水文預(yù)報(bào)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

水文預(yù)報(bào)課程設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)院：資源與環(huán)境學(xué)院專業(yè)：水文與水資源工程年級：2012級姓名：劉燨元學(xué)號：2012215334指導(dǎo)教師：余倩2015年6月9日前言水文預(yù)報(bào)（hydrologicforecasting)就是據(jù)已知的信息對未來一定時(shí)期內(nèi)的水溫狀態(tài)作出定性或定量的預(yù)測。已知信息，廣義上指對預(yù)報(bào)水文狀態(tài)有影響的一切信息，最常用的是水文與氣象要素信息，如降水、蒸發(fā)、流量、水位、氣溫和含沙量等觀測信息。預(yù)報(bào)的水文狀態(tài)變量可以是任一水文要素也可以是水文特征量，不同的狀態(tài)量預(yù)報(bào)要求的已知信息不同、預(yù)報(bào)方法不同、預(yù)見期也不同。目前通常預(yù)報(bào)的水文要素有流量、水位、冰情和旱情等。水文預(yù)報(bào)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(shí)際問題的需要，構(gòu)成具體的預(yù)報(bào)方法或預(yù)報(bào)方案，服務(wù)于生產(chǎn)實(shí)際。一般水文預(yù)報(bào)研究的重點(diǎn)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(gè)性問題研究，對反映具體問題的特性、方法進(jìn)行了解，構(gòu)成具有解決各種具體實(shí)際問題的、具有較高預(yù)報(bào)精度的預(yù)報(bào)方案。目錄TOC\o"1-3"\h\u1、新安江水文模型簡介 41.1概述 41.2新安江模型的基本原理 51.3新安江模型的結(jié)構(gòu) 61.4新安江模型的參數(shù) 81.4.1參數(shù)的物理意義 81.4.2模型參數(shù)率定 92、新安江日模、次模調(diào)參成果圖 112.1日模模擬結(jié)果 112.2次模模擬結(jié)果 143、新安江水庫日模型、次模型模擬結(jié)果及精度統(tǒng)計(jì)表 183.1新安江水庫日模型 184、心得體會…………..18導(dǎo)師評語1、新安江水文模型簡介1.1概述流域水文模型可分為物理模型、概念性模型和系統(tǒng)模型。在水文預(yù)報(bào)中，概念性模型和系統(tǒng)模型應(yīng)用較多，此處主要介紹概念性流域水文模型。概念性流域水文模型屬于數(shù)學(xué)模型，它與物理模型相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)：一是它的所有條件均可由原型觀測資料直接給出，不受比尺的限制，即數(shù)學(xué)模型無相似律問題；二是它的邊界條件及其它條件可嚴(yán)格控制，也可隨時(shí)按實(shí)際需要改變；三是它的通用型較強(qiáng)，只要研制出一種適用的應(yīng)用軟件，就可用來解決不同的實(shí)際問題；四是它具有理想的抗干擾性能，只要條件不變，重復(fù)模擬可以得到相同的結(jié)果，不會因人、因地而異；五是它的研制費(fèi)用相對較低。因此，流域水文模型的研制和應(yīng)用受到水文學(xué)家和水文工作者的普普遍重視。世界上第一個(gè)流域水文模型－Stanford模型出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，目前全世界已提出數(shù)以百計(jì)的流域水文模型。主要包括由美國天氣局V.T.Sitten提出的API模型、N.H.Crawford和R.K.Linsley提出的斯坦福模型以及R.J.C.Bernash等提出的薩克拉門托模型，日本國立防災(zāi)科學(xué)研究中心菅原正已教授提出的水箱模型，丹麥技術(shù)大學(xué)提出的NAM模型，以及原華東水利學(xué)院趙人俊教授提出的新安江模型。這些概念性水文模型對流域的降雨徑流過程進(jìn)行了較為細(xì)致的模擬。