洪水预报修正（精选7篇）
洪水预报修正 篇1
1流域土壤蓄水量对水量平衡的影响
若把流域视作一个系统, 出口断面流量和蒸散发量为其输出, 降雨量作为系统的输入, 而流域需水量的变化调节无雨期的蒸散发量和降雨的损失量。因此, 流域的水量平衡方程可表示为:
式 (1) 中:R为流域产流量 (mm) ;P为流域降雨量 (mm) ;E为流域蒸散发量 (mm) ;ΔW为土壤蓄水量的增量 (mm) ;WS为地面坑洼储水量 (mm) ;WP为植物截留量 (mm) ;R引为跨流域引水量 (mm) ;R交为流域不闭合的径流交换量 (mm) ;R其他为其他因素引起的水量增减 (mm) 。
在自然流域中非闭合流域所占比例极少, 绝大多数流域都是闭合流域, 且流域内无大的跨流域引水工程和其他影响流域水量增减的因素, 则R交、R引和R其他的量都很小。天然流域变动也不大, WS经常可忽略不计。因此, 最终用于实时流域洪水预报的水量平衡公式和简化为:
式 (2) 中:Wt、Wt+1分别为t和t+1时刻的土壤蓄水量 (mm) 。
2流域土壤蓄水量对蒸散发计算的影响
蒸散发也是水文预报模型最重要的输入项之一[1]。经过对裸土蓄水量从饱和到干燥的蒸发过程大体呈3个层次。流域土壤蓄水量会直接影响蒸散发量的计算, 因此蒸散发量的计算结果精确与否在一定程度上依赖于流域土壤蓄水量的准确与否。
3流域土壤蓄水量对计算产流量的影响
产流计算中采用蓄满产流模型, 蓄满产流是指降水在满足田间持水量之前 (所有的降水都被土壤所吸收) 不产流, 而满足之后, 所有的降水 (扣除同期蒸发量) 都产流[2]。
由于下垫面的不均匀性, 所以引入蓄水容量曲线 (即将流域内各地点包气带的蓄水容量按照从小到大顺序排列得到的一条蓄水容量与相应面积关系的统计曲线) 的概念。蓄水容量曲线可由如下指数方程描述:
式 (3) 中:b是常数, 反映了流域包气带蓄水容量分布的不均匀性, b值越小表示越均匀。据上式, 流域平均蓄水容量WM为:
在初始土湿为W条件下, 降雨量PE的产流量可由下列计算式求得。在全流域蓄满前为:
在全流域蓄满后为:
以上为计算产流量的过程中最重要的核心计算公式, 通过式 (5) 和式 (6) 可以看出, 产流量R和土壤蓄水量呈正相关。
4流域土壤蓄水量资料欠缺
在实际的生产实践中用到的流域水文预报的方法一般是半分布式或集总式水文模型, 其共有的特点是将流域分块或当作整体计算, 而实际流域的每一点的初状态值都是不同的, 这样就给模型的计算带来了误差[3,4]。由于流域下垫面的不均匀性, 流域初始土壤蓄水量对于预报结果的影响是最直接也是影响程度较大的。
综上所述, 根据预报模型的结构特点, 初始状态变量影响的最直接的计算结果就是蓄满产流的产流量, 因此提出了通过修正产流量来间接修正流域初始土壤蓄水量所造成的产流量误差。本文提出了一种向信息源追溯的反馈修正 (即通过当前的计算流量值以及当前时刻的实测流量值, 通过直接寻找两者之间的差值反馈给计算模型中的修正模块, 直接对流域时段平均产流量进行修正) 方法, 从而达到对流域初始土壤蓄水量的抗差修正。
5具体修正方法
单位线是流域水文预报过程中比较常用且容易获得的能够反应流域特性的技术参数。而且单位线的线性计算方法使计算过程简单方便, 计算量小而又不失精度。通过当前时刻的实测流量和计算流量的差值, 用蓄满产流模型结合降雨和蒸散发资料计算产流量, 用单位线和最小二乘通过反演对产流量进行修正, 来得到产流量的修正量, 此修正量即是由于流域初始土壤蓄水量的误差引起的, 所以通过修正产流量就达到了修正流域初始土壤蓄水量的效果。
5.1流域线性汇流系统
可用如下离散卷积公式表示:
式 (7) 中, qt为t时间的流域出口断面流量;p为产流时段数;ut-j+1为流域汇流曲线离散值;rj为时段径流深;εt为出口断面流量误差项。为方便用最小二乘求解产流误差量, 把式 (7) 表示为向量矩阵形式的流域汇流模型:
5.2时段径流最小二乘法反演分析
当已知流域汇流曲线和出口断面流量系列时, 可以反演分析时段产流量系列。根据最小二乘法估计, 有:
式 (11) 中, RO′为实际时段产流量的最小二乘法估计值。
5.3误差修正模型
假如流域汇流为线性汇流系统, 根据式 (8) 可得出口断面流量的计算公式:
式 (12) 中:QC=[qc1, qc2, qc3, …, qcm]T为出口断面流量计算值;RC=[rc1, rc2, rc3, …, rcp]T为产流量的计算值。式 (8) 与式 (12) 相减得:
式 (14) 中, E′R为由流域土壤蓄水量误差引起的产流量的修正量的最小二乘估计值, 为列矩阵。修正后的产流量值RO′为:
修正后的出口断面流量过程QO′为:
式 (15) 、式 (16) 构成了产流量误差修正模型。
5.4实际应用检验
对清河水库2010年洪水进行实际应用检验, 2010年发生了6场暴雨洪水, 只对2010年的4场洪峰300 m3/s以上的洪水进行了检验, 并进行了2种不同方法预报结果比较分析, 这2种方法分别为:不加人为修正的传统预报方法, 即蓄满产流模型配合单位线汇流模型预报;使用综合性误差实时修正技术的新安江产流模型配合线性水库汇流模型预报。从表1、表2统计预报结果可以看出:传统预报方法未加人工修正的4场洪水的平均预报精度分别为径流深85%, 洪峰58%, 4场均不合格;用综合抗差修正的4场洪水的平均预报精度分别为径流深96%, 洪峰94%, 4场洪水预报精度均合格。
