（水利工程专业论文）水利工程水情自动测报系统设计研究.pdf

西安理工大学工程硕士学位论文 水利工程水情自动测报系统设计研究 扔 7 缈 摘要 随着我国 各项建设事业的发展 帼民经济各个部门对水情预报提出的 要求越来越高 现阶段 通信 计算机 网络等技术的迅猛发展 使及时采集 传输 处理和预报水情得以实现 近几年 一大批水文水情自动测报系统已在水 利水电枢纽上建立 成为洪水预报和调度的重要组成部分 发挥着越来越重要的 作用 水情自动测报系统是采用现代电讯和计算机等多学科知识对江河流域的水 文信息进行遥测 传输和处理的水文自动化系统 包括数据采集系统 卫星通信 系统和计算机网络系统等硬件系统与标准结构预报模型和数据库等软件系统 本 文对常用预报模型特点进行分析 阐明了预报模型的原理 特别针对我国北方典 型的融雪补给为主的河流流域着重阐明了融雪径流预报模型的方法 原理 提出 了 模型结构一参数法 的建模思想 即对模型采用标准化和模块化的开发方法 利用各种基础标准结构模型的组合 为各个不同的测站建立预报模型 模型全部 参数由系统利用自动优化方法一次性自动优选出最优值 在进行预报计算时 读 取不同预报站的对应模型组合信息和模型参数即可 同时本文设计了水情自动采 集系统 实现了数据的自动采集 通过卫星信道将中心主站和数个远端遥测站组 成有卫星链路的计算机广域网 实现了远端一星小站与主站的数据通信 建立了 西安理工大学工程硕士学位论文 功能强大的数据库 具有可扩充性和可维护性 并为其它子系统提供数据接口 提供数据交换服务 这样就组成了一套完整的水情测报系统 关键词 水情预报自动测报系统模型通信系统计算机网络 西安理工大学工程硕士学位论文 d e s i g no fa u t o m a t i cf o r e c a s ts y s t e m f o rf i o o d i nt h eh y d r o p o w e rp r o j e c t 咖岬叶 l a b s t r c t j w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa l l d c o u n t r y a l ld e p a r t m e n t s r e q u i r e m e n to nt h ef l o o d w a t e rf o r e c a s ti s m o r e a n dm o r ei n l p o n a i l t a tt h ep r e s e n tp h a s e a sr a p i d l yd e v e l o p i n gi n c o m m u n i c a t i o n s c o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c t l n o l o g y w ec a c a r r yo u tn o o d d a t ac o l l e c t i o n t r a n s m i s s i o n m a n a g e m e n t 壮dn o o d l a t e rf o r e c a s t a t r e c e n ty e a r s al a r g en u m b e fo fn o o d w a t e r 孤t o m a t i cf o r e c a s ts y s t e m sh a v e b e e ns e tu pi nt h ew a t e ra n de l c c t r i c i t yh i n g e s a n db r o u g h ti n t op l a ym o r e a i l dm o r ei m p o r t a n t如n c t i o na sn o o df o r e c a s ta n dc o n t r o ld i s p a t c h i m p o n a n tp a n t h en o o d w a t e r 肌t o m a t i cf o r e c a s ts y s t e mi s ah y d r o l o 百c a u t o m a t i cs y s t e mi n v o l v i n gm a n ys u b j e c tk o w l e d g es u c ha sm o d e r n t e l e c o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t e re t c w h i c hc a nt e l e m e t r y t r a n s m i ta 1 1 d d c a l 砌h y d r o l o g i cd 越ao ft h er i v 盯b 勰i n i ti n c l u d e s 岫a c q i i i s i t i o n s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n sa n dc o m p m e rn e t w o r ke t c h a r d w 盯es y s t e ma