由于這些模型具有較好的結(jié)構(gòu)形式和良好的模擬預(yù)報(bào)精度，因此在洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)中得到廣泛地應(yīng)用。本文主要介紹國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的新安江三水源模型。1.2新安江模型的基本原理原華東水利學(xué)院的趙人俊教授于1963年初次提出濕潤地區(qū)以蓄滿產(chǎn)流為主的觀點(diǎn)，主要根據(jù)是次洪的降雨徑流關(guān)系與雨強(qiáng)無關(guān)，而只有用蓄滿產(chǎn)流概念才能解釋這一現(xiàn)象。上個(gè)世紀(jì)70年代國外對產(chǎn)流問題展開了理論研究，最有代表性的著作是1978年出版的《山坡水文學(xué)》，它的結(jié)論與趙人俊先生的觀點(diǎn)基本一致：傳統(tǒng)的超滲產(chǎn)流概念只適用于干旱地區(qū)，而在濕潤地區(qū)，地面徑流的機(jī)制是飽和坡面流，壤中流的作用很明顯。20世紀(jì)70年代初建立的新安江模型采用蓄滿概念是正確的。但對于濕潤地區(qū)，由于沒有劃出壤中流，導(dǎo)致匯流的非線性程度偏高，效果不好。80年代初引進(jìn)吸收了山坡水文學(xué)的概念，提出三水源的新安江模型。新安江模型是分散性模型，可用于濕潤地區(qū)與半濕潤地區(qū)的濕潤季節(jié)。當(dāng)流域面積較小時(shí)，新安江模型采用集總模型，當(dāng)面積較大時(shí)，采用分塊模型。它把全流域分為許多塊單元流域，對每個(gè)單元流域作產(chǎn)匯流計(jì)算，得出單元流域的出口流量過程。再進(jìn)行出口以下的河道洪水演算，求得流域出口的流量過程。把每個(gè)單元流域的出流過程相加，就求得了流域的總出流過程。該模型按照三層蒸散發(fā)模式計(jì)算流域蒸散發(fā)，按蓄滿產(chǎn)流概念計(jì)算降雨產(chǎn)生的總徑流量，采用流域蓄水曲線考慮下墊面不均勻?qū)Ξa(chǎn)流面積變化的影響。在徑流成分劃分方面，對三水源情況，按“山坡水文學(xué)”產(chǎn)流理論用一個(gè)具有有限容積和測孔、底孔的自由水蓄水庫把總徑流劃分成飽和地面徑流、壤中水徑流和地下水徑流。在匯流計(jì)算方面，單元面積的地面徑流匯流一般采用單位線法，壤中水徑流和地下水徑流的匯流則采用線性水庫法。河網(wǎng)匯流一般采用分段連續(xù)演算的Muskingum法或滯時(shí)－演算法，但它一般不作為新安江模型的主體。概念性模型的結(jié)構(gòu)應(yīng)該反映客觀水文規(guī)律，參數(shù)應(yīng)該代表流域的水文特征，把模型設(shè)計(jì)成為分散性的，主要是為了考慮降雨分布不均的影響，其次也便于考慮下墊面條件的不同及其變化。降雨分布不均，不但對匯流產(chǎn)生明顯的影響，而且對產(chǎn)流也產(chǎn)生明顯的影響。如果采用集總性模型，應(yīng)用面平均雨量來進(jìn)行計(jì)算，誤差可能很大，而且是系統(tǒng)性的。新安江模型按泰森多邊形法分塊，以一個(gè)雨量站為中心劃一塊。這種分法便于考慮降雨分布不均，不考慮其它的分布不均。新安江模型的流程圖見圖1所示。圖中輸入為實(shí)測降雨P(guān)和實(shí)測蒸散發(fā)能力EM，輸出為流域出口斷面流量Q和流域蒸散發(fā)量E。方框內(nèi)是狀態(tài)變量，方框外是常數(shù)常量。模型主要由四部分組成，即蒸散發(fā)計(jì)算、產(chǎn)流量計(jì)算、水源劃分和匯流計(jì)算。1.3新安江模型的結(jié)構(gòu)新安江三水源模型中的蒸散發(fā)計(jì)算采用的是三層蒸發(fā)計(jì)算模式，輸入的是蒸發(fā)器實(shí)測水面蒸發(fā)和流域蒸散發(fā)能力的折算系數(shù)K，模型的參數(shù)是上、下、深三層的蓄水容量WUM、WLM、WDM(WM=WUM+WLM+WDM)和深層蒸散發(fā)系數(shù)C。輸出的是上、下、深各層的流域蒸散發(fā)量EU、EL和ED(E=EU+EL+ED)。計(jì)算中包括三個(gè)時(shí)變參量，即各層土壤含水量WU、WL和WD(W=WU+WL+WD)。