水库流域洪水预报的研究与应用.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.29M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 水库流域洪水预报的研究与应用1 张波河海大学水文水资源学院，南京 (210098) E-mail：bobohb123@163.cm 摘要：在分析富水水库流域特性的基础上，应用新安江三水源模型建立了富水水库流域洪水预报模型，建立洪水预报方案。主要内容包括产流方式论证、水库流域洪水预报特殊性、模型参数率定和结果分析。对该流域 14 场历史洪水进行模拟，发现有 12 场合格，合格率达 85.7％，综合评定预报精度等级为甲等。研究表明，应用新安江三水源模型建立富水水库流域洪水预报模型是合理可行的。关键词：新安江模型；日模型；次洪模型；参数率定；水库流域洪水预报 1 水库流域洪水预报研究现状洪水预报方法有很多，目前主要分为两大类：经验相关和水文模型[1]。经验相关法是通过有一定数学理论的方法，建立自变量与因变量之间的关系，具体来说就是寻找降雨径流间的定量的关系。这些关系经过了很多年的实践验证，使用时比较方便，但是这是纯粹的黑箱子模型，没有物理意义，对产流的内在规律研究没有任何的贡献。回顾水文模型的发展历程，大致可以分为两种主要的类型[2-4]，一种是传统的水文模型，这类模型有一定的物理意义，简化了一些产汇流过程，经过较长时间的实践，不断改进，同时积累了丰富的经验。这类模型应用比较广泛，如在我国湿润和半湿润地区普遍采用的新安江模型，国外的 SAC 和 TANK 模型等等。另一种是随着 3S 技术的出现而发展起来的现代的模型，包括了 TOPMODEL 和 HMS 等。综合分析以上方法：在我国较实用的还是三水源新安江模型。新安江模型是赵人俊教授 1973 年对新安江水库作入库流量预报工作中提出来的模型 [5][8]。该模型是一个完整的降雨径流流域模型，可以用于湿润地区与半湿润地区。起初，模型把径流分为直接径流与基流两种水源，对于壤中流及地下水比例较大的流域，模拟精度不高。经过改进，对壤中流丰富的地区，采用三水源新安江模型。按传统观念分，该模型属于蓄满产流模型[6]。目前，新安江模型在我国南方大部分地区广泛使用。我国水库众多，水库的修建对流域水资源的综合利用和防洪减灾都起到了很大的作用。水库流域洪水预报方案直接关系到水库的兴利作用，也关系到整个流域的防洪安全。一方面只有准确地进行洪水预报，才能提前采取措施，科学调度，保证下游防洪断面（尤其是城市及交通大动脉）的安全；另一方面只有进行准确地进行洪水预报，才能合理的蓄泄水，充分利用洪水资源，或发电，或灌溉，或供水，创造更多的经济效益。由此可见，这两个方面都离不开洪水预报，水库流域的洪水预报显得尤为重要。本文把我国广泛使用的新安江模型应用到水库流域洪水预报中。我国水库众多，水库的修建对流域水资源的综合利用和防洪减灾都起到了很大的作用。水库流域洪水预报方案直接关系到水库的兴利作用，也关系到整个流域的防洪安全。一方面只有准确地进行洪水预报，才能提前采取措施，科学调度，保证下游防洪断面（尤其是城市及交通大动脉）的安全；另一方面只有进行准确地进行洪水预报，才能合理的蓄泄水，充分 1本课题得到国家自然科学基金项目( 50679024) ; “十一五”国家科技支撑计划课题( 2006BAC05B02) ; 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放研究基金( 2005406411)的资助。 -1-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 利用洪水资源，或发电，或灌溉，或供水，创造更多的经济效益。由此可见，这两个方面都离不开洪水预报，水库流域的洪水预报显得尤为重要。本文把我国广泛使用的新安江模型应用到水库流域洪水预报中。 2 新安江模型 2.1 三水源新安江模型的结构新安江模型是概念性模型，考虑了降水分布不均和流域下垫面条件不一致，分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流计算四个层次结构[7]。每块单元流域的计算流程见图 1。图 1 三水源新安江模型流程图 2.2 模型参数及中间变量三水源新安江模型参数[9]有：K：蒸散发折算系数；WM：流域平均蓄水容量；WUM：流域上层蓄水容量；WLM：流域下层蓄水容量；B：流域蓄水容量分布曲线指数；C：流域蒸散发折算系数；EX：自由水蓄水容量分布曲线指数；SM：流域自由水蓄水容量；KI：自由水箱地表水出流系数；KG：自由水箱地下水出流系数；CS：地面水线性水库汇流系数； CI：壤中流线性水库汇流系数；CG：地下水线性水库汇流系数；KE：马斯京根法河道传播时间；XE：马斯京根法流量比重系数。模型的中间变量包括：自由水蓄量：S；上层、下层和深层土壤含水量：WU、 WL、WD；地面、壤中和地下径流深：RS、RI、RG；地面径流、壤中流和地下水退水流量： QS、QI、QG；河网节点流量和 Q1 和 Q2。 3 技术路线 3.1 新安江模型日模型参数率定 -2-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 日模型主要是率定产流参数，在计算径流深与实测径流深相当的基础上，以每年误差最小为目标，也相当于每年相对误差的绝对值之和或其平均值最小。 