（水文學(xué)及水資源專業(yè)論文）馮家山水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的研究與開發(fā).pdf

摘要 馮家山水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的研究與開發(fā) 學(xué)科：水文學(xué)及水資源 導(dǎo)師：洳 作者： 答辯日期： 丟步華 2 0 0 2 年3 月 摘要 本文首先在查閱大量國內(nèi)外文獻(xiàn)資料、全面了解實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)方法 和模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)西北干旱半干旱地區(qū)的產(chǎn)匯流特點(diǎn)，以尋求適宜 的洪水預(yù)報(bào)模型和開發(fā)具有通用性和實(shí)用性的洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)為目 標(biāo)，進(jìn)行了馮家山水庫的實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)和洪水調(diào)度的研究工作，并在此 基礎(chǔ)上開發(fā)了水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)。論文的主要內(nèi)容和成果如下： ( 1 ) 實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)模型是洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的核心部分。本文在 對(duì)千河流域特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立流域的總徑流線性響應(yīng)模型 ( t l r ) ，并用誤差序列自回歸模型( a r ) 對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)校正。 該實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)方案的總合格率為8 2 5 ，預(yù)報(bào)方案等級(jí)為乙級(jí)。這說 明t l r 模型適應(yīng)能力比較強(qiáng)，用于馮家山水庫的入庫洪水預(yù)報(bào)是可行 的。 ( 2 ) 在t l r 模型的基礎(chǔ)上，分別建立多輸入單輸出t l r 模型和總 徑流非線性響應(yīng)模型( t n l r ) ，以考慮降雨空涮分布的不均勻性以及降 雨強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)匯流的影響。結(jié)果表明，考慮雨強(qiáng)非線性影響的t n l r 模型 更適合西北干旱半干旱地區(qū)的特點(diǎn)，預(yù)報(bào)方案等級(jí)為甲級(jí)。 ( 3 ) 水庫防洪調(diào)度是洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的重要組成部分。在預(yù)報(bào) 結(jié)果的基礎(chǔ)上，初步建立了水庫的規(guī)則調(diào)度以及預(yù)泄調(diào)度模型。對(duì)2 0 0 0 年一遇校核洪水進(jìn)行試調(diào)度，結(jié)果表明模型算法穩(wěn)定高效。 ( 4 ) 采用先進(jìn)的開發(fā)平臺(tái)和工具，以及面向?qū)ο蟮目梢暬幊碳?術(shù)，開發(fā)完成了馮家山水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)。系統(tǒng)功能完備，界面友 好，可操作性強(qiáng)，自動(dòng)化程度高。另外，系統(tǒng)具有良好的模塊化結(jié)構(gòu)、 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 可重用性和可擴(kuò)充性，便于實(shí)現(xiàn)不同防洪系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和集成管理。 ( 5 ) 結(jié)合洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的行發(fā)，探討了系統(tǒng)理論、面向?qū)ο?技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、地理信息系統(tǒng)以及等值線繪制等現(xiàn)代技術(shù)在洪水預(yù) 報(bào)中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)：總徑流線性響應(yīng)模型：洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng) 現(xiàn)代洪水預(yù)報(bào)技術(shù)：馮家山水庫 摘要 s t u d y a n dd e v e l o p m e n t0 nf e n g j i a s h a nr e s e r v o i r f l o o df o r e c a s t i n ga n dd i s p a t c h i n gs y s t e m s u b j e c t ：h y d r o l o g ya n dw a t e rr e s o u r c e s a u t h o r ：1 _ 15 知 a a d v i s o r ： 群阱彤 ( j d e b a t ed a t e ： m a r ，2 0 0 2 a b s i r a c i o nt h eb a s i so fc o n s u l t i n gal a r g en u m b e ro fl i t e r a t u r e sd o m e s t i ca n d a b o a r d ，t h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dl a t e s td e v e l o p m e n to ff l o o dr e a l t i m e f o r e c a s t i n gm e t h o d sa n dm o d e l si sr e v i e w e d s t u d yi sc o n d u c t e do nf l o o d r e a l t i m ef o r e c a s t i n ga n dd i s p a t c h i n gf o rf e n g ii a s h a nr e s e r v o i r ，a i m i n ga t b u i l d i n ga p p r o p r i a t ef l o o df o r e c a s t i n gm o d e la n dd e v e l o p i n gu n i v e r s a la n d p r a c t i c a lc o m p u t e rs y s t e m t h em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t so ft h i sp a p e ra r e l i s t e db e l o w ： ( 1 ) f l o o dr e a l - t i m ef o r e c a s t i n gm o d e li st h ec o r eo ff l o o df o r e c a s t i n g a n dd i s p a t c h i n gs y s t e m b a