6结语
通过对修正模型的验证效果可看出, 本方法可有效地对由流域土壤蓄水量误差引起的产流量误差做出很好的修正, 从而提高洪水预报的精度。
摘要：分析了流域土壤蓄水量对水量平衡、蒸散发、产流量的影响, 提出了反馈修正方法, 达到对流域初始土壤蓄水量的抗差进行修正, 从而提高洪水预报精度。
关键词：流域,土壤蓄水量,抗差修正,洪水预报,应用
参考文献
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洪水预报修正 篇2
陆浑水库是一座库容为13.2亿m3的大 (一) 型水库其防洪任务主要有:洛阳防洪、黄河下游防洪和陆浑水库本身保坝。做好洪水预报, 是为上级单位和水库本身防洪调度运用的关键。一九七六年二月至一九七七年元月, 水电部组织的洪水预报会战小组, 在学习大伙房水库管理局提出的“单元汇流单位线”方法的基础上, 通过对伊河流域的实地勘察和资料分析, 编制了陆浑水库的洪水预报方案。编制至今三十年的运用中, 发现了一些在本流域预报中存在的问题, 有洪峰偏大、退水过程过急等, 导致预报精度偏低, 不能很好地为防洪决策提供精确依据。现将本方案的运用情况介绍如下。
2 预报方案的实际运用情况
陆浑水库坝址以上受雨面积为3492km2, 全区共分10个汇流单元, 其中有8个单元多为石山林区, 有两个单元为黄土丘陵区。10个单元中现有16个按12时段制报汛的雨量站, 其中有4个水文站 (不包括陆浑站) 。流域上、中、下游的划分为:旧县站以上为上游, 旧县至嵩县为中游, 嵩县至陆浑为下游。
为进一步验证“单元汇流单位线”法编制的洪水预报方案在本流域中的运用情况, 将1964年至今有完整资料的23场洪水重新做了一次预报。预报情况分析如下。
2.1 洪峰流量的预报
按照《水库洪水调度考评规定》达到好的标准的有9场;一般的有6场;差的有8场。
从预报结果来看, 一般情况下, 洪峰流量大小与径流量成正比关系。同时, 也受到其它因素的影响, 如同样降雨量, 降雨历时越长, 洪峰越小;降雨历时越短, 洪峰越大。即使同样降雨量, 同样降雨历时, 个别时段降雨强度特别大和没有特别大强度时段降雨, 洪峰流量差别也比较大。同样降雨量, 降雨在流域上的分布越集中, 则洪峰流量越大, 洪水历时越短。对于降雨时段比较短, 时段雨量较大的洪水, 预报的洪峰值比实测值大得多。
2.2 洪水总量的预报
按照《水库洪水调度考评规定》达到好的标准的有10场;一般的有4场;差的有8场。
从预报资料可以看出洪水总量与洪峰的关系。在本流域中, 洪量的大小不仅与洪峰的大小有关而且与降雨中心的位置有关。降雨中心在上游的洪水一般是预报值大于实测值。全流域均匀降雨的洪水一般预报的洪量值小于实测值。
2.3 洪峰出现时间的预报
从资料中可以发现, 峰现时间不仅与洪水大小有关, 还与降雨历时有关。同样的径流量或洪水总量, 降雨历时越短, 降雨强度越大, 洪峰出现就越早。
2.4 洪水过程的预报
本流域洪水主要由夏季暴雨形成, 由于暴雨历时短, 强度大, 加之流域坡度陡, 河床比降大。洪水属于尖瘦型洪峰类型, 历时短, 陡涨陡落。一次洪水的持续时间一般为3～5天。通过资料可以看出, 所有场次洪水预报过程的后半部分的退水过程比较快, 与实际退水过程相差比较大。
对于时段比较长, 前期影响Pa值比较大的洪水, 洪水预报因退水非常快, 而实际退水比较缓, 虽然在起涨过程中和退水的前半程中洪量相近, 但洪水总量的预报值往往小于实测值。
2.5 降雨中心分布不同对洪水预报的影响
据上游栾川水电公司提供资料, 在流域上游支流上近几十年来不断修建小水库, 汇集了上游来水。由于流域下游为黄土丘陵区, 中游嵩县至旧县为半石山区, 而上游为石林山区, 产流汇流条件不同。因此降雨中心在上游, 且前期影响Pa值比较小的洪水, 所做预报的洪峰值、洪量值比实测值大。
3 预报值的修正
从计算结果来看, 所做的预报值误差偏大。我们可以从中寻找一定的规律, 根据前期影响Pa值和降雨中心分布不同, 及三十年来洪水预报结果分析, 经反复实践, 对预报值加减一个系数 (洪峰为K1, 洪量为K2) 进行修正来降低误差, 使其更趋于实测值。如下表所示:
注:因Pa≤40降雨中心在下游的洪水场次很少, 故无法计算其K1、K2值。
修正后的数值, 按照《水库洪水调度考评规定》达到好的标准有14场;一般的有6场;差的有3场。洪量预报达到好的标准有15场;一般的有5场;差的有2场。修正后的洪水其洪峰洪量的预报值更加趋于实测值。大大提高了洪水预报的精度。
根据修正后的来水过程及水库实时调度情况, 用手工计算得出水库实时库水位。在2003、2005丰水年的预报中精度还是比较高的。为水库调度提供了更加科学的依据, 增加了水库的自身效益和社会效益。
4 几点建议
周家水库洪水预报方法研究 篇3
1 洪水预报方法
