东江水库洪水预报调度系统研究及开发硕士毕业论文.doc

分类号 密 级 U D C 编 号 1 0 4 8 6 武武 汉汉大大学学 硕硕 士士学学位位论论文文 东东江水江水库库洪水洪水预报调预报调度系度系统统 研究与开研究与开发发 目目 录录 摘要摘要 I ABSTRACT II 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 1 研究目的及意义研究目的及意义 1 1 2 国内外研究概况与发展趋势国内外研究概况与发展趋势 2 1 2 1 洪水预报初级阶段 2 1 2 2 系统理论引入洪水预报 2 1 2 3 流域水文模型 2 1 2 4 实时洪水预报 4 1 2 5 洪水预报发展趋势 5 1 3 论文的研究内容及技术路线论文的研究内容及技术路线 6 1 3 1 研究目标 6 1 3 2 主要研究内容 6 1 3 3 总体思路及技术路线 6 第二章第二章 东江水库洪水实时预报东江水库洪水实时预报 8 2 1 流域及水库概况流域及水库概况 8 2 1 1 耒水流域自然概况 8 2 1 2 东江水库基本情况 8 2 2 水情测报站网情况水情测报站网情况 8 2 3 历史雨洪资料预处理历史雨洪资料预处理 10 2 3 1 资料概况与选用 10 2 3 2 建模数据查错 10 2 4 东江水库入库洪水介绍东江水库入库洪水介绍 10 2 4 1 雨洪关系 12 2 4 2 洪水区域组成 13 2 4 3 洪水时程分布 13 2 4 4 洪水过程分类 14 2 5 洪水预报模型选用洪水预报模型选用 14 2 6 新安江三水源模型新安江三水源模型 14 2 6 1 模型简介 14 2 6 2 蓄满产流模型 15 2 6 3 流域透水面积上蓄水容量曲线方程 15 2 6 4 流域径流深计算 16 2 6 5 流域蒸散发模型 16 2 6 6 流域土壤蓄水量计算 17 2 6 7 流域透水面积上总径流 R 净雨 划分 18 2 6 8 流域汇流模型 19 2 7 产汇流模型参数率定产汇流模型参数率定 22 2 7 1 产流模型参数率定 22 2 7 2 汇流参数率定 24 2 8 模型评定与检验模型评定与检验 25 2 8 1 评定指标 25 2 8 2 洪水过程模拟效果及评定 26 2 9 实时校正实时校正 29 2 9 1 实时洪水预报方法概述 29 2 9 2 AR 自回归校正模型 30 2 9 3 AR p 模型的参数估计 31 2 9 4 AR p 模型阶数的识别 31 2 9 5 AR p 模型的预测 32 2 10 滚动预报与递推校正滚动预报与递推校正 32 第三章第三章 东江水库洪水调度东江水库洪水调度 33 3 1 水库防洪调度概况水库防洪调度概况 33 3 1 1 水库防洪调度的任务 33 3 1 2 水库概况及防洪调度现状 33 3 1 3 工程概况及水库运用原则 34 3 1 4 东江水库基本资料 34 3 2 洪水调度方法评述洪水调度方法评述 35 3 2 1 设计调洪规程模型 35 3 2 2 洪水优化调度模型 36 3 2 3 洪水实时调度模型 36 3 3 东江洪水调度方案东江洪水调度方案 37 3 3 1 按调洪规程调度 37 3 3 2 按给定闸门流量调度 38 3 3 3 给定上限水位调度 39 3 4 洪水调度成果洪水调度成果 39 第四章第四章 洪水预报调度系统开发洪水预报调度系统开发 41 4 1 系统开发目标及原则系统开发目标及原则 41 4 2 系统信息需求系统信息需求 42 4 3 系统总体设计及数据流程系统总体设计及数据流程 43 4 4 数据库设计数据库设计 44 4 4 1 数据库表汇总 45 4 4 2 各表详细设计 46 4 5 系统模块及其功能系统模块及其功能 52 4 6 系统开发与实现系统开发与实现 55 第五章第五章 结论与展望结论与展望 57 5 1 结论结论 57 5 2 展望展望 58 参考文献参考文献 59 致谢致谢 62 摘要摘要 实时洪水预报调度 作为一种能有效减轻洪灾的危害程度和降低洪灾所造 成的损失的非工程措施 在近几年来的防洪减灾工作中发挥着越来越重要的作 用 本文在东江水库实时洪水预报调度系统的研究开发过程中 对洪水预报参 数率定 实时洪水预报软件开发 实时洪水作业预报精度提高 洪水调度等问 题做了认真细致的研究工作 找到相应的解决方案 为东江水库实时洪水预报 调度提供了比较完善的解决方案 东江水库实时洪水预报调度系统具有以下特点 1 实现基于 Web 的分布式查询和分布式计算 为实时洪水预报调度软件 的应用和查询带来了很多的便利 2 实现了东江水库实时洪水作业预报 有效地对实时洪水预报成果进行校 正 为实时洪水调度打下基础 3 实时洪水调度子系统能自动形成实时洪水调度预案 为调度人员的决策 提供多种方案 4 友善的用户界面 便于用户操作 本文共分五章 首先简要介绍了洪水预报的发展历程 并提出了本文的研 究内容和技术路线 其次根据东江流域具体特点和实际应用经验 以新安江三 水源模型为主 实时校正模型为辅来预报东江水库入库流量 由于东江水库属 多年调节水库 库容系数达到了 1 2 调节性能非常好 以设计调洪规程作为东 江水库防洪调度模型基本上可满足其防洪要求 最后详细介绍了软件系统开发 路线和实时洪水预报调度系统的设计与实现 