n d s t a n d a r ds t r u c t i l r ef o r e c a s tm o d e i 锄dd a t a b 嬲ee t c s o f t w 缸es y s t e m a f t e r s p e c i a i l y 姐a l y z i n gt h ec h m c t e ro fs o m ef o r e c a s tm o d e li nc o 衄o nu s e 西安理工大学工程硕士学位论文 t h i sp 雌搴ri l l u s l r a l e sf 砖e a s tm d l 也e o f ya n 建s p e c i a l yi l l u s t f a 把st h e t h a wn o wf o r e c a s tm o d e lm e t h o da n dt h e o r yo ft h et y p em a u n t a i nv a l l e yo f 也a wi n魉e r 魄o fo 珏re o 韬埔攀雒d b f i 矗g s勤h 删 氆o d 嚣l s t r u c t u r e p a r a m e t e r m e t h o d m o d e l i n g i d e a n a m e l ya d o p t i n g s t 粒d 嚣d l z a t i o 珏 矗整dm o d u l a 畦z a t i o 纛 d e v e l o 爹擞e 戤 m e t 轰o d r m o d e l c o m b i n i n gk i n d so fb a s a ls t a n d a r ds t r u c t u r em o d e l s s e t t i n gu pt h ed i f f 色r e n t 灸f e e 鑫s 耄m o d e l so f 攒f r e n ts 毽f v e ys t a t i o n s a l lp a f 黝e l e f si 琏t h em e d e l s e l e c t e db ya u t o o p t i m i z i n gw a yo ft h es y s t e m w h e nf o r c c a s t i n g i ti s f c a s 溽l et 魏a tl h em o 畦e lc o 氆b i 精越l o na 珏d 争射a 糙e t e fo fd i 甄羚n ts 畦f v e y s t i o na r ei n p u n e di n t 0t h es y s t e m f u r t h e r m o r e t h i sp a p e rt h e o r e t i c a l l y s i g 珏sd a 曩曩u t 一鑫c 壤醛i s i 重主o np a 牲 f 嚣a l i z e sd a 瞳巍鑫珏l o c o l l e c t i o 珏 a 珏dl i 摭k s c e n t e rs t a t i o n 姐dc o u p l e st e l e m e t i 了s t a t i o na sc o m p m e rn e tb ys a t e l l i t e e b 矗玎n e l a 珏dr e a l i z e sd a 耄a 拄鑫攒cb e t w e e ns a l e l l i t ew a ys t 鑫t l o l l 毒珏dm a 至建 s t a t i o n a n dd e s i g n sb i gd a t a b a s ew h i c hh a se x t e n s i o n a la i l dm a i n t a i n a b i l i t y a 醚p 辩v i 氐s 妇妇l i 液e f 融 氇e rs 毽b s y s t e m8 n 嬉如攮e x e h 馘黔磊垃c t 主 鞋 1 鞋 t h i sw a yas e to fw h o l eh y d r 0 1 0 9 i ca u t o f o r c c a s ts y s t e mi ss e tu p k 譬黼1 d s lh y 苏o l o 瘿e 岛f e e 鑫s t a 越锄a l i el e l e 氆e f y 稻r e e 鑫s s y s t e 撒 f o r e c a s tm o d e l c o m m u n i c a t i o n s c o m p u t e rn e t w o r k 综述 1 综述 1 1 水情预报的发展 我国江河众多 蕴藏着丰富的水利资源 解放前的长时期内 由于历史的原因 水利 建设事业进展得非常缓慢 水文工作远未受到必要的重视 新中国成立后 由于防洪斗争 的需要 推动了洪水预报工作的大发展 对不同自然地理条件f 的雨洪预报 冰情预报 枯季径流和旱情预报的理论和方法 进行了不同程度的研究和探索 积累了许多实际经验 在实际的防洪抗旱工作中 发挥了很好的作用 实践证明 水情预报在国民经济建设中 确实能发挥很好的参谋和耳目的作用 随着我国各项建设事业的进一步发展 国民经济各 个部门对水情预报提出的要求越来越高 