洪水预报方案

洪水预报方案（精选8篇）

洪水预报方案 篇1

1 引言

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

本文采用无水文资料地区、借用邻近相似站资料办法进行了靠山屯水库的洪水预报方案编制。方案的编制完成将会在今后水库防洪调度中起到至关重要的作用, 为市县防汛抢险指挥决策提供重要的参考依据。

洪水预报方案 篇2

BP网络优化结合峰值识别理论进行洪水预报

随着国民经济的.不断发展,各经济部门对水文预报的要求越来越高.及时准确地预报洪水显得非常重要.进一步提高水文预报精度一直是一个努力的方向,本着这个原则,比较详细地介绍了将自适应遗产算法对BP网络的初始权重的优化,并结合峰值识别理论在水文预报中的应用,将遗传算法和人工神经网络的优点提取出来,取长补短,取得了较好的预报效果.

作 者：陈南祥 呼唤 CHEN Nan-xiang HU Huan  作者单位：华北水利水电学院,资源环境学院,河南,郑州,450008 刊 名：人民长江  PKU英文刊名：YANGTZE RIVER 年，卷(期)：2008 39(2) 分类号：P338 关键词：洪水预报   BP网络   遗传算法   自适应  

洪水预报方案 篇3

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4

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

[1]张改红, 周惠成.利用防洪预报调度调整汛限水位的风险分析[J].水力发电, 2010, 36 (1) :26-28, 82.

[2]彭涛, 张利平, 沈铁元, 等.现代水文气象预报技术研究进展[J].人民黄河, 2010, 32 (9) :29-32.

[3]白继平, 丁书红, 许东红, 等.洪水预报技术研究进展与展望[J].河南水利与南水北调, 2010 (8) :14-15, 18.

[4]丛日凡, 姜志群, 张淑芬, 等.水库洪水预报实时校正算法[J].水土保持应用技术, 2010 (4) :31-32.

汤河水库实时洪水预报技术研究 篇5

20世纪80年代前,我国水文学家一直致力于水文物理规律的研究,研制了适合我国自然地理和水文特性的一系列水文模型,其中比较典型的是河海大学赵人俊教授研发的新安江流域模型[1],在中国得到了广泛的应用,是联合国教科文组织推荐使用的十大水文模型之一。但是,中国幅员辽阔,自然地理和水文特性差异巨大,用单一模型很难解决不同地区的水文问题。在此期间,国内也有一些学者开始探讨水文过程的实时校正问题。进入20世纪90年代后,实时校正技术的研究得到了广泛的关注。目前,水文水资源预测预报实际上就是水文数学模型加上实时校正。

在实际洪水预报作业中,实时校正方法主要有以下3种:1)滤波方法[2,3],包括卡尔曼、自适应滤波等;2)随机过程方法,如时间序列模型;3)人工智能方法[4],包括人工神经网络、进化算法等。实时校正的变量可以是预报模型的参数,也可以是预报误差或状态变量。

汤河水库洪水预报对汤河水库及其下游的防洪安全极其重要,为此要对汤河水库实时洪水预报和校正模型进行研究,以提高洪水预报精度,确保汤河水库流域人民生命财产的安全。

1 汤河水库概况

汤河水库坝址位于辽宁省辽阳市弓长岭区境内的太子河一大支流汤河干流上,是一座以防洪、工业和生活用水为主,兼顾灌溉、发电、养鱼等综合利用的国家大Ⅱ型水利枢纽工程。水库为多年调节,按百年一遇洪水设计,可能最大洪水校核。坝址以上的控制流域面积为1 228 km2,流域多年平均降雨量771.2 mm,多年平均径流量2.89亿m3。水库总库容7.07亿m3,调洪库容3.68亿m3,兴利库容3.59亿m3,多年调节水量2.15亿m3,是鞍山、辽阳2座城市生活和工业用水的主要来源。水库枢纽工程由土坝、溢洪道、泄洪洞、水电站、引水建筑物等部分组成。

汤河水库所属流域属温带半湿润和半干旱大陆性季风气候区,四季分明,气候干燥,日照时间长,蒸发量大,土壤地表干燥,植被较差,包气带较厚。降雨量年际不均匀,年最大降水量为1964年的1 155.7 mm,年最小降水量为1959年的501.0 mm;降水量年内分布极不均匀,7,8月份降水量占全年降水量的49.4%。降水历时短,降水量空间分布不均匀。