并对应用软件开发中所使用的有 关技术与系统开发平台做了介绍 关键词 洪水预报 新安江模型 实时校正 洪水调度 洪水预报调度系统 Abstract As a non project measure that can efficiently lessen the scathe of flood disaster and reduce the damager of flood real time flood forecasting and dispatching is playing an even more important role in preventing flood and reducing disaster in the recent years In the process of exploiting Dongjiang Reservoir Real time Flood Forecasting and Dispatching Systems the problems of parameters calibration development of real time flood forecasting improving forecast accuracy real time flood dispatching decision and etc have been studied and an integrated solution scheme to real time flood forecasting and dispatching is provided Dongjiang Reservoir real time flood forecasting and dispatching decision system has the following features 1 Realization of distributed inquiry and calculation which are based on Web providing convenience for use and inquiry of real time flood forecasting and dispatching decision software system 2 Comparatively perfect realization of Dongjiang Reservoir real time flood forecasting being able to correct real time flood forecasting result efficiently being the foundation of real time flood dispatching 3 Real time flood dispatching sub system can form real time flood dispatching schemes and comparing schemes for user s decision 4 Graphics user interface is friendly and very convenient to user s manipulation and backtracking The article includes five chapters Firstly it introduces the development of flood forecasting and studies and technologies involved in this article Secondly in accordance with specific features of Dongjiang Reservoir and practical experience it can forecast inflow of Dongjiang Reservoir based on the XinAnJiang model and the real time adjustment model Thirdly Dongjiang Reservoir is a carryover storage reservoir the storage capacity coefficient of which is 1 2 and its regulating the function is perfect so rules of flood control as the Dongjiang Reservoir flood control operation model can basically meet the reservoir s flood control needs Finally it introduces the design and realization of real time flood forecasting and dispatching system in detail and it also introduces relative technologies and system exploited platform used in the