s e do nt h ed e t a i l e d a n a l y s i s o ft h eb a s i n c h a r a c t e r i s t i c so ft h eq i a nr i v e r , t h et o t a lr u n o f fl i n e a rr e s p o n s em o d e l ( t l r ) i sb u i l tf o rf l o o df o r e c a s t i n g ，a n da rm o d e lo fe r r o rs e q u e n c ei s e s t a b l i s h e df o rf l o wc o r r e c t i o n t h ep r e c i s i o ng r a d eo ft h ef l o o df o r e c a s t i n g s c h e m ei st h es e c o n d ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h et l rm o d e lh a sa h i g h a d a p t a b i l i t y ，a n d i t i sf e a s i b l et ob e u s e di nt h ef l o o df o r e c a s t i n go f f e n g j i a s h a nr e s e r v o i l ( 2 ) o nt h eb a s i so ft h et l rm o d e l ，t h et l rm o d e lw i t hm u l t i i n p u ta n d s i n g l e - o u t p u ti sb u i l tt ot a k et h es p a t i a la s y m m e t r yo fp r e c i p i t a t i o ni n t o a c c o u n t ，a n dt h et o t a lr u n o f fn o n l i n e a rr e s p o n s em o d e l ( t n l r ) i s e s t a b l i s h e dt ot a k et h ep r e c i p i t a t i o ni n t e n s i t yi n t oa c c o u n t s i m u l a t i n gr e s u l t s s h o wt h a tt h et n l rm o d e lh a sah i g h e rp r e c i s i o na n db e t t e ra d a p t a b i l i t yi n a r i da n ds e m i a r i da r e ai nt h en o r t h w e s tc h i n a t 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 3 ) f l o o dc o n t r o la n dd i s p a t c h i n gi sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ec o m p u t e r s y s t e m t h em o d e l so fr e g u l a rd i s p a t c h i n ga n db e f o r e h a n dd i s p a t c h i n ga r e p r e l i m i n a r i l yc o n s t r u c t e d t r i a ld i s p a t c h i n gi sc o n d u c t e df o rt h ec h e c kf l o o d w i t har e c u r r e n ti n t e r v a lo f2 0 0 0y e a r s ，w h i c hi n d i c a t e st h a tt h ed i s p a t c h i n g m o d e li ss t a b l ea n de f n c i e n t ， ( 4 ) f e n g j i a s h a nr e s e r v o i rf l o o df o r e c a s t i n ga n dd i s p a t c h i n gs y s t e mi s d e v e l o p e db yu s i n gt h ea d v a n c e dd e v e l o p i n gp l a t f o r ma n dt o o l s ，t o g e t h e r w i t ht h eo b j e c t o r i e n t e da n dv i s u a lp r o g r a m m i n gt e c h n i q u e t h ef i n i s h e d s y s t e mh a sap e r f e c tf u n c t i o n ，af r i e n d l yi n t e r f a c e ，a n dah i g ha u t o m a t i o n i n a d d i t i o n ，t h ed e s i g no t t h es y s t e mi sm o d u l a r i z e da n ds t a n d a r d i z e d ，w h i c hi s h e l p f u lt or e u s ea n de x p a n dt h es o f t w a r e ，a n di s a l s oc o n v e n i e n tf o rt h e i n f o r m a t i o ns h a r ea n di n t e g r a t e dm a n a g e m e n to fv a r i a b l ef l o o dc o n t r o l s y s t e m s ( 5 ) c o m b i n e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to ff e n g j i a s h a nr e s e r v o i rf l o o d f o r e c a s t i n ga n dd i s p a t c h i n gs y s t e m ，s o m em o d e r nt e c h n i q u e sa r ed i s c u s s e d ， s u c ha ss y s t e mt h e o r y ，o b j e c t - o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，d a t a b a s em a n a g e m e n t s y s t e m ，a n dc o n t o u rd r a w i n g ，e t c k e yw o r d s ： r e a l t i m ef l o o df o r e c a s t i n g ；t l r ；f l o o d f o r e c a s t i n ga n d d i s p a t c h i n gs y s t e m ；m o d e r nt e c h n i q u e si n f l o o df o r e c a s t i n g ；f e n g j i a s h a n r e s e r v 0 1 r v 第一章概述 1 概述 1 1 研究的目的和意義 我國幅員遼闊，河流水系眾多，由于受季風(fēng)與自然地理?xiàng)l件影響， 汛期降雨在年內(nèi)和年際的變化十分劇烈，歷史上洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。