（水文學(xué)及水資源專業(yè)論文）大流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正研究.pdf

摘要 洪水預(yù)報(bào)是防洪調(diào)度決策的主要依據(jù)，是防洪減災(zāi)工作中的一項(xiàng)重要的非工 程措施。大流域因其空間范圍覆蓋廣、支流眾多的特性，如何對(duì)其進(jìn)行高精度的 洪水預(yù)報(bào)一直是比較難的問(wèn)題。對(duì)大流域預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)校正是提高預(yù)報(bào)精度 的有效手段之一。 本文在地理信息系統(tǒng)平臺(tái)上完成了流域信息的提取、水文模型對(duì)象解析和流 域概化，并在此基礎(chǔ)上將大流域劃分為不同級(jí)別的子系統(tǒng)，子系統(tǒng)之間由低級(jí)到 高級(jí)逐級(jí)計(jì)算；研究了流域拓?fù)潢P(guān)系，各子系統(tǒng)內(nèi)部根據(jù)該關(guān)系解決了對(duì)象最優(yōu) 演算次序的問(wèn)題，構(gòu)建了洪水預(yù)報(bào)方案。對(duì)現(xiàn)階段主要的實(shí)時(shí)校正方法進(jìn)行了比 較，得出使用誤差自回歸和最小二乘在線估計(jì)耦合的白適應(yīng)實(shí)時(shí)校正方法可以對(duì) 洪水預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行有效校正。最后將洪水預(yù)報(bào)方案與實(shí)時(shí)校正模型結(jié)合，提出了 大流域的洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正方案。 將本文研究的成果應(yīng)用于水文業(yè)務(wù)中，效果較好，洪水預(yù)報(bào)精度有了較大提 高，是一種簡(jiǎn)便實(shí)用的洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正方法。 關(guān)鍵字：大流域、拓?fù)潢P(guān)系、實(shí)時(shí)校正、預(yù)報(bào)方案 a b s t r a c t f l o o df o r e c a s t i n gi sm a i nd 印e n d e n c eo ff l o o dc o n n d l l i n ga n dd e c i s i o n ，i ti s c o n s i d e r e da sa i l i l p o r t a 毗 n o n s t n l c t u i _ a lm e a s u r eo nt h ef l o o dc o n t r o la 1 1 d m i t i g a t i o n h o wt o f o r e c a s ti t sn o o dw i 伽h i g hp r e c i s i o na l w a y si sad i m c u l t p r o b l e m ，f o rl a r g eb a s 協(xié)sc h a r a c t e ro fw i d ec o v e r i n ga r e aa n dn 砌e r o u sb r a n c h e s r e a l t i l n ec o r r e c tt l l el a 唱eb a s i n sf o r e c a s 血gr e s u l ti so n eo f 也ee 療b c t i v ew a y st o i m p r o v e t h ef b r e c a s t i n gp r e c i s i o n t h ep a p e ra c c o i n p l i s hb a s i ni n f b r m a t i o nc o l l e “o n ，b y d r o l o g yo b j e c t sp a r s ea n d b a s i l l sg e n e r a l i z a t i o no ng i sp l a t f o r i i l ，f l r s t l ya 1 1 do nm eb a s e ，i tc o m p 咖e n t a l i z e s l a r g eb a s i nt od i “e v e ls u b s y s t e m ，a n dc o m p u t e 矗o mb a s et oa d v a n c eb e 觚e e n e a c hs u b s y s t e m ；i ts t l l d yb a s i n st o p o l o g yr c l a t i o n ，s o l v et h ep r o b l e mo f o b j e c t sb e s t f i g u r eo r d e ra c c o r d j n gt ot h er e l a t i o nb m r e e i le a c hs u b s y s t e m ，c o n s t n 】c tp r o j e c to f n o o df o r c c a s t i n g i tc o m p a r e st 圭l em a i na c t i l a lr e a l t i m ec o r r e c t i o nm e t h o d sa n d 丘n d t h a ta d o p tt h em e t b o do fe r r o ra i i 【o r e 鏟e s s i o nc o m b i i l e 州也a t t e n u a t i o nm e m o r y l e a s t 。s q u a r e sc a ne 丘b c t i v e l yc o r r e c tn o o df o r e c a s t i n g sr e s m t l a s t l y ，i tc o m b i n en o o d f o r e c a s t h l gp r o j e nw i 廿1r e a l t i m ec o 玎e 嘶o nm o d e lt op u tf o l 刪n l ep r o j e c to ff l o o d f b r e c a s t i n g sr e a l t i m ec o r r e c t i o nf o rl a r g eb a s i n t h es m d yp r o d u c t j o no ft h ep a p e ri sa p p l i e dt oh y d i - o l o g yc a l lg e tg o o dr e s u l t ， a n dn o o df o r e c a s t i i l g sp r e c i s i o ni sm u c hi i l l p r o v e d ，s oi ti sa 1 1a p p l i e dm e t h o df o r n o o df o r e c a s t i n g sr e a l t i m ec o r r e c t i o n k e yw b r d s ：i a 唱eb a s i n ，t o p o i o 時(shí)r e j a t i o n ，r e a i t i m ec o n c t i o n ，f b r e c a s tp r o j e c t 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明： 本人所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作 及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果。與我一同工 作的同事對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并 表示了謝意。