工程水文及水利计算-第19讲

工程水文及水利计算,门宝辉可再生能源学院,提纲,第一章绪论第二章水循环及径流形成第三章水文资料的观测、收集与处理第四章水文统计基本知识第五章设计年径流及径流随机模拟（分3讲）第六章由流量资料推求洪水（分3讲）第七章流域产、汇流计算（分4讲）第八章由暴雨资料推求设计洪水（分3讲）第九章水文预报第十章水库兴利调节计算（分2讲）第十一章水电站的水能计算（分2讲）第十二章水库防洪计算（分2讲）,第九章目录,第九章水文预报9-1概述9-2短期洪水预报,9-1概述,水文预报是根据水文现象的客观规律，利用实测的水文气象资料，对水文要素未来变化进行预报的一门水文学科，它是水文学的一个重要组成部分。,在防范水旱灾害和充分利用水资源的实践中，水文预报的理论有了很大提高和充实，应用也更为广泛。,可靠的洪水预报对防止洪水灾害具有特别重要的作用。,1、水文预报的重要作用,在河流防洪抢险中，需要及时预报出防洪地点即将出现的洪峰水位、流量，以便在洪峰到来之前，迅速加高加固堤防、转移可能受淹的群众和物资，动用必要的防洪设施等，把洪水灾害减小到最低限度。,9-1概述,图911998年长江沙市水位预报与实测情况,1、水文预报的重要作用,9-1概述,在水库管理中，可以利用洪水预报，使上游来的洪水与区间洪水的高峰段彼此错开（称错峰），即下游洪水很大时，水库把上游来的洪水暂时蓄存起来，待下游洪峰过后，再加大水库泄量，把上游来的洪水放出来，从而大大减低下游的洪峰和洪水灾害。,1、水文预报的重要作用,9-1概述,如1998年8月长江中下游发生近百年一遇的特大洪水，由于及时准确的洪水预报，对葛洲坝水库、隔河岩水库和漳河水库科学调度，使三峡以上来的洪水和清江、沮漳河洪水的洪峰互相错开，大大降低了荆江河段的洪峰水位，避免了荆江分洪损失，为战胜该年发生的特大洪水做出了巨大贡献。,1、水文预报的重要作用,9-1概述,洪水预报还可较好地解决水库防洪与兴利的矛盾，在预报的洪水未进库之前，先打开泄洪闸门腾空一部分库容，以便洪水来临时能蓄存更多的水量；当洪水即将结束时，预知近期没有很大的洪水入库，则可超蓄洪水尾部的一些水量，用于多发电、多灌溉，使现有工程发挥更多的效益。,1、水文预报的重要作用,9-1概述,径流预报：预报的要素主要是水位和流量，水位预报指的是水位高程及其出现时间；流量预报则是流量的大小、涨落时间及其过程。径流预报又可分洪水预报和枯水预报。,按预报的项目分类,冰情预报：冰情预报是利用影响河流冰情的前期气象因子,预报流凌开始、封冻与开冻日期，冰厚、冰坝及凌汛最高水位等。,2、水文预报的分类,9-1概述,沙情预报：沙情预报则是根据河流的水沙相关关系,结合流域下垫面因素,预报年、月和一次洪水的含沙量及其过程。,水质预报：预测河流中污染物迁移转化的时空变化过程。,施工水文预报：在工程施工期间要进行的特殊预报项目。,按预报的项目分类,2、水文预报的分类,9-1概述,短期水文预报：主要由水文要素作出的预报,中长期水文预报：包括气象预报性质在内的水文预报,预报的预见期：指发布预报与预报要素出现的时间间距。,按预见期的长短分类,2、水文预报的分类,9-1概述,分析预报要素的形成规律，建立由过去的观测资料推算水文预报要素大小和出现时间的一整套计算方法，即水文预报方案。,制定预报方案,制定的方案按国家水文情报预报规范要求的允许误差进行评定和检验。只有质量优良和合格的方案才能付诸应用。右图为我国2000年6月30日开始实施的水文情报预报规范（SL250-2000）。,3、水文预报工作的基本程序,9-1概述,将现时发生的水文气象信息，经过预报方案算出即将发生的水文预报要素大小和出现时间，及时将信息发布出去，这个过程称为作业预报。,进行作业预报,若现时水文气象信息是通过自动化采集、自动传送到预报中心的计算机内,由计算机直接按存储的水文预报模型程序计算出预报结果。这样的作业预报称为联机作业实时水文预报。,3、水文预报工作的基本程序,9-1概述,河段洪水预报方法是以河槽洪水波运动理论为基础，由河段上游断面的水位和流量过程预报下游断面的水位和流量过程。