我 國的防洪實(shí)踐證明，工程措施與非工程措施的結(jié)合應(yīng)用是建立和完善江 河防洪系統(tǒng)的有效措施。非工程措旌通常包括：加強(qiáng)防洪設(shè)施管理，保 證防洪設(shè)施的防洪能力；在工程設(shè)施中充分考慮適應(yīng)洪水短暫淹沒的措 施，以盡可能減少洪災(zāi)損失：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。 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)未來水文要素變 化的一門應(yīng)用學(xué)科。洪水預(yù)報(bào)作為水文預(yù)報(bào)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是人類在 與洪水災(zāi)害長期斗爭(zhēng)的客觀需求推動(dòng)下發(fā)展起來的：同時(shí)，新理論、新 技術(shù)的發(fā)展也極大地推動(dòng)了水文情報(bào)預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。作為防汛 斗爭(zhēng)的“耳目”和“參謀”，準(zhǔn)確及時(shí)的洪水預(yù)報(bào)和調(diào)度，為正確作出 防汛決策提供了科學(xué)依據(jù)，并獲得了減免洪災(zāi)損失的巨大經(jīng)濟(jì)效益和社 會(huì)效益。 千河系黃n - - 級(jí)支流，渭河較大的一級(jí)支流，發(fā)源于甘肅省六盤山 瘦驢嶺南麓，自西北向東南，流經(jīng)甘肅省和陜西省，于寶雞縣石羊廟鄉(xiāng) 底店村匯入渭河。馮家山水庫樞紐位于千河下游河段上，距渭河入口2 7 公里，控制流域面積3 2 3 2 平方公里，是以供水為主，兼顧防洪、發(fā)電、 養(yǎng)殖、旅游等綜合利用的大型水利樞紐工程。由于工程所處地理位置重 要。社會(huì)和自身經(jīng)濟(jì)效益顯著。因此，工程運(yùn)行安全與否，不但影響到 收益區(qū)乃至全省的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且也直接關(guān)系到渭河下游人民生命 和財(cái)產(chǎn)的安全。 l 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 然而，目前馮家山水庫的洪水預(yù)報(bào)工作尚在進(jìn)行中，水庫洪水不能 實(shí)施預(yù)報(bào)調(diào)度，汛期水庫調(diào)度原則及方式仍然按照原設(shè)計(jì)執(zhí)行，即按照 庫水位的漲落幅度來推算入庫流量及其變化情況，并參照流域及庫區(qū)天 氣趨勢(shì)預(yù)報(bào)，以汛限水位為控制目標(biāo)，以不超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的最高洪水位 為控制條件，進(jìn)行分級(jí)洪水調(diào)度。另外，目前流域內(nèi)雨量站和水位站設(shè) 施簡(jiǎn)陋、資料觀測(cè)時(shí)段長，信息傳遞緩慢，無法滿足水庫防洪調(diào)度自動(dòng) 化的需求。因此，馮家山水庫的洪水預(yù)報(bào)調(diào)度工作應(yīng)盡早提上議事日程， 建設(shè)一套科學(xué)的、先進(jìn)的、便捷的水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，不僅 可以為沿河兩岸及水庫的安全度汛服務(wù)，而且可以為下游渭河干流的防 汛和調(diào)度決策提供快捷可靠的水情信息。 1 2 國內(nèi)外研究概況與發(fā)展趨勢(shì) 1 2 1 產(chǎn)匯流理論與模型 a 徑流形成過程與機(jī)制 從降雨到形成出口斷面流量的整個(gè)水文過程，稱為徑流形成過程， 它是陸地水文循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。自然界的徑流形成過程是一個(gè)在多 種因素相互作用下的復(fù)雜過程，盡管具有一定的隨機(jī)性質(zhì)，但仍然可以 從中找出內(nèi)在規(guī)律。從實(shí)質(zhì)上講，它是水體沿不同方向、通過不同界面 和介質(zhì)的水流運(yùn)動(dòng)，是在各種力的作用下尋求平衡的一個(gè)物理過程。在 這個(gè)過程中，水分運(yùn)動(dòng)可分為垂向和側(cè)向二類運(yùn)行機(jī)制：垂向運(yùn)行機(jī)制 將降水進(jìn)行再分配，它的直接后果是生成不同的徑流成分；側(cè)向運(yùn)行機(jī) 制是將不同徑流成分在時(shí)程上進(jìn)行再分配它的最終效應(yīng)是形成出口斷 面的流量過程。為了便于降雨徑流分析，一般都把徑流形成過程相對(duì)地 分解為產(chǎn)流和匯流兩個(gè)過程，分別進(jìn)行研究。 b 產(chǎn)流概念與產(chǎn)流機(jī)制 長期以來，霍頓( r e h o r t o n ) 提出的產(chǎn)流概念，成為人們理解徑 流形成機(jī)理的基本概念和建立一些水文分析、計(jì)算方法的基本原則。霍 第一章概述 頓產(chǎn)流概念的基本點(diǎn)是：超滲雨形成地面徑流，當(dāng)土壤田間持水量補(bǔ)足 以后，穩(wěn)定下滲量形成地下徑流?；纛D這一論述只能解釋均質(zhì)包氣帶的 產(chǎn)流機(jī)制，從6 0 年代起這一理論開始受到挑戰(zhàn)，并于7 0 年代初提出了 不同于霍頓產(chǎn)流機(jī)制的壤中徑流和飽和地面徑流的形成機(jī)制及回歸流概 念出現(xiàn)了所謂的“山坡水文學(xué)學(xué)派”。 所謂產(chǎn)流機(jī)制，定義為：水流沿土層垂向運(yùn)行中，在供水與下滲矛 盾支配下的發(fā)展過程和機(jī)理。于維忠在文獻(xiàn)【1 中總結(jié)了界面產(chǎn)流的共同 規(guī)律“界面產(chǎn)流機(jī)制”，它反映了不同徑流生成的基本規(guī)律以及產(chǎn)流的 物理實(shí)質(zhì)，因?yàn)榻缑姹旧肀惆斯┧c下滲矛盾的概念。即r o f o ，才能產(chǎn)生徑流這一必要條件。產(chǎn)流機(jī)制研究的進(jìn)展，有力地推動(dòng)了降 雨產(chǎn)流量計(jì)算方法和流域水文模型的發(fā)展。 由此可見，一次降雨產(chǎn)生出口斷面的總徑流( r ) 是由地面徑流、 壤中流、淺層地下徑流和深層地下徑流所組成。由于降雨產(chǎn)流過程十分 復(fù)雜，各種概念都可能在相同流域或不同流域、相同時(shí)間或不同時(shí)間出 現(xiàn)，將隨流域地形、土壤、植被、土地利用狀況以及流域氣候和降雨特 性等情況而定。因此，必須針對(duì)流域特征探求適合該流域的降雨徑流預(yù) 報(bào)方法。 c 產(chǎn)流計(jì)算模型 傳統(tǒng)的產(chǎn)流理論是霍頓在1 9 3 3 年提出的，其對(duì)產(chǎn)流的概括比較簡(jiǎn) 單，并不能充分反映客觀產(chǎn)流現(xiàn)象的全部?jī)?nèi)容，在產(chǎn)流條件和產(chǎn)流面積 上均需進(jìn)行必要的補(bǔ)充，更重要的是應(yīng)對(duì)產(chǎn)流過程的物理機(jī)制加以分析 闡述。近幾十年來，水文學(xué)家通過對(duì)大量水文資料的分析研究，提出了 濕潤地區(qū)以蓄滿產(chǎn)流為主和f 旱地區(qū)以超滲產(chǎn)流為主的重要論點(diǎn)，建立 了流域產(chǎn)流計(jì)算的實(shí)用方法從而使霍頓產(chǎn)流理論在生產(chǎn)實(shí)際中得到了 廣泛應(yīng)用。 a p i ( 前期雨量指數(shù)) 用于流域產(chǎn)流預(yù)報(bào)是一種傳統(tǒng)的方法。