目前,汤河水库以上流域设有8个遥测雨量站和2个遥测水位站。

2 汤河水库预报系统结构

根据汤河水库坝址以上水系情况,将大坝以上流域概化为若干子系统,概化图如图1所示,图中q为单元面积出流;Qi为支流出流;Q为流域总出流。

汤河水库以上流域位于辽宁省中部,降水量中等偏旱,土层较薄,所以汤河水库模型采用双层蒸发结构。汤河水库流域水文模型结构实际上是产流采用两水源新安江模型,汇流采用经验单位线。该模型的特点是,在产流计算中将相关经验与数学模型结合,即在考虑前期影响雨量时,采用前期影响雨量指标Pa,在蒸发计算中引进两层蒸散发模型,所以这一模型充分考虑了汤河水库以上流域自身的自然地理和水文气象特性。考虑到降雨的空间分布不均匀,采用分散参数性的洪水预报模型,即分单元流域计算产汇流。以雨量站划分单元面积,即每个雨量站为1个产汇流单元,然后,对每个单元流域的出流进行河道汇流计算,最后在出口处进行叠加得到水库的总入库流量过程,即形成单元面积——河网系统。每个单元流域的洪水预报可采用不同的降雨径流模型,包括数学和经验模型。在汤河水库以上流域采用汤河水库流域水文模型。

3 汤河水库洪水预报实时校正模型

汤河水库降雨主要集中于汛期,流域包气带较薄,产流集中在地面径流和壤中流部分,洪水过程表现为有明显的涨落过程,所以通常的降雨径流模型不可能精确预报所有的洪水过程,同时考虑到误差之间存在一定的相依性,故采用人工神经网络方法构建实时校正系统。

人工神经网络是一种由大量简单的人工神经元广泛连接而成的,用以模仿人脑神经网络的复杂网络系统。人工神经网络具有高维性、并行分布处理性、自适应、自组织、自学习的优良特性[5]。这种网络依靠系统的复杂程度,通过调整内部大量节点之间相互连接的关系,达到信息处理的目的。人工神经网络具有自学习和自适应的能力,可以通过预先提供的一批相互对应的输入和输出数据,分析掌握两者之间潜在的规律,最终根据这些规律,用新的输入数据推算输出结果,这种学习分析的过程被称为“训练”。目前,人工神经网络模型很多,考虑到生产实际中既要满足预报精度,又要考虑资料的可获得性和计算的简捷方便性,为此采用前馈型网络误差反向传播(BP)算法。

在实时校正模型中,一般采用多输入单输出模型,输出为预报误差,输入为与预报误差有关的参数,通常取前若干时段的预报误差。利用历史资料对网络进行训练,求得各个连接的权重值即可建立人工神经网络模型。

在汤河水库预报校正模型中,输入采用前3个时段入库流量预报值与实测值的误差,输出为误差校正值。实时校正模型如图2所示,图中ωij为上一单元与下一单元间的权重系数,也即实时校正模型需要通过实测资料进行参数的校准。

4 汤河水库洪水预报实时校正模型参数校准

4.1 降雨径流模型参数校准

选用汤河水库2000—2010年总共11 a的资料对降雨径流模型的参数进行校准,并在这些资料中选取17次中大小洪水进行模拟计算。模型校准的准则是采用实测与模拟总径流差值最小、确定性系数最大,实测与模拟洪峰流量差值最小,并考虑洪峰滞时,最后进行综合考虑与平衡。

通过对实测资料模拟运行,实测与模拟年径流平均相对误差为2.30%,最大相对误差为15.71%;平均确定性系数为0.92;实测与模拟洪峰流量平均相对误差为5.40%,合格率为91.20%;洪水滞时合格率为92.30%。

4.2 人工神经网络模型的训练与学习

人工神经网络模型的训练是通过观测资料求各个网络连接的权重值。人工神经网络模型的学习是利用已经训练得出的各个网络连接的权重,输入实测数据计算出输出值,考察人工神经网络模型的模拟精度。