不仅要求定性 而且要求定量 并且要求及时 准确 现阶段 通信 计算机 网络等技术的迅猛发展 使及时采集 传递 处理和预报 水情可以实现 近几年 水情测报自动化系统是主要发展方向 一大批水文水情自动测报 系统已在水库 水利水电枢纽上建立 成为洪水预报和调度的重要组成部分 发挥着越来 越重要的作用 1 2 系统建设的意义 洪水对人的生命财产及工农业生产造成的损失是巨大的 新中国成立以来 各地修建 了大量的防洪工程 取得了重大成就 但每隔数年 总要发生较为严重的洪水灾害 如1 9 5 4 年长江中下游 1 9 5 8 年黄河下游 1 9 6 3 年海河 1 9 7 5 年淮河 1 9 8 3 年汉江安康 1 9 9 8 长 江和松花江大水等都造成了重大的损失 随着洪水威胁区的人口和社会经济的发展 洪灾 范围和经济损失均呈现上升趋势 此外 因水情不明 水电厂房水淹的事故也时有发生 信息是决策的基础 缺少信息或信息不全不准就无法对防汛抗旱及调度的形势和问题做出 水情自动测报系统概述 正确的判断 无法制定科学的方案 就会贻误战机 造成不必要的损失 在一时无法采取t 程措 旆的情况f 建设水情自动测报系统是投资少见效快的重要手段 水情自动测报系统对水资源管 理 水电厂水库洪水的安全经济调度都有重要的意义 水情自动测报系统是采用现代科技对江河流域的水文信息进行遥测 传输和处理的水文自动 化系统 它综合水文 电讯和计算机等多学科某些新近成果 用于解决相关的水情测报问题 它 的出现己大大地改变了过去只靠人工测报水情资料的落后状态 极大的加速了测报速度 提高了 预报精度 也扩大了测报范围和内容 动态实时的监测着流量 水位 泥沙等水文要素 对水利 枢纽工程设计 建设时期的防洪渡汛 安全施工及建成后的正常运行 安全渡汛 电厂经济运行 和科学管理具有不可替代的重要作用 2 水情自动测报系统概述 2 1 系统组成 水情自动测报系统由遥测站 中继站和中心站三部分组成 其中遥测站分为观测雨量参数的 雨量站 观测水文参数的水文站和观测气象参数的综合气象站 中继站选择超短波 微波和有线 中心站计算机采用对等互联或基于服务器的局域网 易于以后的扩展 保护现有投资 2 2 系统特点 i n d o s 中文操作平台 友好的人机界面和丰富的图表图形 可根据实际情况 选择不同的通信方式 可靠的设备配置 先进的通信组同和科学的防雷可靠性设计 全天候的可靠工作 系统的硬件和软件具有高可靠性 可扩展性 适应性 兼容性 通用性 使之规范化 标 2 西安理工大学工程硕士学位论文 准化 系统容量大 易扩展 保护现有投资 系统留有与其它计算机系统的接口 具有向系统外部传输各种信息的功能 2 3 系统的可靠性 水情自动测报系统最大的特点是工作条件恶劣 如狂风暴雨 雷雨交加 越要求其发挥 作用 因而千方百计保证系统的可靠性 特别是工作在恶劣环境下的可靠性是系统设计和 设备配置的主旨 为此 应在可靠性方面作如下的工作 选用自报式工作体制 1 这种工作方式的固有特点是野外遥测站简单可靠性高 因而选用自报式体制在系 统设计上保证了系统具有较高的可靠性 2 数据传输网简单 信道指标留有充分的余量 中继站的交通条件较好 不仅保证 系统的可靠性有利 也为系统的安装和运行维护提供了便利 3 设备配置方面坚持从优原则 关键设备选用原装进口 如通信机和传感器等 部 分设备选用国内名牌厂家的产品 以确保设各在恶劣的野外环境下能长期正常工作 4 遥测站 中继站选用封闭的供电方式 可靠的供电方式是设备正常工作的前提 封闭的供电方式 免除了外界 电力线和雷 电等的干扰 的影响 简单 可靠 维护容易 5 有效的防雷措施 水情自动测报系统中 应当采用防雷技术 且防雷措施的好坏 对系统的可靠运行影 响极大 尤其是系统的中继站防雷 若不给于适当的考虑 常常会因屡次遭受雷击而使系 统处于瘫痪状态 西安理工大学工程硕士学位论文 6 野外站点的委托看管和防人为破坏措施 系统的所有测站均建在村乡镇上 有人看管 可有效地防止人为破坏面导致的设备异 常 系统中继站除采用有效的防雷措施外 防人为破坏措威也十分重要 故应采用有效措 施 防止人为破坏 这也是保证系统可靠运行的重要因素 7 技术培训和完善的服务功能也是系统可靠运行的不可缺少的部分 8 所选用的设备必须适用于野外恶劣环境 必须按无人值守连续运行进行设计 损坏 9 为保证系统的可靠性 必须采用省电设计 因为耗电过大的设备往往寿命短易于 2 4 系统的应用范围 水电站 水利枢纽的水情自动测报调度系统 江河及其流域的水情自动测报调度系统 城镇和乡村防洪除涝自动化系统 供水与捧水监测自动化 水库调度自动化 水位 水压 水流量监测 无线 有线数据通信系统 污水监测自动化工程 闸门自动监控系统 2 5 设计原则 依据 水情自动测报系统设计遵循的原则如下 西安理工大学工程硕士学位论文 a 保证系统设计的规范和可靠 根据有关规定和规范 设计本水库的洪水调度自动 化系统 每个环节自始至终都把可靠性放在第一位 因为高可靠性才是保证实用 先进和 高度自动化的基础 b 系统设计保证具有通用性 开放式系统设计 允许不断采用最新技术的单元与设备 保持系统与技术发展同步 c 本系统与单位内的其它系统 本系统与外部系统之间的界面力求清晰 减少系统运 行中发生的矛盾和冲突 d 系统设备选择以结构简单 维护方便 