1、先根据参数物理意义以及水库流域的地理位置，对于不敏感的参数可根据经验确定参数值。对于敏感的参数值，可以先假定一个初始值，然后进行优选。 2、而 K、WUM、KI/KG 和 CG 均要在日模型进行优选。首先优选 K,根据水量平衡，控制多年平均径流深相对误差接近 0，以径流深绝对值误差最小为目标优选蒸发折算系数 K。接着，以径流深绝对值误差最小为目标依次优选 WUM、KI/KG 和 CG。 3.2 新安江模型次洪模型参数率定日模型调试参数为次洪模型提供部分参数和中间变量初始值。K、WM、WUM、WLM、 B、KG/KI、EX、C 和 CG 这些参数在日模型与次洪模型中可以通用。而 SM、CS 、CI、 XE 和 KE 等要在次洪模型中率定。由于水库流域的特殊性，在实际率定参数时，要考虑不同的目标函数来率定各个参数。以洪峰相对误差最小为目标优选 SM 和 CS，综合考虑确定性系数、洪峰相对误差和径流深相对误差来优选 CI，以洪峰相对误差最小为目标优选 XE，以洪峰相对误差和峰现时差最小来优选 KE。 3.3 水库流域洪水预报的特殊性水库流域的流量过程线出现了很大的波动现象，与实际情况严重不符，不能反应真实流量情况，在某种程度上也就不能作为预报精度的衡量标准。这些严重的锯齿形波动，是水位反推流量出现误差放大的结果。水库流域由于其特殊性，所谓的实测流量并不是观测到的，而是通过实测库水位、出库流量和库容曲线反推得到的。入库流量反推公式如下，公式中的体积 V 由水位通过库容曲线查出： V 初 V − t ∆ 末 + q 出 = q 入如果水库面积很大，那么水位相差很小，也会造成很大的库容误差，从而放大入库流量误差。因此水库流域的水文模拟中，有可能出现流量为负值的现象，这就是由上述原因造成的。目前还没有较好的流量过程线还原方法。由于一般还原方法会破坏原先的水量平衡，故一般实际应用中，还是用实测的水位反推出的流量作为实测流量。模型参数的估计，依赖于水文资料。一般水文资料系列越长，供参数估计的信息就越多，估计出的参数就越能反映流域实际情况。但由于许多水库流域能用于模型参数率定的水文资料系列很短，或根本就没有水文资料。因此在实际应用中，随着水文资料的累积，要不断进行新安江模型中日模型和次洪模型的参数率定，不断修正模型参数。这样模型参数不断修正的时间越长，越能反映流域实际情况，洪水预报效果越好。 4 应用举例 4.1 流域介绍：湖北富水流域面积为 5130km2 ,其中富水水库集水面积为 2450km2，占全流域面积的 46%，主要拦蓄上游 5 条支流-通山、横石、厦铺、洪港及黄沙河的来水。具体富水流域图见图 2。 -3-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 图 2 富水流域图富水水库总库容为 16.65 亿 m3，死库容为 4.21 亿 m3，调洪库容为 8.52 亿 m3，兴利库容为 5.48 亿 m3。从气候及下垫面条件方面看：富水流域地处亚热带季风区，雨量丰沛，年蒸发量不大，土壤缺水量少。另外，该地区土壤颗粒大，质地疏松，地下水埋深浅，土壤植被好，下渗率较大。由上可知，产流方式是蓄满产流。从水文特征方面看：流域多年平均降水量为 1552.9mm，大于 1000mm；多年平均径流系数约为 0.58，大于 0.4；土壤湿润，易蓄满；且地下径流比例大；此外，该流域洪水流量过程线不对称系数大。这些都说明该流域是蓄满产流。综合分析：该流域应采用新安江模型。本文选用富水水库流域 1978-1998 年 21 年的日模资料，其中 1978-1995 年为率定期， 1996-1998 年为检验期；选用了富水水库流域的 14 场洪水，其中前 12 场作为率定期，后 2 场为检验期。 4.2 模拟过程及结果分析 4.2.1 日模型参数率定与成果分析具体分析：在湿润流域， WM 为 150mm。根据富水流域具体情况，可以约束 WUM+WLM=100mm；湿润地区 C 值不敏感，根据经验定 C=0.167；EX 值也不敏感，根据经验可定为 1.5；富水水库流域面积为 2450 km2，根据经验可确定 B=0.4，KI+KG=0.7；初定参数 SM=10，CS=0.3，CI=0.7，XE=0.44，KE=1h，次洪模拟的时候再进行优选。最终率定的日模型参数值见下表 1：表 1 水库日模型最终率定的参数值 WUM C WLM K 0.87 WM 150 CS 0.5 20 SM 20 CI 0.8 0.167 KI 0.35 KE 1 B 0.3 KG 0.35 XE 0.44 80 EX 1.5 CG 0.995 -4-

http://www.paper.edu.cn 相对误差有效系数表 2 水库日模型模拟结果及精度统计表实测径流计算径流绝对误差 (mm) 450 746 931 779 814 1101 808 588 663 784 1022 974 814 1162 673 1024 989 1132 859 (mm) 66 7 53 65 35 94 14 42 25 44 5 12 15 82 60 97 27 38 43 (%) 12.8 -1 -6.1 7.6 4.1 7.8 1.6 6.6 3.6 5.3 -0.5 -1.3 -1.9 -7.6 -9.9 -10.4 -2.9 -3.5 0.2 (1) 0.456 0.568 0.446 0.449 0.421 0.527 0.623 0.551 0.561 