水文預報方案編制

1、水文預報大作業(yè)水文預報大作業(yè)某流域水文預報方案編制作 者 姓 名： 陳見長 學科、 專業(yè)： 水文與水資源工程 學 號： 21406152 指 導 教 師： 梁國華 完 成 日 期： 2015.07.28 摘 要本文在9場洪水資料的基礎(chǔ)上，完成對某流域的水文預報方案的編制。運用由一層土壤蒸發(fā)模式、蓄滿產(chǎn)流模型、時段單位線模型以及地下線性水庫模型組成的二水源新安江模型進行參數(shù)率定及檢驗工作。通過雨洪關(guān)系的合理性分析，取得其中8場合格的洪水，運用遺傳算法對其中6場洪水進行參數(shù)率定，并預留兩場洪水進行參數(shù)檢驗。經(jīng)檢驗，產(chǎn)流參數(shù)，匯流參數(shù)對兩場預留洪水的產(chǎn)流模擬、匯流模擬均取得了100%合格的效果。但由

2、于率定及檢驗的洪水資料較少，率定的參數(shù)在預報適用的時間上并不具有代表性，且預報模型具有一定的缺陷。因此，本預報方案僅可用來參考。關(guān)鍵詞：水文預報方案；遺傳算法；二水源新安江模型- II -目 錄摘 要I引 言11 流域及水文概況21.1 流域水系概況21.2 下墊面概況21.3 洪水特性情況22 水文資料處理32.1 降雨資料處理32.2 流量資料處理42.3 雨洪關(guān)系的合理性分析73 預報模型參數(shù)率定93.1 模型的選擇93.2 參數(shù)率定及步驟113.2.1 率定方法選擇113.2.2 參數(shù)及范圍113.2.3 參數(shù)率定步驟124 預報方案134.1 產(chǎn)流預報方案134.2 匯流預報方案14

3、4.3 預報方案分析及評定15引 言水文預報是根據(jù)已知的信息對未來一定時期內(nèi)的水文狀態(tài)作出定性或定量的預測。水文預報方法以水文基本規(guī)律、水文模型研究為基礎(chǔ)，結(jié)合生產(chǎn)實際問題的需要，構(gòu)成具體的預報方法或預報方案，服務于生產(chǎn)實際。一般水文預報的研究的重點和關(guān)鍵有兩部分：（1）共性規(guī)律研究，即具有一定普遍性的水文基本規(guī)律模擬方法和流域水文模型研究；（2）個性問題研究，對反映問題的特征、方法進行了解，構(gòu)成具有解決各種具體實際問題的、具有較高預報精度的預報方案。其在防汛?？购?、水資源開發(fā)利用、國民經(jīng)濟建設(shè)和國防等領(lǐng)域都有廣泛的應用，經(jīng)濟效益巨大，應用單位眾多。水文預報在生產(chǎn)上的應用領(lǐng)域十分廣泛，主要有：

4、流域或區(qū)域性洪水與旱情預測，河道、水庫、湖泊等水體的封凍。開動狀況及冰凌冰清預測，積雪冰川的融雪徑流預報，水利工程施工期的施工預報，水庫運行管理要求的入庫水流過程預報，河道航運要求的沿程水位變化預報等。本文針對某流域，通過對其9場洪水資料的審查處理，以及水文預報模型參數(shù)的率定，簡要編制某流域水文預報方案。由于資料數(shù)據(jù)較少，無法進行系統(tǒng)和全面的預報方案分析，進而結(jié)果也無法得到有效保證，因此本文的目的就是在9場洪水的基礎(chǔ)上，熟悉編制水文預報方案的具體工作及流程，達到基本掌握預報方案編制目的。- 13 -1 流域及水文概況1.1 流域水系概況某地處大連市東北部，發(fā)源于鞍山市龍?zhí)多l(xiāng)老北溝，從北向南穿過

