水电能源学+（2）.ppt

1、华中科技大学水电与数字工程学院，2009年8月，第五章径流预测，水库运行过程中，必须根据流域径流信息合理安排发电和泄洪计划，实现经济、合理、安全的径流预测，是水库运行的基础。径流预报是根据水文要素(流量、水位等)的过去或现在的状态来估计流域的未来状态。)或其影响因素(降雨量、温度等)。一、径流预报的基本概念、为了使已发布的径流预报具有实际意义，有必要给出正确的预报值和预报周期。下图显示了洪水预报过程线。在图中，它是当前时间；是预见期；是峰值；是高峰期。理论预测期是指根据水文要素的变化或演变规律得出的预测期；有效预测期是指理论预测期减去信息传递和分析计算时间后剩余的预测期。显然，有效预测期小于或

2、等于理论预测期。只有有效的预测期才有实际意义。预测期可分为理论预测期和有效预测期：预测期小于或等于集水区时间的称为短期径流预测，否则称为中长期径流预测。径流预报按预报周期可分为短期径流预报和中长期径流预报。一般以流域汇流时间为界：如何提高径流预报的精度和增加有效预报周期是径流预报中的两个重要问题。因此，有必要研究水文要素的变化和演变规律，建立准确的预报方法，应用遥测、遥感和实时信息处理等现代预报技术。径流的形成过程：水文现象是一种非常复杂的物理现象，它不仅受降雨时空分布的影响，还受流域下垫面和人类活动的影响。因此，水文学家多年来一直在探索和研究，以揭示水文现象及其发展变化规律。流域水文模型及其

3、发展，然而，仍有许多问题没有解决。在充分理解水文规律之前，水文学家总是试图通过建立模型来模拟水文过程。在研究复杂的水文过程时，水文模型可以被视为描述水文现象和过程的有效工具。即流域水文模型是对自然界复杂水文现象的近似模拟，是水文科学研究的重要手段。流域水文模型的发展经历了以下三个阶段：1、概念和理论的建立，以及系统黑箱模型阶段。20世纪20年代以来，一些重要的水文原理和计算方法相继出现，如以达西定律为代表的非饱和土壤水分运动方程；以霍顿公式为代表的渗透曲线公式；彭曼公式代表的流域蒸散量计算方法：谢尔曼单位线法；特别是霍顿的超渗产流和蓄满产流的概念，使人们认识到自然界中有两种完全不同的产流机制。

4、这些理论和方法在实践中不断发展和完善，作为水文模型雏形的经验“黑箱”模型应运而生。在概念性水文模型阶段，20世纪50年代以后，随着人们对入渗理论、土壤水分运动理论和河流水力学理论认识的加深，以及计算机技术引入水文研究领域，水文学家开始将水文循环的全过程作为一个完整的系统进行研究，并在20世纪50年代后期提出了“流域模型”的概念。从20世纪50年代中期到80年代中期，概念性水文模型进入了蓬勃发展的阶段，其中具有代表性的模型有美国的斯坦福模型和HEC-1模型、日本的Tank模型、瑞典的HBV模型和中国的新安江模型。概念模型比经验黑箱模型更先进，但其最大的缺陷是忽略了强迫气象输入和盆地下垫面特征的空

5、间不均匀性，如地形、土壤、植被等。不能给出流域内水文变量的分布情况，不能满足规划管理和预报实践中对流域内各位置水位和水量信息的需求。在分布式水文模型阶段，自20世纪80年代中期以来，随着计算机、地理信息系统和遥感技术的快速发展，具有一定物理基础并能反映流域各要素空间异质性的分布式水文模型开始出现。世界上较为成熟的分布式水文模型有TOPMODEL、SHE、SWAT等。根据我国的实际情况，建立了具有我国流域特点的分布式水文模型，近十年来取得了许多创新性的研究成果。随着人们对环境变化对水资源影响的日益关注，现代分布式水文模型开始更多地考虑地球生物圈、全球气候变化和人类活动的影响，同时更好地描述了土壤