水库短期洪水预报, 是根据已经发生的雨情、水情以及水库的降雨径流与洪水规律, 预报水库即将出现的洪水情况, 为水库的防汛和调度运用提供科学依据[1,2,3]。
1.1 研究资料
周家水库的降雨、水位和出流等项观测资料比较短缺, 同时精度较差, 不能较准确地计算入库流量过程和分析该水库的降雨径流和洪水规律。在这种情况下, 借用流域降雨洪水特性相似的三道岭水库所在区域的降雨径流关系和洪水规律分析资料, 来预报该水库的洪水过程。
周家水库洪水预报方案:产流方案采用降雨径流相关法;洪峰流量推求采用净雨深与洪峰流量相关即峰量关系相关图。采用资料:周家水库位于大清河上游, 属于无实测水文资料地区, 由于地理和自然条件同三道岭水库相近, 故借用三道岭水库预报方案相关资料及成果, 进行该水库的洪水预报方案的编制。
1.2 产流计算
1.2.1 流域平均降雨量计算。
预报时流域平均降雨量采用周家水库站降雨量。由于周家水库没有降水资料记载, 预报分析借用三道岭水库预报方案相关资料。
1.2.2 产流参数的确定。
该水库无蒸发资料, 最大初损值 (Im) 及折算系数均采用大清河三道岭站, Im=130 mm, 其中折算系数作了必要的修正 (表1) 。
1.2.3 前期影响雨量Pa的计算。计算公式:
式 (1) 中:Pa, t、Pa, t+1分别为t、t+1日前期影响雨量 (mm) ;Pt为t日降雨量 (mm) ;Rt为Pt所产生的径流量 (mm) ;K为日折减系数。
前期影响雨量Pa自5月1日开始计算, 初始值为Pa=0 mm。Pa计算以Im为控制, 最大初损Im采用大清河资料为130 mm, 折算系数K见表1。晴天Pt<5 mm;阴天5 mm≤Pt<15 mm;雨天Pt≥15 mm。
1.2.4 径流深的计算。
根据周家水库的降雨量, 借用三道岭水库预报的K和Im值计算Pa, 用 (P+Pa) 直接从降雨径流相关图中查R值, 即为周家水库预报的洪水径流深。对1974—2005年间的23次降雨径流关系点据和15次为2006—2009年报汛资料计算降雨径流点据进行分析, 根据平均降雨量P、Pa、径流深R, 建立P+Pa与R的相关关系, 点在P+Pa与R相关图上。以P+Pa为纵坐标, R为横坐标, 建立P+Pa与R (降雨径流) 的相关图。利用所求的P+Pa之和, 在P+Pa与R相关图中查得R值。
1.3 汇流计算
1.3.1 峰量相关图。
对水库资料计算分析, 共收集到22次峰量相关数据, 以Qm为横坐标, R为纵坐标, 点绘Qm与R相关图。对短缺实测水文资料的中、小型水库, 同样可借用流域特性等相似的水文站 (或水库) 的峰量关系, 但必须根据集水面积, 应用经验公式将借用水文站 (库) 的洪峰流量 (Q借m) 转化为本水库的入库洪峰流量 (Q入m) 。其转化公式为:
式 (2) 中:Q入m为本水库的入库洪峰流量 (m3/s) ;Q借m为借用水文站 (库) 的洪峰流量 (m3/s) ;F为本水库的集水面积 (km2) ;F借为借用水文站 (库) 的集水面积 (km2) ;2/3为经验指数。
利用三道岭水库站峰量关系移植到周家水库折算系数K= (F周/F三) 2/3=0.464, 洪峰流量Q周=0.464*Q三, R不变, 点绘出R与Qm相关图。
1.3.2 推求洪水历时。
(1) 用三角形法推求洪水历时。用求三角形底边的方法推求洪水历时, 已知R (或W) 和Q入m, 可根据三角形的面积值即为洪水总量W, 则:
式 (3) 中:T为洪水历时 (h) ;W为洪水总量 (万m3) ;Q入m为入库洪峰流量 (m3/s) ;5.56为单位换算系数。
曾建立R与T关系, 因为资料不完整, 相关性不明显, 主要是观测时段太长。
(2) 用经验公式法推求洪水历时。用经验公式法推求洪水历时, 根据有效降雨历时和流域集流时间, 推求洪水历时的经验公式为:
式 (4) 中:T为洪水历时 (h) ;t有效为有效降雨历时 (h) , 即水库水位起涨到降雨停止的历时;τ为流域集水时间 (h) , 可用经验公式求得:
式 (5) 中, L为流域河道总长 (km) , V为平均流速 (m/s) 。一般中、小型水库地处丘陵地带, 粗略计算时可取V=1.4 m/s, 则τ=0.2 L。如有河道比降资料也可用满宁公式计算V值。
应用时, 已知有效降雨历时 (t有效) , 加上流域集流时间τ, 即可推求出本次洪水历时 (T) 。
1.4 方案精度评定
借用三道岭水库分析成果, 用三道岭水库典型洪水资料12年20场洪水和周家水库2年2场洪水分析, 确定了P+Pa与R降雨径流相关图, 径流深方案合格率为68.18%。净峰流量预报采用三道岭水库12年20次典型洪水和周家水库2年2场洪水分析, 点绘相关图, 预报合格率为54.55%。该方案分析成果精度较差, 使用价值较低。
2 水库抗洪能力分析
水库抗洪能力, 就是水库在某一库水位情况下, 水库能安全抗御多大暴雨洪水的实际能力。当水库水位很低、空库容很大时, 水库抗洪能力就大, 能拦蓄较多洪水, 即使产生较大的降雨洪水, 也可以安全渡讯;当水库水位已经很高;空库容已经不多, 这时水库的抗洪能力就小, 即使出现一场不大的降雨, 水库也可能抗御不了, 因而水库的危险性较大, 必须及早采取防汛措施[4,5]。