1 9 4 9 年，林斯雷( l i n s l e y ) 在應(yīng)用水文學(xué)一書中對(duì)該方法作了詳細(xì)介紹。 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 最初，由于這種方法主要針對(duì)獨(dú)立的次洪水產(chǎn)流量計(jì)算，故后被稱為次 洪a p i 模型( 配合單位線法預(yù)報(bào)匯流) 。1 9 6 9 年，美國天氣局西納( s i t t n e r ) 等在文獻(xiàn)【2 中提出將a p l 方法與單位線法相結(jié)合，并發(fā)展成為一個(gè)完整 地模擬降雨徑流過程的流域模型，后稱為連續(xù)的a p i 流域模型。張恭肅 等人( 1 9 9 6 ) 指出了a p i 模型的局限性，將分散型結(jié)構(gòu)引入模型，對(duì)其 作了進(jìn)一步的改進(jìn)，最終形成了一套適合計(jì)算機(jī)處理的模型參數(shù)離線分 析處理系統(tǒng)和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)模型系統(tǒng)13 1 。葛守西等( 1 9 9 7 ) 對(duì)a p i 模型的參 數(shù)率定技術(shù)重新進(jìn)行了研究，找到了a p i 模型傳統(tǒng)研制技術(shù)與計(jì)算機(jī)技 術(shù)的結(jié)合方式，實(shí)現(xiàn)了a p i 模型參數(shù)率定計(jì)算機(jī)化的目標(biāo)1 4 1 。 6 0 年代初，我國著名水文學(xué)家趙人俊教授分析了我國濕潤地區(qū)降雨 損失的特性，提出了蓄滿產(chǎn)流的計(jì)算方法。以后經(jīng)過不斷改進(jìn)和完善， 形成了一個(gè)完整的產(chǎn)流量計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。蓄滿產(chǎn)流模型假定，對(duì)流域 上的一個(gè)點(diǎn)，土壤缺水量未滿足之前不產(chǎn)生徑流，當(dāng)土壤缺水量滿足之 后則后續(xù)降雨全部產(chǎn)生徑流。全流域的土壤蓄水容量的空間分布規(guī)律用 一條拋物線( 流域蓄水容量曲線) 來概化。 文康等( 1 9 8 2 ) 將流域平均下滲曲線與下滲率流域分配曲線結(jié)合起 來，建立了流域產(chǎn)流計(jì)算的一般性產(chǎn)流模型。不同下滲曲線和不同下 滲率流域分配曲線可組合成多種產(chǎn)流模型，因此此類模型彈性較大，廣 泛適用于干旱及濕潤地區(qū)，并在理論上和實(shí)際資料檢驗(yàn)上驗(yàn)證了蓄滿產(chǎn) 流模型乃其特例。同時(shí)，該模型可作連續(xù)計(jì)算，并具有調(diào)整計(jì)算時(shí)段長 短以考慮雨強(qiáng)對(duì)產(chǎn)流影響的功能。許大同等( 1 9 8 1 ) 通過兩次流域分配 的辦法將流域蓄水曲線與入滲曲線結(jié)合起來，提出了綜合產(chǎn)流模型【6 】。 綜合產(chǎn)流模型的結(jié)構(gòu)介于蓄滿產(chǎn)流與全流域分配的超滲產(chǎn)流模型之間， 其產(chǎn)流計(jì)算既受控于土壤蓄水能力，又受控于入滲能力，既受控于總雨 量，又受控于降雨強(qiáng)度。這樣的流域產(chǎn)流模型彈性大，更能適應(yīng)不同條 件下的產(chǎn)流計(jì)算。王芝桂( 1 9 8 3 ) 探討了實(shí)際入滲曲線和入滲能力曲線 的區(qū)別，提出雙曲入滲模型并用于產(chǎn)流計(jì)算，通過實(shí)例驗(yàn)證了其可行 第一章概述 性。李懷恩等( 1 9 9 6 ) 通過對(duì)目前廣泛使用的幾個(gè)主要產(chǎn)流模型的剖析 和對(duì)比，提出了這幾個(gè)模型之間的聯(lián)系和區(qū)別以及應(yīng)用中應(yīng)注意的問 題，并建議應(yīng)優(yōu)先選用綜合產(chǎn)流模型m l 。 d 干旱半干旱地區(qū)產(chǎn)流問題及進(jìn)展 眾所周知，干旱半干旱地區(qū)流域產(chǎn)流的空間分布、影響因素、模型 選用等問題十分突出，近3 0 年來，國內(nèi)外水文學(xué)者在這方面作了大量 工作。沈晉等( 1 9 8 9 ) 分析了西北干旱半干旱地區(qū)的雨洪規(guī)律及影響因 素，對(duì)西北干旱半干旱地區(qū)水文模型的研究動(dòng)態(tài)和問題進(jìn)行了評(píng)述，并 提出了研究方向【9 】。李長興等( 1 9 8 9 ) 將標(biāo)定理論引入流域產(chǎn)流，通過 對(duì)單元下滲曲線的標(biāo)定和應(yīng)用，建立了一個(gè)考慮土壤特性空間變異的流 域產(chǎn)流模型，該模型具有概念明確、彈性大、適應(yīng)面廣以及能直接模擬 產(chǎn)流面積變化等特點(diǎn)【l “。沈冰等( 1 9 9 5 ) 通過實(shí)驗(yàn)研究了短歷時(shí)降雨對(duì) 入滲、產(chǎn)流、漫流過程的影響，對(duì)黃土地區(qū)的雨強(qiáng)影響機(jī)理作了探討， 指出提高產(chǎn)流預(yù)報(bào)精度的關(guān)鍵是處理好局部面積產(chǎn)匯流，而暴雨空間分 布是主要因素】。范榮生等( 1 9 9 4 ) 將超滲產(chǎn)流模型與降雨空間變化的 頻率特性有機(jī)結(jié)合，能考慮降雨空間變化對(duì)產(chǎn)流的影響 1 2 1 。包為民 ( 1 9 9 7 ) 根據(jù)蓄滿和超滲兩種概化的產(chǎn)流機(jī)制，提出了適用于半干旱地 區(qū)的垂向混合產(chǎn)流模型m 1 。 e 匯流預(yù)報(bào)方法 按照愛爾蘭水文學(xué)家杜格的分類觀點(diǎn)，在近代匯流理論中，通常可 以采用三種途徑來建立流域匯流計(jì)算模型，即連續(xù)力學(xué)、概念性模型和 黑箱分析法。用連續(xù)力學(xué)建立雨洪匯流計(jì)算模型，就是把大家通常熟知 的圣維南河道不穩(wěn)定流方程組，經(jīng)過種種概化與均化，應(yīng)用到流域匯流 計(jì)算中去。所謂黑箱分析法是現(xiàn)代控制論發(fā)展和完善起來的一種分析 方法，它只是根據(jù)系統(tǒng)的輸入和輸出資料來推求系統(tǒng)的響應(yīng)，而并不去 探討輸入形成輸出的物理機(jī)制。這種分析方法也叫系統(tǒng)的辯識(shí)，謝爾曼 經(jīng)驗(yàn)單位線分析法就是最早的一個(gè)應(yīng)用實(shí)例。而概念性模型則介于兩者 之間，它吸取了兩者的優(yōu)點(diǎn)，模型本身以一定的物理概念作基礎(chǔ)，主要 5 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 因子間存在有某種特定性關(guān)系，模型參數(shù)從實(shí)測(cè)資料中優(yōu)選。以納什模 式為基礎(chǔ)的變雨強(qiáng)單位線法就屬于這一分類范疇。 1 9 2 1 年郝肯和羅斯( h a w k e n ，r o s s ) 首先提出等流時(shí)線( 即面積流 時(shí)曲線) 的概念。等流時(shí)線法是成因分析法的一個(gè)應(yīng)用，它主要研究流 域出口斷面的流量是如何組成的。應(yīng)用該方法的關(guān)鍵是正確地確定流域 匯流的平均速度和流域匯流時(shí)間。等流時(shí)線法的突出優(yōu)點(diǎn)在于反映了出 流量的組成規(guī)律適用于河網(wǎng)匯流為主的流域和降雨地區(qū)分布不均勻的 洪水：其主要缺點(diǎn)是沒有考慮洪水波的坦化以及采用了固定的等流時(shí) 線。1 9 4 5 年克拉克( c0 c l a r k ) 把部分徑流量再經(jīng)過水庫型的調(diào)蓄來 考慮洪水波的坦化。