6、水分的横向分布、产流机制、汇流机制和蒸发估算。改进陆面过程模拟和实现大气水文模型耦合是可能的。概念性水文模型通过概化方法表达流域水文过程。虽然它们有一定的物理基础，但都是经验总结。分布式物理模型的参数具有明确的物理意义，可以用连续方程和动态方程求解，能够更准确地描述水文过程，适应性强。它已被广泛用于模拟土地利用和土壤侵蚀变化的水文响应、非点源污染、地表过程和气候变化影响评价。在径流预报和水文计算中，需要计算大面积甚至整个流域的降水量。5.2流域降水量的计算，从降水量的成因和分类可以看出，降水量在空间上的分布是不均匀的，某一局部区域的降水量大于其周围，而其他位置的降水量随着距离的增加而逐渐减少。

7、我们称降雨集中为暴雨中心。由于暴雨中心在流域内随机分布，为了更好地反映降雨的空间分布，需要有足够的雨量观测站来捕捉变化的降雨。由于水文工作大多以流域为对象，所以所谓降雨量大多是指流域平均降雨量。根据雨量观测站测得的降雨量，用算术平均法和泰森多边形法估算流域平均降雨量。1.算术平均法，假设降雨观测站均匀分布在流域内；某时段第一个雨量观测站测得的降雨量为：如果流域平均降雨量为0，则算术平均法的计算公式为：算术平均法适用于流域内地形起伏小、雨量站分布均匀、密集的地区。泰森多边形法和泰森多边形法也称为垂直等分法。在这种方法中，相邻的雨量站用直线连接成几个三角形，然后在每个三角形的每一边做一个垂直平分线

8、，这些垂直线的交点连接成几个多边形，每个多边形有一个雨量站。泰森多边形法将该多边形区域作为雨量站控制的区域，并根据以下公式计算流域平均降雨量。泰森多边形法适用于雨量站网分布不均匀的流域。这种方法假设在不同的降雨过程中，雨量站所代表的区域是固定的，因此与实际的降水空间分布不完全一致。、5.3。研究了盆地的垂直土柱结构。可以看出，土柱以地下水位为界分为两个不同的含水带：地下水位以下，土体处于饱和含水状态，这是一个两相s降雨特征主要指降雨量、降雨强度和降雨的时空分布。盆地下垫面特征主要是指包气带的厚度、土壤质量、土壤结构和土壤湿度的空间分布。流域产流面积的变化与流域的降雨特征和下垫面特征有关：蓄水量

9、曲线是根据包气带的蓄水量在流域内布置各点得到的蓄水量与面积关系的统计曲线，如图所示。由于蓄水能力曲线实质上反映了包气带的缺水能力(张力水能力)，该曲线可视为流域内各点的缺水能力值，即最大值；曲线和坐标轴围成的区域是整个流域的缺水量。图中为流域内各点包气带的蓄水量，为最大值；是流域内各点包气带的蓄水能力面积；是盆地区域。流域总径流(降雨径流)为地表径流和地下径流之和，即5.4流域总径流计算。当降雨在空间上均匀分布时，根据蓄水能力曲线，过量径流的总径流量可确定为33，360。如果流域某一时段初始蓄水量为0，该时段降雨量为0，则该时段蓄水量增量为0，即为该时段蒸散量损失。这一时期的总径流量为：、让流

10、域的初始蓄水量从蓄水量曲线中得到，蓄水量曲线可以根据上述公式计算得出。，所以径流总径流量和蓄水量增量分别为：如果是，整个流域将会有过量径流。如果是这样的话，流域在局部地区是过度蓄水和产流的；以下抛物线函数常用于河流流域的蓄水能力曲线：对于封闭的河流流域，可以推导出以下公式：其中，它们是经验常数。流域水平衡方程为：其中：期初和期末流域蓄水量；是降雨的周期；是该时期的蒸散量；是时间段的总径流；是很长一段时间；是时候了。是流域的蒸散量，其值与平均温度和日照等因素有关；是盆地的最大蓄水量。流域蒸散量主要由土壤蒸发和植物排放决定。假设蒸散量与流域蓄水量成正比，蒸散量可由以下实用计算公式计算，其中，和上述