software Key words flood forecasting XinAnJiang Model real time adjustment flood dispatching flood forecasting and dispatching system 第一章第一章 绪绪 论论 1 1 研究目的及意义研究目的及意义 我国幅员辽阔 河流水系众多 由于受季风与自然地理条件影响 汛期降 雨在年内和年际的变化十分剧烈 历史上洪涝灾害频繁发生 我国的防洪实践 证明 工程措施与非工程措施的结合应用是建立和完善江河防洪系统的有效措 施 非工程措施通常包括 加强防洪设施管理 保证防洪设施的防洪能力 在 工程设施中充分考虑适应洪水短暂淹没的措施 以尽可能减少洪灾损失 建立 健全通讯系统和预警系统 改进和发展洪水预报技术 提高防洪调度水平等 其中改进洪水预报方法 提高预报精度 实施洪水预报调度是非工程措施中最 行之有效的办法 水文预报是研究和运用水文变化规律 揭示和预测未来水文要素变化的一 门应用学科 洪水预报作为水文预报的一项重要内容 是人类在与洪水灾害长 期斗争的客观需求推动下发展起来的 同时 新理论 新技术的发展也极大地 推动了水文情报预报技术的发展和应用 作为防汛斗争的 耳目 和 参谋 准确及时的洪水预报和调度 为正确做出防汛决策提供了科学依据 并获得了 减免洪灾损失的巨大经济效益和社会效益 耒水属湘江一级支流 位于湖南省东南部 源出桂东县烟竹堡 流经汝城 资兴 永兴 耒阳 衡南等县市 在衡阳市郊区耒河口入湘江 全长 453Km 流域面积 11 783Km2 东江水库位于资兴市东江镇上游 11Km 的峡谷处 控制流 域面积 4719 平方公里 是以发电为主 兼顾防洪 航运 城镇工业及生活供水 养殖 旅游等综合利用的大型水利枢纽工程 由于工程所处地理位置重要 社 会和自身经济效益显著 因此工程运行安全与否 不但影响到收益区乃至全省 的社会经济发展 而且也直接关系到下游人民生命和财产的安全 目前东江水 调所运行的 东江水库调度自动化 系统基本上实现了水雨情自动采集 日常 业务管理及调度等功能 但是洪水预报调度部分还尚未完成 为了满足东江水 库下游的防洪要求和完善 东江水库调度自动化 系统 应尽早建立水库洪水 预报调度自动化系统 为下游及水库的安全度汛服务 1 2 国内外研究概况与发展趋势国内外研究概况与发展趋势 1 2 1 洪水预报初级阶段洪水预报初级阶段 洪水预报是在人类与自然斗争的需要推动下发展起来的应用学科 直到 20 世纪三十年代之前 该学科还处在经验性阶段 预报只是凭借预报者的个人经 验和认识能力 水文预报技术形成当今形态的起点在三十年代 1931 年 R E 霍顿 Horton 在文献 在水文循环中下渗的作用 中 提出了下渗理论 1932 年 L K 谢尔曼 Sherman 在文献 用单位线法由降雨推求径流 中 提出了流 域汇流的单位线方法 1938 年 G T 麦卡锡 Mecarthy 在美国建议了以 马斯京 根 法著称的河道洪水演算预报方法 1938 年 F F 斯奈德 Snyder 在文献 综 合单位线 中 提出了对短缺资料地区使用综合单位线进行汇流计算的预报方 法 这些都是沿用至今的洪水预报基本方法 1 2 2 系统理论引入洪水预报系统理论引入洪水预报 众所周知 相关图 谢尔曼单位线和马斯京根法 预报员趣称为 老三篇 是 传统的洪水预报方法 系统理论向洪水预报技术的渗透是从 50 年代开始的 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定义惊人的一致 于是 用系统离线识别算法作为推求单位线的工具的研究首先兴起 1949 年 林斯雷 Linsley 等在 应用水文学 一书中提出单位线可以用最小二乘法去推求 1957 年 纳什 Nash 在文献 瞬时单位线的形式 中 首次提出使用系统脉冲 响应函数 瞬时单位线的概念 并用统计矩来表达瞬时单位线的二参数 1967 年 国际水文科学协会主席杜格教授在美国马里州大学作了 水文系统的线性 理论 的专题讲座 并于 1979 年 11 月来我国就此进行了讲学 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 用系统研究 的方法将水文学的推理公式 等流时线 S 曲线 马斯京根法 流域水文模型 等都用系统理论贯穿起来 总结了响应函数离线识别的 10 余种方法 并对识别 中出现的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 1 2 3 流域水文模型流域水文模型 在流域模型迅速发展以前 在应用水文学方面 常采用数学物理方法 单 位线 经验相关及概化推理等方法 50 年代后期 随着电子计算机和系统理论 应用的迅速发展 水文学中提出了水文模拟的概念和方法 水文模拟方法是对 上述各种方法取长补短并结合起来而形成的 它一方面有别于数学物理方法的 严密性 另一方面又有别于概化推理方法的设计性 它吸取了经验相关法中合 理的物理概念 并把这些概念系统化成一个推理计算的模式 因此它可以采用 比较严密的结构 也可以采用比较粗略的结构或黑箱子模型作为部分结构 对 水文现象进行模拟而建立的一种数学结构称为水文数学模型 水文数学模型可 分为确定性模型和随机性模型两大类 