文獻(xiàn) 1 4 】提出了流域分塊移滯匯流模型，將等流時(shí) 線法和單位線法有機(jī)結(jié)合起來，考慮了各等流時(shí)面積的徑流遠(yuǎn)近不同的 調(diào)蓄和推移作用，從而改進(jìn)了等流時(shí)線法。馮焱( 1 9 8 1 ) 提出了用變動(dòng) 等流時(shí)線來改正非線性影響 。 單位線法是謝爾曼( l k s h e r m e n ) 于1 9 3 2 年首先提出的。單位線 定義為：在給定的流域上，單位時(shí)段內(nèi)時(shí)空分布均勻的一次降雨產(chǎn)生的 單位凈雨量，在流域出口斷面所形成的地面( 直接) 徑流過程線，稱為 單位線它建立在倍比和疊加原理的基礎(chǔ)上?？刂茊挝痪€形狀的指標(biāo)有 單位線洪峰流量、洪峰滯時(shí)及單位線總歷時(shí)，常稱單位線三要素。從實(shí) 測(cè)水文資料分析單位線，宜選擇一次在時(shí)空分布較均勻的短時(shí)段降雨所 形成的孤獨(dú)較大洪水來分析。傳統(tǒng)的分析方法有：分析法、圖解法、試 錯(cuò)法、最小二乘法、迭代法和各種識(shí)別方法，這些都屬于“黑箱”方法。 凈雨歷時(shí)趨于無窮小的單位線稱瞬時(shí)單位線，其定義和假定等同于 時(shí)段單位線。這個(gè)概念是克拉克于1 9 4 5 年提出的，納什于1 9 5 7 、1 9 6 0 年運(yùn)用系統(tǒng)分析的方法導(dǎo)出了瞬時(shí)單位線的數(shù)學(xué)表達(dá)式： “( ，) 2 i 殺( 玄) ”1 p ?！?，并以矩法為基礎(chǔ)來推求參數(shù)，進(jìn)行了時(shí)段轉(zhuǎn)換 和參數(shù)的地區(qū)綜合，使瞬時(shí)單位線得以發(fā)展。瞬時(shí)單位線不僅簡(jiǎn)化了計(jì) 第一章概述 算，更重要的是解決了單位線沒有數(shù)學(xué)線型的問題，建立了流域響應(yīng)模 型。 納什單位線和謝爾曼單位線一樣，把流域概化為線性時(shí)不變集總系 統(tǒng)，與流域非線性時(shí)變分散系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)不符，因此需要研究非線性處理 方法，以提高其適用精度。國內(nèi)外在長期的實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中，都 先后發(fā)現(xiàn)對(duì)各場(chǎng)實(shí)測(cè)洪水所分析的單位線是不同的，其中主要原因之一 是雨強(qiáng)起著重要作用。變雨強(qiáng)單位線法抓住了雨洪計(jì)算中降雨強(qiáng)度這個(gè) 主要影響因子，建立起單位線參數(shù)和雨強(qiáng)的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)變動(dòng)單位線 的分析。這種線性模式加參數(shù)改正的研究途徑雖是一種經(jīng)驗(yàn)性的處理方 法，但它卻有助于對(duì)匯流計(jì)算中非線性問題理解和認(rèn)識(shí)的深化m 】。張恭 肅等( 1 9 8 1 ) 在納什單位線模式基礎(chǔ)上，提出了一種由實(shí)測(cè)資料推求一 次洪水中不同時(shí)段凈雨強(qiáng)度條件下相應(yīng)不同單位線的分析方法。獲得了 天然小流域單位線滯時(shí)與凈雨強(qiáng)度和單位線峰與量非線性關(guān)系的初步成 果l 。楊遠(yuǎn)東等( 1 9 8 1 ) 從線性系統(tǒng)中參數(shù)的非線性化出發(fā)，提出一種 代數(shù)解法，以推求考慮雨強(qiáng)變化的瞬時(shí)單位線參數(shù)，藉以達(dá)到分析單位 線的非線性化變化的目的l i “。單元匯流方法提出將全流域分成若干塊單 元面積，然后分單元計(jì)算產(chǎn)流和匯流。這樣，降雨、產(chǎn)流的不均勻性可 通過分單元來考慮，不同水源和非線性影響可用不同水源單位線來組合 及變動(dòng)單位線來更正。它吸取了單位線法和等流時(shí)線法的部分優(yōu)點(diǎn)，是 一個(gè)在實(shí)用上較為靈活的方法。華士乾等( 1 9 8 0 ) 對(duì)匯流非線性問題的 主要解決途徑作了評(píng)述，對(duì)在實(shí)際中處理非線性的幾個(gè)問題提出了初步 看法【”i 。 1 2 2 流域水文模型 在流域模型迅速發(fā)展以前，在應(yīng)用水文學(xué)方面，常采用數(shù)學(xué)物理方 法、單位線、經(jīng)驗(yàn)相關(guān)及概化推理等方法。5 0 年代后期，隨著電子計(jì)算 機(jī)和系統(tǒng)理論應(yīng)用的迅速發(fā)展，水文學(xué)中提出了水文模擬的概念和方 法。水文模擬方法是對(duì)上述各種方法取長補(bǔ)短并結(jié)合起來而形成的，它 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論工 一方面有別于數(shù)學(xué)物理方法的嚴(yán)密性，另一方面又有別于概化推理方法 的設(shè)計(jì)性：它吸取了經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法中合理的物理概念，并把這些概念系統(tǒng) 化成一個(gè)推理計(jì)算的模式：因此它可以采用比較嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)，也可以采 用比較粗略的結(jié)構(gòu)或黑箱子模型作為部分結(jié)構(gòu)。對(duì)水文現(xiàn)象進(jìn)行模擬而 建立的一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)稱為水文數(shù)學(xué)模型。水文數(shù)學(xué)模型可分為確定性模 型和隨機(jī)性模型兩大類，描述水文現(xiàn)象必然性規(guī)律的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)稱為確定 性模型；而描述水文現(xiàn)象隨機(jī)性規(guī)律的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)則稱為隨機(jī)性模型。其 中確定性模型可分為集總式和分散式模型兩種，前者忽略水文現(xiàn)象空間 分布的差異，后者則相反。水文數(shù)學(xué)模型又可分為線性與非線性，時(shí)變 與時(shí)不變。概念性水文模型屬于確定性模型的范疇，它以水文現(xiàn)象的物 理概念作基礎(chǔ)，采用推理和概化的方法對(duì)流域水文現(xiàn)象進(jìn)行水文模擬。 概念性模型在一定程度上考慮了系統(tǒng)的物理過程，力圖使其數(shù)學(xué)模型中 的參數(shù)有明確的物理概念。因此建立概念性流域水文模型，首先要建立 模型的結(jié)構(gòu)，并以數(shù)學(xué)方式表達(dá)；其次要用實(shí)測(cè)降雨徑流資料來率定模 型的參數(shù)。自6 0 年代初期，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，產(chǎn)生了大量的流域水 文模型，其中有代表性的、應(yīng)用較多的有斯坦福( s t a n f o r d ) 模型、薩 克拉門托( s a c r a m e n t ) 模型、坦克( t a n k ) 模型和我國的新安江模型【2 0 】。 斯坦福流域水文模型由nh 克勞福特和r k 林斯雷從1 9 5 9 年開始 研制，到1 9 6 6 年完成第1 v 號(hào)模型，是世界上最著名的流域水文模型之 一。該模型的建立是以流域水量平衡為基礎(chǔ)，模型中設(shè)計(jì)了4 個(gè)蓄水層 以控制土壤水分剖面和地下水狀態(tài)，逐時(shí)段連續(xù)演算。