5、莊河市中部地區(qū)，流經(jīng)莊河市和岫山市的十一個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，最后流入黃海。河流全長94km。某一級支流6條，依次為沙河、滾子河、漢屯河、二道河、溝門子河、史家卜河。主要水系分東西兩大支流，東支流為大沙河，匯流點以上積水面積324km2，西支流為主河流，匯流點以上面積273km2,與莊河三架山鄉(xiāng)沙河口處會合。某流域共7個雨量站，一處水文站，一處水庫站，各類遙測點8處。1.2 下墊面概況某流域為低山丘陵區(qū)。流域的地貌成因和形態(tài)主要受構(gòu)造和巖性控制，進而形成了北高南低的地貌形態(tài)，山脈大體呈北東南西向展布。按其形態(tài)成因類型主要有石英砂巖、花崗巖、片麻巖及混合巖所組成構(gòu)造侵蝕低山、呈北向或近東西向展布的山間谷地。1

6、.3 洪水特性情況某流域大多數(shù)暴雨集中大多數(shù)暴雨主要集中在7、8月份，一般7月下旬到8月上旬，持續(xù)時間12天，更長達3天。由于暴雨強度大、降雨時間歷時較短、以及流域面積不大的特點，使得暴雨造成的洪水具有峰高量大且峰現(xiàn)時間段的特點。2 水文資料處理本方案采用9場洪水資料進行預報方案的編制，9場洪水的降雨資料均由三道溝雨量站、廟東溝雨量站、大堡子雨量站、大房子雨量站、前梨樹雨量站、姜家堡子雨量站、某雨量站測得；流量資料由某水庫日入庫流量資料和時段入庫流量資料獲得，若無水庫入庫流量資料，則依據(jù)水庫水位流量關(guān)系曲線和水量平衡反推入庫流量過程。2.1 降雨資料處理某流域有7個雨量測站來記錄降雨資料，這7

7、個雨量站所控制的面積以及相應的權(quán)重如表2.1。各測站記錄的各時刻雨量值乘以相應測站的權(quán)重，再將各測站該值相加，即可得到該時刻的雨量值。表2.1雨量控制面積及控制權(quán)重名稱三道溝廟東溝大堡子大房子前梨樹姜家堡子某面積（km2）118881077810814053權(quán)重0.170.130.150.110.160.20.08對9場降雨資料的初步審查中，發(fā)現(xiàn)有些雨量站發(fā)生故障，以及數(shù)據(jù)記錄延遲，造成降雨量的記錄不是很準確，因此對降雨資料的處理，針對“無問題雨量站降雨處理”與“有問題雨量站降雨處理”，分兩部分進行。 （1） 無問題雨量站降雨處理20120710號、20120803號、20130730號、20

8、130816號洪水過程中，7個雨量站工作正常。因此，對各時段各站的雨量按照表2.1采用面積加權(quán)平均法計算各時段的雨量。（2） 有問題雨量站降雨處理20110626號廟東溝站、20130702號前梨樹站，姜家堡子站、20130716號姜家堡子站發(fā)生故障，故采取舍棄測站的記錄值，將剩余幾站的面積重新分配權(quán)重計算各時段雨量；20120424號、20120728號廟東溝雨量站發(fā)生雨量傳遞延遲，根據(jù)流域降雨同時刻其他正常測站的峰值特征，進行該站雨量值移動，兩場洪水分別前移2個時段、4個時段。2.2 流量資料處理對各場洪水，首先進行流量過程線平滑處理，由于個別洪水的流量過程是由水庫水位流量關(guān)系曲線和水量平

9、衡反推入庫流量過程求得的，因此存在鋸齒狀的不穩(wěn)定現(xiàn)象，需要在水量平衡的前提下，對流量過程線進行平滑處理；其次，進行次洪徑流分割，由于各場洪水流量過程中即存在前期洪水的退水過程部分，也存在基流部分，因此本文采用平均退水曲線求出本次洪水過程，以及運用平割法求次洪徑流深。（1） 流量過程線修勻?qū)?場洪水修勻前與修勻后徑流深的對比見表2.2，徑流深變化在誤差允許范圍內(nèi)；并以20110626號洪水的流量過程線為例進行修勻，見圖2.1。表2.2 修勻前后徑流深變化表洪號修勻前修勻后備注2011062629.229.81.單位：mm2.沒有扣除基流2012042483.182.32012071074.271