描述水文现象必然性规律的数学结构称 为确定性模型 而描述水文现象随机性规律的数学结构则称为随机性模型 其 中确定性模型可分为集总式和分散式模型两种 前者忽略水文现象空间分布的 差异 后者则相反 概念性水文模型属于确定性模型的范畴 它以水文现象的 物理概念作基础 采用推理和概化的方法对流域水文现象进行水文模拟 概念 性模型在一定程度上考虑了系统的物理过程 力图使其数学模型中的参数有明 确的物理概念 因此建立概念性流域水文模型 首先要建立模型的结构 并以 数学方式表达 其次要用实测降雨径流资料来率定模型的参数 自 60 年代初期 随着计算机的发展 产生了大量的流域水文模型 其中有代表性的 应用较多 的有斯坦福 Stanford 模型 萨克拉门托 Sacrament 模型 坦克 Tank 模型和我 国的新安江模型 1 2 3 4 斯坦福流域水文模型由 N H 克劳福特和 R K 林斯雷从 1959 年开始研制 到 1966 年完成第 号模型 是世界上最著名的流域水文模型之一 该模型的建 立是以流域水量平衡为基础 模型中设计了 4 个蓄水层以控制土壤水分剖面和 地下水状态 逐时段连续演算 其特点是物理概念明确 模型结构一环扣一环 层次清楚 对小流域采用集总模型方式 对大流域采用分块模型方式 5 萨克 拉门托流域水文模型是美国天气局于 70 年代初期在第 IV 号斯坦福模型基础上 改进和发展起来的 是集总参数型的连续运算的确定型流域水文模型 是用一 系列具有一定物理概念的数学表达式来描述的概念性模型 是以土壤含水量贮 存 渗透 排水和蒸散发特性为基础来模拟水文循环的综合河川径流流域模型 该模型功能较完善 能适用于大中流域 又能适应湿润地区和干旱地区而收到 较好的效果 6 坦克模型又叫水箱模型 由日本管原正已在 50 年代提出 后来 不断发展成为一种被各国广泛采用的流域水文模型 水箱模型将雨洪转化过程 的各个环节用若干个彼此相联系的水箱进行模拟 每一个水箱有边孔和底孔 以水箱中的蓄水深度为控制 计算流域的产流 汇流及下渗过程 水箱模型虽 是一种间接的模拟 模型中并无直接的物理量 但此模型的弹性甚好 对各种 大小流域 各种气候与地形条件都可以适用 7 60 年代初 我国水文学者赵人 俊教授等开始研究蓄满产流模型 并于 1973 年正式提出一个适用于湿润与半湿 润地区的降雨径流流域模型 新安江模型 最初的新安江模型为两水源 地表 径流和地下径流 80 年代初期 模型研制者将萨克拉门托模型与水箱模型中的 用线性水库函数划分水源的概念引入新安江模型 提出了三水源新安江模型 1984 至 1986 年期间 又提出了四水源新安江模型 地面径流 壤中流 快速 地下径流和慢速地下径流 8 9 10 11 12 在我国水文预报的实践中 不仅广泛使用概念性模型 如新安江模型等 而且也开始使用按系统分析方法求解的黑箱子模型 13 14 15 文康等 1986 介绍 了以多元线性回归方法为基础的总径流线性响应模型 TLR 和线性扰动模型 LPM 的数学结构及其在长江三峡地区的应用 16 王真荣 1991 对 TLR 模型作 了改进 采用某一标准的暴雨强度为临界值对降雨系列进行分阶计算 可以考 虑雨强对径流的影响 17 王厥谋等 1987 指出了 TLR 模型和 LPM 模型以及约 束线性系统模型 CLS 的缺陷 并将新安江概念模型与 CLS 模型结合起来 提 出了综合约束线性系统模型 SCLS 并建立了一个通用计算机程序包 开始在 我国实际应用 18 19 张国祥 1994 探讨了常用水文模型中的蒸发 下渗和产汇 流机制 并剖析了模型中存在的问题 为实际工作中模型的选择和应用提供了 借鉴 20 1967 年 世界气象组织 WMO 就降雨径流模型在世界范围内作检验对比后 得出以下结论 21 l 如果流域位于湿润地区 就不必过于挑选模型 因为在这 样的流域 简单模型与复杂模型可以取得同样好的效果 反之 对于干早与半 干旱流域 就需要慎重选择模型 2 一般来说 在久旱之中与久旱之后 计算 土壤含水量的模型能较好的模拟河流的径流 3 类似 Tank 那种不直接计算土 壤含水量的模型 对于流域的大小以及气候和地理特征具有更好的适应能力与 弹性 4 在建立模型时 如果资料不好 则隐式计算土壤含水量的模型特别是 系统途径模型有可能具有更好的处理这种缺陷的能力 因而可能较之计算土壤 含水量的模型给出更好的预报结果 1980 年 具体负责模型对比检验工作的 F Neaf 博士发表了题为 我们今天能够模拟降雨径流过程吗 的论文 Neaf 认为 没有一个水文模型能应付所有的水文情况 没有一个模型真正反映了降 雨径流过程 主要问题在于估算面平均雨量的不确定性以及土壤参数和土壤含 水量的变化 而造成模拟误差较大的原因可能是雨量与流量的观测误差以及面 雨量观测的误差 此外 径流过程的非线性也可能造成误差 Neaf 博士的论述 对于我们认识模型的性质及其功能是很有价值的 1 2 4 实时洪水预报实时洪水预报 实时 是计算机科学用语 控制理论上实时预报的核心技术是利用 新 息 当前时刻预报值与实测值之差 导向 对于系统模型或者对预报做出现时 校正 系统动态识别 亦称参数自适应估计 及卡尔曼滤波就是这类方法的典型 代表 最早将卡尔曼滤波应用于水文预报的研究是日本学者 Hino 他明确提出 卡尔曼滤波适用于水文预报 