0.504 0.744 0.735 0.814 0.828 0.852 0.731 0.794 0.657 0.626 中国科技论文在线率定期模拟结果见下表 2：年份降雨量 (mm) 1057 1388 1639 1683 1538 1855 1532 1267 1357 1464 1640 1658 1551 1794 1256 1752 1688 1756 1549 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 平均检验期模拟结果见表 3： (mm) 516 739 878 844 849 1195 822 630 688 828 1017 962 799 1080 613 927 962 1094 858 表 3 水库日模型检验结果及精度统计表年份 1996 1997 1998 平均降雨量 (mm) 实测径流 (mm) 计算径流 (mm) 绝对误差 (mm) 相对误差 (%) 有效系数 (1) 1804 1578 2006 1796 1046 732 1435 1071 1138 749 1345 1077 92 17 90 66 -8.9 -2.4 6.2 -2 0.777 0.621 0.652 0.683 日模型不作等级划分，只作相应分析，分析如下：日模型率定期中的年径流最大绝对误差为 97mm，年径流相对误差有两年（1978 年和 1993 年）超过了 10%，占总年数的 11%，确定性系数的平均值为 0.626，最大的是 0.852，最小的是 0.421。日模型检验期中的年径流最大绝对误差为 92mm，年径流相对误差均小于 10%，确定性系数的平均值为 0.683。 4.2.2 次洪模型参数率定与成果分析 -5-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 以不同的目标函数率定出次洪的需要率定的参数，最终次洪模型参数如表 4： K 0.87 WM 150 CS 0.5 表 4 水库次洪模型最终率定的参数值 WUM C WLM 20 SM 20 CI 0.84 80 EX 1.5 CG 0.995 0.167 KI 0.4 KE 1 率定期模拟结果见表 5： B 0.3 KG 0.3 XE 0.44 峰现时差 (h) 洪号 32780508 32790624 32790717 32800606 32800810 32810626 32820616 32820919 32830503 32830626 32840824 32850603 平均降雨量 (mm) 56.7 142.5 129 231.5 133.3 165.3 140.3 实测径流深 (mm) 51.2 144.6 72.3 154.9 111.8 175.3 96.7 41 243.1 398.7 161.6 75.1 159.8 47.2 207.9 415.9 106.5 58.1 136.9 表 5 水库次洪模型模拟结果及精度统计表计算径流深径流深相对误差实测洪峰计算洪峰洪峰相对误差 (mm) （%）（m3/s）（m3/s）（%） 42.2 1163 17.6 978 15.9 计算提前 1 172.5 85.1 145.4 109.6 180.7 60.9 -19.3 -17.7 6.1 2.0 -3.1 37.0 38.6 215.2 423.9 118.9 50.4 136.9 18.2 -3.5 -1.9 -11.6 13.3 3.1 2951 2234 2816 2072 3715 2190 1146 2060 4459 1953 934 2307 2100 1827 2991 2109 2978 2059 969 1955 3645 1616 936 2014 28.8 0 18.2 计算迟后 2 计算提前 1 -6.2 -1.8 计算提前 1 19.8 计算提前 76 6.0 计算迟后 1 15.4 计算提前 2 5.1 计算迟后 2 18.3 计算迟后 3 17.3 计算提前 18 -0.2 计算提前 3 11.4 计算提前 8 合格否确定性系数 (1) (1) 0.791 合格 0.808 不合格 0.796 合格 0.814 合格 0.741 合格 0.421 合格 0.787 不合格 0.825 合格 0.869 合格 0.647 合格 0.736 合格 0.628 合格 0.738 10/12 检验期模拟结果见下表 6：表 6 水库次洪模型检验结果及精度统计表洪峰相对误差径流深相对误计算洪峰洪号降雨量实测径流深 (mm) 92.9 计算径流深 (mm) （%） (m3/s) (mm) 1487 32870613 168.3 93.1 836 32860701 189.8 110.3 105.2 1162 99.2 平均 -0.2 4.6 2.4 实测洪峰 179.1 101.6 差合格否峰现时差确定性系数 (m3/s) （%） (1) (1) 1258 0.782 合格 15.4 766 8.4 计算提前 117 0.174 合格 1012 2/2 12.9 计算提前 59 (h) 0 0.478 1、由表 5 可知，在次洪模型模拟结果中：（1）12 场洪水模拟，10 场合格，合格率达到了 83.3%。（2）确定性系数平均值为 0.738。（3）模拟结果中 12 场洪水的计算径流深与实测径流深的相对误差有 11 场控制在 20% 之内，只有 1 场洪水 32820616 超过 20％。