10、.6201207285655.120120803280.2287.92013070299.298.120130716155.9155.72013073081.576.12013081670.471.3圖2.1 20110626修勻流量圖（2） 分割本次洪水洪水分割采用退水曲線法。退水曲線是流域蓄水量的消退過程線。對某一流域而言，地下徑流退水過程比較穩(wěn)定，故去9場洪水的洪水過程退水部分，使他們尾部重合，做光滑的下包線，即可求得流域的地下水退水曲線。運用該退水曲線，在本次洪水的流量過程圖中，于本次洪水起漲點處描繪出上一場洪水的尾水退水部分，然后將該部分扣除，即為本次洪水的流量過程（未扣除基流）。以

11、20110626號洪水為例，如圖2.2黑色虛線部分。圖2.2本次洪水流量過程及前期退水（3） 平割法求次洪徑流深在各場洪水的起漲點處，做一平行線，于本次洪水退水部分有一交點，則圖2.3中ABCDEA的面積即為本次洪水徑流深（未扣除基流）。設(shè)基流為7m/s，則扣除基流后的各場洪水徑流深見表2.3。圖2.3 平割法求次洪徑流深圖表2.3各場洪水徑流深（已扣除基流）洪號徑流深備注2011062624.26 1.單位：mm2.已扣除基流3.20130716只取第一個洪峰2012042477.47 2012071066.81 2012072852.89 20120803281.81 2013070290

12、.04 2013071681.0 2013073066.17 2013081667.40 （4） 二水源劃分根據(jù)退水曲線，找出每一場洪水的地面徑流（直接徑流）終止點，與起漲點相連，即可將實測流量過程線進行地表徑流Qs與地下徑流Qg的分割。以20110626號洪水為例，如圖2.4。圖2.4 水源分割圖2.3 雨洪關(guān)系的合理性分析對于一場合格的洪水，必須要滿足兩點要求：（1） 符合水量平衡對于一場洪水，必須符合水量平衡方程式： P=E+R +Wm- W0 （2.1）其中：P：降雨，E：蒸發(fā)，R次洪徑流深，Wm：流域平均蓄水容量，W0：流域初始土壤含水量。由于在對洪水資料進行模型參數(shù)率定之前，Wm與

13、W0可能未知，因此，對于一場洪水起碼要符合（2.2）的關(guān)系式：PE+R （2.2）（2） 徑流系數(shù)小于1合格的洪水徑流系數(shù)必須小于1，但不排除各別洪水徑流系數(shù)大與1的情況，如過徑流系數(shù)大與1不多也是可以接受的。根據(jù)以上兩個指標對9洪水進行雨洪關(guān)系合理性分析，發(fā)現(xiàn)由3場洪水徑流系數(shù)大與1。分析原因為降雨量記錄值偏小或者是流量值偏大。經(jīng)過對某流域水工建筑物及當時降雨現(xiàn)實情況的分析，上游沒有攔蓄工程，不會發(fā)生防水造成流量增大的現(xiàn)象，因此，只有降雨量記錄上發(fā)生了問題。經(jīng)分析，降雨是由翻斗式雨量計記錄的，當雨強較大時，反斗會因為翻轉(zhuǎn)效率問題造成記錄的雨量比實際的雨量小。因此，對問題洪水降雨強度較大的降雨

14、適當增大。處理后發(fā)現(xiàn)20120803號洪水徑流系數(shù)為1.1，仍大與1，因此，將該洪水舍棄，不參與參數(shù)率定工作。結(jié)果如表2.4。表2.4 洪水徑流系數(shù)洪號原始降雨徑流深（修勻后）徑流系數(shù)是否正常20110626 106.70 24.26 0.23 正常20120424 115.85 77.47 0.67 正常20120710 115.36 66.81 0.58 正常20120728 67.95 52.89 0.78 正常20120803 257.33 281.81 1.10 否20130702 115.64 90.04 0.78 正常20130716 86.27 80.96 0.94 正常201