并用卡尔曼滤波器递推地估计降雨径流的响应函 数 1976 年 莫尔和威斯在论文 使用推广的卡尔曼滤波器于非线性流域模型 的实时参数估计 中 提出了将非线性汇流模型进行线性化 然后使用推广的 卡尔曼滤波器对模型参数进行在线估计 克鲁凯等在论文 实时降雨 径流预 报的三种系统方法 中 应用了三种算法在降雨径流预报中试用比较 比较的 结果是 递推最小二乘法最佳 卡尔曼滤波与之相近 自学习法较差 1987 年 张恭肃等在 确定性水文预报模型的实时校正 一文中 针对任何一个确定性 水文模型进行预报后将出现一个具有相关性的误差序列这一事实 对此误差系 列建立一个状态空间方程 以参数向量作为状态向量 即可用系统识别方法估 计其参数 用来估计预见期的可能误差 达到实时校正的目的 并取得了较好 的预报效果 22 1987 年 葛守西在 产汇流两阶段校正和参数动态预测算法的 实时洪水预报模型 一文中 创建了一个新的动态模型 在产流预报中以蓄满 产流模型的卡尔曼滤波算法进行实时校正 在汇流预报中采用一般线性汇流模 型衰减记忆动态识别方法并配合汇流模型的动态判类 分类对预见期的参数变 化进行预测 并于 1993 年对模型进行改进 采用模糊分类和模糊模式识别的算 法改进了分类处理技术 进一步实现了分布式产流的卡尔曼滤波算法 此算法 在嘉陵江三流域上建模获得成功 23 24 1 2 5 洪水预报发展趋势洪水预报发展趋势 如同其他现代科学技术一样 洪水预报的现代进展紧密伴随着新技术 如 微电子技术 空间科学技术等 伴随着新理论 如信息论 系统论 控制论等 的应用 这些新技术 新理论的发展和应用已大大改变了水文情报预报的技术 面貌 同时 暴雨洪水理论的深入开展 计算机硬件 软件的不断进步 雨量 流量测验水平的提高等 推动了洪水预报工作向联机自动测报系统网络方向发 展 由此 多学科交叉渗透所形成的现代洪水预报技术是洪水预报发展的总趋 势 具体表现在如下几个方面 l 系统理论与系统辨识方法应用于洪水预报模型 为洪水预报提供了新的 方法和途径 2 水情遥测站网进一步优化 水情信息采集处理逐步实现自动化 快捷准 确的水情信息不但可以提高预报精度 同时将会对洪水预报模型结构的改进以 及参数再率定起到重要的作用 3 计算机技术 网络技术及通讯技术越来越广泛地应用于洪水预报 将水 情信息的采集处理和传送 洪水预报模型的计算分析 预报结果的发布以及调 度方案的自动生成等若干过程集成于强大的洪水预报调度系统之中 4 采用先进的图形交互 多媒体 地理信息系统 大型数据库管理系统等 技术 将专家知识 经验知识和决策知识融于一体的智能型决策支持系统是未 来发展的重要方向 1 3 论文的研究内容及技术路线论文的研究内容及技术路线 1 3 1 研究目标研究目标 1 本论文将结合南方湿润地区的特点以及东江水库的实际情况 将以新安 江模型作为东江水库的洪水预报模型 用误差序列自回归模型对预报结果进行 实时校正 并在预报结果基础上 进行水库防洪调度计算 2 将洪水预报中的各个环节 水文数据预处理 水情实况图形显示 模型计 算 实时校正 历史洪水统计等 用面向对象的可视化程序设计技术逐步实现 最终在计算机上建立具有数据处理 预报计算 实时校正和洪水调度等四位一 体功能 完整而实用的洪水预报和调度系统 为水库的安全度汛服务 1 3 2 主要研究内容主要研究内容 1 选择新安江三水源模型作为东江水库的洪水预报模型 自回归模型作为 实时校正模型 并进行参数率定 模型评定和检验 2 对预报洪水过程进行调洪演算 分别进行规则调度模型和预泄洪模型的 建立和求解 3 将面向对象的编程技术 图形交互技术 大型数据库管理系统等应用于 洪水预报调度 建立一套完整实用的洪水预报调度系统 1 3 3 总体思路及技术路线总体思路及技术路线 本着在生产上简单可行 安全合理原则 本研究根据东江流域的具体特征 选择适宜的洪水预报调度模型 合理的参数优选方法和实时校正技术 使得洪 水预报方案和洪水预报调度系统既简单又实用 同时 要求系统的数据传输处 理快捷准确 模型结构合理且算法稳定 界面友好易于操作 程序结构清晰便 于维护升级等 本研究的技术路线如下 1 洪水预报调度系统的所有模块都是以数据库为中心 数据库分为历史库 实时库和预报库三大部分 流域和水库信息 历史雨洪资料 预报调度模型参 数 预报和调度结果都存放在数据库中 2 对东江流域的历史雨洪资料进行统计分析和时段化处理 录入历史数据 库 做出流域退水曲线 求出场次洪水的径流系数 分析湿润地区的降雨径流 特性 3 选择新安江三水源模型作为东江水库的洪水预报模型 误差自回归模型 作为实时校正模型 利用计算机强大的运算能力进行参数率定 并根据规范要 求 用历史资料进行模型评定和检验 4 实现洪水的实时预报调度 对预报洪水过程进行调洪演算 分别进行规 则调度模型和预泄调度模型的建立和求解 5 利用面向对象的编程技术 图形交互拖动技术 大型数据库管理系统等 技术和工具 建立基于窗体 图形 报表的界面友好的人机交互环境 形成一 套完整实用的洪水预报调度系统 第二章第二章 东江水库洪水实时预报东江水库洪水实时预报 2 1 流域及水库概况流域及水库概况 2 1 1 耒水流域自然概况耒水流域自然概况 耒水属湘江一级支流 位于湖南省东南部 源出桂东县烟竹堡 流经汝城 资兴 永兴 耒阳 衡南等县市 在衡阳市郊区耒河口入湘江 