,短期洪水预报包括河段洪水预报和降雨径流预报。,降雨径流预报方法则是按降雨径流形成过程的原理，利用流域内的降雨资料预报出流域出口断面的洪水过程。,9-2短期洪水预报,流域上大量降水后，产生的净雨沿坡地迅速汇集，注入河槽，由于降雨量时空分布不均匀、河网干支流和分布形状的不同，以及水流汇集速度的快慢，河道接纳的水量沿程不同，使河道沿程水面发生高低起伏的一种波动，称为洪水波。,1、河段中的洪水波运动,洪水波,9-2短期洪水预报,附加比降i：指洪水波水面比降i与同水位稳定流水面比降i0之差，即i=i-i0。下图为河道洪水波水面比降示意图。当涨洪时：i0；当落洪时：iA1C1,h2h1（从tl到t2时刻，由于洪水波波前SC的附加比降大于波后AS部分的附加比降，波前的水流运动速度也就大于波后，使洪水波在传播过程中，波长不断加大，波高却不断减小）,河段洪水波的传播与变形,1、河段中的洪水波运动,9-2短期洪水预报,洪水波扭曲：洪水波在传播过程中，波前水量不断向波后转移的现象，称为洪水波的扭曲。S2C2A1S1（波峰S1处水深最大，波的开始点C1处水深最小，随着洪水波向下游传播，波峰向它的起点逼近，波前长度不断减小，即S2C2A1S1，附加比降不断减小，波前水量不断向波后转移）,河段洪水波的传播与变形,1、河段中的洪水波运动,9-2短期洪水预报,定义：根据河段洪水波运动和变形规律，利用河段上断面的实测水位(流量)，预报河段下断面未来水位(流量)的方法，称为相应水位(流量)法。,基本原理,相应水位（流量）定义：在河段同次洪水过程线上，处于同一位相点上、下站的水位（流量）称为相应水位（流量）。,2、相应水位（流量）法,9-2短期洪水预报,基本原理,如图所示某次洪水过程线上的各个特征点，例如上游2点洪峰水位经过河段传播时间，在下游站2点的洪峰水位，就是同位相的水位。,2、相应水位（流量）法,9-2短期洪水预报,相应水位(流量)法的基本方程河段无区间入流：设河段上、下游两站的距离为L。t时刻上游站流量为Q上,t，经过时间的传播，下游站的相应流量为Q下,t+，两者的关系为：Q下,t+=Q上,t-QL式中QL为洪水波展开量，与附加比降有关。河段有区间入流q：两者的关系为：Q下,t+=Q上,t-QL+q,基本原理,2、相应水位（流量）法,9-2短期洪水预报,在制定相应水位法的预报方案时，一般采取水位过程线上的特征点，如洪峰等，作出该特征点的相应水位关系曲线与传播时间曲线相关分析法。,无支流河段的相应水位预报,2、相应水位（流量）法,9-2短期洪水预报,简单的相应水位法（例）预报方案：根据上游站和下游站的实测水位过程线，摘录相应的特征点，即洪峰水位值及其出现时间，并绘制相应洪峰水位相关曲线及其传播时间曲线作为预报方案。,无支流河段的相应水位预报,2、相应水位（流量）法,9-2短期洪水预报,简单的相应水位法（例）作业预报：按t时上游出现的洪峰水位Z上,t，在Z上,tZ下,t+曲线上查得Z下,t+,在Z上,t曲线上查得，从而预报出t+时下游将要出现的洪峰水位Z下,t+。,无支流河段的相应水位预报,2、相应水位（流量）法,9-2短期洪水预报,以下游站同时水位为参数的相应水位法下游站同时水位Z下,t：指上游站水位Z上,t出现时刻的下游水位，它与Z上,t一起能反映t时刻的水面比降变化，同时也间接地反映区间入流和断面冲淤以及回水顶托等因素的影响。,无支流河段的相应水位预报,2、相应水位（流量）法,9-2短期洪水预报,以下游站同时水位为参数的相应水位法预报方案：制作预报方案时，以下游站同时水位Z下,t为参数作等值线，分别绘制Z上,tZ下,tZ下,t+和Z上,tZ下,t相关曲线，如图所示。,无支流河段的相应水位预报,2、相应水位（流量）法,9-2短期洪水预报,以上游站涨差为参数的水位相关法上述方法由于没有反映洪水过程中附加比降的变化等因素，使预报的洪水过程常常有比较大的系统误差。洪水波通过某一断面时，波前的附加比降为正，使涨水过程的涨率Z上/t为正；波后的附加比降为负，使落水过程的涨率为负。因此，水位(流量)过程线的涨(落)率在很大程度上反映了附加比降和水面比降的大小。