编制水库抗洪能力图表的基本原理是根据水库水量平衡方程式和降雨径流关系进行相关计算。在有了水库集水面积、水位—库容关系曲线、降雨径流相关图, 并确定了水库所允许的最高洪水位之后, 可以计算水库各级水位与不同前期影响雨量情况下的允许最大降雨量, 即水库的防洪能力。
2.1 水位不超过溢洪道底的防洪能力计算
计算公式:
式 (6) 中:P1为现时水位到溢洪道底高程的允许最大降雨量 (mm) ;W1为现时水位以上到溢洪道堰底尚可蓄水量 (万m3) ;F为水库集雨面积 (km2) ;α为径流系数。
2.2 水位超过溢洪道底的防洪能力计算
计算公式:
式 (7) 中:W防为现时水位到允许最高水位之间还可以防御的水量;W1为现时水位到溢洪道底之间还能拦蓄的水量 (万m3) ;W2为溢洪道底以上各级水位到允许最高洪水位之间调洪库容 (万m3) ;△V调为溢洪道底以上各级水位至允许最高水位库容 (万m3) ;W泄为在某一段时间内溢洪道泄出的水量 (万m3) , 即W泄=1/2Q泄m×0.36△t=0.18 Q泄m△t;△t为泄流历时 (h) 。分别对周家水库不泄洪和泄洪的情况下进行抗洪能力计算 (表2、表3) 。
3 结语
水库洪水预报调度的目的, 就是要求事先预报出在一次暴雨洪水过程中, 水库可能发生的最高水位、最大泄洪流量、开始溢洪时间和最高水位及最大泄洪流量的出现时间。以便进行科学的调度运用, 正确处理好蓄洪与泄洪的关系, 以确保水库工程和下游河道的安全, 并合理拦蓄洪水, 充分发挥工程效益。周家水库缺少长期的水文观测资料积累, 这给后续水库运行管理、水利水文分析计算以及洪水预报调度方案的编制带来极大的困难。
注:F=42 km2;Im=130 mm;泄流历时ΔT=24 h;Pa=0 mm。
参考文献
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靠山屯水库洪水预报方案 篇4
中小型水库洪水预报方案是水库控制运用的重要基础条件, 是中小型水库防汛遥测指挥系统建设的重要技术支撑。按照省水利厅要求, 锦州水文分局水情技术人员对靠山屯水库洪水预报方法进行研究探讨, 综合多年已有成果完成了初步洪水预报方案编制工作。
2 流域概况
靠山屯水库位于辽西渤海岸流域小凌河水系北小河东支流黑山庙河中下游峡谷地带, 是一座以防洪、灌溉为主, 兼顾发电、养鱼的综合利用的中型水库, 于1960年9月建成。水库1956～2000年多年平均径流深108mm, 即多年平均径流量702万m3。坝址以上集雨面积65km2, 河长17.5km, 河道平均比降4.5‰。
3 工程概况
靠山屯水库位于辽宁省锦州市义县留龙沟乡靠山屯村南, 系渤海岸流域水系北小河支流黑山庙河中下游峡谷地带的水利枢纽工程, 位于东经120°57′, 北纬41°18′, 是一座以防洪、灌溉、养鱼综合利用为一体的山谷型中型水库。
该水库始建于1960年, 7月大坝拦洪, 当年9月主体工程竣工, 原设计标准为20年, 校核标准为100年。
1963年将溢洪道下挖2.0m, 使设计洪水标准提高到百年, 校核标准为300年。
1976年在拦河坝坝顶修建1.60m高防浪墙, 使校核标准接近2000年。1978年用新水文资料复核, 考虑防浪墙挡水, 校核标准达万年。
1980年初, 市县水利局共同负责验收, 于1981年5月30日以锦水利字[1981]32号文, 将验收结果 “关于报送靠山屯水库验收资料的报告”上报省水利厅, 对靠山屯水库工程正式验收。
1982年全国中型以上水库进行“三查三定”水库标准核定时, 认定靠山屯水库防洪标准为50年一遇洪水设计, 1000年一遇洪水校核。
靠山屯水库枢纽工程由大坝、溢洪道、输水洞组成。
靠山屯水库是黑山庙河上的骨干工程, 承担着5000亩农田的灌溉补水任务, 保护着下游义县留龙沟乡的全家屯、冯家屯、许家屯等3个村屯的2000人及5000亩耕地的安全, 同时对锦朝公路、沈山铁路的安全及义县的农业生产起到了巨大的作用。
4 洪水预报
靠山屯水库洪水预报方案:产流方案采用降雨径流相关法;洪峰流量推求采用净雨深与洪峰流量相关即峰量关系相关图。
4.1 采用资料
由于水库属县级水利部门管理, 资料的收集比较困难, 本水库的降雨资料基本没有记载, 只有报汛的水库摘录资料, 经分析对比, 采用临近的沈家台、留龙沟雨量站的的实测降雨资料, 取两个站的平均降雨量作为流域平均雨量, 选用了多次洪水进行了降雨径流关系的分析。
4.2 产流部分
4.2.1 流域平均降雨量计算
采用临近的沈家台、留龙沟雨量站的的实测降雨资料, 取两个站的平均降雨量作为流域平均雨量。
4.2.2 产流参数的确定
该水库无蒸发资料, 参考本流域的控制站锦州水文站及水库的产流特性, 确定Im=170毫米。
4.2.3 径流深的计算
根据水库水位、库容及泄量资料, 推求水库的次洪流量过程, 在次洪流量过程中分割基流及前期径流过程, 用时段流量累积计算入库径流深R。
4.2.4 前期影响雨量Pa的计算
前期影响雨量自6月1日起算, 初始值取5月上、中旬总量的1/3与5月下旬总量的2/3之和。
计算公式:Pa。t+1=K (Pa。t+Pt-Rt)
式中:Pa.t、Pa.t+1～分别为t、t+1日前期影响雨量, mm;