如不實(shí)，本人負(fù)全部責(zé)任。 論文作者( 簽名) ： 塑! 匹盞 學(xué)位論文使用授權(quán)說(shuō)明 2 0 0 6 年6 月6 日 河海大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、國(guó)家圖書(shū)館、中國(guó)學(xué)術(shù) 期刊( 光盤(pán)版) 電子雜志社有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件或 電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子 文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外， 允許論文被查閱和借閱。論文全部或部分內(nèi)容的公布( 包括刊登) 授權(quán) 河海大學(xué)研究生院辦理。 論文作者( 簽名) ： 盤(pán)，絲： 2 0 0 6 年6 月6 日 第一章緒論 1 1 問(wèn)題的提出 第一章緒論 我國(guó)地域遼闊、河流眾多、地形復(fù)雜。由于受季風(fēng)和河流地理分布的影響， 我國(guó)是一個(gè)水旱災(zāi)害頻繁發(fā)生的國(guó)家。在與洪水斗爭(zhēng)的長(zhǎng)期實(shí)踐中，人們逐漸認(rèn) 識(shí)到采用防洪措施可以減少洪水的災(zāi)害損失。防洪措施通常分為兩大類【l 】：工程 措施和非工程措施。非工程措施一般包括：加強(qiáng)防洪設(shè)施管理，提高防洪設(shè)施的 防洪能力；建立健全通訊系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)；改進(jìn)和發(fā)展洪水預(yù)報(bào)技術(shù)，提高防洪 調(diào)度水平等。其中改進(jìn)洪水預(yù)報(bào)方法、提高預(yù)報(bào)精度、實(shí)施洪水預(yù)報(bào)調(diào)度是非工 程措施中最行之有效的辦法之一【2 】d 水文預(yù)報(bào)是研究和運(yùn)用水文變化規(guī)律，揭示和預(yù)測(cè)未來(lái)水文要素變化的一門(mén) 應(yīng)用學(xué)科。水文預(yù)報(bào)能夠?yàn)榉姥纯购?、水?kù)的施工和調(diào)度管理、水資源的有效利 用提供極為重要的依據(jù)。隨著科技的發(fā)展，人民生活的需要，國(guó)家開(kāi)始興建很多 大型水利工程，要保證這些工程高效的運(yùn)轉(zhuǎn)，精確的水文預(yù)報(bào)是必不可少的。這 種預(yù)報(bào)一般涉及到上萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)平方公里的大流域，考慮到大流域測(cè)站多、資 料情況參差不齊的特點(diǎn)，要能夠得到比較好的預(yù)報(bào)結(jié)果，必須對(duì)資料稀缺大流域 的預(yù)報(bào)方法進(jìn)行研究。 本文正是針對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)討論，在分析大流域特征的基礎(chǔ)上，探求一種簡(jiǎn) 單實(shí)用的預(yù)報(bào)方法，對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，并將其實(shí)際應(yīng)用在三峽入庫(kù)站流 量預(yù)報(bào)會(huì)商系統(tǒng)中。 1 2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展與研究現(xiàn)狀 1 2 1 大流域預(yù)報(bào)模型的發(fā)展 現(xiàn)階段在小流域上的水文預(yù)報(bào)研究相對(duì)較多，對(duì)于大流域的研究相對(duì)較少。 河海大學(xué)碩士論文一大流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正研究 早期的大流域預(yù)報(bào)主要是采用降雨徑流相關(guān)的方法來(lái)預(yù)報(bào)的。1 9 7 8 年格雷克提 出，在徑流變化有明顯季節(jié)性特征的流域，把前幾年( 率定期) 的同一時(shí)期的實(shí) 測(cè)流量的平均值，作為簡(jiǎn)單的季節(jié)性預(yù)報(bào)值，要比用性能較好的降雨徑流模型得 出的預(yù)報(bào)值好得多1 3 】。這一理論的提出為后人提出大流域徑流預(yù)報(bào)混合模型奠定 了基礎(chǔ)。1 9 8 3 年，j e n a s h 在格雷克等人研究的基礎(chǔ)上，把降雨徑流模擬的 概念與純粹的季節(jié)性預(yù)報(bào)方法結(jié)合起來(lái)，得到了更好的預(yù)報(bào)結(jié)果 3 。他的研究成 果表明，利用混合模型求得的結(jié)果要比單獨(dú)用季節(jié)性預(yù)報(bào)模型或用較完善的降雨 徑流模型求得的結(jié)果好得多。因此，這類模型對(duì)具有明顯季節(jié)性特征的大流域可 能是很有用的1 3 。 1 9 9 1 年梁庚辰等人提出多輸入一單輸出線性擾動(dòng)模型及其識(shí)別方法在匯流 方面的應(yīng)用，并在中國(guó)長(zhǎng)江上的兩個(gè)不同的河段與一個(gè)支流流域上進(jìn)行了驗(yàn)證。 結(jié)果表明，這兩類模型在河道匯流演算中都能給出很高的精度。對(duì)輸入、輸出關(guān) 系復(fù)雜的大流域，線性擾動(dòng)模型能夠做出比簡(jiǎn)單線性模型好得多的預(yù)報(bào) 4 l 。1 9 9 5 年何少華在此基礎(chǔ)上將多個(gè)水文系統(tǒng)模型在大流域匯流演進(jìn)計(jì)算中進(jìn)行了應(yīng)用。 系統(tǒng)模型較之概念性模型具有使用資料少、求解簡(jiǎn)便、可用嚴(yán)格的數(shù)字方法優(yōu)化 出多個(gè)輸入的脈沖響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)1 5 j 。然而系統(tǒng)模型忽略了水文預(yù)報(bào)的物理意義，以 數(shù)學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果可能會(huì)導(dǎo)致很大的誤差，甚至不符合預(yù)報(bào)結(jié)果的物理意 義。 2 0 0 4 年，李致家等人提出大流域的洪水預(yù)報(bào)和洪水調(diào)度管理需要采用水文 學(xué)與水力學(xué)、確定性與隨機(jī)性模型相結(jié)合的綜合方法【6 】。對(duì)于降雨一徑流模型通 常采用新安江模型和經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方案進(jìn)行流域流量過(guò)程預(yù)報(bào)；對(duì)于無(wú)資料的區(qū)間流 域，采用水文模型進(jìn)行流量預(yù)報(bào)。河道洪水演進(jìn)采用一維或者二維非恒定流水力 學(xué)計(jì)算方法。同時(shí)將這些確定性模型結(jié)合卡爾曼濾波或最小二乘遞推模型等數(shù)學(xué) 方法進(jìn)行校正。這一理論雖然比較全面的概括出大流域預(yù)報(bào)的基本方法，但是由 于大流域資料的不完整性，方法的復(fù)雜性以及預(yù)報(bào)人員經(jīng)驗(yàn)的差異，真正將這些 方法完全應(yīng)用于生產(chǎn)項(xiàng)目中難度很大。 隨著地理信息系統(tǒng)的蓬勃發(fā)展，近年來(lái)大流域預(yù)報(bào)研究又出現(xiàn)了一些新方 法。2 0 0 3 年陳利群等人提出運(yùn)用d e m 數(shù)據(jù)和s w 盯模型對(duì)大尺度流域預(yù)報(bào)研究 2 第一章緒論 【7 1 ；劉昌明等人運(yùn)用c 3 l 模型對(duì)大尺度資料稀缺地區(qū)水文模擬進(jìn)行研究【8 】。 