性能先进 可靠性高 省电等要求 选择可 靠性高并有一定运行经验的设备 e 系统工作体制及组网方式力求简单 可靠 f 系统应考虑到流域的联网运行 为今后的发展及其它网络和上级主管部门留有通信 接口 本系统设计依据 a 中华人民共和国行业标准s l 一6 卜9 4 水文自动测报系统规范 b 中华人民共和国行业标准d l t5 0 5 卜1 9 9 6 水利水电工程水情自动测报设计规定 c 国家防汛指挥系统工程水情分中心设计指导文件 d 水文站网规划技术导则s l3 4 9 2 e 水文自动预报系统通行电路设计规定s l1 9 9 9 7 f 全国防洪调度系统开发报告 g 超短波电路设计手册 水文站网规划 h 电信传输手册 i 计算机质量管理和质量保证标准i s o9 0 0 0 一3 9 7 j 国家防汛抗旱指挥系统水情分中心示范区g i l a t 卫星小站的设计 k 卫星通信工程手册 3 水文站网规划 3 1 观测信息资料要求 水情自动测报系统成果的精度受观测资料质量的影响很大 水情自动测报系统要求观 测资料要有代表性 可靠性 连续性 准确性和及时性 对资料系列较短 代表性较差 就应插补和展延系列 使其代表性提高 对原始资料应进行复核 对整编成果等进行分析 使预报工作建立在可靠的资料基础上 及时 准确是水情自动测报系统高效的要求 3 2 站网类型及分布 站网就是测站在地理上的分布 是按一定的科学原则布设在流域的合适位置上 把测 站有机的联系起来 发挥出比孤立存在时更大的作用 站网类型可分为水文站 雨量站 气象站等 站网的布设是以最经济 合理的测站数 搜集流域中各种水文要素变化信息 并以能 满足内插流域中任何地点水文特征的需要为原则 一般布设在大支流汇入后的干流上 经 常发生洪水的 众多支流入汇后的干流上 水利工程的上下游等地点 雨量站 气象站的 布设还应考虑流域气候 下垫面等自然地理因素 另外 站网的布设必须考虑流域地形地貌特点 径流特性 洪水成因及特性等等因素 必须与常用的分析预报方法相适应 满足预报精度的要求 必须与搜集资料的手段相适应 6 水情预报模型及方案 同时 还应考虑交通便利 便于维护及避免人类活动对站网的影响 4 水情预报模型及方案 4 1 各种预报模型的特点 一般的预报系统采用的一些基本产汇流模型和河道汇流模型 主要有 流域产流模型 径流相关模型 1 p p a r 模型 2 p p a r 模型 3 p f 一r 模型 蓄满产流模型 1 单层蓄满产流模型 2 双层蓄满产流模型 上述模型还分抛物线型和指数型两种 三水源新安江模型 大伙房产流模型 库区赢接径流 流域汇流模型 经验单位线模型 线型可以是1 0 m 1 m 单位线系数可用小数点和百分比表示 模式单位线模型 用单位线特征和汇流特征参数表示 大伙房汇流模型 西安理工大学工程硕士学位论文 上述产汇流模型可以根据流域的特点不同 进行任意组合 也可对模型结构进行局部 调整 河道汇流模型 流量错时段叠加 马斯京根法演进 汇流系数法 目前国内外的洪水预报方法 主要是依据上游已出现的水文情况和己降落在地面上的 雨量 采用流域和河道内的流体力学和水量平衡原理 借助土壤 地貌 河网及水库的特 征进行产流和汇流演算 计算出下游断面的水位 流量过程 包括洪峰和总量 洪水预报通常要经过产流预报 汇流预报 实时校正预报等几个过程 因此 一个预 报站洪水预报模型的建立 一般要包含以上几种模型 另外 洪水的发生与河流水量的年 季变化 气候条件 降雨分布等有相当大的联系 从历史上看 各流域的典型洪水发生时 的气象等情况基本相似 因此历史洪水数据可供实时预报参考 在同一预报站中 不同的 模型对不同情况下的洪水预报精度不同 因此 一个预报站的洪水预报模型应该提供几种 备选模型 以满足不同的需要 尽可能提高预报精度 4 1 1 融雪径流预报模受 我国北方有许多典型的冰雪融水补给为主的河流 如东北 西北山区河流 陕西省秦 岭太白山就是典型的融雪流域 其径流与气温有较好的关系 季节性的积雪 一般是与季 节性冻土并存 由于积雪和冻土热交换和水分运动的复杂性 致使融雪径流也具有极其复 杂的物理过程 融雪径流预报 主要是运用热量平衡与水量平衡原理 搞清雪层与土层及 西安理工大学工程硕士学位论文 水分变化的动态规律 然后建立定量计算方法和编制预报方案 a 融置出水量预报 融雪出水量预报方法有两类 一是根据积雪实测资料计算 二是根据热量平衡原理建 立公式 计算 当区域内具有一定线路进行的定期积雪实测资料 或具有遥感资料时 利用下式 s d r d p 式中 s 一t 到tz 时段内融雪出水量 m m d d 一t t 时刻的积雪水深 m m p t 到t z 时段内降水量 m 在实际工作中 积雪测量很难每天或二 三天一次 因此此法除在小面积流域外 一 般只能近似估算 热量平衡法 s 嗵 一h h h h h j f p c g 式中s 一融雪出水量 p 一水的密度 c 一冰的融解度 h 一由太阳的短波辐射给雪面的有效热量 h 一从雪面到天空的长波辐射散失热量 也一从大气传导给雪面的热量 h 一由水汽凝结 或蒸发 一 的热量 西安理工大学工程硕士学位论文 h 一降雨供给的热量 h 一大地传导的热量 此式虽然严格考虑了积雪层热量平衡 但需要测量的因素很多 且不易测定 而且在 流域上 由于地面高低不平 植被分布不均等因素 