第十章河道水文預(yù)報(bào)(共28頁(yè))

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上第十章 水文預(yù)報(bào)內(nèi)容簡(jiǎn)介研究對(duì)象本章研究水文現(xiàn)象的客觀規(guī)律，利用現(xiàn)時(shí)已經(jīng)掌握的水文、氣象資料，預(yù)報(bào)水文要素未來(lái)變化過(guò)程。研究?jī)?nèi)容1.短期洪水預(yù)報(bào)；2.枯水預(yù)報(bào)；3.施工水文預(yù)報(bào)； 4.水文實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)方法。研究目的在防汛工作中，及時(shí)準(zhǔn)確的水文預(yù)報(bào)，是防汛抗洪指揮決策的重要科學(xué)依據(jù)；在水能、水資源的合理調(diào)度、開(kāi)發(fā)利用和保護(hù)以及航運(yùn)等工作中，都需要有水文預(yù)報(bào)作指導(dǎo)。第9.1節(jié) 概 述內(nèi)容提要1. 水文預(yù)報(bào)的重要作用；2. 水文預(yù)報(bào)的分類； 3. 水文預(yù)報(bào)工作的基本程序?qū)W習(xí)要求掌握預(yù)見(jiàn)期的定義及水文預(yù)報(bào)工作的基本程序。9.1.1水文預(yù)報(bào)的重要作用可靠的洪水預(yù)報(bào)對(duì)防止洪水災(zāi)害具有

2、特別重要的作用。例如在河流防洪搶險(xiǎn)中，需要及時(shí)預(yù)報(bào)出防洪地點(diǎn)即將出現(xiàn)的洪峰水位、流量，以便在洪峰到來(lái)之前，迅速加高加固堤防、轉(zhuǎn)移可能受淹的群眾和物資，動(dòng)用必要的防洪設(shè)施等，把洪水災(zāi)害減小到最低限度。圖9.1.1為1998年長(zhǎng)江沙市水位預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)情況。圖9.1.1 1998年長(zhǎng)江沙市水位預(yù)報(bào)與實(shí)測(cè)情況（制圖中應(yīng)將實(shí)測(cè)與預(yù)報(bào)過(guò)程線按不同的顏色區(qū)分開(kāi)來(lái)）在水庫(kù)管理中，可以利用洪水預(yù)報(bào)，使上游來(lái)的洪水與區(qū)間洪水的高峰段彼此錯(cuò)開(kāi)（稱錯(cuò)峰），即下游洪水很大時(shí)，水庫(kù)把上游來(lái)的洪水暫時(shí)蓄存起來(lái)，待下游洪峰過(guò)后，再加大水庫(kù)泄量，把上游來(lái)的洪水放出來(lái)，從而大大減低下游的洪峰和洪水災(zāi)害，例如1998年8月長(zhǎng)江中下游

3、發(fā)生近百年一遇的特大洪水，由于及時(shí)準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)，對(duì)葛洲壩水庫(kù)、隔河巖水庫(kù)和漳河水庫(kù)科學(xué)調(diào)度，使三峽以上來(lái)的洪水和清江、沮漳河洪水的洪峰互相錯(cuò)開(kāi)，大大降低了荊江河段的洪峰水位，避免了荊江分洪損失，為戰(zhàn)勝該年發(fā)生的特大洪水做出了巨大貢獻(xiàn)。表9.1.1為1998葛洲壩水庫(kù)、隔河巖水庫(kù)在錯(cuò)峰、調(diào)峰中，降低沙市水位發(fā)揮作用的分析結(jié)果。表9.1.1葛洲壩水庫(kù)、隔河巖水庫(kù)在錯(cuò)峰調(diào)度對(duì)沙市水位的影響另外，洪水預(yù)報(bào)還可較好地解決水庫(kù)防洪與興利的矛盾，在預(yù)報(bào)的洪水未進(jìn)庫(kù)之前，先打開(kāi)泄洪閘門騰空一部分庫(kù)容，以便洪水來(lái)臨時(shí)能蓄存更多的水量；當(dāng)洪水即將結(jié)束時(shí)，預(yù)知近期沒(méi)有很大的洪水入庫(kù)，則可超蓄洪水尾部的一些水量，用

