲 ! 兹多 ： 一 幕l 二二2 0 0 3 + 年 叠 l 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 0 0 0 流量c m 3 s ) 图2 4 王家坝( 钐岗) 站水位流量关系线图 表2 2 王家坝站不同水位级2 0 0 3 年与1 9 9 1 年流量比较表 1 0 表2 3 王家坝站不同流量级2 0 0 3 年与1 9 9 1 年水位比较表 ( 2 ) 润河集水文站 润河集水文站为淮河中游控制站流域控制面积40 3 6 0 k m 2 。其上游北岸 为平原，植被覆盖较差。主要有谷河和润河汇入，洪水缓慢平坦；南岸多为山 地，植被良好，由史灌河汇入，洪水暴涨暴落。从王家坝到润河集区间