全长 453Km 流域面积 11 783Km2 耒水主要支流有淅水 郴江 资兴江 三都河 注江 西河 肥江等 因河道宽窄不一 水流落差大 水流非常湍急 据史料记载 耒水河汛期洪水来势凶猛 河水上涨速度很快 耒水流域属中亚热带季风性湿润气候区 因南北气流受南岭山脉综合条件 地貌 土壤 植被 海拔 影响 太阳辐射形成多种类型的立体分布 垂直 和地域差异大 具有四季分明 春早多变 夏热期长 秋晴多旱 冬寒期短的 特点 2 1 2 东江水库基本情况东江水库基本情况 东江水库位于湖南湘水一级支流耒水上游 位于资兴市东江镇上游 11Km 的 峡谷处 流域控制面积 4719Km2 占耒水流域面积 39 6 位于东经 112 38 114 3 北纬 25 23 26 56 之间 流域多年平均降雨量 1607mm 多年平均 蒸发量 975 mm 多年平均径流量 43 6 亿 m s3 流域内降水量年际分布和年内 分布都极不均匀 年降雨总量变幅为 1074 2124 mm 年际径流变化较大 年内 径流分配很不均匀 全汛期 4 9 月 径流量约占全年总径流量的 60 以上 坝址 多年平均流量 138 秒立米 实测最小流量为 0 18 m3 S 实测最大洪峰流量 6963m3 s 调查历史最大洪峰流量 8400m3 s 2 2 水情测报站网情况水情测报站网情况 东江水库坝址以上 4719Km2的流域上布设有大东江水文站 是大东江水库 的入库控制站 寒口 桂东 新坊 沙田 樟溪 花木桥 四都 南洞 汝城 龙虎洞 延寿 连坪 黄草 龙溪 秀里山 清江 兴宁 大东江等 18 个雨量 站站点分布如图 2 1 所示 到目前为止 18 个站点均实现了水情自动测报 图 2 1 东江水库流域图 雨量站观测到的降雨量 一般只能代表该站附近较小范围内的降水情况 分析流域上的降雨径流关系时 需知道一个流域或地区在一定时段内的平均降 雨量 流域平均雨量的常用计算方法有三种 算术平均法 泰森多边形法和等 雨量线法 对于东江流域来说 求流域平均雨量宜采用泰森多边形法 该方法假定流 域各处的雨量可由与其距离最近的雨量站代表 以更好地反映各站在计算流域 平均雨量中的作用 各雨量站权重如表 2 1 所示 表 2 1 东江水库流域各雨量站权重系数 测站编号站名权重系数测站编号遥测站名权重系数 66004花木桥066010秀里山0 0905 99002沙田0 049466274四都0 0494 99001新坊0 049466276南洞0 0494 57889桂东0 049691018龙虎洞0 06775 66173连坪0 050557985汝城0 06775 99008兴宁0 050566176清江0 0905 66280龙溪0 050566174方石0 0505 66177黄草0 0677560021樟溪0 0494 66277延寿0 0677560022寒口0 0494 2 3 历史雨洪资料预处理历史雨洪资料预处理 2 3 1 资料概况与选用资料概况与选用 历史降雨径流资料是建立流域水文模型的基础 历史资料的质量直接决定 着模型精度的高低 甚至是建模的成败 因此 降雨径流资料分析整理是建立 洪水预报模型的一个重要环节 东江水库坝址以上流域面积 4719km2 东江水文站作为水库入库站控制整 个流域面积的水量 共有 1990 2004 共计 15 年的流量观测资料 因此 预报方 案拟建立东江站控制流域的降雨径流关系 同时作为东江水库的入库洪水预报 方案 根据 水文情报预报规范 对编制洪水预报方案所使用的资料的要求 并 结合东江流域水文资料的实际情况 选定 28 场雨洪资料用于洪水预报方案的评 定与检验 其中 1996 2002 年共 25 场资料用于模型精度评定 2003 2004 年共 3 场资料用于模型精度检验 2 3 2 建模数据查错建模数据查错 编制预报方案或建立数学模型都必须以数据的正确可靠为前提条件 本次 建模所用数据都由东江水调室提供 由于在整编 刊印和录入过程中难免会有 差错 因此数据查错就显得很重要了 在实现作业计算机化以后 利用计算机 进行数据查错和改正也是一个不可忽视的重要环节 数据查错可采用以下几种 方法 时段 日雨量对照 降雨空间对照 水位流量对照 过程线观察 以及 降雨流量对照等 利用数据库技术和图形交互技术编制数据查错程序 将使建 模数据和作业预报数据的整理和查错工作变得快捷有效 而这也正是洪水预报 系统不可缺少的一个重要组成部分 2 4 东江水库入库洪水介绍东江水库入库洪水介绍 本文将对 1996 2004 年的大洪水 入库流量大于 1000m3 s 因东江水库为 多年调节水库 故小洪水不至于给防洪带来威胁 进行雨洪特性分析 为洪水 预报和调度打下基础 统计资料如表 2 2 所示 表 2 2 东江水库入库洪水统计表 洪水 编号 峰现 时间 洪峰 流量 1000m3 s 历时 1500m3 s 历时 暴雨 时段数 降雨 类型 地区 组成 洪水 类型 19960711 1996 7 11 17 00 00 174852 8暴雨全流域痩 19960802 1996 8 2 23 00 00 6963161310 特大暴 雨 全流域胖 19960830 1996 8 30 14 00 00 1239304暴雨摆动痩 19970516 1997 5 16 8 00 00 1851522暴雨全流域痩 