15、30730 65.36 66.17 1.01 正常20130816 102.21 67.40 0.66 正常3 預報模型參數(shù)率定3.1 模型的選擇某流域為半濕潤地區(qū)，產(chǎn)流具有蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流兩種特性。當前期土壤較為濕潤時，容易發(fā)生蓄滿產(chǎn)流，當前期比較干旱時，容易發(fā)生超滲產(chǎn)流。根據(jù)參與參數(shù)率定的8場洪水的前期降雨及土壤含水量情況，發(fā)現(xiàn)較為濕潤，因此適合蓄滿產(chǎn)流模式，故決定采用二水源新安江模型進行產(chǎn)匯流參數(shù)的率定。本文采用的二水源新安江模型包括產(chǎn)流模型、二水源劃分模型、匯流模型三部分組成（圖3.1）。（1） 產(chǎn)流模型產(chǎn)流模型為蓄滿產(chǎn)流模型，其中土壤蒸發(fā)采用最簡單的一層蒸發(fā)模式，因此需要率定三個參

16、數(shù)：流域平均蓄水容量Wm；土壤含水量分布曲線指數(shù)b；蒸發(fā)能力折算系數(shù)k。（2） 水源劃分模型將率定出的蓄滿產(chǎn)流參數(shù)帶入產(chǎn)流模型中，算出各時刻的徑流量Ri，再運用試算法求穩(wěn)定下滲率fc，進而將總凈流量R劃分為地表徑流Rs和地下徑流Rg。（3） 匯流模型匯流模型分為地表匯流和地下匯流。地表匯流根據(jù)地表徑流Rs，通過時段單位線模型可求得地表流量Qs；地下匯流根據(jù)地下徑流Rg，通過地下線性水庫模型可求得地下徑流Qg。將Qs與Qg相加即總流量Q，與實測流量進行對比，調(diào)參率定。由于時段單位線可由瞬時單位線推求，而瞬時單位線只需要n（反映流域調(diào)蓄能力的參數(shù)），和K（線性水庫蓄泄系數(shù)），即可確定。并且地下線性

17、水庫只需要Kg（地下水蓄水常數(shù)）即可確定，因此回流模型需要率定3個參數(shù)：n；K；Kg。蒸發(fā)輸出一層土壤蒸發(fā)E輸入部分降雨P(guān)，蒸發(fā)E，W0Wm，b，k產(chǎn)流模型不產(chǎn)流面積1-FR 產(chǎn)流面積FR產(chǎn)流量Rfc二水源劃分模型地表徑流Rs 地下徑流RgKgn，K匯流模型地下線性水庫地下徑流演算地下流量Qg地表單位線模型時段單位線UH地表流量Qs輸出總出流Q圖3.1 二水源新安江模型計算流程3.2 參數(shù)率定及步驟3.2.1 率定方法選擇本模型采用遺傳算法及人工調(diào)參相結(jié)合的方法進行參數(shù)率定。遺傳算法的過程就是從一個初始種群出發(fā)，經(jīng)過不斷地選擇、交叉、變異，使種群越來越接近某個目標。如果把種群看作是超空間中的一

18、組點，則選擇、交叉、變異的過程便是在超空間中點集之間的變換過程，通過這些信息的變換使種群不斷地進化，直至達到目標。標準遺傳算法的基本運算過程是一個典型的迭代過程，其必須完成的工作和基本步驟如下：選擇編碼策略：根據(jù)實際問題定義適應度函數(shù)；確定遺傳策略，包括種群大小、選擇、交叉、變異方法，以及確定交叉概率、變異概率等遺傳參數(shù)；隨機初始化生成初始群體；計算當前種群中個體編碼串解碼后的適應度； (按照遺傳策略，運用選擇、交叉和變異算子作用于群體，形成下一代種群；) 判斷種群性能是否滿足某一指標，或者己完成預定迭代次數(shù)滿足則輸出最佳個體，退出；不滿足則返回。遺傳算法本身具有一定的隨機性，結(jié)果也具有一定的