這些方法雖然能夠解決一些問(wèn)題，但是在使用中難度仍然很大。國(guó)內(nèi)運(yùn)用s w 舡 模型主要是靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，二次開(kāi)發(fā)空間小，難以用于水情預(yù)報(bào)會(huì)商系統(tǒng)中： v i c 一3 l 模型對(duì)流域植被、土壤資料情況要求較高，這在現(xiàn)階段在很多大流域也 是難以實(shí)現(xiàn)的。 總之，國(guó)內(nèi)外對(duì)于大流域洪水預(yù)報(bào)的研究較少，對(duì)于幾十萬(wàn)平方公里流域洪 水預(yù)報(bào)的研究更少，大多數(shù)研究?jī)H僅停留在理論階段，沒(méi)有一種比較簡(jiǎn)單實(shí)用的 方法能夠真正用在大流域的預(yù)報(bào)中。 1 2 2 實(shí)時(shí)洪水校正模型 水文模型將復(fù)雜的水文過(guò)程加以概化成數(shù)學(xué)物理方程薺在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)，這 樣整個(gè)流域的產(chǎn)匯流問(wèn)題就歸結(jié)為模型結(jié)構(gòu)與模型參數(shù)問(wèn)題。當(dāng)流域的結(jié)構(gòu)和參 數(shù)確定后，系統(tǒng)就完全確定了，就能把任何輸入過(guò)程確定地轉(zhuǎn)化成輸出過(guò)程。從 這點(diǎn)來(lái)看，水文模型有它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)【9 。但預(yù)報(bào)模型在實(shí)際的應(yīng)用中有時(shí)預(yù)報(bào)精 度并不理想。這就要求在預(yù)報(bào)中加上校正模型，對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行校正以獲得更高 的精度。 實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)包括水文資料的實(shí)時(shí)傳輸、水文資料的實(shí)時(shí)檢索、水文資料的 實(shí)時(shí)插補(bǔ)、模型的預(yù)報(bào)以及實(shí)時(shí)校正【1 0 。洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正方法大體上可以分為 兩類：預(yù)報(bào)與校正模型合一，一般的黑箱模型都是這樣，如c l s 模型：預(yù)報(bào)與校正 模型耦合：如先用水文學(xué)模型或者水力學(xué)模型預(yù)報(bào)，而后采用誤差自回歸等方法 進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。實(shí)時(shí)校正方法主要與所選用的預(yù)報(bào)模型有關(guān)。更確切地說(shuō)，主要 與預(yù)報(bào)模型的“數(shù)學(xué)表達(dá)形式”及“算法”有關(guān)。對(duì)線性系統(tǒng)模型已有許多卓有 成效的實(shí)時(shí)校正模型，如卡爾曼濾波、遞推最小二乘法、誤差自回歸模型等。 河海大學(xué)碩士論文大流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正研究 1 3 本文研究?jī)?nèi)容 針對(duì)目前大部分的方法尚處于理論研究階段，對(duì)資料要求較高的情況，本文 主要從生產(chǎn)需要出發(fā)，將理論與實(shí)際很好的結(jié)合起來(lái)，在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)大 流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正作進(jìn)一步研究，以期能夠找到一些簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。 本文將研究解決以下兩方面的問(wèn)題： ( 1 ) 大流域預(yù)報(bào)建模的問(wèn)題 大流域由于支流眾多，計(jì)算有著嚴(yán)格的順序，各水文模型對(duì)象的集成是建立 洪水預(yù)報(bào)方案的關(guān)鍵所在。如何解決好模型之間數(shù)據(jù)的傳遞，提高系統(tǒng)運(yùn)行的效 率也是亟待解決的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外的研究還沒(méi)有提出一個(gè)方便、有效的模型系 統(tǒng)集成的辦法。研究一種方便的模型系統(tǒng)集成辦法具有重要意義。 ( 2 ) 大流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正的問(wèn)題 要對(duì)洪水未來(lái)的變化趨勢(shì)做出準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果實(shí)時(shí)校正是必不可少 的。當(dāng)前實(shí)時(shí)校正的方法很多，也取得了不錯(cuò)的效果，但是這些方法多數(shù)只是對(duì) 于某一個(gè)小流域進(jìn)行的。僅僅對(duì)大流域中一個(gè)小流域校正，其影響可能是微不足 道的。大流域中還有很多支流，這些支流的校正結(jié)果對(duì)于最終出口斷面可能是有 影響的，必須探求一種方法能全面考慮大流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正的問(wèn)題。本文這 些做了詳盡的研究比較工作，力求能找到一種便捷準(zhǔn)確的能夠?qū)θ饔蜻M(jìn)行實(shí)時(shí) 校正以獲得滿意精度的方法。 本文第一章為總論，第二、三章為并列關(guān)系，在第二章使用d e m 進(jìn)行了產(chǎn)匯 流分區(qū)和進(jìn)行流域拓?fù)潢P(guān)系的確定，在第三章選擇了實(shí)時(shí)校正模型并確定了模型 的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，第四章運(yùn)用這兩章的結(jié)果進(jìn)行了流域預(yù)報(bào)校正方案構(gòu)建。 第二章大流域單元面積劃分和拓?fù)潢P(guān)系的確定 第二章流域拓?fù)潢P(guān)系的確定 在流域水文模擬中，為了考慮降雨空間分布不均的影響及流域下墊面水文特 性的空間差異，常常采用分散式水文模型。即將預(yù)報(bào)流域適當(dāng)?shù)胤殖啥鄠€(gè)單元流 域，在各單元流域上進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，再將各單元流域的出流過(guò)程演算到流域出 口斷面( 預(yù)報(bào)流域控制站) ，疊加后作為其流量預(yù)報(bào)過(guò)程。但是在具體實(shí)施過(guò)程中， 大流域中各單元面積的計(jì)算是有嚴(yán)格順序的，要先進(jìn)行坡面產(chǎn)匯流計(jì)算，再進(jìn)行 河道匯流計(jì)算，只有確定了流域的拓?fù)潢P(guān)系，才能構(gòu)建流域預(yù)報(bào)方案，高效的進(jìn) 行大流域預(yù)報(bào)計(jì)算。 為了確定流域拓?fù)潢P(guān)系，首先要提取流域下墊面信息，合理劃分單元面積， 對(duì)流域中的眾多研究對(duì)象進(jìn)行水文解析。這樣才能將大流域中的眾多對(duì)象劃分為 點(diǎn)對(duì)象、線對(duì)象和面對(duì)象，利用線對(duì)象的鏈接方式確定流域拓?fù)潢P(guān)系。 