计算精度不高 在实际的预报中 应用较多的是气温系数法 气温不仅是直接反映融雪热量的指标 也是间 接反映辐射 风和湿度等因素 是一项综合性指标 气温与融雪水量之间的关系式如下 n e 丁 式中 d 一融雪水深 t 一累计正气温 c 一融雪系数 由于地面气温随高度增加而降低 因此在估算融雪时 应考虑计算区内的气温变化 尽可能的使用参证站的气温 当已知参证站气温 流域面积 高程曲线 平均融雪高程 则可根据气温随高程的假定变率确定发生融雪的面积 令融雪区内有代表某高程增量的部 分面积与全流域面积的比为0 相应部分的累计正气温为t t j 则全流域加权平均的累积 正气温为 r 屈f 1 由此式可推求流域平均融雪水深 b 径童馕报 融雪径流预报除了考虑雪水外 还要考虑地下蓄水量 前期土壤缺水量 融雪期降水 1 0 西安理工大学工程硕士学位论文 量等 融雪径流的预报方法主要是研究融雪期产流的扣损方法 绘制融雪径流关系 推求 融雪径流深 融雪径流关系 我国融冻地区融雪 降雨 径流关系如下 r f p s s 式中 r 一融雪径流总量 m m p 一融雪和降水量之和 s 一一流域起始蓄水量 s 一流域最大蓄水量 m m 其中 s 是随土壤深度而变化 并反映包气带厚度的参数 开始融冻时 冻土不 透水层接近地表 s 近似于0 产流面积接近全流域面积 随着冻土融化 包气带厚度 增加 s 随着加大 产流面积相应减少 当冻土全部解冻后 包气带厚度及s 达到 最大值 水量平衡计算法 在春季河川径流主要由流域积雪融水补给的地区 建立水量平衡计算加实时修正的方 法来确定径流量 水量平衡方程如下 r r r a i p p b r a p p b 一r 一r 式中 r 一预报径流总量 西安理工大学工程硕士学位论文 r 一前期冬季径流量 m m r 一在预报时段前定出一段检验期 此值为检验期内的径流量 m p 一冬季流域降水量 p 一检验期流域降水量 m m a b 一系数 先由此基本方程算出r 后 在经过下面三步修正 第一步修正公式为 式中 e 一第一次修正值 c 一系数 e 一检验期预报值和实测值之差 检验期预报值由下式求得 r a p p b 一r 第二步修正公式为 er 2 a2 t b2 式中 e 一一一第二次预报修正值 t 一热力因素 a b 一系数 第三步修正公式为 e r f t f p f 西安理工大学工程硕士学位论文 式中 en 一一第三次预报修正值 t 一预见期内的预报气温值 p f 预见期内的预报降雨值 m m 4 1 2 产流预报模型 a 蓄满产泣模基 蓄满产流法认为降雨在包气带土壤含水量未达到地表持水量以前不产生径流 净雨 当土壤水分达到地表持水量之后 开始产生径流 且此时的降雨将全部变为净雨 其时下 渗能力已是稳定下渗率 蓄满产流以满足包气带缺水量为产流的控制条件 建立蓄满产流模型 某点土壤在蓄满前p 卜 o 某点土壤在蓄满后 p e w 卜 0 于是产流总量的水量平衡方程可写成 p r l 一霄0 或r p 一 w 卜 0 3 1 1 3 1 2 3 一i 一3 3 一l 一4 上述式中 p 为扣除雨期蒸发e 的净剩降雨量 r 是总产流量 0 1 分别是时段始 末的土湿 i 下式中 为某点的田间持水量 若要把总量r 划分为地面径流r s 和地f 径流r g 两部分 则按动力方程有 r s p f c r g f c 式中f c 为下渗方程中的稳定入渗量 是常数 3 一l 一5 西安理工大学工程硕士学位论文 为研究全流域产流量 引入蓄水容量分布的概念 根据经验 蓄水容量曲线以b 次抛 物线型比较合适 参照图4 1 a n f f f 1 一 1 一w 冒 8 3 一l 一6 式中与图中的b 是曲线形状系数 0 是降雨前流域平均蓄水量 p 0 是与 0 相应的纵 坐标值 表示流域平均以蓄水量折合的降雨量 p 是时段流域平均降雨量 已扣除雨期蒸 发 下同 w 是本时段流域平均蓄水量的增量 r 是时段产流总量 从图4 1 a 积分 可算得 砌 f 形留 f f 矽 1 p o 肜锄 1 一 1 一形o 砌 1 7 口 1 3 十8 当p 0 则产流 否则不产流 若p p o w m 则全流域蓄满产流 r p 一 w m 一 0 3 一l 一9 3 一l 一1 0 这个关系的重点是雨强对产流量没有作用 只取决于p 与们 径流产流系数等于产流 面积与全流域面积之比 即 d r d p f 0 f l 一 1 一 w m 模型中若不分水源 参数只有两个即h 与b h 是流域很干燥时的缺水量 代表流域 的干旱程度 是气候因素 可用流域久旱无雨后的一场使流域蓄满的大暴雨 径流资料推 求 b 代表流域蓄水容量分布的不均匀性 b o 分布均匀 b 1 为斜直线 b 1 为下缓上陡 1 4 西安理工大学工程硕士学位论文 凹形线 b 8 0 e m w 删 e u e m 霹则e u w u e l e m e u 鬻1 鬻l 瑚 式中 e u e l 分别是上 下层蒸发鬃 这种模型嗽一层模型好些 但久早之詹w l 很 小 若仍不降雨 则计算e l 可以很小 戗实际由于植物搬系作用 潆屡永分将供绘蒸发 也不合适 因此提出三层横聚 三层模型 把 分为 u m 胃1 m 和深屡w d m 前两腰的蒸散发与二层模型相嗣 但只 计算到e l ce 鞋为止 c 对策一流域为一常数 