11、公式也称为单层蒸散量计算模型。5.5流域蒸散量估算，由于一层蒸散模型在长期干旱后误差较大，此时可采用以下蒸散量计算方法：根据流域蓄水情况，蒸散量可分为三个不同阶段(如图所示)。第一临界盆地的蓄水量应略小于油田的蓄水量，第二临界盆地的蓄水量应小于毛管裂缝的蓄水量。流域总径流量的划分。由于径流超蓄时地表径流形成的条件之一是包气带达到田间持水量后的超渗，即降雨强度超过稳定入渗速率，因此可以得到如下的径流总量划分方法：考虑到地下径流和地表径流汇流特性的差异，流域的径流总量可以分为地下径流和地表径流两部分。流域内均匀分布的降雨产生的地下径流取决于产流区降雨强度与稳定入渗率的对比关系。如果是，则该时段降雨

12、产生的地下径流应为：如果是，则有：这样流域稳定入渗率为，计算时段为，该时段降雨量和蒸发量分别为和。年降雨产生的总径流和相应径流面积的比例根据上述计算公式，只要流域是已知的，多余径流的总径流可以分为两部分：地表径流和地下径流。，以上两项之和不相等，所以假设不合理。如果设置了，那么就有、然后还有、这两个项的和非常接近，所以得到了这次洪水过程的渗透率。5.7流域汇流计算，河网汇流由各级河流汇流而成；流域内降雨产生的径流汇集到流域出口段的过程称为汇流。流域汇流可分为两个阶段：坡面汇流和河网汇流。坡地是指流域中雨水可以直接流入各级河流的部分。可见，流域汇流是一个非常复杂的水流运动。然而，在水文学中研究流

13、域汇流的目的只是为了找到一种方法，将流域上的降雨过程转化为流域出口段的洪水过程。一般来说，坡面汇流可分为地表径流汇流、土壤径流汇流和地下径流汇流。1.地表汇流计算，单位线是指单位时间内均匀分布在流域上的单位地表净雨量形成的流域出口断面的地表径流过程线，表示为。在工程实践中，通常采用单位线法计算地表径流汇流。单位净降雨量是指单位时间内流域的单位净降雨深度，一般取为。单位周期长度可选择为等。具体数值取决于盆地的大小；如果一个单位时间内的净雨深度不是一个单位，而是一个单位，那么它所形成的出流过程线的总持续时间与的总持续时间相同，流量是的两倍；如果净雨的持续时间不是一个周期而是一个周期，则各周期净雨形

14、成的外流过程互不干扰，外流段的流动过程等于流动过程的总和。，单位线法计算图：单位线法计算的步骤可以用公式的形式写出：其中：为时段结束时的地表径流；单位线的垂直值；是在此期间地面的净降雨量。，都是已知的，所以它们成为一个未知数的线性代数方程组，通过求解它们可以得到单位线的纵坐标值。当流域有实测降雨和径流资料时，上述各种类型地下水汇流的分析和计算在理论上是渗流力学问题。然而，实践证明，地下水的蓄水结构可以看作是一个线性水库，有净降雨量的流入和地下水的流出。2.地下水汇流的计算，因此，在水文学中，地下水汇流问题通常基于以下两个方程求解：其中：是地下的净降雨率，即降雨对地下水的补给强度；是地下水的外流；是地下水的蒸发；是地下水的储存能力；地下水储存量是恒定的。水平衡方程，线性水库方程，如果用有限差分法求解上述两个公式，就可以推导出计算地下水汇流的基本公式，其中：为周期开始和结束时的地下水流出量；这是地下净雨率的周期平均值；即时间段。是地下水蒸发期的平均值；新安江模型