2 1 流域下墊面信息提取 在過(guò)去，流域下墊面信息的提取一般是采用人工方式進(jìn)行流域信息的提取， 操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力而且精度得不到保證。隨著數(shù)字地球概念的提出，各種以數(shù)字形式 表達(dá)高程、土壤、土地利用、地質(zhì)等信息的數(shù)據(jù)應(yīng)運(yùn)而生。這些數(shù)據(jù)是用一個(gè)任 意坐標(biāo)場(chǎng)中大量選擇的已知x ，y ，z 的坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)連續(xù)地面做一個(gè)簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)來(lái) 表示地理信息的。當(dāng)描述的地面特性是高程z 時(shí)，這種由x ，y 水平坐標(biāo)系統(tǒng)來(lái) 描述的高程空間分布的數(shù)字地形模型稱作數(shù)字高程模型( d i g i t a le l c v a t i o n m o d e l ，縮寫(xiě)為d e m ) 。作為地球空間框架數(shù)據(jù)的基本內(nèi)容和其它各種地理信息 的載體，d e m 是各種地學(xué)分析的最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，也是g i s 的基本內(nèi)容。d e m 具 有很大的實(shí)用價(jià)值，可對(duì)地形進(jìn)行詳細(xì)的描述，推求各種地形特征值。 俗話說(shuō)水往低處走，不管是流域坡面上的產(chǎn)匯流過(guò)程，還是河道洪水波的演 進(jìn)過(guò)程，都遵循著這一規(guī)律。因此，在重力作用下，地形對(duì)徑流的產(chǎn)生與運(yùn)動(dòng)， 河海大學(xué)碩士論文一大流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正研究 起著決定性的作用。所以說(shuō)，d e m 數(shù)據(jù)的普及為水文學(xué)的發(fā)展提供了新的數(shù)據(jù) 源，地理信息系統(tǒng)的發(fā)展與普及為水文學(xué)的發(fā)展提供了新的平臺(tái)“】。 利用地理信息系統(tǒng)軟件空間分析的功能，以數(shù)字高程模型為基礎(chǔ)，可以使流 域信息的提取更為方便、快捷。 2 1 1d e m 預(yù)處理 由于受高程數(shù)據(jù)采集誤差( 或d e m 生成過(guò)程中的插值誤差) 及d e m 格網(wǎng) 大小的影響，會(huì)使d e m 中出現(xiàn)坑( 或稱洼地) ，即某一網(wǎng)格或一組網(wǎng)格四周所 有網(wǎng)格都高于這一網(wǎng)格或這一組網(wǎng)格。在這種情況下，坑周?chē)木W(wǎng)格方向?qū)⒍贾?向坑，在流水網(wǎng)中造成斷點(diǎn)，這意味著有些徑流不能流出流域出口地面，從而造 成計(jì)算結(jié)果的不合理。為此，需對(duì)d e m 進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)原始的d e m 進(jìn)行填洼 處理。 2 1 2 流域流水網(wǎng)的推求 地形對(duì)流域匯流過(guò)程起著決定性作用。根據(jù)d e m 數(shù)據(jù)，對(duì)匯流過(guò)程進(jìn)行描 述的最好方法是流域流水網(wǎng)【1 2 1 。每個(gè)網(wǎng)格上的徑流，將流向相鄰網(wǎng)格中高度相 對(duì)較低的網(wǎng)格，據(jù)此可確定各網(wǎng)格的方向。將各網(wǎng)格方向首尾相連，即為流域流 水網(wǎng)。b e v e n 和幻r l ，b y 【1 習(xí)和w h a n o n 1 4 】都對(duì)排水網(wǎng)做了完整的定義。流水網(wǎng)可詳 細(xì)描述流域的徑流匯流過(guò)程。 目前，利用數(shù)字高程模型模擬流域地形、水系、集水面積、坡度等信息的方 法很多，很多軟件也提供了這一功能。本文采用血c g i s 軟件作為推求流水網(wǎng)的 主要工具。圖2 1 是利用d e m 數(shù)據(jù)，采用時(shí)c g i s 軟件生成的本文研究區(qū)域水系 圖。任何一種方法導(dǎo)出的流水網(wǎng)，由于種種原因，可能存在錯(cuò)誤或誤差。特別在 平原地區(qū)，由于地形差別不大，這些誤差和錯(cuò)誤將導(dǎo)致生成的河網(wǎng)不能很好的代 表真實(shí)河網(wǎng)。因此，在流水網(wǎng)生成后，需對(duì)流水網(wǎng)進(jìn)行合理性檢驗(yàn)。只有合理可 靠的流水網(wǎng)，才能以此為依據(jù)，進(jìn)行空間分析。模擬河網(wǎng)與藍(lán)線河網(wǎng)( 真實(shí)河網(wǎng)) 擬合程度的好壞，是檢驗(yàn)流水網(wǎng)合理可靠的有效手段之一。圖2 2 是長(zhǎng)江中上游 6 第二章大流域單元面積劃分和拓?fù)潢P(guān)系的確定 流域1 ：2 5 萬(wàn)藍(lán)線水系圖分布圖，與圖2 1 相對(duì)比可看出，模擬河網(wǎng)達(dá)到了較好的 擬合精度，能基本反映藍(lán)線水系。為了更詳細(xì)的對(duì)比分析，圖2 3 中顯示了模擬 河網(wǎng)與l ：2 5 萬(wàn)藍(lán)線河網(wǎng)的對(duì)比圖。 圖2 1 采用a r c g i s 軟件生成的流域水系圖 圖2 - 2 流域藍(lán)線水系圖 河海大學(xué)碩士論文大流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正研究 圖2 3 模擬河網(wǎng)與1 ：2 5 萬(wàn)藍(lán)線河網(wǎng)對(duì)比圖 由于受d e m 精度影響，一般情況下，高山丘陵地區(qū)地勢(shì)起伏跌宕，利用 d e m 數(shù)據(jù)可以很好的模擬藍(lán)線河網(wǎng)，達(dá)到了較高的精度，可以用于進(jìn)一步的空 間分析。而平原地區(qū)效果有可能差些，能否用于進(jìn)一步的分析還要進(jìn)行詳細(xì)的 對(duì)照工作。 2 1 3 流域產(chǎn)匯流分區(qū)的建立 利用舡c g i s 軟件能方便地按自然流域進(jìn)行單元面積的劃分【1 5 】，在流域流水 網(wǎng)生成后，只要給定集水面積的值，軟件能自動(dòng)按流域分水嶺進(jìn)行單元面積的劃 分。 但是軟件在生成單元面積時(shí)，設(shè)置的集水面積值是對(duì)整個(gè)流域的，不能對(duì)流 域的某一區(qū)域單獨(dú)設(shè)置集水面積值，從而使整個(gè)流域上的單元面積大小都相差不 大。但在實(shí)際的情況中，如果流域中的某一區(qū)域控制站較密，那么相應(yīng)的單元面 積數(shù)可以多點(diǎn)，就要將劃分好的單元面積進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)分；但如果控制站較疏， 那么相應(yīng)的可以人工合并單元面積，增大單元面積面積。無(wú)論使用什么方法導(dǎo)出 的流水網(wǎng)，由于d e m 數(shù)據(jù)本身的精度以及軟件自身的問(wèn)題，可能導(dǎo)致在流水網(wǎng) 基礎(chǔ)之上生成的單元面積也存在同樣的問(wèn)題。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，要在地理信 息的平臺(tái)上，加以人工分析，根據(jù)藍(lán)線河網(wǎng)校對(duì)劃分的單元面積，以保證單元面 第二壹大流域單元面積劃分和拓?fù)潢P(guān)系的確定 積和分水嶺地劃分正確。 