如计算e l c 脒 酆 l c l m 则取 l c 秘 但翎当时 l c 糯 已不够蒸发时 则取e 扣 l e d c e h e u 一e l 蒸散发能力e m 的推隶 目前一般采掰多年平均值绒水面实涓值 c 降雨径藏捆关法 这种方法怒通过对历变实测洪水赍辩的分析及必要豹参数计算 褥出降雨和产流的相 关关系 常用的形式有 r f p p a 和r f p p a 其图璐规律如图l b r 怒产流量 p 怒降雨量 融艇前期影响黼鬻 式中 一1 7 茜安理工大学工程硕士学位论文 p kp 1 k 2p 2 k p 15 p 一一t 日开始时的土壤含水量 p 一一前一天的日雨量 p 一一前1 5 天的日雨量 k 为蒸散发折减系数 不同的月份选用不同的k 值 p a 主要反映了土壤的干湿程度 一股来说 p a 的计算是从汛期起 通常为5 月1 日 连续计算至最新时刻 当出现暴雨时 便以累积降雨 p 次雨前p a 值查相关图 求出时 段末累积产净雨量 r 本时段末与前一时段末的累积净雨之差就是本时段的净雨量 现在 可以在参数 m b 确定以后 按公式 3 一卜9 3 一卜1 0 计算净雨 不需查图 不仅占机 容量小 而且计算迅速 4 1 3 汇流预报 流域汇流包括坡地和河网汇流两个阶段 坡地汇流是指水体在坡面上的运动 然后补 给河槽 沿河网继续运动 进入河网汇流阶段 a 垃地 蕾 坡地汇流阶段 主要采用不同的经验单位线法 把单位线分成几种不同的类型 根据 不同的降雨分布规律选择相应的单位线 经验单位线法是假定净雨在面上均匀分布 将流 域作为整体 不考虑内部的不均匀性 又假定净雨与其所形成的流量过程之间的关系符合 叠加性 将汇流视为线性不变系统 由假定可知 净雨r d 出流q d 与单位线q 之间的关 系如下 1 8 西安理工大学工程硕士学位论文 qd 式中 i l m 为净雨时段数 q 及q 以m 3 s 计 单位线实际上就是线性系统的 脉冲反应 即输入一个脉冲时的出流过程 b 河道j 亡泣演算 河道汇流是不稳定的水力学问题 流量演算法是在圣维南方程组进行一些简化的基础 上 利用河段的水量平衡原理和蓄泄关系把河段上游断面的入流量过程演算成下游断面的 出流量过程的方法 这种方法在河段短期洪水预报和河道洪水分析计算 包括有支流汇入 以及有分洪 蓄洪措施的河段 中都被广泛采用 基本方程有两个 即水量平衡与槽蓄方 程 等一 d d 等 一 矽 k 1 一z d k q 3 一l 一1 7 3 1 一1 8 其中 是河段蓄水量 槽蓄量 i i 是计算时段始 末河段的入流量 t 是计 算时段长 o o z 是计算时段始 末河段的出流量 q 称为示储流量 x 为流量比重因素 表示上下游断面流量在槽蓄量中的相对权重 k 为蓄量常数 联解 3 一卜1 7 和 3 一卜1 8 二式 得 d2 co 2 c l l c2 d 确定k x 值后 将k x 和时段 t 代入式 3 一卜1 8 就可由入流洪水推求下游断面 1 9 一 g d r m h 缸 缸怄蒜 缸们棚 等 等 嚣安理工天学工程疆圭学霞论文 出流过程 通常 k x 值的确定可以采用经验法 通过对各种典型历史洪水资料的分析和 攀定推算出来 4 2 因地制宜的预报模型建焱 4 2 1 覆报模垂的建立 为了能宠分了解洪水臻报模型的构成 以便确立合透的建模方法和管理模式 一f 面就 一个典型洪水预报模型进午亍分析 如图4 2 所示 一个预报站的洪水预报分为两犬部分 上游来水预撒和区间降雨洪水预报 预搬攘型的构成也是两大部分 上游来水预报和区间 降雨洪永预报 对于上游采水预报来说 主要应用河道流量演算模型 通常有掰大焱 河 道特征河长分段连续流量演算法和马斯索掇流量演算法 对于区间降褥洪水预报丽亩则要 分为产流预撤和汇流预报糟部分 每一部分还要再具体诞分不同的模型 产流预报模型有 藿满产流模型和超渗产流模溅 汇流模型有单位线法和等时流线法 在具体应用中鬻满产 流模型还有蒜种不同豹形式 注意到所有的洪水预报搂塑都由这些横禚或部分模型组成 那么 不同的预报站的洪水预报模型区别在什么地方嬲 通过对具有相同结构的举同预报 模型进行对魄发现 模型中所用的参薮不词 目前就我凋而言 正在使用的洪隶预报概念 模型种类大致是稳定不变的 不同的预报站所甩的模型都是由这些概念模型中选用的 也 就是说 在誉网强摄鲇摸獯的建立与使增进程中 各个蜜际模型闻宥搬大的重复粒瘦 若 采用常规建横方法不但工律爨过大 而实际上也无此必要 我们完全可以把模型的结构与 其俸的模型参数分开 其铩窝各类模型鹩结构信息及计撵方法 供不两预擐站的建模时选 用 这样对于不同的模型我们只需要保存模型结构的选用信息和具体的模型参数 无须再 傈存庞大的模型结构律及计算方法 2 0 一 西安理工大学工程硕士学位论文 由上面的分析 提出了 模型结构一一参数法 为各个预报站进行建模 即 给出各 种基础结构模型及计算程序 并把各个基础模型的输入输出规则标准化 把参数集也作为 一项标准的输入项输入到模型中 在建模时 首先从各种基础结构模型中选出合适的模型 结构 再为其确定具体参数值 在进行不同预报站的预报计算时 读出不同预报站的对应 模型组合信息和模型参数即可 某 预 报 站 总 的 洪 水 预 上 游 来 水 预 报 区 间 降 雨 洪 水 预 报 应 用 一 模 型 应 用 一 