其特點(diǎn)是物理概 念明確，模型結(jié)構(gòu)一環(huán)扣一環(huán)，層次清楚，對(duì)小流域采用集總模型方式， 對(duì)大流域采用分塊模型方式。薩克拉f q 托流域水文模型是美國天氣局于 7 0 年代初期在第1 v 號(hào)斯坦福模型基礎(chǔ)上改進(jìn)和發(fā)展起來的，是集總參 數(shù)型的連續(xù)運(yùn)算的確定型流域水文模型，是用一系列具有一定物理概念 的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述的概念性模型，是以土壤含水量貯存、滲透、排水 和蒸散發(fā)特性為基礎(chǔ)來模擬水文循環(huán)的綜合的河川徑流流域模型。該模 第一章概述 型功能較完善，能適用于大中流域又能適應(yīng)濕潤地區(qū)和干旱地區(qū)而收 到較好的效果。坦克模型又叫水箱模型，由日本菅原正已在5 0 年代提 出，后來不斷發(fā)展成為一種被各國廣泛采用的流域水文模型。水箱模型 將雨洪轉(zhuǎn)化過程的各個(gè)環(huán)節(jié)用若干個(gè)彼此相聯(lián)系的水箱進(jìn)行模擬，每一 個(gè)水箱有邊孑l 與底孔，以水箱中的蓄水深度為控制，計(jì)算流域的產(chǎn)流、 匯流及下滲過程。水箱模型雖是一種間接的模擬，模型中并無直接的物 理量，但此模型的彈性甚好，對(duì)各種大小流域、各種氣候與地形條件都 可以適用。6 0 年代初，我國水文學(xué)者趙入俊教授等開始研究蓄滿產(chǎn)流模 型并于1 9 7 3 年正式提出一個(gè)適用于濕潤與半濕潤地區(qū)的降雨徑流流 域模型新安江模型】。最初的新安江模型為兩水源地表徑流和 地下徑流：8 0 年代初期，模型研制者將薩克模型與水箱模型中的用線性 水庫函數(shù)劃分水源的概念引入新安江模型，提出了三水源新安江模型； 1 9 8 4 1 9 8 6 年期間，又提出了四水源新安江模型地面徑流、壤中流、 快速地下徑流和慢速地下徑流。 在我國水文預(yù)報(bào)的實(shí)踐中，不僅廣泛使用概念性模型，如新安江模 型等，而且也開始應(yīng)用按系統(tǒng)分析方法求解的黑箱子模型m i l 2 3 ”i 。文康 等( 1 9 8 6 ) 介紹了以多元線性回歸方法為基礎(chǔ)的總徑流線性響應(yīng)模型 ( t l r ) 和線性擾動(dòng)模型( l p m ) 的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)及其在長江三峽地區(qū)的應(yīng) 用 2 5 1 。王真榮( 1 9 9 1 ) 對(duì)t l r 模型作了改進(jìn)，采用某一標(biāo)準(zhǔn)的暴雨強(qiáng) 度為臨界值對(duì)降雨系列進(jìn)行分階計(jì)算，可以考慮雨強(qiáng)對(duì)徑流的影響口6 i 。 王厥謀等( 1 9 8 7 ) 指出了t l r 模型和l p m 模型以及約束線性系統(tǒng)模型 ( c l s ) 的缺陷，并將新安江概念模型與c l s 模型結(jié)合起來，提出了綜 合約束線性系統(tǒng)模型( s c l s ) ，并建立了一個(gè)通用計(jì)算機(jī)程序包，開始 在我國實(shí)際應(yīng)用 2 7 1 。張國祥( 1 9 9 4 ) 探討了常用水文模型中的蒸發(fā)、下 滲和產(chǎn)匯流機(jī)制，并剖析了模型中存在的問題，為實(shí)際工作中模型的選 擇和應(yīng)用提供了借鑒 2 9 1 。 1 9 6 7 年，世界氣象組織( w m o ) 就降雨徑流模型在世界范圍內(nèi)作 9 西安理_ y - 大學(xué)碩士學(xué)位論文 檢驗(yàn)對(duì)比后得出以下結(jié)論m 】：( 1 ) 如果流域位于濕潤地區(qū)，就不必過于 挑選模型，因?yàn)樵谶@樣的流域，簡(jiǎn)單模型與復(fù)雜模型可以取得同樣好的 效果；反之，對(duì)于干早與半干旱流域，就需要慎重選擇模型。( 2 ) 一般 來說，在久旱之中與久旱之后，計(jì)算土壤含水量的模型能較好的模擬河 流的徑流。( 3 ) 類似t a n k 那種不直接計(jì)算土壤含水量的模型，對(duì)于流 域的大小以及氣候和地理特征具有更好的適應(yīng)能力與彈性。( 4 ) 在建立 模型時(shí)，如果資料不好，則隱式計(jì)算土壤含水量的模型特別是系統(tǒng)途徑 模型有可能具有更好的處理這種缺陷的能力，因而可能較之計(jì)算土壤含 水量的模型給出更好的預(yù)報(bào)結(jié)果。1 9 8 0 年，具體負(fù)責(zé)模型對(duì)比檢驗(yàn)工作 的e n e a f 博士發(fā)表了題為我們今天能夠模擬降雨徑流過程嗎? 的論 文。n e a f 認(rèn)為，沒有一個(gè)水文模型能應(yīng)付所有的水文情況，沒有一個(gè)模 型真j 下反映了降雨徑流過程，主要問題在于估算面平均雨量的不確定性 以及土壤參數(shù)和土壤含水量的變化；而造成模擬誤差較大的原因可能是 雨量與流量的觀測(cè)誤差以及面雨量觀測(cè)的誤差：此外，徑流過程的非線 性也可能造成誤差。n e a f 博士的論述對(duì)于我們認(rèn)識(shí)模型的性質(zhì)及其功能 是很有價(jià)值的。 1 2 _ 3 系統(tǒng)理論引入洪水預(yù)報(bào) 眾所周知，相關(guān)圖、謝爾曼單位線和馬斯京根法( 預(yù)報(bào)員趣稱為“老 三篇”) 是傳統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)方法。系統(tǒng)理論向洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的滲透是從5 0 年代開始的，最初引起水文學(xué)者興趣的是謝爾曼單位線與系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù) 定義驚人的一致，于是用系統(tǒng)離線識(shí)別算法作為推求單位線的工具的研 究首先興起。1 9 4 9 年，林斯雷( l i n s l e y ) 等在應(yīng)用水文學(xué)一書中提 出單位線可以用最小二乘法去推求。1 9 5 7 年，納什( n a s h ) 在文獻(xiàn)“瞬 時(shí)單位線的形式”中，首次提出使用系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)瞬時(shí)單位線的 概念，并用統(tǒng)計(jì)矩來表達(dá)瞬時(shí)單位線二參數(shù)。1 9 6 7 年，國際水文科學(xué)協(xié) 會(huì)主席杜格教授在美國馬里州大學(xué)作了“水文系統(tǒng)的線性理論”的專題 講座，并于1 9 7 9 年1 1 月來我國就此進(jìn)行了講學(xué)，全面闡述了系統(tǒng)理論 第一章概述 對(duì)于水文學(xué)的適用性，完整地介紹了系統(tǒng)理論的基本概念，用系統(tǒng)研究 的方法將水文學(xué)的推理公式、等流時(shí)線、s 曲線、馬斯京根法、流域水 文模型等都用系統(tǒng)理論貫穿起來，總結(jié)了響應(yīng)函數(shù)離線識(shí)別的1 0 余種 方法，并對(duì)識(shí)別中出現(xiàn)的單位線振蕩問題作了研究和討論。由于權(quán)威學(xué) 者的推動(dòng)，系統(tǒng)理論的應(yīng)用進(jìn)入了加速發(fā)展時(shí)期。 1 2 4 實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào) “實(shí)時(shí)”是計(jì)算機(jī)科學(xué)用語?？