圖2 q 流域單元面積分布圖 圖2 4 是利用流水網(wǎng)生成單元面積，再進(jìn)行人工校對(duì)后得到的流域單元面積 分布圖，其空間范圍是從長(zhǎng)江干流金沙江龍街站以下至干流寸灘站，包括烏江流 域、嘉陵江流域、岷江流域、沱江流域、金沙江下游、長(zhǎng)江上游干流區(qū)。 在建立產(chǎn)匯流分區(qū)的時(shí)候，仍需同時(shí)考慮藍(lán)線河網(wǎng)和生成河網(wǎng)，有時(shí)還需參 考紙質(zhì)的流域圖，進(jìn)行分析，考慮單元面積的劃歸。產(chǎn)匯流分區(qū)分為兩種類型： 小流域和區(qū)間流域。小流域是指沒(méi)有上游來(lái)水，主要用降雨徑流模型計(jì)算坡面產(chǎn) 流和匯流的區(qū)域；區(qū)間流域指以上游來(lái)水為主，主要用河道演算模型計(jì)算河網(wǎng)匯 流的區(qū)域。對(duì)于區(qū)間流域，劃分時(shí)還需要考慮到河道測(cè)站的影響，盡量將上下游 兩個(gè)水文( 水位) 站之間的區(qū)域劃分在一個(gè)產(chǎn)匯流分區(qū)內(nèi)。這樣做主要是為了更 多的利用流域內(nèi)的水位流量信息，達(dá)到更好的預(yù)報(bào)校正效果。圖2 5 是流域產(chǎn)匯 流分區(qū)的分布圖，在這一區(qū)域，一共劃分了5 3 個(gè)產(chǎn)匯流分區(qū)，包括2 0 個(gè)小流域 河海大學(xué)碩士論文一大流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正研究 和3 3 個(gè)區(qū)間流域。 2 2 流域可視化構(gòu)模 圖2 5 流域產(chǎn)匯流分區(qū)分布圖 流域產(chǎn)匯流分區(qū)中有些分區(qū)需要采用降雨徑流模型，有些分區(qū)中包含大的河 流，有上下斷面的流量資料可以利用，還需要采用河道演算模型。流域可視化構(gòu) 模就是要在地理信息的平臺(tái)上根據(jù)采用模型的不同將流域中的研究對(duì)象抽象為 一個(gè)個(gè)點(diǎn)、線、面，對(duì)這些點(diǎn)、線、面賦予不同的屬性。如雨量站可以抽象為點(diǎn)， 河道可以抽象為線，產(chǎn)匯流分區(qū)可以抽象為面。這樣整個(gè)流域就可以抽象成一張 概化圖，對(duì)不同的對(duì)象可以采用不同的模型，達(dá)到高效率的預(yù)報(bào)。對(duì)這些對(duì)象賦 予屬性就可以將概化圖以表格的形勢(shì)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，方便使用。如何將這些分 1 0 第二章大流域單元面積劃分和拓?fù)潢P(guān)系的確定 區(qū)根據(jù)其采用模型類型不同劃分不同對(duì)象，對(duì)象應(yīng)該包括哪些屬性，模型參數(shù)怎 么確定，正是本節(jié)需要研究的問(wèn)題。 2 2 1 相關(guān)水文模型介紹 水文預(yù)報(bào)模型一般分為確定性模型和隨機(jī)模型，確定性模型又分為概念性模 型和黑箱模型。概念性模型是由描述流域降雨徑流形成的數(shù)學(xué)函數(shù)構(gòu)成的一種數(shù) 學(xué)物理模型，物理意義清晰，嚴(yán)格滿足流域水量平衡原理【m ，但需要率定的參 數(shù)較多；黑箱模型只關(guān)心模擬結(jié)果的精度，不考慮輸入輸出之間的因果關(guān)系。在 過(guò)去的二三十年里概念性流域水文模型得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，在生產(chǎn)實(shí)踐中，也得 到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)趙人俊教授提出的新安江模型就是流域水文模型的一種， 新安江模型是分散型模型，它把全流域分成很多單元面積，對(duì)每個(gè)單元面積的出 流過(guò)程相加，得出單元面積的出口流量過(guò)程，再進(jìn)行出口斷面以下的河道洪水演 算，求得流域出口的流量過(guò)程【1 7 】。 新安江模型總體結(jié)構(gòu)可分成三個(gè)部分，產(chǎn)流計(jì)算、分水源和匯流。三者基本 上是相互獨(dú)立的。由降雨、蒸發(fā)和土壤含水量，計(jì)算出徑流量；采用自由水蓄水 量模擬的方法，將徑流量分成地表水、壤中流和地下水三種水源；由于三種水源 匯流過(guò)程中所通過(guò)的介質(zhì)不同，具有不同的匯流特性，匯流過(guò)程可為三個(gè)階段， 單元面積內(nèi)坡面匯流、單元面積內(nèi)河網(wǎng)匯流、單元面積出口至流域出口斷面的河 道匯流。不同的匯流過(guò)程，采用不同的模擬方法。瓤安江模型的產(chǎn)流部分為蓄滿 產(chǎn)流模型，蒸發(fā)采用的是三層蒸發(fā)模型，河道洪水演算采用的是馬斯京根河道演 算法的線性解。 在集水面積較大的河段，其上游斷面的來(lái)水量常比區(qū)間入流量大，所以在大 流域的洪水預(yù)報(bào)中，河道流量演算是比較重要的環(huán)節(jié)。河道流量演算模型的成功 與否，關(guān)系到各單元流域洪水波演進(jìn)規(guī)律( 傳播歷時(shí)及變形) 的模擬，組合結(jié)果決 定著出口斷面流量過(guò)程的所有位相，對(duì)整體預(yù)報(bào)方案的性能起到至關(guān)重要的作用 1 踟。多數(shù)大流域區(qū)間來(lái)水量比較小，所以本文主要對(duì)河道流量演算方法進(jìn)行了 深入研究。 河海大學(xué)碩士論文一大流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正研究 流量演算法是在圣維南方程組進(jìn)行簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)之上，利用河段的水量平衡原 理和蓄泄關(guān)系把河段上游斷面的入流過(guò)程演化成下游斷面的出流量過(guò)程的方法。 換言之，該法是用以計(jì)算河槽調(diào)蓄作用對(duì)洪水波形狀與運(yùn)動(dòng)的影響 馴。這種方 法河段短期洪水預(yù)報(bào)和河道洪水分析計(jì)算中都被廣泛采用。我國(guó)水文預(yù)報(bào)中常用 的流量演算法有特征河長(zhǎng)法、馬斯京根法等，根據(jù)長(zhǎng)江水利委員會(huì)多年長(zhǎng)江水文 預(yù)報(bào)中心的作業(yè)預(yù)報(bào)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，常規(guī)洪水預(yù)報(bào)方案采用馬斯京根河道演算法比較 合理。 馬斯京干法是美國(guó)一個(gè)叫麥卡錫( g t m a c a n h y ) 的人于1 9 3 8 年提出的一 種河道流量的演算方法，由于最先使用于美國(guó)的馬斯京干河而得名。 馬斯京干法認(rèn)為槽蓄量方程的表達(dá)式為： 令 則 礦= 足 訂+ ( 1 一x ) 0 q = 訂+ ( 1 一x ) 0 矽= k d 式中 q 為示儲(chǔ)流量( m 3 s ) 為槽蓄流量關(guān)系曲線的坡度( a ) x 為流量比重因素( 無(wú)因次) 再結(jié)合水量平衡方程： ；( ，。+ ，：) 出一；( 0 1 + o ：) m ：一形 式中 j ，、j ：計(jì)算時(shí)段始、末的河段入流量( m 3 s ) 0 l 、0 2 計(jì)算時(shí)段始、末的河段出流量( 聊3 s ) 可以推導(dǎo)出馬斯京干法的計(jì)算公式 d 2 = c o ，2 + c l ，1 + c 2d 1 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 第二章大流域單元面積劃分和拓?fù)潢P(guān)系的確定 其中參數(shù)c 。、c 。、c ：的計(jì)算公式如下，下式中的五，z 的意義同上。 