19970704 1997 7 4 23 00 00 1700412暴雨上游痩 19970710 1997 7 10 14 00 00 173725312持续摆动胖 19970804 1997 8 4 02 00 00 1018103连阴雨上游痩 19970902 1997 9 2 20 00 00 2222635暴雨下游痩 19980511 1998 5 11 08 00 00 1374605暴雨全流域痩 19980619 1998 6 24 05 00 00 193922810持续全流域多峰 19990526 1999 5 26 14 00 00 16101117持续下游胖 19990918 1999 9 18 17 00 00 1987181112连暴雨摆动胖 20000812 2000 8 12 08 00 00 1130202暴雨下游痩 20000825 2000 8 25 05 00 00 1700514连阴雨下游痩 20000902 2000 9 2 05 00 00 65701296 特大暴 雨 全流域胖 20010509 2001 5 9 23 00 00 1097103暴雨全流域痩 20010604 2001 6 4 17 00 00 1153304暴雨全流域痩 20010613 2001 6 13 14 00 00 25971166 特大暴 雨 摆动多峰 20010707 2001 7 7 14 00 00 1400406暴雨全流域痩 20020410 2002 4 10 20 00 00 1255408连暴雨全流域痩 20020616 2002 6 16 20 00 00 396618148 特大暴 雨 全流域多峰 20020701 2002 7 1 20 00 00 19381437连暴雨全流域胖 20020807 2002 8 7 02 00 00 201320611连暴雨全流域多峰 20020819 2002 8 19 17 00 00 1462905连阴雨全流域多峰 从上表中的资料可以对东江水库入库洪水做如下分析 2 4 1 雨洪关系雨洪关系 洪水来源与降雨 不仅与下垫面情况有关 而且与降雨的时空分布关系密 切 即跟降雨总量 降雨强度 历时以及暴雨中心等有关 据资料统计分析可 将降雨分为以下几类 1 持续性暴雨 此类是连续数日产生暴雨或大暴雨 暴雨中心先发生在花木桥以上 而后 慢慢向下游移动 从而形成长时间的大流量 如上表中 19970710 19990526 洪 水即为此类型 2 摆动性暴雨 本类型暴雨中心前期位于花木桥以上 中期移动到东江附近 而后又回到 前期位置附近 故称之为摆动性暴雨 上表中 19990918 20010613 即为此类型 3 连绵阴雨 19970804 20020819 等洪水发生期间降雨强度并不大 洪水产生主要是前 期连阴雨时间较长 土壤含水量大 已接近或达到饱和状态 故后期有比较大 的降雨就可以产生较大洪峰 4 全流域大暴雨 此类型暴雨不仅降雨时间较长 降雨强度大 而且全流域降雨比较均匀 故容易形成罕见的大洪水 上表中 19960802 20000902 20020616 即为此类型 2 4 2 洪水区域组成洪水区域组成 根据上述洪水和暴雨的关系 可将耒水上游洪水按区域组成分为三类 1 上游型 此类洪水主要来自花木桥以上 暴雨中心位于沙田附近所形成的洪水 由 于暴雨中心位于上游 笼罩面积相对较小 加上沙田水库暂时滞蓄和洪水演进 下传中的调节作用 此类型暴雨不至于产生灾害性洪水 但此类洪水出现次数 较多 2 下游型 此类型洪水主要来源于东江区间 东江区间面积占全流域面积的 65 且 流域内主要的暴雨中心位于该区域 笼罩范围大且靠近库区 即使上游降水不 大 也可造成相当大的洪水 3 全流域型 此类型暴雨不仅降雨时间较长 降雨强度大 而且全流域降雨比较均匀 故容易形成罕见的大洪水 以上第二 三洪水为东江入库大洪水的主要类型 2 4 3 洪水时程分布洪水时程分布 1 年际分布 在 1996 2002 年 7 年中 洪峰流量大于 1900m3 s 的洪水共发生 8 次 平均 一年发生 1 1 次 每年至少发生一次 洪峰流量大于 3500m3 s 的洪水共发生 3 次 平均每两年多要发生一次 分别出现在 1996 2000 2002 年 2 年内分布 洪水在 4 10 月均可能发生 其中 8 月份出现最多 8 次 5 6 7 9 月出 现次数差不多 3 4 月份各出现过 1 次很小的洪水 而特大洪水在 5 9 月均可 能发生 较多出现在 6 8 月份 2 4 4 洪水过程分类洪水过程分类 根据一场洪水过程线的形状 可将其分为以下四类 1 痩峰型 洪水从起涨到峰现历时短 一般在 1000m3 s 流量的历时多在 24 小时以下 流量在 1500m3 s 以上历时多在 9 小时以下 此种类型洪水一般由 小暴雨形成 2 胖峰型 洪水的涨洪段和落洪段均较长 虽然 1500m3 s 以上历时不是 很长 但 1000m3 s 以上历时一般在 30 小时以上 此类洪水一般由连暴雨形成 3 多峰型 大洪水一般在主要洪峰之前或之后 有一个或多个小洪峰出现 峰与峰之间间隔历时不超过 2 天 此类洪水的特点是洪水总量大 历时长 由于本次只有大东江水文站的入库流量资料 因此不便将流域分块进行调 参 以上对东江水库入库洪水的暴雨形成特征 