径流深平均相对误差 3.1％。计算洪峰与实测洪峰相对误差较大，为 11.4%。 2、由表 6 可知，在次洪模型检验结果中： -6-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn （1）2 场洪水检验，都合格，合格率达到了 100%。（2）确定性系数平均值为 0.478。（3）检验结果中 2 场洪水的计算径流深与实测径流深的相对误差控制在 5 以内，远小于 15％；计算洪峰与实测洪峰相对误差有一场洪水 32870613 超过了 15％。 3、根据 2000 年水电部颁布的 SL250-2000《水文情报预报规范》，预报项目精度等级要考虑合格率和确定性系数两个标准。但是根据 3.3 节中所述水库流域洪水预报的特殊性，水库流域没有真实的实测流量过程线，在水库流域洪水预报确定性系数不能作为标准，只作为参考，故综合评定时只考虑合格率。经综合评定，对 14 场历史洪水进行模拟，发现有 12 场合格，合格率达 85.7％，预报精度等级为甲等。 5 结语 1、经过产流论证，富水水库流域可以使用新安江模型。采用分层计算，率定新安江模型的参数。各层按解决问题的性质，采用不同的目标函数。 2、根据历史资料率定出日模型和次洪模型参数，这些参数基本能表示富水水库流域产汇流特性，预报方案是合理可行的。 3、水文信息资料对模拟结果有很大影响。因此,丰富准确的资料无疑会提高预报的精度。过去的洪水预报，重点在流域模型和预报方法上，对信息的利用没有充分的认识亦未引起足够的重视[10]。如何搜集到更多的资料，如：得到水库流域符合实际的流量过程线；如何剔除资料中有误的数据，如：降雨资料中突然有个站的雨量冒大数，这些问题需要利用遥测技术、抗差和滤波技术等。参考文献 [1] 李致家.水文模型的应用与研究[M].南京：河海大学出版社，2008. [2] 董艳萍，袁晶瑄.流域水文模型的回顾与展望.水力发电[J].第 34 卷第 3 期. [3] 傅春，张强.流域水文模型综述.江西科学[J].第 26 卷第 4 期. [4] 何长高，董增川，陈卫宾.流域水文模型研究综述.江西水利科技[J].第 34 卷第 1 期. [5] 包为民.水文预报[M].第三版.北京：中国水利水电出版社，2006. [6] 芮孝芳.水文学原理[M].北京：中国水利水电出版社，2004. [7] 包为民.黄土地区流域水沙模拟概念模型与应用[M].南京：河海大学出版社，1995. [8] 赵人俊.流域水文模拟——新安江模型与陕北模型[M].北京：水利出版社，1984. [9] 赵人俊，王佩兰.新安江模型参数的分析.水文[J].1988 年，第 6 期. [10] 包为民.洪水预报信息利用问题研究与讨论.水文[J].2006 年，第 26 卷第 2 期. The Research and Application of Reservoir Catchment’s flood forecasting College of Hydrology and Water Resources, HoHai University, Nanjing （210098） Zhang Bo Abstract On the basis of the analysis of the characteristics of the Fushui Reservoir Catchment, the Xin'anjiang model including three runoff components was applied to establish hydrologic model for flood forecasting and develop flood forecasting scheme. This presentation is mainly about the argumentation of runoff generation mode, model parameters calibration and the analysis of the results. Simulations are performed for 14 historical floods, 12 of which are eligible, prediction accuracy is 85.7%, and comprehensively evaluating, the grade of forecasting precision is first. Results show three sources Xin’anjiang model is applicable in the Fushui Reservoir catchment. -7-

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn Keywords: Xin’anjiang model; daily model; hourly model; parameter calibration; flood forecasting in reservoir catchment 作者简介: 张波( 1985- ),男,湖北监利人,硕士研究生, 主要研究方向为水文学及水资源。 -8-

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