在校准时,首先用降雨径流模型对17场洪水进行模拟计算,然后对模拟与实测的结果进行比较,计算出模拟误差系列。将误差系列分为2个样本,其中3/4的样本数据用于人工神经网络模型的训练,1/4的样本数据用于人工神经网络模型的学习。

5 实例分析

以汤河水库2010年8月5日和2011年8月8日的次洪为例,对模型进行检验。2010年8月5日洪水是由8月5日2∶00—17∶00和8月8日5∶00—9日11∶00的2场暴雨形成的,8月5日流域平均降雨量为50.8 mm,点最大降雨量为麻屯81.5 mm,最小降雨量为吉洞22.5 mm;8月8日流域平均降雨量为83.8 mm,点最大降雨量为麻屯106.5 mm,最小降雨量为汤河73.9 mm。2011年8月8日2∶00—9日17∶00流域平均降雨量为95.7 mm,点最大降雨量为吉洞135 mm,最小降雨量为麻屯76.0 mm。

通过对2场洪水的模拟计算,并用校正模型进行实时校正,得到最终的预报结果,计算成果分别如表1、图3和4所示,图3和4中横坐标的标值点时刻均为0时。

由表1可见,第1场洪水经实时校正后洪峰流量相对误差由7.80%降到1.60%,确定性系数则由0.85提高到0.95;第2场洪水经实时校正后洪峰流量相对误差由21.60%降到4.70%,确定性系数则由0.81提高到0.91。由此,汤河水库水文模型加实时校正模型后,可有效地提高实时洪水预报的精度。

6 结语

汤河水库自身和下游的防洪对洪水预报精度要求很高,为了进一步提高预报精度,在汤河水库洪水预报模型中引进了基于人工神经网络的实时校正模型。人工神经网络模型具有较好的适应性和灵活性,各神经元的连接权重可以在计算中实时校准。用实测洪水资料对汤河水库预报模型进行校准与检验,从计算结果可见,校正后的预报结果令人满意。目前生产上所用的实时校正模型很多,人工神经网络模型在实际预报中的稳定性等还有待于进一步的研究。

参考文献

[1]赵人俊.流域水文模型——新安江模型与陕北模型[M].北京:水利电力出版社,1984:32.

[2]宋文饶.卡尔曼滤波[M].北京:科学出版社,1991:123.

[3]丛日凡,姜志群,张淑芬,等.水库洪水预报实时校正算法[J].水土保持应用技术,2010(4):31.

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.

洪水预报方案 篇7

关键词：水库,降雨,径流系数,洪水预报

一水库调度的主要任务

大多数中小型水库具有防洪、灌溉、发电等综合效益, 是拦蓄和调节天然水流的控制性水利工程。而少数中小型水库则为旁侧式引水工程, 灌溉输水洞、拦河坝及发电站等一般作为水库的主体工程。中小型水库的泄洪设施大多数是开敞式溢洪道, 也有中小型水库泄洪设施设有开敞式溢洪道和泄洪洞两种, 而有些是闸门控制的溢洪道或泄洪洞。大多数小型水库都是依靠村屯进行管理, 中型水库则设有专门管理机构。并且随着水库管理科学化管理的要求, 搞好水文预报, 提高工作管理水平, 也越加迫切。

中小型水库要有明确的、科学的分析与判定汛期洪水的形成, 保证水库工程安全, 从而有利于正确的调度, 使水库充分发挥效益, 这也是水库工程管理单位的重要任务。以下五个方面是解决一般中小型水库的调度问题的方案: (一) 保证水库安全的度汛调度。 (二) 下游的防汛调度。 (三) 水库正常供水调度要在指定供水保证率的来水情况下得以保证。 (四) 保证后期节约用水、科学用水、均匀降低供水的调度应预防小于供水保证率的来水的情况。 (五) 少弃水、多蓄水、加大供水量应在大于供水保证率的来水情况下进行调度。

二水库调度的必备条件

在运行期间, 水库当时蓄水位的高低和未来降雨量的大小与已建成合格的中小型水库的抗洪能力有很大的关系, 由降雨形成而产生的洪水, 流域地理条件、植被情况、前期降水量等都与水的产生与降雨过程相关联, 这也是一个比较复杂的过程。