以上的WM、E、W分別表示總的流域蓄水容量、蒸散發(fā)量、土壤含水量。各層蒸散發(fā)的計(jì)算原則是，上層按蒸散發(fā)能力蒸發(fā)，上層含水量蒸發(fā)量不夠蒸發(fā)時(shí)，剩余蒸散發(fā)能力從下層蒸發(fā)，下層蒸發(fā)與蒸散發(fā)能力及下層含水量成正比，與下層蓄水容量成反比。要求計(jì)算的下層蒸發(fā)量與剩余蒸散發(fā)能力之比不小于深層蒸散發(fā)系數(shù)C。輸出蒸散發(fā)E輸出蒸散發(fā)E輸入降雨P(guān)、水面蒸發(fā)EM不透水面積產(chǎn)流RB透水面積產(chǎn)流R不產(chǎn)流面產(chǎn)流面積積1—FRFRBWMKIM不透水面積產(chǎn)流RB透水面積產(chǎn)流R不產(chǎn)流面產(chǎn)流面積積1—FRFR地面總?cè)肓鱍S地面總?cè)肓鱍S地面徑流RSSM地面徑流RS張力水W上層WU表層下層WL自由深層WD水SEX張力水W上層WU表層下層WL自由深層WD水S河網(wǎng)總?cè)肓骱泳W(wǎng)總?cè)肓鬏敵隽饔虺隽鱍單元面積出流UM輸出流域出流Q單元面積出流壤中總?cè)肓鱍I表層CI深層壤中流壤中流壤中流RILMKIUH壤中總?cè)肓鱍I表層CI深層壤中流壤中流壤中流RICL,CSKG地下總?cè)肓鱍G地下徑流RG地下總?cè)肓鱍G地下徑流RGCG圖1新安江三水源模型流程圖蒸散發(fā)量、土壤含水量。各層蒸散發(fā)的計(jì)算原則是，上層按蒸散發(fā)能力蒸發(fā)，上層含水量蒸發(fā)量不夠蒸發(fā)時(shí)，剩余蒸散發(fā)能力從下層蒸發(fā)，下層蒸發(fā)與蒸散發(fā)能力及下層含水量成正比，與下層蓄水容量成反比。要求計(jì)算的下層蒸發(fā)量與剩余蒸散發(fā)能力之比不小于深層蒸散發(fā)系數(shù)C。否則，不足部分由下層含水量補(bǔ)給,當(dāng)下層水量不夠補(bǔ)給時(shí)，用深層含水量補(bǔ)。三層蒸散發(fā)的計(jì)算程序框圖在這里就不一一列舉了。1.4新安江模型的參數(shù)1.4.1參數(shù)的物理意義新安江模型的參數(shù)一般具有明確的物理意義，可以分為如下4類：(1)蒸散發(fā)參數(shù)：K、WUM、WLM、CK為蒸散發(fā)能力折算系數(shù)，是指流域蒸散發(fā)能力與實(shí)測水面蒸發(fā)值之比。此參數(shù)控制著總水量平衡，因此，對水量計(jì)算是重要的。WUM為上層蓄水容量，它包括植物截留量。在植被與土壤很好的流域，約為20mm；在植被與土壤頗差的流域，約為5～6mm。WLM為下層蓄水容量。可取60～90mm。C為深層蒸散發(fā)系數(shù)。它決定于深根植物占流域面積的比數(shù)，同時(shí)也與WLMWUM值有關(guān)，此值越大，深層蒸散發(fā)越困難。一般經(jīng)驗(yàn)，在江南濕潤地區(qū)C值約為0.15～0.20左右，而在華北半濕潤地區(qū)則在0.09～0.12左右。(2)產(chǎn)流量參數(shù)：WM、B、IMPWM為流域蓄水容量，是流域干旱程度的指標(biāo)。找久旱以后下大雨的資料，如雨前可認(rèn)為蓄水量為0，雨后可認(rèn)為已蓄滿，則此次洪水的總損失量就是WM，可從實(shí)測資料中求得，如找不到這樣的資料，則只能找久旱以后幾次降雨，使雨后蓄滿，用估計(jì)的方法求出WM。一般分為上層WUM、下層WLM和深層WDM。在南方約為120mm，北方半濕潤地區(qū)約為180mm。B為蓄水容量曲線的方次。它反映流域上蓄水容量分布的不均勻性。如果有降雨徑流相關(guān)圖，則可根據(jù)Pa=0的曲線反求出蓄水容量曲線，并據(jù)此估計(jì)出B值。一般經(jīng)驗(yàn)，流域越大，各種地質(zhì)地形配置越多樣，B值也越大。在山丘區(qū)，很小面積(幾平方公里)的B為0.1左右，中等面積(300平方公里以內(nèi))的B為0.2～0.3左右，較大面積(數(shù)千平方公里)的B值為0.3～0.4左右。但需說明，B值與UM有關(guān)，相互并不完全獨(dú)立。同流域同蓄水容量曲線，如WM加大，B就相應(yīng)減少，或反之。IMP為不透水面積占全流域面積之比。