19、不確定性，并且，有些參數(shù)采用試算法率定，因此，需要人為的對率定出的參數(shù)進行調(diào)試，最終得出合理的參數(shù)。3.2.2 參數(shù)及范圍本模型需要的參數(shù)有10個，其中有7個需要率定。其取值范圍及性質(zhì)如表3.1。表3.1 模型各參數(shù)匯集表名稱符號取值范圍敏感性備注土壤初始含水量W00常量計算時段t1h流域面積F692km2流域平均蓄水容量Wmw0Wm150mm不敏感算法率定土壤含水量分布曲線指數(shù)b0b0.5不敏感蒸發(fā)能力折算系數(shù)k0.1k1敏感穩(wěn)定下滲率fc0fc敏感試算率定地下水蓄水常數(shù)kg40kg100敏感算法率定反映流域調(diào)蓄能力的參數(shù)N1N2敏感線性水庫蓄泄系數(shù)K0K15敏感3.2.3 參數(shù)率定步驟整個

20、模型分三個部分進行參數(shù)率定，各參數(shù)率定方式及范圍如表3.1，率定流程（圖3.2）如下：（1） 蓄滿產(chǎn)流模型的Wm，b，k 蓄滿產(chǎn)流模型由參數(shù)率定模型及結(jié)果輸出模型組成。 輸入資料有降雨資料P，蒸發(fā)資料E，土壤初始含水量W0（W0可由前期 影響雨量公式計算及日降雨資料得到）。經(jīng)參數(shù)率定模型中的遺傳算法循環(huán)率定，輸出相應參數(shù)值。 將率定的結(jié)果帶入結(jié)果輸出模型求出PE、R時間序列值。（2） 水源劃分模型fc水源劃分模型分為試算fc與求Rs、Rg兩步構(gòu)成 水源劃分模型的fc可用手動試算法求得。通過輸入上一步求得的PE、R，及Qg（Qg由洪水分割線分割求得），求得凈流深R，與分割出的徑流深R（由Qg求得

21、）進行對比，通過不斷調(diào)整fc，直到兩者接近獲相等為止，即可獲得fc。 將試算的fc作為參數(shù)帶入到接下來的匯流模型中，即可輸出Rs、Rg。（3）匯流模型kg、N、K匯流模型同樣由參數(shù)率定模型及結(jié)果輸出模型組成。 在參數(shù)率定模型輸入實測流量過程線Q以及求出的PE、R、fc，經(jīng)過地表時段單位線模型及地下線性水庫模型的計算及循環(huán)率定后，即可求出相應的參數(shù)。 將求出的參數(shù)帶入結(jié)果輸出模型，同樣經(jīng)過地表時段單位線模型及地下線性水庫模型的計算，即可輸出Rs、Rg、UH、Qs、Qg的時間序列。輸入P，E，W0匯流模型圖3.2 參數(shù)率定流程圖水源劃分求fc蓄滿產(chǎn)流模型Rs、Rg、UH、Qs、Qg時間序列輸出結(jié)果

22、輸出模型輸出Kg，N，K參數(shù)率定方程遺傳算法+人工調(diào)參輸入PE，R，Q，fcfc輸出試算fc輸入PE，R，Rg時間序列PE，R時間序列輸出結(jié)果輸出模型輸出Wm，b，k參數(shù)率定模型遺傳算法4 預報方案本文在8場洪水中取20110626、20120424、20120710、20120718、20130702、20130716號6場洪水進行產(chǎn)匯流參數(shù)率定（其中，20120803號洪水的雨洪關(guān)系不正常，故舍棄不用。）預留20130730、20130816號2場洪水進行參數(shù)檢驗。4.1 產(chǎn)流預報方案運用遺傳算法率定蓄滿產(chǎn)流模型參數(shù)，得出6場洪水的產(chǎn)流參數(shù)如表4.1。表4.1 蓄滿產(chǎn)流模型產(chǎn)流模擬參數(shù)洪號

23、W0(mm)Wm(mm)bk實測徑流深(mm)率定徑流深(mm)相對誤差(%)20110626431320.210.8124.26 23.70 -2.30 2012042437740.40.677.47 72.50 -6.42 20120710781150.230.8566.81 71.30 6.71 201207281001140.290.852.89 52.80 -0.18 201307021151390.320.8990.04 88.40 -1.82 201307161251300.20.8280.96 70.70 -12.68 表示率定值小于實測值預留的20130730和2013081