水库库容曲线、坝顶高程、溢洪道泄洪能力、汛前限制水位等这些资料在已具备的情况下, 管理者为了保证使水库工程安全, 在熟知自己的工程情况下, 根据当时的雨情、水情和未来的天气预报, 要科学、正确地进行调度, 应迅速提供给防汛部门水库的安全程度、能下泄多少洪水的情报, 以便这些相关部门能及时决策布置, 保证人民生命财产和工程的安全。

三洪水预报的一种简易方法

采用简易方法进行中小型水库的洪水预报和调度使用于有些中小型水库由于缺少雨量站和入库流量观测站, 在条件限制下不能在汛期为水库管理单位提供准确的降雨和流量资料的水库。因此, 在这种情况下对汛期的水库调度造成了比较大的困难。

一般中小型水库都设有溢洪道, 我们在调度时应根据各个水库溢洪道工程的具体情况分两步:一是要知道水库还可以容纳下多少雨, 在现有水位至溢洪道堰顶高程之间, 也就是还能拦蓄多少降水量, 溢洪道才能不泄流。二是做好防汛、抢险及决定转移脱险工作。当水位达到水库溢洪道堰顶高程以后, 根据再遇降雨预测下泄多大流量, 并及时通知下游有关单位做好防汛、抢险工作。

我们是按以下公式进行计算:

undefined

公式中:P1——安全允许降雨量 (mm) ;

W——某一水位以上到溢洪道堰顶高程可蓄水量 (104m3) ;

F——水库集雨面积 (km2) ;

α——径流系数;

上式中其他都是已知的, 只有径流系数不好确定。计算洪水总量及洪峰流量应根据流域植被状况和距离水库最近的雨量站的观测资料全面分析植物叶面截流、土壤涵养水量, 在计算汇流时间。下面表1是对河南省某水库的资料分析, 该地区径流系数。

下面以该水库2012年的资料举例分析如表2。

有了径流系数之后, 可以按上式进行列表计算。

浅述吉林市中小河流洪水预报方法 篇8

吉林市地区属于半湿润地区, 由于防汛需求, 水文预报业务开展较早, 技术和方法相对较成熟, 传统预报方法有“相关图”、“单位线”、“马斯京根演算”等。经过长期的预报实践, 积累了丰富的经验, 并与流域、河道洪水特性融合, 产生了许多较成熟的分析思路, 成为洪水预报中的常用工具。为提高预报精度, 预报模型的交互建模和实时校正方法也不断研究。

1洪水预报基本方法

1.1 降雨径流预报

按吉林市地区降雨径流形成过程的原理, 依据流域内的降雨资料预报流域出口断面的流量过程。降雨径流预报分为:

1.1.1 降雨径流量预报

预报过程分析:下渗理论;蒸发计算;土壤含水量计算。产流机制分析:蓄满产流;超渗产流。

1.1.2 流域汇流计算

计算过程:单位线法 (经验、瞬时、综合单位线) ;等流时线法。

1.2 河段洪水预报

主要是以河槽洪水波运动理论为基础, 由河段上游断面的水位、流量过程推求下游断面的水位、流量过程。

1.2.1 上下游相关法

建立河道上下游水文特性的相关关系, 根据上游的水文观测值预报下游的水文要素。

1.2.2 河道流量演算

圣维南方程简化;水量平衡+槽蓄方程;

适用运动波和扩散波。

1.3 水库洪水预报

入库流量、调洪演算。

1.4 水文模型法

“结构+参数=模型”

新安江模型:

产流:蓄满产流;

地表径流+地下径流 (按稳渗划分)

流域汇流:单位线或、线性水库法

河道汇流:“马法”

API模型:

产流:降雨径流经验相关;

流域汇流:单位线或+地下水退水计算

水箱模型

以水箱的蓄水深度计算流域的产流、汇流及下渗。

2降雨径流预报

降雨径流量预报是研究流域内一次降雨将产生多少径流量, 以及这些径流量如何形成出口断面的径流过程, 这种预报方法主要用于流域面积较小、汇流时间较短的闭合流域或无控区间。