刂评碚撋蠈?shí)時(shí)預(yù)報(bào)的核心技術(shù)是利 用“新息”( 當(dāng)前時(shí)刻預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值之差) 導(dǎo)向，對(duì)于系統(tǒng)模型或者 對(duì)預(yù)報(bào)作出現(xiàn)時(shí)校正。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)識(shí)別( 亦稱參數(shù)自適應(yīng)估計(jì)) 及卡爾曼 濾波就是這類方法的典型代表。最早將卡爾曼濾波應(yīng)用于水文預(yù)報(bào)的研 究是f 1 本學(xué)者h(yuǎn) i n o 他明確提出卡爾曼濾波適用于水文預(yù)報(bào)，并用卡爾 曼濾波器遞推地估計(jì)降雨徑流的響應(yīng)函數(shù)。1 9 7 6 年，莫爾和威斯在論文 “使用推廣的卡爾曼濾波器于非線性流域模型的實(shí)時(shí)參數(shù)估計(jì)”中，提 出了將非線性匯流模型進(jìn)行線性化、然后使用推廣的卡爾曼濾波器對(duì)模 型參數(shù)進(jìn)行在線估計(jì)。克魯凱等在論文“實(shí)時(shí)降雨一徑流預(yù)報(bào)的三種系 統(tǒng)方法”中，應(yīng)用了三種算法在降雨徑流預(yù)報(bào)中試用比較，比較的結(jié)果 是：遞推最小二乘法最佳，卡爾曼濾波與之相近，自學(xué)習(xí)法較差。1 9 8 7 年，張恭肅等在“確定性水文預(yù)報(bào)模型的實(shí)時(shí)校正”一文中，針對(duì)任何 一個(gè)確定性水文模型進(jìn)行預(yù)報(bào)后將出現(xiàn)一個(gè)具有相關(guān)性的誤差序列這一 事實(shí)，對(duì)此誤差系列建立一個(gè)狀態(tài)空間方程，以參數(shù)向量作為狀態(tài)向量， 即可用系統(tǒng)識(shí)別方法估計(jì)其參數(shù)，用來估計(jì)預(yù)見期的可能誤差，達(dá)到實(shí) 時(shí)校正的目的，并取得了較好的預(yù)報(bào)效果”。1 9 8 7 年，葛守西在“產(chǎn)匯 流兩階段校f 和參數(shù)動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)算法的實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)模型”一文中，創(chuàng)建 了一個(gè)新的動(dòng)態(tài)模型，在產(chǎn)流預(yù)報(bào)中以蓄滿產(chǎn)流模型的卡爾曼濾波算法 進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，在匯流預(yù)報(bào)中采用一般線性匯流模型衰減記憶動(dòng)態(tài)識(shí)別 方法并配合匯流模型的動(dòng)態(tài)判類、分類對(duì)預(yù)見期的參數(shù)變化進(jìn)行預(yù)測(cè) 并于1 9 9 3 年對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)，采用模糊分類和模糊模式識(shí)別的算法改 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 進(jìn)了分類處理技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了分布式產(chǎn)流的卡爾曼濾波算法，此算 法在嘉陵江三流域上建模獲得成功】。 1 2 5 洪水預(yù)報(bào)發(fā)展趨勢(shì) 如同其他現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)一樣，洪水預(yù)報(bào)的現(xiàn)代進(jìn)展緊密伴隨著新技 術(shù)，如核技術(shù)、微電子技術(shù)、空間科學(xué)技術(shù)等，伴隨著新理論，如信息 論、系統(tǒng)論、控制論等的應(yīng)用，這些新技術(shù)、新理論的發(fā)展和應(yīng)用已大 大改變了水文情報(bào)預(yù)報(bào)的技術(shù)面貌；同時(shí)，暴雨洪水理論的深入開展， 計(jì)算機(jī)硬件、軟件的不斷進(jìn)步，雨量、流量測(cè)驗(yàn)水平的提高等，推動(dòng)了 洪水預(yù)報(bào)工作向聯(lián)機(jī)自動(dòng)測(cè)報(bào)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。由此，多學(xué)科交叉滲 透所形成的現(xiàn)代洪水預(yù)報(bào)技術(shù)是洪水預(yù)報(bào)發(fā)展的總趨勢(shì)。具體表現(xiàn)在如 下幾個(gè)方面： ( 1 )系統(tǒng)理論與系統(tǒng)辨識(shí)方法應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)模型，為洪水預(yù)報(bào) 提供了新的方法和途徑。系統(tǒng)模型更適合于聯(lián)機(jī)洪水預(yù)報(bào)調(diào)度的自動(dòng) 化。 ( 2 ) 水情遙測(cè)站網(wǎng)進(jìn)一步優(yōu)化，水情信息采集處理逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 化?？旖轀?zhǔn)確的水情信息不但可以提高預(yù)報(bào)精度，同時(shí)將會(huì)對(duì)洪水預(yù)報(bào) 模型結(jié)構(gòu)的改進(jìn)以及參數(shù)的再率定起到重要的作用。 ( 3 ) 計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及通訊技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用于洪水 預(yù)報(bào)，將水情信息的采集處理和傳送、洪水預(yù)報(bào)模型的計(jì)算分析、預(yù)報(bào) 結(jié)果的發(fā)布以及調(diào)度方案的自動(dòng)生成等若干過程集成于強(qiáng)大的洪水預(yù)報(bào) 調(diào)度系統(tǒng)之中。 ( 4 ) 采用先進(jìn)的圖形交互、多媒體、地理信息系統(tǒng)、大型數(shù)據(jù)庫 管理系統(tǒng)等技術(shù)，將專家知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和決策知識(shí)融于一體的智能型 決策支持系統(tǒng)是未來發(fā)展的重要方向。 第一章概述 1 3 論文的研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線 1 3 1 研究目標(biāo) ( 1 ) 本論文將結(jié)合西北干旱半干旱地區(qū)特點(diǎn)以及馮家山水庫的實(shí) 際情況，在對(duì)千河流域的雨洪特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析的基礎(chǔ)上，嘗試將系 統(tǒng)模型作為馮家山水庫的洪水預(yù)報(bào)模型，用誤差序列自回歸模型對(duì)預(yù)報(bào) 結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)校正；并在預(yù)報(bào)結(jié)果基礎(chǔ)上，對(duì)預(yù)報(bào)洪水過程進(jìn)行水庫防 洪調(diào)度計(jì)算。 ( 2 ) 將洪水預(yù)報(bào)中的各個(gè)環(huán)節(jié)( 水文數(shù)據(jù)預(yù)處理、水情實(shí)況圖形 顯示、模型計(jì)算、實(shí)時(shí)校正、歷史洪水統(tǒng)計(jì)等) 用面向?qū)ο蟮目梢暬?