区域组成特征 时程分布和洪 水过程形状的统计分析 这些对东江洪水预报调试参数和东江入库洪水调度方 案进行评价提供很好的提示 2 5 洪水预报模型选用洪水预报模型选用 东江流域位于湖南湘水一级支流耒水上游 属中亚热带季风性湿润气候区 其降雨径流关系具有湿润地区降雨径流关系的共性 即径流系数比较大且稳定 场次洪水径流系数大都在 0 6 以上 这说明东江流域降雨径流关系显著 非线 性因素影响不显著 而新安江模型在我国湿润地区的应用成果比较好 故本文 将新安江模型作为东江水库洪水预报模型 利用实时校正技术对新安江模型计 算出来的结果进行修正 以使洪水过程尽量和实际相符合 2 6 新安江三水源模型新安江三水源模型 2 6 1 模型简介模型简介 新安江三水源模型是一种模拟流域上降雨径流形成的数学函数 逻辑结构 模型输入的是降雨量和蒸散发能力 常用水面蒸发值 输出的是流域出口断面 的洪水过程 广泛在我国南方湿润地区应用 并取得很好的效果 新安江模型是一种蓄满产流模型 流域采用三层蒸散发计算模型 产流条 件是土壤包气带土湿达到田间持水量 径流成分分为地面 地下和壤中流三种 产流量的决定因素有降雨量和雨始土湿 该模型流域汇流分为坡面汇流和河网 汇流两种 分别采用地面单位线和河槽汇流系数法计算 2 6 2 蓄满产流模型蓄满产流模型 所谓蓄满是指 在土湿满足田间持水量以前不产流 所有的降雨都被土壤 吸收 而在土湿满足田间持水量以后 所有的降雨都产流 与之对应的就是超 渗产流 蓄满产流的结构为 在蓄满前 2 12 WWEP 1a 在蓄满后 2 1b 1 WWMREP 式中 P 时段降雨量 E 时段蒸散发量 W1 W2 时段始末的土湿 R 时段产流量 WM 田间持水量 2 6 3 流域透水面积上蓄水容量曲线方程流域透水面积上蓄水容量曲线方程 式 2 1a 2 1b 都是针对流域上某一个点的 如果流域上的土湿分布与 WM 的分布都是均匀的 可以采用集总型模型 但是根据经验 流域上土湿和 WM 分布都是不均匀的 流域蓄水分布采用 B 次抛物线方程来表示 2 2 B WMM W impimp F f 1 1 1 式中 小于 等于某一的面积比重 Ff W imp 不透水面积比重 WMM 流域中最大点蓄水容量 流域平均蓄水容量 Wm 由上式推求 2 3 B impWMM WMM W WMM B imp dW WMM W imp F f dWWM WMMB WMM B imp 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 WM 是流域平均蓄水容量 由流域各点土层的蓄水容量组成 反映流域气 候 植被 土壤等因素 B 反映蓄水容量在流域上的不均匀性 取决于地质 地形条件 2 6 4 流域径流深计算流域径流深计算 当 PE 0 则产流 否则不产流 由流域有效降雨 PE W 和蓄水容量方程计 算流域透水面积上总径流深 R a 当 PE 0 时 R总 0 2 4a b 当 PE 0 且时WMMAPE 2 1 1 B WMM PEA WMWWMPEWPER总 4b c 当 PE 0 且时WMMAPE 2 WWMPER 总 4c 式中 PE 净雨量 WMM 流域中最大点蓄水容量 2 6 5 流域蒸散发模型流域蒸散发模型 在实际中 当下层蓄水量低于某一下限值后 深层含水量也会以薄膜水或 汽态水形式向上移动 供蒸散发消耗 故蒸散发计算多采用三层蒸发计算模式 各层蒸散发的计算原则是 上层按蒸散发能力 EM 蒸发 上层含水量不够蒸发 时 剩余蒸散发能力从下层蒸发 下层蒸发与剩余蒸散发能力及下层含水量成 正比 与下层蓄水容量成反比 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含水量补给 当下层水量不够 补给时 用深层含水量补给 计算公式如下所示 a 当时EMWUP 2 5a EMEU 0 EDEL b 当时EMWUP WUPEU 1 当时 即 EUEMCEL C WLM WL WLM WL EUEMEL 2 5b 0 ED 2 当且时C WLM WL EUEMCWL EUEMCEL 2 0 ED 5c 3 当且时C WLM WL EUEMCWL WLEL 2 ELEUEMCED 5d 式中EM 流域蒸发能力 C 深层蒸散发系数 WU WL WD 上 下 深层的土壤蓄水量 WUM WLM WDM 上 下 深层的土壤蓄水容量 EU EL ED 上 下 深层的蒸发量 2 6 6 流域土壤蓄水量计算流域土壤蓄水量计算 a 按上层水量平衡关系求 WU EURPWUWU 01 如果 则WUMWU 1 WUMWU 如果 则WUMWU 1 2 6a 1 WUWU b 按下层水量平衡关系求 WL 若 取 101 WUMWUELWLWL 0 1 WUMWU0 1 WUMWU 如果 则WLMWL 1 WLMWL 如果 则WLMWL 1 2 1 WLWL 6b c 按深层水量平衡关系求 WD 若 取 101 WLMWLEDWDWD WLMWL 1 0 1 WLMWL 如果 则WDMWD 1 WDMWD 如果 则WDMWD 1 2 1 WDWD 6c 2 6 7 流域透水面积上总径流流域透水面积上总径流 R 净雨 划分 净雨 划分 a 自由水的蓄水容量曲线 在产流面积 FR 上自由水的蓄水容量还不能认为