模 型 河 道 洪 量 演 算 模 降 雨 径 流 流 域 模 可 用 模 型 可 用 模 型 特征河长分段连续演算模型 马斯京根分段连续演算模型 产 流 模 汇 流 模 图4 2典型洪水预报模型分析 蓄满产流模型 超渗产流模 单位线法 等流时线法 采取这种建模方式大大提高了模型可重用性 减轻了众多模型在计算机中的存储及维 护负担 如果发现某一模型块出现错误 只需要修改一个模型块就可以修改整个系统中用 到此模型块的所有洪水预报模型 在本系统中对模型采用标准化和模块化的开发方法 利用各种标准结构模型的组合 为各个不同的测站建立水情预报模型 模型全部参数计算由系统利用自动化优化方法一次 性自动优选出最优值 避免了人工试错的主观误差井节约了大量时间 西安理工大学工程硕士学位论文 4 2 2 洪水预报模型的建模步骤 要建立一个水情预报模型 首先要选择加入台适的结构模型 接着确定模型的参数 随后还要进行模拟计算 以便验证模型的准确程度 详细步骤如下所述 a 选择适合结构模型 由于产流预报模型有适用于湿润半湿润 干旱半干旱地区之分 首先确定控制站所在 地的类型 再从各类模型的产流预报模型中 选择合适的结构模型 如干旱半干旱地区可 选以霍而顿下渗理论为基础超渗产流模型 连续a p i 模型等 湿润半湿润地区可以选择以 蓄满产流理论为基础的新安江模型 水箱模型等 同时北方地区还可以考虑融雪径流模型 b 确定模型参数 选择了模型之后 还要确定模型的参数 这个过程也就是利用已有的多年汛期实测雨 量流量等资料对模型进行率定 可以分四步进行 先进行历史资料分析 对资料的可靠性进行检查 并进行资料整理 根据率定流域的 自然地理 气候和下垫面条件 利用典型实测流量过程 对某些模型参数作出初始估值 用自动化优化方法一次性自动优选出最优值 c 模拟计算 模基检验 模型参数确定后 可以用它进行某年的模拟计算 模拟计算就是利用现有模型 根据 某年的实测的降雨和前期影响参数 逐日进行水情预报演算 演算完成后 把实测流量过 程资料和演算出的流量过程资料对比分析 可以检验模型的精度 通过多个可用模型对同 一典型年份的模拟计算 可以比较出在不同的典型年里 哪一类模型更适用一些 4 3 参数优选及精度 2 2 嚣安理工丈举王程蘸士学往论文 本模型参数较多 主要商以下几类 a 描述流域承系地理特征的参数 翔攀元流域越积 柬痒面积 求瘁痒容魏线 求文菇 位置等 此类参数通常不需要率定 可由地形图或工稷设计书上得到 b 攒述流域内承文特设豹参数 如番承文站的承位流量关系曲线 求证基嚣嵩壤萼 此 类资料可由历时水文资科或报讯水文资料得到 c 河道汇流曲线 本横溅的河道汇瀛参数 首先要力争用区闯入流少的漠承瓷辩定出 如果这样能求出各河道子系统的各子河段大 中 小洪水的马斯京根法参数 是龆理想的 如栗两一子濒段的参数在不同永往下变化不大 表明非线性影响不天 可税为时不变线性系 统 如果变化较大 可求出他们的变化规律 视为时燮线性系统 有些流域 尤其是中小流域 报难拽捌区闯入流少的洪水资料 遮对可班根据参数的匏 理意义 使用水文站的水位流量关系或实潮流量成果袭摊求 d 降雨授流模型参数 单元流域的酶褥径流模型参数 由上 下两水文站之闻竣单一承 文站以上大降雨的资料定出 主要是次j j 乓水模型参数 麓于 上日为时段长的模型参数 由逐 秘雨蚕 蒸发爨 磊平均流最率定 需簧连续多年戆蜜料进行率定 对于丈流域 攀定次浃 水参数的水文资料 在时问上可以不同步 e 统计谶整特征与实饕誊校正摸鍪参数 北类参数主鬻用于实对校娥 不是遁避攀窀褥弱 主要通过统计分析历史水文资料及模型梭骏结果调整 鼠与所使用的实时校正模型有关 4 3 l 模掇参数往纯瓣方法 模型参数优化可以采用多种方法进行 以便适应不同的需要 主瑟有r e s e n b r o c k 法和 响应函数法等 也可竣撮撅拳文预报专繁靛经验进行经验参数傥纯 2 3 西安理工大学工程硕士学位论文 a 参数优化的r e s e n b r o c k 法 r e s e n b r o c k 方法是一种多变量寻优算法 这种方法只需要每步寻优的目标函数值 而 不涉及目标函数的导数等量值计算 因此 在水文水资源模型的参数优化中应用较广泛 该方法的具体步骤为 根据各参数的物理意义和合理的取值范围 确定各个参数的初始值 即定义寻优函 数曲面上的起始点x 利用轮换坐标法对每一参数按照单一变量进行寻优 所有 变量寻优结束后 得到一个新的起始点x 确定新的寻优方向 假如从起始点x 到较优点x 进一步寻优确定更优点x 则以x 和x 1 两点的连线为最优基准线 各参数新的寻优方向均与该参 数垂直 从x 开始用坐标轮换法沿新确定的寻优方向求每个参数的最优值 则 得到新的最优点 x 重复步骤2 直到精度满足寻优计算提出的指标或前后两次寻优的目标值小于给定 的误差范围 该方法最大的优点是每次寻优每个参数都改变寻优方向 因此 寻优速度快 每次寻 优的结果与给定的初始值有关 不同的寻优初始点得到的寻优结果可能略有差别 但都满 足应用要求 b 参数优化的响应苗敦法 采用多输入单输出的响应函数法 其基本原理是通过矩阵求解 从单一的输出过程中 一次性优化出多个输入的线性响应函数 把自然流域看成是一个动力系统 用系统工程的方法和已知的输入输出资料进行系统 2 4 西安理工大学工程硕士学位论文 