序設(shè)計(jì)技術(shù)和直觀便利的地理信息系統(tǒng)逐步實(shí)現(xiàn)，最終在計(jì)算機(jī)上建立 具有數(shù)據(jù)處理、預(yù)報(bào)計(jì)算、實(shí)時(shí)校正和洪水調(diào)度等四位一體功能、完整 而實(shí)用的洪水預(yù)報(bào)和調(diào)度系統(tǒng)，為水庫的安全度汛服務(wù)。 1 3 2 主要研究?jī)?nèi)容 ( 1 ) 對(duì)千河流域的歷史雨洪資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分析干旱半干旱 地區(qū)的降雨徑流特性，以選用合適的洪水預(yù)報(bào)模型。 ( 2 ) 選擇系統(tǒng)模型作為馮家山水庫的洪水預(yù)報(bào)模型，自回歸模型 作為實(shí)時(shí)校正模型，并進(jìn)行參數(shù)率定、模型評(píng)定和檢驗(yàn)。 ( 3 ) 在上述模型的基礎(chǔ)上建立分階系統(tǒng)模型和多輸入單輸出系統(tǒng) 模型，并對(duì)模型結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。 ( 4 ) 對(duì)預(yù)報(bào)洪水過程進(jìn)行調(diào)洪演算，分別進(jìn)行規(guī)則調(diào)度模型和預(yù) 泄洪模型的建立和求解。 ( 5 ) 將面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)、圖形交互技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、大 型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等應(yīng)用于洪水預(yù)報(bào)調(diào)度，建立一套完整實(shí)用的洪水預(yù) 報(bào)調(diào)度系統(tǒng)。 1 3 3 總體思路及技術(shù)路線 本著在生產(chǎn)上簡(jiǎn)單可行、安全合理，在理論上有所創(chuàng)新的原則，本 13 西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 研究試圖根據(jù)千河流域的具體特征 理的參數(shù)優(yōu)選方法和實(shí)時(shí)校正技術(shù) 選擇適宜的洪水預(yù)報(bào)調(diào)度模型、合 使得洪水預(yù)報(bào)方案和洪水預(yù)報(bào)調(diào)度 系統(tǒng)既簡(jiǎn)單又實(shí)用，并努力使之具有適應(yīng)半干旱地區(qū)的通用性。同時(shí)， 要求系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸處理快捷準(zhǔn)確，模型結(jié)構(gòu)合理且算法穩(wěn)定、界面友 好易于操作、程序結(jié)構(gòu)清晰便于維護(hù)升級(jí)等。本研究的技術(shù)路線如下： ( 1 ) 洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)的所有模塊都是以數(shù)據(jù)庫為中心。數(shù)據(jù)庫 分為歷史庫、實(shí)時(shí)庫和預(yù)報(bào)庫三大部分，流域和水庫信息、歷史雨洪資 料、預(yù)報(bào)調(diào)度模型參數(shù)、預(yù)報(bào)和調(diào)度結(jié)果都存放在數(shù)據(jù)庫中。 ( 2 ) 對(duì)千河流域的歷史雨洪資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和時(shí)段化處理，錄 入歷史數(shù)據(jù)庫。作出流域退水曲線，求出場(chǎng)次洪水的徑流系數(shù)，分析干 旱半干旱地區(qū)的降雨徑流特性。 ( 3 ) 選擇系統(tǒng)模型作為馮家山水庫的洪水預(yù)報(bào)模型，自回歸模型 作為實(shí)時(shí)校正模型，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力進(jìn)行參數(shù)率定和多方案 對(duì)比分析：根據(jù)規(guī)范要求，用歷史資料進(jìn)行模型評(píng)定和檢驗(yàn)。 ( 4 ) 實(shí)現(xiàn)洪水的實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)調(diào)度。對(duì)預(yù)報(bào)洪水過程進(jìn)行調(diào)洪演算， 分別進(jìn)行規(guī)則調(diào)度模型和預(yù)泄調(diào)度模型的建立和求解。 ( 5 ) 利用面向?qū)ο蟮木幊碳夹g(shù)、圖形交互拖動(dòng)技術(shù)、地理信息系 統(tǒng)、大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等技術(shù)和工具，建立基于窗體、圖形、報(bào)表的 界面友好的人機(jī)交互環(huán)境，形成一套完整實(shí)用的洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)。 第二章流域概況及基本資料分析 2 流域概況及基本資料分析 2 1 流域及水庫概況 2 1 1 流域自然概況 千河是渭河左岸較大的支流之一，屬黃河二級(jí)支流，發(fā)源于甘肅省 六盤山瘦驢嶺南麓，流經(jīng)甘肅省的清水縣和陜西省的隴縣、干陽、鳳祥 和寶雞五縣縣境，于寶雞縣石羊廟鄉(xiāng)底店村匯入渭河。千河干流總長 15 2 6k m ，流域總面積3 4 9 3k m 2 ，河道平均比降5 8 。千河上游為土 石山區(qū)有草場(chǎng)和森林，植被較好：中游為黃土高原溝壑區(qū)，水土流失 較為嚴(yán)重；下游為黃土川臺(tái)區(qū)，水土流失不大。 千河流域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶园敫珊档貐^(qū)，季風(fēng)盛行，四季分明。流 域南有秦嶺，北臨關(guān)山，北方冷空氣南下與副熱帶高壓接觸，途中受地 形影響往往形成降雨。由于上游河槽調(diào)蓄能力小，一次暴雨即形成一個(gè) 洪峰，在多雨季節(jié)形成陡漲陡落的連續(xù)洪峰。汛期洪水陡漲陡落，歷時(shí) 短、含沙量大。 流域內(nèi)降水量年際分布和年內(nèi)分布都極不均勻，流域多年平均降水 量為6 3 0m m ，年降雨總量變幅為3 3 9 8 9 0m m ；主汛期( 7 9 月) 降 雨量占全年總降雨量的5 0 以上。流域多年平均蒸發(fā)量1 2 5 9m m ；壩址 以上多年平均徑流量4 8 5 億m 3 ，8 0 以上徑流量由降雨形成：年際徑 流變化較大，年內(nèi)徑流分配很不均勻，全汛期( 6 1 0 月) 徑流量約占 全年總徑流量的6 0 以上。干河多年平均流量為1 5 4m 3 s ，實(shí)測(cè)最小流 量為0 1 8m 3 s ，實(shí)測(cè)最大洪峰流量l1 8 0m 3 s ：調(diào)查歷史最大洪峰流量3 8 4 0 m 3 s ，超過水庫按百年一遇設(shè)計(jì)的洪峰流量3 4 0 0m 1 s 。河流多年平均懸 移質(zhì)輸沙量4 9 6 萬噸，多年平均含沙量8 7 6k g m 3 。 西安理x - 大學(xué)項(xiàng)士學(xué)位論文 2 1 2 水庫基本情況 馮家山水庫是以供水為主( 農(nóng)灌、市區(qū)、二電廠) ，兼作防洪、發(fā) 電、養(yǎng)殖、旅游等綜合利用的大型水利工程。水庫樞紐距渭河入口2 7 k m ， 控制流域面積3 2 3 2k m 2 ，占全流域面積的9 2 5 。馮家山水庫樞紐工程 由攔河大壩、泄洪