c 0 = 攀筍 一 o 5 r + 缸 l ，1 一一 v c ，：莖二壘二! ：型 v v = k 一 ( x + 0 5 r c o + c 1 + c 2 = 1 對(duì)于有區(qū)間入流的情況，可將水量平衡方程改為： ( 2 2 6 ) ；( ，。+ l ) 出一；( d 1 + o ：洫+ ；( g ：一吼) = 一 ( 2 2 7 ) 槽蓄方程中的示儲(chǔ)流量公式可改為 q = 訂+ ( 1 一x ) 0 + g 其中g(shù) 區(qū)間入流。 式( 2 2 7 ) 就是馬斯京干槽蓄曲線方程式。 ( 2 2 8 ) 根據(jù)式( 2 2 7 ) 、( 2 2 8 ) 可以推導(dǎo)出有區(qū)間入流的馬斯京干法計(jì)算 公式如下： d 2 = c o ，2 + c 1 ，1 + c 2d 1 + c 3 9 】+ c j 9 2 c 。= 攀筍 c 。= 攀筍 c ，：莖二壘二! ：絲 c ，：墨! ：絲 c 。= 攀 v ：r 一腳+ ns r 1 3 ( 2 2 9 ) ( 2 2 1 0 ) 河海大學(xué)碩士論文一大流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正研究 馬斯京干法的基本出發(fā)點(diǎn)就是引用“示儲(chǔ)流量”q 、與蓄量礦成單一線性關(guān) 系，而q 則是入流，和出流q 的函數(shù)。 經(jīng)過(guò)幾十年的應(yīng)用和發(fā)展，馬斯京干法已形成許多不同的應(yīng)用形式，主要 由分段馬法、變參數(shù)馬法、非線性馬法和分層馬法等【2 m 。 ( 1 ) 分段馬法。為了避免出現(xiàn)負(fù)出流等不合理現(xiàn)象，保證上、下斷面的流 量在計(jì)算時(shí)段內(nèi)里線性變化和在任何時(shí)刻流量在河段內(nèi)沿程呈線性變化，一般要 求出“。1 9 6 2 年趙人俊教授提出了馬斯京干法分段連續(xù)演算法。 該方法將演算河段分成n 個(gè)子河段，每個(gè)子河段的參數(shù)丘。，z 。與未分河段 時(shí)的參數(shù)k ，x 的關(guān)系為 弘等 x 。= 三一等( ，一：x ) 分段連續(xù)演算的每段推流公式仍是( 2 2 9 ) 和( 2 2 一l o ) ，但式( 2 2 9 ) 中的足和工必須用分段后的也，x 。代替。 ( 2 ) 變參數(shù)馬法。由于河道水力特性的非線性，不同數(shù)量級(jí)的洪水傳播時(shí) 間和洪峰流量的衰減程度也不一樣。為解決這一問(wèn)題，可以通過(guò)計(jì)算大量的歷史 洪水，求出x = 廠( j 。) 、k = 廠( ，。) ，并取= 肼7 1 ( k f ) ( 式中，l 為入流站 洪峰流量，i n t 為取整函數(shù)) 計(jì)算時(shí)是根據(jù)上游站的洪峰流量選用本次洪水的參 數(shù)足、x ，然后再用分段馬法進(jìn)行推流。 變參數(shù)馬法是利用k 、x 和n 與入流洪峰，。的關(guān)系來(lái)處理河道水力特性非 線性問(wèn)題。實(shí)質(zhì)上，除了當(dāng)x = 0 ( 水庫(kù)) 時(shí)，k 是入流的函數(shù)之外，大多數(shù)情 況下，足和x 都不僅是入流量的函數(shù)，而且也是出流量的函數(shù)。換句話說(shuō)。出流 量是前期入流的函數(shù)。我們經(jīng)常遇到，在同一河段上，一些同量級(jí)的洪水( 洪峰 流量相當(dāng)) ，到達(dá)下游斷面的傳播時(shí)間和洪峰衰減程度大不相同，主要原因就在 于此。但在一般情況下，點(diǎn)出的k ，。和x j 。關(guān)系比較散亂，而且在使用時(shí) 第二章大流域單元面積劃分和拓?fù)潢P(guān)系的確定 由于洪水量級(jí)參數(shù)的不同，會(huì)導(dǎo)致洪水上下波動(dòng)，不符合洪水預(yù)報(bào)的物理過(guò)程。 ( 3 ) 非線性馬法。該法要求丘、x 與示儲(chǔ)流量p 。關(guān)系能夠呈非線性的關(guān)系 來(lái)表示，一般情況下要找到符合這種情況的河道才能使用該方法。 ( 4 ) 分層馬法。該法是根據(jù)河道斷面特性，確定出分層數(shù)目，然后把入流 過(guò)程進(jìn)行分層。演算是否需要分層，分層多少和各層參數(shù)的確定，一般是根據(jù)河 道特性和實(shí)測(cè)流量過(guò)程線分析確定的。 這四種方法中，分段馬法和變參數(shù)馬法使用最為普遍。大流域在計(jì)算過(guò)程 中節(jié)點(diǎn)眾多，節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間距離較長(zhǎng)，節(jié)點(diǎn)之間的河段采用分段馬斯京根法進(jìn) 行演算比較合理?？紤]到變參數(shù)馬法會(huì)引起流量波動(dòng)，而且可能引起水量不平衡 的問(wèn)題，本文在計(jì)算時(shí)主要采用分段馬斯京根河道演算法。 在預(yù)報(bào)時(shí)還要考慮到計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)的選擇，即系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)報(bào)的時(shí)間間隔。對(duì) 于大流域計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)，宜短不宜長(zhǎng)，在我國(guó)濕潤(rùn)地區(qū)一般取1 小時(shí)，北方取0 5 小時(shí)或者更短一些。 2 2 2 水文模型對(duì)象分析 水文模型是對(duì)流域上發(fā)生的水文過(guò)程進(jìn)行模擬所建立的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于復(fù)雜 流域，如何將各水文模型應(yīng)用對(duì)象集成才是建立洪水預(yù)報(bào)方案的關(guān)鍵所在。各水 文模型對(duì)象的集成首先要從地理空問(wèn)角度和水文角度對(duì)水文模型對(duì)象進(jìn)行解析， 分析研究各個(gè)模型對(duì)象的屬性和方法，進(jìn)而完成水文模型類的抽象。 對(duì)象的地理解析是指在地理信息系統(tǒng)平臺(tái)上，將流域在地理空間上抽象概化 成為點(diǎn)、線、面的集合體【2 2 1 ，并賦與相應(yīng)的屬性。通過(guò)對(duì)水文模型對(duì)象的分析 后，可以將其抽象成為點(diǎn)對(duì)象( 測(cè)站、水量交匯點(diǎn)) 、線對(duì)象( 河段) 和面對(duì)象 ( 產(chǎn)匯流分區(qū)) ，這些對(duì)象都有其相應(yīng)的屬性。如點(diǎn)對(duì)象一般指測(cè)站，屬性為站 名、站碼、經(jīng)度、緯度等；線對(duì)象一般指河道，屬性有河段名稱、河段長(zhǎng)度、上 下游名稱等；面對(duì)象一般指產(chǎn)匯流分區(qū)，屬性有分區(qū)名、分區(qū)代碼、分區(qū)面積( 真 實(shí)流域面積) 等。 河海大學(xué)碩士論文一大流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正研究 對(duì)象的水文解析是指結(jié)合水文模型應(yīng)用實(shí)際，進(jìn)一步擴(kuò)充水文模型對(duì)象屬 性，其中較為關(guān)鍵的是分析流域水文特性，大致確定水文模型對(duì)象的模型參數(shù)屬 性。點(diǎn)對(duì)象除了其空間地理屬性外，還有其水文屬性，包括站碼的確定、站類甄 別等；線對(duì)象也有其水文屬性，如對(duì)于河道匯流模型中的馬斯京根法模型，其對(duì) 應(yīng)的模型對(duì)象是河段，那么此河段就要增加其河道演算的參數(shù)屬性：子河段數(shù)、 河段平均匯流時(shí)間、河段流量比重系數(shù)等；面對(duì)象的屬性相對(duì)復(fù)雜，如新安江模 型是一個(gè)分散性模型，考慮分散性，那么就應(yīng)該在產(chǎn)匯流分區(qū)中繼續(xù)進(jìn)行單元面 積的劃分?