4、于多發(fā)電、多灌溉，使現(xiàn)有工程發(fā)揮更多的效益。9.1.2水文預(yù)報(bào)的分類1.按預(yù)報(bào)的項(xiàng)目，水文預(yù)報(bào)可分為l 徑流預(yù)報(bào)：預(yù)報(bào)的要素主要是水位和流量，水位預(yù)報(bào)指的是水位高程及其出現(xiàn)時(shí)間；流量預(yù)報(bào)則是流量的大小、漲落時(shí)間及其過(guò)程。徑流預(yù)報(bào)又可分洪水預(yù)報(bào)和枯水預(yù)報(bào)。l 冰情預(yù)報(bào)：冰情預(yù)報(bào)是利用影響河流冰情的前期氣象因子,預(yù)報(bào)流凌開(kāi)始、封凍與開(kāi)凍日期,冰厚、冰壩及凌汛最高水位等。l 沙情預(yù)報(bào)：沙情預(yù)報(bào)則是根據(jù)河流的水沙相關(guān)關(guān)系,結(jié)合流域下墊面因素,預(yù)報(bào)年、月和一次洪水的含沙量及其過(guò)程。l 水質(zhì)預(yù)報(bào)：預(yù)測(cè)河流中污染物遷移轉(zhuǎn)化的時(shí)空變化過(guò)程。l 施工水文預(yù)報(bào)：在工程施工期間要進(jìn)行的特殊預(yù)報(bào)項(xiàng)目。2. 按預(yù)見(jiàn)期的

5、長(zhǎng)短，水文預(yù)報(bào)可分為l 短期水文預(yù)報(bào)：主要由水文要素作出的預(yù)報(bào)l 中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)：包括氣象預(yù)報(bào)性質(zhì)在內(nèi)的水文預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期是指發(fā)布預(yù)報(bào)與預(yù)報(bào)要素出現(xiàn)的時(shí)間間距。在水文預(yù)報(bào)中，預(yù)見(jiàn)期的長(zhǎng)與短并沒(méi)有明確的時(shí)間界限。9.1.3水文預(yù)報(bào)工作的基本程序水文預(yù)報(bào)工作大體上分為兩大步驟。(1) 制定預(yù)報(bào)方案：分析預(yù)報(bào)要素的形成規(guī)律，建立由過(guò)去的觀測(cè)資料推算水文預(yù)報(bào)要素大小和出現(xiàn)時(shí)間的一整套計(jì)算方法，即水文預(yù)報(bào)方案。制定的方案按國(guó)家水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范要求的允許誤差進(jìn)行評(píng)定和檢驗(yàn)。只有質(zhì)量?jī)?yōu)良和合格的方案才能付諸應(yīng)用。圖9.1.2為我國(guó)2000年6月30日開(kāi)始實(shí)施的水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范（SL250-2000）。圖9

6、.1.2 我國(guó)現(xiàn)行的水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范（SL250-2000）(2) 進(jìn)行作業(yè)預(yù)報(bào):將現(xiàn)時(shí)發(fā)生的水文氣象信息，經(jīng)過(guò)預(yù)報(bào)方案算出即將發(fā)生的水文預(yù)報(bào)要素大小和出現(xiàn)時(shí)間，及時(shí)將信息發(fā)布出去，這個(gè)過(guò)程稱為作業(yè)預(yù)報(bào)。若現(xiàn)時(shí)水文氣象信息是通過(guò)自動(dòng)化采集、自動(dòng)傳送到預(yù)報(bào)中心的計(jì)算機(jī)內(nèi),由計(jì)算機(jī)直接按存儲(chǔ)的水文預(yù)報(bào)模型程序計(jì)算出預(yù)報(bào)結(jié)果。這樣的作業(yè)預(yù)報(bào)稱為聯(lián)機(jī)作業(yè)實(shí)時(shí)水文預(yù)報(bào)。復(fù)習(xí)思考題1.水文預(yù)報(bào)方案的評(píng)定和檢驗(yàn)，是d a、都用制定預(yù)報(bào)方案時(shí)的全部實(shí)測(cè)資料進(jìn)行b、都用作業(yè)預(yù)報(bào)過(guò)程中的時(shí)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行c、用以上兩種資料進(jìn)行d、用制定預(yù)報(bào)方案中使用的資料來(lái)進(jìn)行評(píng)定，而用沒(méi)有參加方案編制的預(yù)留資料進(jìn)行檢驗(yàn)。2. 洪水