Pt～流域平均降雨mm;
Rt～Pt所产生的径流量, mm;
K～日折算系数。
Im～流域内最大初损值 (mm) ;采用洋河站资料, Im=110mm。
折算系数K值见下表。
4.2.5 降雨径流深相关图
对1964年至2008年间的15次降雨径流关系点据进行分析, 以P+Pa为纵坐标, R为横坐标, 点绘P+Pa～R (降雨径流) 相关图。水库降雨径流关系特征值统计表和p+pa——R的相关图 (略) 。
4.3 汇流部分
4.3.1 峰量相关图
对水库资料计算分析, 共收集到12次峰量相关数据, 以Qm为横坐标, R为纵坐标, 点绘Qm～R相关图 (略) 。
4.3.2 推求洪水历时
汇流时间基本在2～2.5小时左右, 洪峰出现时间符合辽西地区汇流特点。若来水量超过水库溢洪道堰底, 水库泄洪, 最高洪水位约在入库洪峰2小时后出现。
4.4 方案精度评定
本方案精选了15次较为典型的洪水资料, 进行分析, 点绘了P+Pa～R相关图;方案合格率73.3%;12次峰量相关数据, 建立Qm～R相关图, (但暂无成形资料进行校核验证) 。
5 结语
南四湖洪水预报调度模型研究 篇5
南四湖为南阳、独山、昭阳、微山4湖的总称。南四湖入湖主要河流共53条,其中29条入上级湖,24条入下级湖,出湖河流共4条。入上级湖的河流中有控制站的主要有:湖东的白马河、四河、光府河、城河、北沙河;湖西的洙赵新河、梁济运河、万福河、复新河、东鱼河。入下级湖的河流中有控制站的主要有:十字河、不牢河、新薛河、郑集河、沿河。出湖河流为老运河、韩庄运河、伊家河、不牢河,自东向西分布于湖区南部。南四湖流域多年平均降水量695.2 mm,多年平均径流量29.6亿m3。
南四湖流域水系复杂,湖东为山洪河道,源短流急;湖西为平原坡水河道,集流入湖缓慢。在南四湖洪水预报时,没有比较实用的预报调度系统。在实时性和准确性方面,已经不能满足防汛调度对洪水预报信息的需求,因此,开展南四湖洪水预报调度模型研究具有重要的理论意义和实际应用价值。为了解决南四湖洪水预报调度中存在的问题,构建了新安江模型,率定有实测资料的11个子流域,对于主要控制站以下的无实测资料区间,考虑移用下垫面情况相似的相邻流域参数,使预报结果达到一定精度[1]。
1 新安江模型应用
1.1 模型概述
新安江模型是一个概念性流域水文模型[2]。根据降水和下垫面的水文、地理情况将流域划分为若干个单元,对每个单元流域作产汇流计算,再将每个单元面积预报的流量过程演算到流域出口后叠加起来即为整个流域的预报流量过程。河道洪水演算采用马斯京根法。单元流域的新安江模型由4个层次组成:三层蒸散发计算、蓄满产流计算、三水源划分,以及坡地、河网汇流计算。
1.2 模型验证与应用分析
根据流域水文站网的报汛情况和流域洪水的汇流时间,南四湖水库洪水预报采用6 h时段长度。各子流域均采用新安江模型进行洪水模拟,参数律定。限于篇幅,仅列举鱼城、孙庄及腾县3个子流域结果。20世纪70年代该流域是天然流域,利用历史资料进行验证,模型效果较好,90年代后,由于水利工程的建设,破坏了流域的天然特性,预报效果较差,为此系统采用20世纪90年代及以前的资料进行验证。
1.2.1 模型验证
鱼城流域内有5个雨量站,选取1971—1995年的27场洪水资料;孙庄流域内有3个雨量站,选取1971—1995年的29场洪水资料;腾县流域内有3个雨量站,选取1962—1995年的32场洪水资料。从洪量的模拟精度来看,鱼城、孙庄和腾县3个流域合格率分别为88.9%,75.9%和75.0%,其中鱼城精度达到甲级标准,孙庄和腾县达到乙级标准。图1为鱼城流域1973-07-14 T 8:00—08-05 T 14:00实测与模拟洪水过程线,图2为孙庄流域1973-07-14 T 20:00—07-19 T 8:00实测与模拟洪水过程线(图1、2中各纵向虚线均代表所标日期的零时),表1为各流域新安江模型参数。
通过对比鱼城、孙庄及腾县3个流域的参数值可以发现:1)由于KG+KI=1,EX=0,此时的新安江模型实际是二水源新安江模型[3];2)孙庄流域的上层张力水容量WUM较其他2个流域要小,表明此流域的植被和土壤发育状况不及另外2个流域;3)鱼城流域的河网水流消退系数CS比较大,参数CS决定于河网的地貌,CS值愈大,流域调节能力愈大[4]。腾县流域调蓄能力明显不及鱼城和孙庄流域,这一点由自由水容量参数SM也可看出,究其原因,腾县流域丘陵地区占70%,属山区地貌,而鱼城和孙庄流域属湖西平原地貌。此外,鱼城流域面积远大于另外2个流域,流域的调蓄能力自然也较另外2个流域要大。
1.2.2 实际应用
在20世纪90年代后期,南四湖流域部分河道内进行了水利工程建设,修筑了拦河闸坝拦蓄上游来水,工程的建设改变了天然河道特性。通过实际应用来看,鱼城站实际应用效果较好,孙庄和藤县2站受工程影响较为明显。详细情况如图3～5所示(此3图中各纵向虚线均代表所标日期的零时)。
1.3 无资料区间处理