，F(xiàn)在對(duì)單元面積的劃分比較合理的一種方式是按自然流域進(jìn)行劃分， 這部分在前一節(jié)已經(jīng)有過(guò)詳細(xì)介紹。流域產(chǎn)匯流模型就是對(duì)每個(gè)單元面積進(jìn)行計(jì) 算，得出單元面積出口的流量過(guò)程，再進(jìn)行出口以下的河道匯流過(guò)程，得出至流 域出口的流量過(guò)程。將所有單元面積至流域出口的流量過(guò)程疊加，就求得了流域 出口的總出流過(guò)程。每個(gè)單元面積進(jìn)行產(chǎn)匯流計(jì)算，所需的水文屬性包括：?jiǎn)卧?面積的“外界”輸入( 面雨量與蒸發(fā)量) ，單元面積的面積、單元面積出口至流 域出口的匯流路徑長(zhǎng)度，單元面積產(chǎn)匯流模型參數(shù)。 綜合上述對(duì)象解析過(guò)程，并結(jié)合流域洪水預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)際，進(jìn)一步運(yùn)用抽象、 聚類、分解等信息建模方法，可先將水文模型對(duì)象主要分為三大基本類：測(cè)站、 水量交匯點(diǎn)類、河段類、產(chǎn)匯流分區(qū)類。這些類的屬性確定后就完成了水文模型 的類抽象，這樣洪水預(yù)報(bào)方案的構(gòu)建將變得非常容易，以水文模型對(duì)象概化某一 流域的過(guò)程，僅僅是結(jié)合該流域的水文模型類的實(shí)例化過(guò)程。 2 2 3 資料稀缺地區(qū)參數(shù)確定方法研究 在模型對(duì)象水文分析過(guò)程中，最重要的是分析流域水文特性，大致確定水文 模型對(duì)象的模型參數(shù)屬性。無(wú)論是線對(duì)象還是面對(duì)象，都有一些模型參數(shù)需要確 定，由于采用的是概念性水文模型，參數(shù)具有明確的物理意義，一般并不難求出。 但是在資料比較少的地區(qū)，其參數(shù)的確定方法還是需要進(jìn)行一些研究工作的。 新安江模型參數(shù)簡(jiǎn)單，調(diào)試起來(lái)比較方便，對(duì)于資料稀缺地區(qū)新安江模型參 數(shù)確定方法，井立陽(yáng)吲已經(jīng)經(jīng)過(guò)詳細(xì)研究，這里不再贅述。 第二章大流域單元面積劃分和拓?fù)潢P(guān)系的確定 由于大流域上游斷面的來(lái)水量常比區(qū)間入流量大，所以在洪水預(yù)報(bào)中河道演 算的精度如何直接關(guān)系到預(yù)報(bào)結(jié)果的精度。馬斯京根法方程中僅有兩個(gè)參數(shù)，工 表示上下游斷面流量在槽蓄量中的相對(duì)權(quán)重，反映楔蓄對(duì)流量演算的作用，槽蓄 作用大，x ??；反之，x 就大。丘為蓄量常數(shù)。 對(duì)于k 的性質(zhì)和范圍，大家的看法一般是一致的，在實(shí)際分段馬法計(jì)算中， f 五。 而對(duì)于z 的本質(zhì)和數(shù)值變化范圍，水文工作者的看法卻不一致。按照 y e v j e v i c h 和b 鋤e s ( 1 9 7 0 ) 的說(shuō)法，參數(shù)x 與模擬河段出口斷面處流量的差別有關(guān)， 它是通過(guò)測(cè)驗(yàn)河段的波形獲得，原則上隨著不同類型的波面不同。c 1 】i l g e ( 1 9 6 9 ) 提出應(yīng)工從o o 5 的范圍選擇。d o o g e ( 1 9 7 3 ) 提出他同意x 取負(fù)值的觀點(diǎn)。在 實(shí)際應(yīng)用中，x 取負(fù)值并沒(méi)有與任何條件下傳遞函數(shù)或模型脈沖相應(yīng)相矛盾，可 允許x 的變動(dòng)范圍為x o 5 【2 4 】。 我們?cè)購(gòu)乃W(xué)的公式來(lái)看，由水力學(xué)求x 的公式 ? ”x - 一瓦 式中x 河道水面線的形狀系數(shù) ，特征河長(zhǎng)( k m ) 上河長(zhǎng)( k m ) 當(dāng)水面線為直線時(shí)z 。一三，一般在計(jì)算時(shí)_ 就??；特征河長(zhǎng)f 和實(shí)際的河 長(zhǎng)工均為正值，所以x 的取值范圍在( 一。，o 5 ) 。 求和x 值的方法很多，早期的方法比較麻煩，一般采用試算法，即由實(shí)測(cè) 入出流過(guò)程逐時(shí)段摘錄朋i 口0 的值，然后計(jì)算時(shí)段內(nèi)蓄水變量形和各時(shí)刻的槽 蓄量職假定不同的x 值，按公式( 2 2 8 ) 計(jì)算q ，并與同時(shí)刻的點(diǎn)礦值點(diǎn) 繪關(guān)系圖，當(dāng)漲洪段與落洪段基本合攏成一單一線，即求得需要的x ，眉= 9 。 出。實(shí)際工作中可以取多場(chǎng)洪水資料，分別按以上步驟求出k 和x ， 然后進(jìn)行分析和綜合歸納，求出所需要的五和z 。但是有些河段，不論x 怎么取 河海大學(xué)碩士論文一大流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正研究 值，矽q 關(guān)系呈“8 ”字形，而不是單一線；有些河段的q 關(guān)系雖然呈單 一線，但是為曲線。試算法計(jì)算比較復(fù)雜，效率不高，且不容易編制參數(shù)自動(dòng)計(jì) 算的計(jì)算機(jī)程序，本文不予采用。 通過(guò)水力學(xué)方法，也可以計(jì)算x 。某一特征河長(zhǎng)的河段，其下斷面流量0 與 該河段槽蓄水量呈單值關(guān)系，即具有水庫(kù)型性質(zhì)。 特征河長(zhǎng)的計(jì)算公式是口5 ： z = 要c 務(wù) 實(shí)際運(yùn)用是采用上式的有限差形式 7 d 0r z 、 仁百。麗。 式中0 0 下斷面流量 鼠比降 ( 等) 。水位流量關(guān)系曲線坡度 該方法對(duì)于x 的推求理論性是比較強(qiáng)的，利用式( 2 2 1 3 ) 計(jì)算時(shí)，需要 河段上下斷面的水位流量關(guān)系，但是在大流域中，河道節(jié)點(diǎn)眾多，資料往往難以 查找齊全，所以在最終確定x 值時(shí)，很多河段利用特征河長(zhǎng)計(jì)算的工值只能給后 面參數(shù)值的確定提供一個(gè)參考。 翟家瑞在常用水文預(yù)報(bào)算法和計(jì)算程序一書(shū)中給出的求一次洪水參數(shù)k 和x 的計(jì)算公式為【2 0 】： n 0 ( 一q ) ”一 ，5 i p 一 ( ，。一0 ) 2 第二章大流域單元面積劃分和拓?fù)潢P(guān)系的確定 ，出喜q 【善( 1 一哆) + ：( i q ) 出q 【( 1 一哆) + 去( ，一q ) 1 k = _ l _ _ = 一 【x ( 一q ) + d f 2 這個(gè)公式比較容易編制程序，使用起來(lái)也比較方便，但是在本文研究使用時(shí)， 用它求得的參數(shù)值并不理想，很多斷面的計(jì)算結(jié)果不符合其物理意義。 近年來(lái)由于計(jì)算機(jī)的普及，越來(lái)越多的數(shù)學(xué)方法被引用進(jìn)水文專業(yè)，最小二 乘估計(jì)法就是其中的一種，其原理簡(jiǎn)單介紹如下： 洪水預(yù)報(bào)中使用的線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型有差分方程、響應(yīng)函數(shù)、狀態(tài)空間等形 式，但歸結(jié)到參數(shù)估計(jì)實(shí)施的時(shí)候，一般可將它們轉(zhuǎn)化為通用的線性方程組的形 式，即： 式中：中v 為系統(tǒng)輸入矩陣，n 維；z 為系統(tǒng)輸出變量，維；占為系統(tǒng) 參數(shù)向量，”維；維模型噪聲向量，維。 