24、6號洪水發(fā)生在7、8月份，因此主要選擇6場洪水中處于7、8月份的洪水率定的參數(shù)，取參數(shù)的平均值（表4.2），并置入產(chǎn)流結(jié)果輸出模型中。將預留洪水的資料輸入模型，模擬結(jié)果如表4.3。表4.2 輸入產(chǎn)流結(jié)果輸出模型的參數(shù)平均值洪號Wmbk20120710115.0 0.23 0.85 20120728114.0 0.29 0.80 20130702139.0 0.32 0.89 20130716130.0 0.20 0.82 平均值124.5 0.26 0.84 表4.3 蓄滿產(chǎn)流模型模擬2場洪水的結(jié)果洪號降雨量(mm)實測徑流深(mm)徑流系數(shù)預報徑流深(mm)絕對誤差（mm）相對誤差(%)是否

25、合格2013073065.4 66.2 1.0 64.2 -2.0 -2.98 是20130816102.2 67.4 0.7 72.9 5.5 8.16是根據(jù)水文情報預報規(guī)范GB/T22482-2008-T，產(chǎn)流誤差范圍需滿足以下其中1項誤差評定要求即可合格：徑流深相對誤差20%且徑流深絕對誤差小于20mm；徑流深絕對誤差小于3mm。故模擬的兩場洪水都合格，合格率100%，精度等級為甲。因此當暴雨時間為7、8月份時，可采用表4.4的產(chǎn)流參數(shù)。由于缺少其他月份的洪水資料，故無法驗證產(chǎn)流參數(shù)在其他月份的有效性。因此參數(shù)僅適用于7、8月份。表4.4 7、8月份蓄滿產(chǎn)流參數(shù)名稱Wmbk數(shù)值124.5

26、 0.26 0.84 4.2 匯流預報方案運用試算法計算出每一場洪水的穩(wěn)定下滲率，并用遺傳算法對匯流模型的參數(shù)進行率定，得出6場洪水的匯流參數(shù)，如表4.5。根據(jù)水文情報預報規(guī)范GB/T22482-2008-T，匯流誤差范圍需都滿足3項誤差評定要求才算合格：降雨徑流預報以實測洪峰量值的20%作為許可誤差；峰現(xiàn)時間以預報根據(jù)時間至實測洪峰出現(xiàn)時間之間時距的30%作為許可誤差，若許可誤差小于一個時段或3h，取一個時段或3h； 確定性系數(shù)主要根據(jù)精度的等級要求而定。（本方案設(shè)定為丙級）故率定的匯流參數(shù)合格。表4.5 洪水匯流參數(shù)率定結(jié)果洪號fckgnK實測洪峰（m/s）模擬洪峰(m/s)洪峰絕對誤差(

27、m/s)洪峰相對誤差（%）峰現(xiàn)誤差(h)DC是否合格201106260.33 38.29 1.10 8.00 217 216 -1-0.46 00.74是201204241.10 61.55 1.01 7.00 1000 984 -16-1.60 00.89 是201207101.30 58.42 1.20 15.00 481 487 61.25 0 0.94 是201207287.00 51.44 1.10 7.50 661 643 -18-2.72 -20.81是201307024.60 100.00 1.04 4.35 1400 1342 -58-4.14 -20.7是2013071612.00 100.00 1.20 7.23 616 623 71.14 00.91是表示率定值小于實測值由某流域的洪水特性情況得知，暴雨造成的洪水具有峰高量大且峰現(xiàn)時間短的特點。對6場率定參數(shù)的洪水的流量過程線進行觀察后發(fā)現(xiàn)，其洪峰及峰型的確都符合上述特點，并且峰現(xiàn)時間基本上相似。故可推斷，預留模擬的20130730和20130816號洪水同樣具有上述特征。因此，在匯流階段，取6場洪水率定參數(shù)各項的平均值作為模擬參數(shù)（表4.6）置入?yún)R流結(jié)果輸出模型中。將預留洪水的資料輸入模型，結(jié)果見表4.7。表4.6 輸入?yún)R流