如有詳細(xì)地圖，可以量出，但一般不可能，可找干旱期降小雨的資料來分析，這時(shí)有一很小洪水，完全是不透水面積上產(chǎn)生的。求出此洪水的徑流系數(shù)，就是IMP。(3)水源劃分參數(shù)：SM、EX、KSS、KGSM為流域平均自由水蓄水容量，本參數(shù)受降雨資料時(shí)段均化的影響，當(dāng)用日為時(shí)段長時(shí)，一般流域的SM值約為10～50mm。當(dāng)所取時(shí)段長較少時(shí)，SM要加大，這個(gè)參數(shù)對地面徑流的多少起著決定性作用，因此很重要。EX為自由水蓄水容量曲線指數(shù)，它表示自由水容量分布不均勻性。通常EX取值在1~1.5之間。KSS為自由水蓄水庫對壤中流的出流系數(shù)，KG為自由水蓄水庫對地下徑流出流系數(shù)，這兩個(gè)出流系數(shù)是并聯(lián)的，其和代表著自由水出流的快慢。一般來說，KSS+KG=0.7，相當(dāng)于從雨止到壤中流止的時(shí)間為3天。(4)匯流參數(shù)：KKSS、KKG、CS、LKKSS為壤中流水庫的消退系數(shù)。如無深層壤中流時(shí)，KKSS趨于零。當(dāng)深層壤中流很豐富時(shí)，KKSS趨于0.9。相當(dāng)于匯流時(shí)間為10天。KKG為地下水庫的消退系數(shù)。如以日為時(shí)段長，此值一般為0.98～0.998，相當(dāng)于匯流時(shí)間為50～500日。CS為河網(wǎng)蓄水消退系數(shù)，L為滯時(shí)，它們決定于河網(wǎng)地貌。1.4.2模型參數(shù)率定新安江模型的參數(shù)按照物理意義分為4層，上面已作了介紹。參數(shù)的率定可以按照蒸散發(fā)～產(chǎn)流～分水源～匯流的次序進(jìn)行，各類參數(shù)基本上是相互獨(dú)立的。按照以下次序率定參數(shù)。一、日模型日模型參數(shù)率定按照以下步驟分別進(jìn)行：(1)定出各參數(shù)的初始值。(2)比較多年總徑流。這是最基本的水量平衡校核。如有誤差，要首先修改K值，K是影響蒸發(fā)計(jì)算最大的參數(shù)，對于某些北方河流，夏季植物茂盛，而冬季則有封凍。冬季蒸發(fā)不可能用E601觀測，則應(yīng)考慮把K分為冬、夏各月定為不同的數(shù)值。(3)多年總水量基本平衡后，再比較每年的徑流，看很干旱的年與濕潤年份有無系統(tǒng)誤差。如有應(yīng)調(diào)整WUM、WLM和C。減小WUM將使少雨季節(jié)的蒸發(fā)減少，而對于很干旱的季節(jié)則無影響。WLM的作用與此相仿。加大C值將使很干旱的季節(jié)的蒸散發(fā)增大，而對于有雨季節(jié)則無此影響。在北方半濕潤地區(qū)可以找到干旱年份與濕潤年份之間的系統(tǒng)誤差，而在南方濕潤地區(qū)則不易找到。(4)如上述差別并不明顯，則應(yīng)比較年內(nèi)干旱季與濕潤季之間的差別。在南方，主要是伏旱季的蒸散發(fā)計(jì)算是否正確的問題。如伏旱以后的初次洪水具有系統(tǒng)誤差，例如，各年中這種洪水的計(jì)算值都偏大，則應(yīng)調(diào)整WUM、WLM和C值，使基本符合。如果在計(jì)算中發(fā)現(xiàn)W值在久旱后出現(xiàn)負(fù)值，則應(yīng)加大WM，不改變WUM和WLM。在計(jì)算中當(dāng)W為負(fù)值時(shí)以零處理是不對的，它破壞了產(chǎn)流量計(jì)算的前提。新安江模型是蓄滿型，只要蒸散發(fā)計(jì)算基本正確了，產(chǎn)流總量的精度也就有保證了。一般流域，有80%左右的年份的年徑流誤差在7%以下是可能做到的。比較枯季地下徑流。如有系統(tǒng)偏大偏小，則應(yīng)調(diào)整KSS、KG，調(diào)整地下徑流、壤中流的比重。如有系統(tǒng)偏快偏慢，則應(yīng)調(diào)整，以改變匯流速度。二、次模型日模與次模的時(shí)段長不同，參數(shù)值不全部可以通用，但K、WM、WUM、WLM、B、IMP、EX、C與時(shí)段長無關(guān)，可以通用，SM、KG、KSS、KKG、KKSS與時(shí)段長有關(guān)，不可以通用。調(diào)試時(shí)通常以洪水總量、洪峰值及峰現(xiàn)時(shí)間按允許誤差統(tǒng)計(jì)合格率最高為目標(biāo)函數(shù)。