上级湖流域控制流域面积为27 263 km2,湖区面积为602 km2,水文站以上控制面积为18 564 km2,这样湖东无资料地区786 km2,湖西7 004 km2,将湖东和湖西无资料区间流域各分为4块,湖东每块为196.5 km2,湖西每块为1 751 km2,湖区单独作为1块。下级湖流域控制流域面积为4 250 km2,湖区面积为666 km2。将下级湖区间分为4块,湖东湖西各2块,每块820 km2,湖区作为1块。
这样上下级湖无资料流域和湖面分为14块,由于没有直接的流量资料,这些子流域水文模型的参数无法直接率定,对于产流和分水源参数,在考虑东西2岸地理差异的基础上,从邻近相似流域直接移用,对于汇流参数,根据地形和汇流河段的长度,估算得出。
2 洪水调度模型
南四湖是1个浅水型河流堰塞湖,湖内芦苇、水草生长茂盛,加之群众在湖内围湖生产养鱼等的影响,导致湖内洪水下泄缓慢。2级坝段闸前和闸后芦苇和其他人工障碍的阻水十分严重。历史上南四湖地区就是洪水灾害的多发区,本次仅考虑南四湖防洪调度。
2.1 基本原理
水库调洪计算的直接目的,在于求出水库逐时段的蓄水、泄水变化过程,从而获得调节该次洪水后的水库最高洪水位和最大下泄流量,以供进一步防洪计算分析之用。
水库调洪演算有2种情况,一种为下泄流量受控制的调洪演算,其控制调节方式由水库防洪运行规则决定。这只能在有闸门控制的泄洪设备条件下才存在。
另一种情况为自由泄流条件下的调洪演算,无闸门溢洪道泄流、或设闸门的泄洪设备闸门开启程度一定的条件下泄流均属此种情况。对此种情况,若按静库容条件考虑,需联解水库水量平衡方程和相应水库蓄泄方程才能实现逐时段的调洪演算。对调洪中过程中任一∆t(∆t=t2-t1)时段,计算式可表示如下:
式中:Q1,Q2分别为时段初和末入库流量;q1i,q2i分别为时段初和末第i号闸门或泄流设施的下泄流量;q1j,q2j分别为时段初和末第j号机组的下泄流量;V1,V2分别为时段初和末水库蓄水量。
蓄泄方程qi=ƒ(Z)表示闸门开度不变的条件下水库水位与泄流量之间的关系[5]。
对于控制泄流的计算可采用列表法,方法非常简单,这里不加以叙述。对于自由泄流的情况,需要联解式(1)和(2)及水库库容曲线(Z～V)。这里解析解是不可能的,需要使用试算求解。对于任意的∆t时段,在南四湖流域不需考虑机组下泄流量(因为南四湖没有安装发电机组),其Q1,Q2,q1i,V1为已知,通过试算法可求解q2i和V2。
2.2 约束条件
在进行模型计算时,主要考虑以下4个约束条件:
1)水库最高水位约束
式中:Zt为t时刻水库水位;Zmax(t)为t时刻容许最高水位,通常采用防洪高水位。
2)水库泄流能力约束
式中:qt为t时刻的下泄量;q(Zt)为t时刻对应于水位Zt的下泄能力。
3)出库变幅约束
式中:|qt–qt-1|为相邻时段出库流量变幅;∆qm为相邻时段出库流量变幅的容许值。
4)下游防洪能力约束
式中:qt为t时刻的下泄量;qmax为下游防洪安全泄量。
2.3 调度原则
根据《沂沭泗洪水调度方案》,涉及到南四湖的洪水调度方案主要概括为以下几点:
1)当上级湖南阳站水位达到34.2 m并继续上涨时,2级坝枢纽开闸泄洪,视水情上级湖洪水尽量下泄。
预报南阳站水位超过36.5 m,2级坝枢纽敞泄。当南阳站水位超过36.5 m时,滨湖洼地滞洪。
2)当下级湖微山站水位达到32.5 m并继续上涨时,韩庄枢纽开闸,视南四湖、中运河、骆马湖水情,下级湖洪水尽量下泄。当预报微山站水位不超过36.0 m,如中运河运河站水位达到26.50 m或骆马湖水位达到25.0 m时,韩庄枢纽控制下泄。
预报微山站水位超过36.0 m,韩庄枢纽尽量泄洪,尽可能控制中运河运河站流量不超过5 500 m3/s。
当微山站水位超过36.0 m时,韩庄枢纽敞泄,滨湖洼地滞洪;在不影响徐州城市、工矿安全的前提下,蔺家坝闸参加泄洪。
本节中的水位与流量均为目前沂沭泗防洪调度方案中的控制水位与流量。
2.4 调度模式
根据调度原则,确定2种防洪调度模式,一种是按照调度规则放水的情况下推求上级湖和下级湖的蓄洪和水位变化过程;另一种是各个闸都按照指定的放水过程推求上级湖和下级湖的蓄洪和水位变化过程,整个放水过程由人工控制,充分考虑了调度员的经验,使得洪水调度更具灵活性。从调度结果可以发现,经过调度之后,上级湖与下级湖的水位均可控制到汛限水位,保证了实际洪水调度的灵活性。
3 结语
南四湖流域水系复杂,本次构建新安江模型进行洪水预报,并利用洪水调度模型分别对上、下级湖入湖洪水进行调度,基本满足南四湖防汛调度对洪水预报信息的需求。通过初步的研究和探索,对南四湖流域的水文特性有了一定的认识,调度结果为南四湖防灾减灾提供依据,人工干预的调度方式使调度员可以根据实际情况调整下泄流量,保证洪水调度的灵活性。但由于资料缺乏,仍有不少问题留待解决:
1)随着流域内水利工程的大规模建设,流域的下垫面条件发生较大变化,本次仍采用1套参数,可以考虑将已有洪水资料分为80年以前和80年以后分别率定以适应流域变化,提高模拟精度;
2)调洪演算的条件由于资料的原因不能完全满足,中运河运河镇或者骆马湖的水位不能及时取得,并且防洪高水位在调度方案中没有给出。因此,对于该模型的实际运行情况,目前只能按照普通的调洪演算进行。
参考文献
[1]李致家,孔凡哲,王栋,等.现代水文模拟与预报技术[M].南京:河海大学出版社,2010:247-248.