识别 对于多输入单输出的离散系统方程 式中 q 为输出向量 u 为脉冲响应向量 h 为离散输入向量 流量q 或降水p 或其 他 的分块矩阵 e 为模型和观测资料的噪声 误差 向量 根据历史实测降雨p 和流量q 采用最小二乘法求得目标函数 计算流量和实测流量 过程拟合最佳 即方差最小 在求解目标函数时加入两个约束条件 即非负响应及水量平 衡约束 并利用拉格朗日罚函数法 就可以求解出最优的脉冲响应u 值 u 这个向量值也就是我们需要的模型参数 4 3 2 实时校正预报的误差序列分析法 任何一个模型的模拟计算结果都会存在一定的误差 为了减少模型误差 尽可能提高 预测的精度 通常利用最新的实测数据 对原预报结果进行修正 本系统采用的自动实时 校正的方法是误差序列分析法 误差序列回归模型系数的估计用约束最小二乘法 当有预 报序列x 和实测序列x o 时 我们可得到误差序列x i 1 2 t 则误差序列的回归 模型可以表达为 丐 纯慨十一慨坞 式中 由一为回归系数 p 为回归模型的阶数 e 为噪声项 上式的矩阵表达式 式中 y x 中 e 3 3 一1 3 3 2 2 5 西安理工大学工程硕士学位论文 r t 五 啦臣 e 巳 e 2 e i n 式 3 3 一1 的最小二乘解为 扛ix 1x 7x x 预报修正值为 毫 破t 一1 唬t 2 吮t p x l x l o x p 一l l x x t m x 3 3 3 如果考虑新老误差信息在估计模型系数时的作用不一样 即新信息 贡献大 老信息 贡献小 则可用权重最小二乘法估计模型系数 即在误差序列分析中引进权重系数u 目标函数改为 t f 芝 j 矿t f 芝 j 击 2 矿1 忙o 2o 则回归系数估计公式为 而 击 p 肿 k 瞄o 一 磙 毒 3 3 6 式中 只 鲁 一x o x 二 只x 只 i 为单位矩阵 由这种方法估计 u 越小 对新误差信息考虑的权重越大 系统的跟踪功能越强 反 之亦然 4 4 预报软件的实现 4 4 1 水情预报系统的工作流程 水情预报工作大体分为四个步骤 第一水情趋势预报 依据定量降雨预报进行水情趋势预报 作出水情警报预报 该 2 6 西安理工大学工程硕士学位论文 预报具有较长的预见期 对预报控制站主要提供洪峰和洪水的量级 该预报成果的精度要 求不高 第二水情参考性预报 依藉实测降雨 进行降水径流预报 作出水情参考性预报 该预报具有较好的精度和一定的预见期 对预报控制站预报出洪水过程 为防洪部门的工 作安捧提供依据 第三水情正式预报 依据上游河道的实时水情 进行河道演算 对下游预报控制站 进行预见期较短 精度达防洪调度要求的水情预报 对预报控制站要作出流量过程和水位 过程的预报 第四水情模拟计算 根据防洪部门的调度意见进行仿真模拟计算 帮助决策人员确 定最终调度方案 在上述步骤中 第一步通常由预报人员根据历史险情作出 无需计算机演算 第二 三步则是水情预报系统的重要工作内容 通常又可合在一起完成 第四步则是在防洪调度 系统根据水情预报系统提供的预报结果选择预报方案 为验证方案的效果而进行的仿真模 拟计算 其计算原理与二 三步一致 只是由于采用了防洪措施 使得计算的初始条件发 生了变化 在此基础上对下游站进行水情预报 在水情自动嗣报系统的预报软件实现中主要完成以下几个内容 a 建立预报用数据库 水情预报是根据历史和实时的水文气象资料进行预报 因此 需要用到大量的数据资料 要充分获得和利用这些数据资料 必须建立预报用数据库 并且还要对实测资料及时更新和转储 b 建立预报用模型 水情预报的根据是洪水形成和运动规律 在实践中 已经发展 2 7 西安理工大学工程硕士学位论文 出了各种模型 可以用来预报 模型程序文件是计算机能够进行预报的基础 c 数据预处理 系统在预报时对所需的数据有很多要求 如 必须是准确的数据 不能有缺漏 必须满足一定的时段要求等 所以在使用数据库中的数据进行预报前 必须对数据库进行改错 缺测插补 时段整理等数据预处理工作 d 预报计算 使用预处理后的数据 利用预报模型就可以进行预报计算 通常计算 土湿等状态变量 预报出流量 水位 含沙量等洪峰要素 4 4 2 预报系统的数据流程分析 输入敦据 输入数据包括历史输入数据如水文要素摘录资料 典型场次洪水水文要素 水文特征 数据系列 防洪工程数据等 实时输入数据如洪水水文要素 防洪工程调度预案及气象产 品信息等 输出敦据 输出数据包括实时水情预报数据 仿真模拟计算数据 河道径流预测数据 中间计算 数据 成果分析数据等 系统的外部边界 预报系统是以防洪综合敦据库为基础 围绕防洪决策这个核心进行工作 洪水预报系 统从综合数据库中获取洪水预测预报分析需要的各种信息 为防洪调度系统 灾情评估系 统 信息服务系统 汛期监视系统 会商系统提供洪水的未来情势的信息 系统数据漉程 水情预报系统与其它系统的数据交换都通过综合数据库来实现 如图4 3 所示 系统 2 8 西安理工大学工程硕士学位论文 内部的数据流程如图4 4 所示 d l 历史水文气象数据 d 2 实时水文气象数据 洪 d l 河道径流 综综 d 3 工程调度原则 水 合 d 4 流域下垫面信息 预 p 2 水资源预测合 r 数数 d 5 典型年暴雨洪水 报 p 3 洪水预报成果 据 d 6 典型洪水调度情况 系 据 库 d 7 定量降雨预报 统 p 4 仿真