確定估計(jì)參數(shù)結(jié)果“最優(yōu)”的最小二乘準(zhǔn)則為：用估計(jì)的參數(shù)還原計(jì)算系統(tǒng) 的輸出估計(jì)值與已知值的誤差平方和達(dá)到最小。相應(yīng)的估計(jì)參數(shù)芻就稱為最小二 乘估計(jì)值。 最小二乘估計(jì)準(zhǔn)則的目標(biāo)函數(shù)記為： e 田 根據(jù)最小二乘準(zhǔn)則，式( 2 2 一1 7 ) ，可以推導(dǎo)出模型式( 2 2 1 6 ) 的參 數(shù)計(jì)算公式： 式( 2 2 一1 8 ) 稱為( 2 2 1 6 ) 的正規(guī)方程組或者法方程組，容易求出它 的解向量各計(jì)算公式為： 河海大學(xué)碩士論文一大流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正研究 目= ( 西；中) 。中品z v 這就是( 2 2 1 6 ) 參數(shù)的最小二乘估計(jì)計(jì)算公式。 根據(jù)實(shí)測(cè)資料，就可以利用以上方法求得最小二乘的系統(tǒng)輸入矩陣。最小二 乘法具有收斂性，當(dāng)使用有限的樣本數(shù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)時(shí)，參數(shù) 的估計(jì)值日隨樣本數(shù)的增大而逐漸接近( 收斂) 于系統(tǒng)的真實(shí)參數(shù)。 本文應(yīng)用實(shí)測(cè)的出入流流量列出矛盾方程，將最小二乘估計(jì)的原理用于世和 x 的求解。 根據(jù)公式( 2 2 1 1 ) 和( 2 2 1 3 ) 可以推導(dǎo)出以下公式： ( 半一半肛啦( l 圳+ ( 1 叫( 0 2 劃 ( 2 十2 0 ) 將( 2 2 2 0 ) 展開(kāi)，得： ( 半一半皿制卜聃硼叫( 0 2 _ d 1 ) ( 2 2 _ 2 1 ) 令( 2 2 2 1 ) 中 y = ( 生筍一魚(yú)等) 出，蜀= 厶也，五= 0 2 - d j ，口- 缸，毋= 即卅 得：y = b l 蜀+ 島尥 ( 2 2 2 2 ) 根據(jù)一場(chǎng)洪水過(guò)程資料可以列出很多這樣的方程，組成一個(gè)矛盾方程組，利 用最小二乘法估計(jì)參數(shù)鼠和島，然后再求解二元一次方程組就可以求得k 和x 。 然后對(duì)多場(chǎng)洪水分別求得k 和z ，進(jìn)行綜合分析最終確定其值。對(duì)于大部分的流 域，這一方法取得了較好的效果。 2 3 流域拓?fù)潢P(guān)系 防洪決策支持系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是如何將相對(duì)獨(dú)立的各個(gè)模型集成 在一個(gè)大的系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行整體計(jì)算，如何解決好模型之間數(shù)據(jù)的傳遞，提高系統(tǒng)運(yùn) 行的效率。目前國(guó)內(nèi)外的研究還沒(méi)有提出一個(gè)方便、有效的模型系統(tǒng)集成的辦法。 第二章大流域單元面積劃分和拓?fù)潢P(guān)系的確定 研究一種方便的模型系統(tǒng)集成辦法具有重要意義。 各模型對(duì)象的集成，也就是各模型對(duì)象問(wèn)的鏈接問(wèn)題。只有搞清楚各水文模 型對(duì)象間是如何鏈接的、對(duì)象間是如何傳遞數(shù)據(jù)的、對(duì)象的計(jì)算順序又如何等問(wèn) 題才能將一個(gè)個(gè)分散的、獨(dú)立的水文模型對(duì)象組成有機(jī)的整體，才能構(gòu)建流域洪 水預(yù)報(bào)方案。水文模型對(duì)象的鏈接就涉及到了對(duì)象之間的拓?fù)潢P(guān)系。因此只要建 立好水文模型對(duì)象問(wèn)的拓?fù)潢P(guān)系，那么就可以解決復(fù)雜流域洪水預(yù)報(bào)方案中的水 文模型對(duì)象集成問(wèn)題【l l 】。 2 3 1 流域拓?fù)潢P(guān)系中的對(duì)象 為了計(jì)算更為方便，在采用模型計(jì)算時(shí)，首先要對(duì)流域進(jìn)行概化，使得復(fù)雜 流域被抽象成為點(diǎn)、線、面對(duì)象的集合。對(duì)象的類型主要有產(chǎn)匯流分區(qū)( 面) 、 河段( 線) 、測(cè)站( 點(diǎn)) 、水量交匯點(diǎn)( 點(diǎn)) 。不同類型的對(duì)象，使用的計(jì)算模 型是不同的，如產(chǎn)匯流分區(qū)對(duì)象采用產(chǎn)匯流模型，可以是新安江模型、水箱模型 等：河段對(duì)象采用水文學(xué)或水力學(xué)河道演算模型，如馬斯京根法、一維非恒定流 法等。流域的概化圖中可以采用對(duì)象符號(hào)的形式表現(xiàn)，這里用p 代表產(chǎn)匯流分區(qū) 對(duì)象：r 代表河段對(duì)象，采用水文學(xué)或水力學(xué)方法進(jìn)行河道演算；s 代表測(cè)站對(duì)象， n 代表水量交匯點(diǎn)對(duì)象，圖例如圖2 9 。 圖2 9 對(duì)象類型圖例 2 3 2 對(duì)象鏈接方式 流域內(nèi)各個(gè)對(duì)象之間的鏈接模式大致可分為三種：串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)( 既有 串連又有并聯(lián)) 。對(duì)于某些簡(jiǎn)單流域，對(duì)象鏈接可能僅是串聯(lián)，而對(duì)于復(fù)雜流域， 一般各種鏈接模式都存在。圖2 1 0 表示了流域單元對(duì)象( p ) 、河段對(duì)象( r ) 、 河海大學(xué)碩士論文一大流域洪水預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)校正研究 測(cè)站對(duì)象( s ) 、水量交匯點(diǎn)對(duì)象( n ) 之間的鏈接關(guān)系，各對(duì)象符號(hào)的意義同前， 箭頭方向表示水流方向。 圖2 1 0 各對(duì)象類型的鏈接模式 圖中各子圖表示意義如下： 串聯(lián)1 所表示的流域是產(chǎn)匯流分區(qū)( p ) ，是洪水產(chǎn)生的源節(jié)點(diǎn)，沒(méi)有上游來(lái) 水，產(chǎn)流后通過(guò)河道匯流流向出口控制測(cè)站；串聯(lián)2 所表示的是干流河道的洪水 演進(jìn)過(guò)程的概化。s 1 測(cè)站斷面的輸入為上游來(lái)水，經(jīng)過(guò)r 1 河段的河道演算，到達(dá) s 2 測(cè)站，再經(jīng)過(guò)r 2 河段的河道演算，到達(dá)s 3 測(cè)站斷面，這種河系連續(xù)洪水演算過(guò) 程同樣也是串聯(lián)模式；并聯(lián)所表示的是有支流的河道洪水演進(jìn)過(guò)程。p 對(duì)象進(jìn)行 完產(chǎn)匯流計(jì)算后，在n 處作為集中入流加入河道演算，這種有多個(gè)對(duì)象作為輸入 的稱之為并聯(lián)模式；混聯(lián)所表示的是有多條支流的河道洪水演進(jìn)過(guò)程，是一個(gè)復(fù) 雜的演進(jìn)過(guò)程。在于流河道上，s 1 測(cè)站斷面的輸入為上游來(lái)水，經(jīng)r 3 河段的河道 演算，到達(dá)s 3 測(cè)站斷面，在演算過(guò)程中，有支流匯入( 匯入的方式有集中入流與 旁側(cè)入流，還有更復(fù)雜的既有匯流又有分流) ，s l 測(cè)站斷面的輸入是上游來(lái)水， 經(jīng)r 1 河段的河道演算，在n 1 交匯點(diǎn)入干流河道，那么對(duì)于n 1 交匯點(diǎn)其有兩個(gè)對(duì)象 的輸入，為并聯(lián)模式，同樣n 2 交匯點(diǎn)也為并聯(lián)模式，但干流河道的鏈接模式又為 第二章大流域單元面積劃分