[2]赵人俊.流域水文模拟—新安江模型和陕北模型[M].北京:水利电力出社,1984:11-17.
[3]李致家.水文模型的应用与研究[M].南京:河海大学出版社,2008:34-37.
[4]王义民,黄强,畅建霞,等.基于面向对象技术的水库洪水调度仿真模型研究[J].2003(4):8-14.
降雨径流型洪水预报方法实例分析 篇6
关键词：中小流域,下垫面,产汇流影响,相关图,预报模型
1降雨径流预报介绍
针对某一流域, 降雨须经过蒸发、下渗、坡地产流和河槽汇流几个阶段才能形成一次洪水过程, 见图1。
一次降雨形成径流可分为地面径流 (图2中1、2部分) 和地下径流 (图2中3、4部分) , 地下径流分浅层和深层地下径流, 深层地下径流由前期降雨形成。降雨径流预报法就是根据已知降雨情况来推求其产生的洪水过程。
2降雨径流预报影响因素
自然地理、气象和土壤湿润程度是影响降雨在地面形成径流的主要因素。气象因素包括降雨量级、强度、降雨在时间和空间上的分布等;流域自然地理特性包括流域面积、植被覆盖率、土壤结构等;流域降雨前期土壤湿润情况是影响降雨产流的重要因素, 因为其直接决定着下渗损失雨量的大小。上述影响因素成因复杂, 均难以定量掌握。
3示例流域介绍
永翠河流域位于伊春市带岭区, 流域面积约677km2, 河长67km。流域地貌属小兴安岭山地, 植被良好, 地下水丰富。流域为黑龙江省暴雨中心之一。流域位于黑龙江省多年冻土分区南部边缘, 年内土壤11月结冻, 第二年4月解冻。一些山地阴坡或塔头地带, 年内始终存在小兴安岭岛状冻土, 最大冻土深约2.5m, 冻土总体分布自上游至下游面积、深度逐渐减小。流域冻土导致降雨下渗异常, 透水较差, 冻土融冻时吸收热量, 抑制蒸发, 实际蒸发小于正常蒸发, 土壤含水量大于无冻土区。该区域因冻土存在使降雨下渗情况更加区域复杂化, 难以用单一方法来预报其降雨产流过程。
4预报方法介绍
流域下垫面影响因素复杂, 其产汇流规律复杂多变, 根据流域特性, 采用降雨~洪峰流量相关图和拟合预报方程法来预报流域洪峰流量。
4.1相关图绘制
预报影响因素之间的经验相关图间接反应了因素对洪水的影响情况, 在明确主要影响预报要素因子时该方法是较实用的预报方法。经分析, 选择场次降雨量和流域前期土壤含水量与洪峰流量建立相关关系 (见图3) , 相关点据48个。图3点据分四个带状, 共定出4条相关线。1、2号线间部分点据降雨强度均小于0.5mm/h, 降雨中心多数在流域上游区域, 洪峰流量偏小。2、3号线间降雨强度在0.5-1.0mm/h之间, 降雨中心在流域中、下游。3、4号线间降雨强度在1.0-8.0mm/h之间, 洪峰流量与同级降雨相比偏大。
4.2回归方程模型法预报
选择上述实测点据, 利用降雨强度 (pi) 、流域冻土深度 (hi) 、平均雨量、前期土壤含水量 (Pa) 与洪峰流量 (qm) 建立相关拟合分析方程。预报方程为:
式中:X为系数, C为常数, 利用实测点据率定出方程系数后预报方程为:。洪水拟合见表1, 合格率为62%, 达到丙级预报标准。
5结束语
(1) 受冻土影响流域的下垫面环境复杂多变, 在降雨蓄渗、产流方面直接影响着流域洪水规律特征。由于冻土分布面积和埋藏深度的不确定性, 使得传统单一理论的洪水预报方法难以在该流域得以应用, 因此, 必须考虑采用多种方法结合使用来进行冻土影响流域的洪水预报。
(2) 文章所述洪水预报方法在实际工作中得到较好的应用效果。实际使用时首先根据流域的值、降雨强度和降雨中心位置等参数, 在相关图上选择适宜的线型初步确定预报洪峰流量, 然后再选择预报方程法进行洪峰流量预报计算。方程计算值与查图值如果接近 (差值小于查图值的20%) 则取二者的均值作为正式预报结果;否则应进一步综合分析修正预报结果。
(3) 文章采用相关图法和预报模型法分别从经验相关和数理统计两个方面对示例流域的洪水预报方法进行了分析。由于有效预报因子较少, 加之对流域冻土特性规律掌握不够全面等原因, 预报方程历史拟合精度较低, 今后还有待对冻土影响流域的洪水预报方法进行深入探讨研究。
参考文献
[1]邓先俊.陆地水文学[M].北京:水利电力出版社, 1984:61-114.
[2]李慧珑.水文预报[M].北京:水利电力出版社, 1979:60-122.