2.1 API模型 (前期雨量指数模型)

2.1.1 产流

在成因分析与统计相关结合的基础上, 用每次降雨的流域平均雨量和相应产生的径流总量以及影响它们的主要因素 (前期影响雨量Pa, 反映前期土湿) 所建立起来的一种定量降雨径流经验相关图, 进行产流计算。

2.1.2 汇流:单位线

四变量相关图:P ~ Pa~ T (降雨历时/ 月份) ~ R, P ~ Pa~暴雨中心位置~ R等, 如图:

2.2 径流计算经验公式

建模:选择次洪水—> 模型要素P、Pa、R计算—>建立P-Pa-R相关图—> 单位线率定

模型要素P、Pa、R计算

流域平均降雨量P计算

常用方法有3 种:算术平均法、加权平均法、等雨量线法。

算术平均法:计算简便, 适用于地形变化不大, 雨量站分布比较均匀的流域。

加权平均法:又称垂直平分法或泰森多边形法, 适用于雨量站分布不均匀的流域:

式中:F----- 流域面积 (km2) ;F1、F2………Fn----- 各多边形面积F----- 流域面积 (km2) ;P1、P2………Pn----- 各雨量站雨量 (mm) 。

等雨量线法:比较复杂, 在较大流域内, 地形变化显著, 若有一定数量的雨量站, 可绘制等雨量线图, 用求积仪量取各等雨量线间的面积Fi, 该面积上的雨量以相邻两等值线的平均值Pi代表:

前期影响雨量Pa

公式中K为影响雨量削减系数, 包含Em、Im指标。

2.3 流域蒸散发能力 (Em) 确定

一般是将取得的蒸发皿实测值资料, 乘以蒸发皿折算系数和水、陆换算系数, 作为流域蒸散发能力的的近似值。目前常用的E-601 蒸发皿折算系数与水陆关系的换算系数, 略可互相补偿, 其各月两系数的乘积略等于1, 因此, 可直接采用E-601 蒸发皿观测值作为流域蒸散发能力的近似值。

受气象因素影响, 流域蒸散发能力每月、每日不同, 可逐日采用实测值, 但蒸发日变化太大, 为减小跳动, 也可取历年各月蒸发量的统计均值。

2.3.1 流域最大蓄水量 (Im) 的确定

Im值是流域的综合指标, 一般都直接从水文资料中求取。挑选前期久晴不雨, 本次雨量或雨强较大, 但不产流或产流较小的降雨资料, 可以认为它接近或达到流域最大损失量Im值, 按水量平衡方程式计算:

式中: Pa――前期影响雨量 (mm) , 久晴不雨时趋近于零;

R―――产流量 (mm) , 不产流时为零;

fctc―――稳渗量 (mm) , 在包气带较薄地区, 作为地下径流排出, 包括在径流总量R值中, 此时该项为零;

E―――雨期蒸发量 (mm) 。

2.3.2 消退系数K值确定

土壤含水量的消退系数K值有2 种确定方法:由实测土壤含水量本身变化规律确定; 由气象因子来确定, 现常用的是后种方法。

设流域t日的蒸发量为Et, 则:

因Et值与Pa成正比, 也与日蒸发能力Em成正比, 则:

当Pa, t=Im时, Et=Em, 则K’=1/Im

代入

联解式 (1) 和式 (2) 可得:

3 流域汇流预报

3.1 单位线

在一个特定流域上, 单位时段内时空分布均匀的一次降雨产生的单位净雨量, 在流域出口断面所形成的地面 (直接) 径流过程线, 叫单位线。单位净雨量一般取10mm, 单位时段则依流域特性而定, 可取1、3、6、12、24h。在给定时段内和流域面积上, 一次降雨产生的净雨量应符合2 个基本假定:

若单位时段内净雨量不同, 但所形成的地面径流过程线的总历时 (即底宽) 不变。

若单位时段内N倍单位净雨量所形成的出流过程的流量值是单位线的N倍, 倍比假定。

如果净雨历时不是一个时段, 而是m个时段, 那么各时段净雨量所形成的出流量过程之间互不干扰, 出口断面的流量等于各时段净雨量所形成的流量之和, 叠加假定。

单位线的2 个假定符合倍比、迭加原则, 把流域视为线性系统, 依据实测资料率定, 符合流域的实际情况。

3.2 单位线推求

从实测水文资料中, 尽量选取短历时降雨所形成的孤立较大洪水来分析单位线。传统的分析方法有:分析法、图解法、试错法、最小二乘法。

每次洪水可分析出一条单位线, 流域出口断面单位线是由多次洪水分别求出的单位线的综合平均值。

常用的分析方法和步骤:

确定合适的单位时段;

选择降雨历时较短的单峰洪水过程 (大中型洪水) , 分割基流及前期洪水, 计算本次洪水径流量;

计算流域平均降雨量、前期影响雨量, 确定时段净雨量;

将时段净雨量与洪水径流量平衡;

用平衡后的净雨量与径流过程试算单位线 (算法见后) ;

求出单位线后, 检查径流量是否为10mm, 要求计算误差小于或等于0.1mm。

分析方法:原型单位线 (适合一个时段降雨)

把一次单独时段降雨所形成的单峰流量过程线的各时段流量值, 除以本次洪水的径流量再乘10 即得, 因所求单位线的时程分配与原来洪水一样, 故称原型单位线, 计算公式为:

式中:q (t) ――10mm单位线 (m3/s) ;

Qs (t) ――地面径流过程 (m3/s) ;

R――本次洪水地面径流量, 与一个单位时段的净雨量相等, 以mm计

3.3 分析法

对于多时段净雨量所形成的洪水, 可用分析法推求单位线。

由式Qd (t) =∑rd, iqt-i+1, (i=1~m)

可得到Qd, 1=rd, 1q1, Qd, 2=rd, 1q2+rd, 2q1, …,

求解得到q1=Qd, 1/rd, 1, q2= (Qd, 2-rd, 2q1) /rd, 1, … , qt= (Qd, t- ∑ rd, iqi ) / rd, 1, (i=2~m)

3.4 试错法 (适合3 时段以上净雨, 其中有一时段净雨特大)

假定一条10mm单位线q (t) , 求出最大时段净雨量以外的各时段净雨量产生的部分地面径流过程, 如图6 中的I1q (t) 、I3q (t) , 把它们错时迭加, 与总地面径流过程相减, 其差值就是最大时段净雨量I2 所产生的部分地面径流过程I2q (t) , 把它乘以10/I2 就得一条试算单位线q′ (t) 。若与假定单位线q (t) 接近, 即为所求。否则将两条单位线相应的纵标平均, 做为第2 次假定单位线。重复上述步骤, 直至假定单位与试算单位线基本相符时为止。

3.5 单位线分类

单位线的基本概念是一次降雨产生的净雨量应均匀分布, 并且符合3 条基本假定, 这实质上是将流域的径流调节作用视为线性系统, 单位线不依洪水大小而变化。其实各次洪水的单位线并不相同, 有时差别甚大, 这就需要根据不同情况 (洪水大小、雨强、暴雨中心位置) 将单位线分类。原因是由于:单位线基本假定与实际情况不尽相符。因大洪水时, 流速大, 洪峰出现时间提前, 用它分解的单位线洪峰也相应提前, 而一般小洪水则相反。故实际作业预报时常按洪水大小为指标, 将单位线分类型, 也可用雨强作指标把单位线分型。

4实时预报主要影响因素及对策

4.1 主要影响因素

输入信息的准确性 (雨量、水位、流量) ;预报模型适用性;模型参数代表性;预见期降雨;水利工程。

4.2 对策

数据处理, 雨量校正;模型技术研究, 人工经验校正;实时校正, 动态跟踪模型;交互校正, 如对API模型的相关图以及参数P、Pa、R进行分析校正;提高预见期降雨预报准确度, 研究耦合预报技术;信息共享, 了解预调度信息;完善预报方案体系, 模拟水库预报调度。

结合本地区地形地貌, 降雨类型以及上述预报手段, 对提高预报精度有着重要的作用, 为防洪减灾提供可靠的技术支撑。

摘要：传统预报方法经过长期的预报实践, 积累了丰富的经验, 并与流域、河道洪水特性融合, 产生了许多分析思路, 成为洪水预报中的常用工具。为提高预报精度, 预报模型的交互建模和实时校正方法也不断研究。