,无支流河段的相应水位预报,2、相应水位（流量）法,9-2短期洪水预报,以上游站涨差为参数的水位相关法预报方案：右图是长江万县水文站-宜昌水文站河段以Z上为参数的水位预报方案。,无支流河段的相应水位预报,2、相应水位（流量）法,9-2短期洪水预报,定义：在有支流汇入的河段，按照上游干、支流各站的传播时间，把各站同时刻到达下游站的流量叠加起来得合成流量，然后建立合成流量与下游站相应流量的关系曲线，进行预报的方法称为合成流量法。,3、合成流量法,9-2短期洪水预报,预见期：取决于上游各站中传播时间最短的一个。一般情况下,上游各站中以干流站的流量为最大，从预报精度的要求出发，常常用它的传播时间作为预报方案的预见期。,3、合成流量法,9-2短期洪水预报,定义：在圣维南方程组简化的基础上，利用河段水量平衡方程替代连续性方程，用河段的蓄泄关系替代动力方程，然后联立求解，将河段的入流过程演算为出流过程的方法。,4、流量演算法,9-2短期洪水预报,河槽时段水量平衡方程：,基本原理,若当河段内有区间入流量q，将q值并入到上断面的入流量中进行演算,即:,河段蓄水量与泄流量方程：S=f(Q),4、流量演算法,9-2短期洪水预报,该方法由G.T.麦卡锡(G-T-McCarthy)1938年应用于美国马斯京根河流域而得名。在马斯京根槽蓄曲线方程中,河段槽蓄量由柱蓄和楔蓄两部分组成，如图。令x为流量比重因子，SQ，上、SQ，下分别为上下断面在稳定流情况下的蓄量,它们与河段内总蓄量S的关系为,马斯京根法及其槽蓄曲线方程,4、流量演算法,9-2短期洪水预报,马斯京根槽蓄曲线方程：,式中，K为稳定流情况下的河段传播时间，Q称为示储流量,马斯京根法及其槽蓄曲线方程,4、流量演算法,9-2短期洪水预报,联解水量平衡方程式和马斯京根槽蓄曲线方程式,可得马斯京根流量演算方程：,式中,马斯京根法及其槽蓄曲线方程,4、流量演算法,9-2短期洪水预报,对某一次洪水，假定不同的x值计算Q，作出Sf(Q)关系曲线，其中能使二者关系成为单一直线的x值即为此次洪水所求的x值，而该直线的斜率即为所求的K值。取多次洪水作相同的计算和分析，就可以确定该河段的x、K值。,试算法确定x、K值,4、流量演算法,9-2短期洪水预报,（例t=12h）,4、流量演算法,9-2短期洪水预报,根据上例x=0.2，K=12h以及t=12h，得：C0=0.231，C1=0.538，C2=0.231，而且C0+C1+C2=1.0，计算无误。因此,该河段的洪水演算方程为:,试算法确定x、K值,4、流量演算法,9-2短期洪水预报,试算法确定x、K值,4、流量演算法,9-2短期洪水预报,马斯京根法中几个问题的分析,K值的综合：K具有时间的因次，它基本上反映河道稳定流时河段的传播时间。在不稳定流情况下，按流量分级，根据不同的流量取不同的K值。x值的综合：流量比重因素x反映楔蓄对流量的作用外，还反映河段的调蓄能力。对于一定的河段，x在洪水涨落过程中基本稳定，但也有随流量增加而减小的趋势。流量比重因素x，一般从上游向下游逐渐减小，介于0.20.45之间，特殊情况下也有小于零的。,4、流量演算法,9-2短期洪水预报,计算时段t的选择：t不能取得太长，以保证流量过程线在t内近于直线；为了在计算中不漏掉洪峰，选取的t最好等于河段传播时间。预见期问题：马斯京根法用于预报时是没有预见期的。如果取t=2Kx，则C0=0，有一个时段的预见期。,马斯京根法中几个问题的分析,4、流量演算法,9-2短期洪水预报,降雨径流预报是利用流域降雨量经过产流计算和汇流计算,预报出流域出口断面的径流过程。主要包括两方面的内容:由降雨量推求净雨量;由净雨过程推求流域出口断面的径流过程。有关这两个问题的计算原理和计算方法,见第七章的内容。,5、降雨径流预报,9-2短期洪水预报,在降雨径流预报中，有以下主要工作内容：,编制降雨径流方案,根据流域自然地理特征和实测资料条件，建立流域产、汇流计算方案，如降雨径流相关图、单位线等。并对方案的预报精度进行评定和检验。,5、降雨径流预报,9-2短期洪水预报,作业预报,在作业预报中，如图所示t0时刻以前的降雨