洪水预报修正 篇7
(1) 水利工程、农田蓄放水误差。流域中, 常有许多中小型水利工程, 遇洪水, 先拦蓄洪水, 若长期洪水拦蓄不下, 又大量放水泄洪, 遇干旱、农业需水季节, 放水灌溉, 泄空库容。如此常给洪水预报带来大的误差, 其大小取决于流域内中小型水利工程的多少。
(2) 设备故障, 导致不合理的观测数据或资料缺测。 有许多雨量站和水位站, 在水文遥测系统的运行过程中, 常遇到各种故障, 给实时洪水预报带来误差。
(3) 水文规律简化误差, 即模型结构误差。 如农业活动作用的忽略、降雪作为降雨处理及产流机理简化为蓄满产流、超渗产流等, 都属于模型结构误差, 当与实际出入大时, 就会带来大的误差。
(4) 流域水文规律的变化。流域水文规律受气候条件和下垫面条件的改变而改变。如北方高寒地区融雪径流形成的洪水与暴雨型洪水的差异, 雷暴雨、台风雨引起的洪水特征与锋面雨引起的洪水特征差异等, 及人类活动如森林的大面积砍伐、开挖人工河渠、修建大型水库、水土保持影响等, 都会给水文规律带来大的影响, 也会给实时洪水预报带来一定的误差。
(5) 水文资料观测误差和雨量资料代表性误差。
2 预报模型的误差
清河水库洪水预报包括产流预报和汇流预报两部分。清河水库的产流预报现有4 种模型:即水箱模型、新安江模型、大伙房模型、蓄满产流模型进行洪水预报, 经多年实践经验, 蓄满产流模型预报精度比较高, 达到84%左右, 新安江预报精度为83%, 接近蓄满产流模型, 大伙房、水箱模型预报精度相对较低, 为75%左右;蓄满产流模型适合本流域的特点, 是清河水库产流预报一直采用的模型, 其他模型预报起到参考、对比的作用。汇流预报主要应用单位线法, 包括雨强单位线和检验单位线两部分[1]。
3 蓄满产流模型原理
清河水库流域蓄水量每年从5 月1 日开始计算, 5 月1日起土壤上下层初始含水量分别为Pa上=0 mm, Pa下=50 mm, 上、下层最大土壤含水量分别为Pam上=45 mm、Pam下=85 mm, 最大土壤含水总量130 mm。
P′=P+Pa上-45-E
R=P′- (85-Pa下) × (1-e-0.012×P)
其中, R─净雨 (mm) ;P─流域平均降雨 (mm) ;Pam上─上层土壤最大含水量 (mm) ;Pam下─下层土壤最大含水量 (mm) ;Pa上─ 降雨起始日上层土壤含水量 (mm) ;Pa下─降雨起始日下层土壤含水量 (mm) ;E─雨期蒸发量 (mm) 。
4 蓄满产流模型误差的解决方法
流域平均降雨量的误差, 直接影响洪水预报的精度, 清河水库面雨量是一种“以点代面”特殊方法计算得出的经推算值, 并不是真正意义的实测值。采用泰森多边形法 (垂直平分法) 来计算流域平均降雨量, 各雨量站点多少、控制面积的权重, 也就是雨量站点布设密度, 直接影响流域平均降雨量的精度, 雨量站点少, 必然会降低计算面雨量的精度;雨量站点多, 计算出的面雨量值代表性好, 精度高, 使流域平均降雨量更接近真值, 提高洪水预报的精度[2]。
净雨的误差, 清河水库产流预报采用蓄满产流模型, 在清河水库洪水预报中, 土壤含水量 (Pa) 分为上层土壤含水量 (Pa上) 和下层土壤含水量 (Pa下) 。 每年4 月末有大的降雨, 则从这场降雨开始计算Pa, 否则从每年5 月1 日开始连续计算, 降雨开始日Pa上起始值设为0 mm, Pa下起始值设为50 mm, 汛后就不再计算, Pa计算的不连续性, 可带来一定的误差, Pa初始值的设定直接影响净雨的准确性, 而每年的春汛来水量不同, 选用固定的Pa初始值显然不合理, 尤其在春汛偏枯、久旱无雨年份的情况下, 计算出本流域产生净雨的误差较大, 适当降低Pa的初始值, 使产生净雨趋近于合理值, 提高洪水预报的精度[3]。
清河水库汇流预报主要应用单位线法, 包括雨强单位线和检验单位线两部分, 雨强单位线只有“降雨均匀和中下游”与“降雨在上游”2 种分类。当暴雨中心在下游、库区附近时, 预报精度低, 尤其是暴雨强度大时, 预报误差很大, 不能满足要求, 如2010 年7 月21 日洪水, 针对降雨不均匀、库区降雨大的特点, 采用以下方法提高预报精度:一是尝试了用单站产流做汇流计算的方法, 效果很好, 使汇流预报精度有很大提高;二是汇流预报不单纯依靠预报软件, 灵活应用电子表格做汇流过程, 解决了产流预报净雨的实时修正, 从而达到每时段的汇流过程可灵活削减, 更贴近实际过程;三是有效利用历史洪水, 在汇流预报过程中, 对多个预报峰值、峰现时间的选判, 参考类似的历史洪水数据进行对比分析[4]。
经验单位线只有“降雨在中下游”“先小后大, 先均匀后下游”“降雨在中游均匀”3 类。一是经验单位线数量少, 二是极端天气下, 非典型降雨过程越来越多, 水库已有的单位线不可能满足汇流预报的要求, 影响预报的整体精度。经验单位线数量、类型的多少, 直接影响洪水预报的精度, 本流域内选择典型的历史洪水, 分析推求出各种类型的经验单位线, 汇流预报时有可供选择的相似单位线;若经验单位线不能满足雨型的要求, 可选取已有类似单位线, 在不改变单位线整体形状的前提下, 按比例将峰提前或滞后、 扩大或缩小, 该方法能使峰现时间、 洪峰流量的预报结果更接近真值, 进行汇流预报, 从而提高洪水预报的精度[5]。
5 结语
实时洪水预报中产生误差的原因极其复杂, 为了能够提供足够准确的洪水预报方案, 必须对实时洪水预报中可能出现的误差加以考虑。针对清河水库流域的实时洪水预报问题, 提出上述保证预报精度的方法和措施, 将误差尽量减到最小, 从而提高清河水库洪水预报的精度。
参考文献
[1]姜凤海.浅析如何提高清河水库洪水预报精度[J].内蒙古水利, 2015 (3) :133-134.
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[3]姜玉婷.误差相似性综合修正技术在洪水预报中的应用[J].东北水利水电, 2013 (4) :30-31.
[4]张艳平, 王国利, 彭勇, 等.考虑洪水预报误差的水库汛限水位动态控制风险分析[J].中国科学:技术科学, 2011, 41 (9) :1256-1261.