調(diào)試步驟如下：(1)比較洪水徑流總量。影響計(jì)算次洪徑流總量的主要因素除降雨外顯然是流域初始含水量0W，但當(dāng)已確定的情況下，可通過調(diào)整水源的比重來影響計(jì)算次洪徑流量，可調(diào)整SM和KG，兩個(gè)參數(shù)數(shù)值越大，地下徑流的比重越大，使次洪徑流量減少。(2)比較洪峰值。洪峰流量主要由地面徑流和壤中流組成，主要取決于SM、KKSS、CS等參數(shù)，當(dāng)SM確定后，調(diào)整KKSS和CS等參數(shù)，尤其是CS對洪峰起著很大的作用。如果流量過程現(xiàn)出現(xiàn)整體的提前，主要調(diào)整L。表1新安江模型各層次參數(shù)表層次參數(shù)符號參數(shù)意義敏感程度取值范圍第一層次蒸散發(fā)計(jì)算KC流域蒸散發(fā)折算系數(shù)敏感UM上層張力水容量（mm）不敏感10～20LM下層張力水容量（mm）不敏感60～90C深層蒸散發(fā)折算系數(shù)不敏感0.10～0.20第二層次產(chǎn)流計(jì)算WM流域平均張力水容量（mm）不敏感120～200B張力水蓄水容量曲線方程不敏感0.1～0.4IM不透水面積占全流域面積的比例不敏感0.01～0.04第三層次水源劃分SM表層自由水蓄水容量（mm）敏感EX表層自由水蓄水容量曲線方次不敏感1.0～1.5KG表層自由水蓄水庫對地下水的日出流系數(shù)敏感KI表層自由水蓄水庫對壤中流的日出流系數(shù)敏感第四層次匯流計(jì)算CI壤中流消退系數(shù)敏感CG地下流消退系數(shù)敏感CS(UH)河網(wǎng)蓄水消退系數(shù)（單位線）敏感L滯時(shí)（h）敏感KE馬斯京根法演算參數(shù)（h）敏感KE=XE馬斯京根法演算參數(shù)敏感0.0～0.52、新安江日模、次模調(diào)參成果圖2.1日模模擬結(jié)果圖1：其中，絕對誤差由圖得相對誤差。圖2：其中，絕對誤差由圖得相對誤差。圖3：其中，絕對誤差由圖得相對誤差。圖4：其中，絕對誤差由圖得相對誤差。圖5：其中，絕對誤差由圖得相對誤差。圖11982年徑流量與降雨關(guān)系圖圖21983年徑流量與降雨關(guān)系圖圖31984年徑流量與降雨關(guān)系圖圖41985年徑流量與降雨關(guān)系圖圖51986年徑流量與降雨關(guān)系圖2.2次模模擬結(jié)果圖6：其中，絕對誤差由圖得相對誤差。圖7：其中，絕對誤差由圖得相對誤差圖8：其中，絕對誤差由圖得相對誤差圖9：其中，絕對誤差由圖得相對誤差。圖10：其中，絕對誤差由圖得相對誤差。圖11：其中，絕對誤差由圖得。圖6洪號820401模擬結(jié)果表圖7洪號830822模擬結(jié)果圖圖8洪號820716模擬結(jié)果表圖9洪號850621模擬結(jié)果表圖10洪號860714模擬結(jié)果表圖11洪號860909模擬結(jié)果表3、新安江水庫日模型、次模型模擬結(jié)果及精度統(tǒng)計(jì)表3.1新安江水庫日模型表2日模型模擬結(jié)果及精度統(tǒng)計(jì)表年份降雨量PP(mm)計(jì)算徑流量（mm）實(shí)測徑流量（mm）絕對誤差（mm）相對誤差DR（%）確定性系數(shù)DC19821773.0091387.6051473.44385.8385.8260.84319832150.3701752.7891915.594162.7968.4990.81219841552.7401135.3791155.95920.581.7800.76319851588.8501175.0151165.0529.9630.8430.71819861398.520988.489948.01140.8374.1300.7023.2新安江水庫次模型表3次模型模擬結(jié)果及精度統(tǒng)計(jì)表洪號降雨量PP(mm)計(jì)算徑流量（mm）實(shí)測徑流量（mm）絕對誤差（mm）相對誤差DR（%）確定性系數(shù)DC82040139.91848.78960.70011.91119.6230.85983082254.67261.60670.5268.92012.6490.913840612149.794127.354134.8217.4675.5390.842850621125.66