7、預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期是c a、洪峰出現(xiàn)的時(shí)間b、洪水從開(kāi)始到終止的時(shí)間c、從發(fā)布預(yù)報(bào)時(shí)刻到預(yù)報(bào)洪水出現(xiàn)時(shí)刻所隔的時(shí)間d、從收到報(bào)汛站資料開(kāi)始到預(yù)報(bào)的洪水出現(xiàn)所隔的時(shí)間第9.2節(jié) 短期洪水預(yù)報(bào)內(nèi)容提要1. 河段中的洪水波運(yùn)動(dòng)；2. 相應(yīng)水位(流量)法；3. 合成流量法；4. 流量演算法；5. 降雨徑流預(yù)報(bào)。學(xué)習(xí)要求掌握相應(yīng)水位(流量)法、合成流量法和馬斯京根流量演算方法。9.2.1河段中的洪水波運(yùn)動(dòng)1. 洪水波流域上大量降水后,產(chǎn)生的凈雨沿坡地迅速匯集,注入河槽, 由于降雨量時(shí)空分布不均勻、河網(wǎng)干支流和分布形狀的不同，以及水流匯集速度的快慢，河道接納的水量沿程不同，使河道沿程水面發(fā)生高低起伏的一種波動(dòng),

8、稱為洪水波。i0ii圖9.2.1 河道洪水波水面比降示意圖2. 附加比降附加比降是洪水波的主要特征之一。附加比降是指洪水波水面比降與同水位穩(wěn)定流水面比降之差，即。圖9.2.1為河道洪水波水面比降示意圖。l 當(dāng)漲洪時(shí)： ；l 當(dāng)落洪時(shí)： ；l 當(dāng)水流穩(wěn)定時(shí)： 。3.河段洪水波的傳播與變形由于河槽的調(diào)蓄作用，洪水波向下游傳播過(guò)程中,不斷發(fā)生變形，如圖9.2.2（動(dòng)畫）所示。在沿棱柱形河槽運(yùn)動(dòng)中其變形有兩種形態(tài)：圖9.2.2河道洪水波傳播與變形過(guò)程示意圖l 洪水波展開(kāi)：洪水波在傳播過(guò)程中,波長(zhǎng)不斷加大,波高不斷減小的現(xiàn)象稱為洪水波的展開(kāi),即A2C2>A1C1,h2< h1。（動(dòng)畫圖中：從

9、tl到t2時(shí)刻,洪水波的位置自AlSlCl傳播到A2S2C2,由于洪水波波前(SC部分)的附加比降大于波后(AS部分)的附加比降,波前的水流運(yùn)動(dòng)速度也就大于波后的,使洪水波在傳播過(guò)程中,波長(zhǎng)不斷加大,波高卻不斷減小,即A2C2>A1C1,h2< h1,）l 洪水波扭曲：洪水波在傳播過(guò)程中,波前水量不斷向波后轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象稱為洪水波的扭曲。（動(dòng)畫圖中：波峰S1處水深最大,波的開(kāi)始點(diǎn)C1處水深最小,隨著洪水波向下游傳播,波峰向它的起點(diǎn)逼近,波前長(zhǎng)度不斷減小,即S2C2<S1C1,附加比降不斷加大,而波后的長(zhǎng)度不斷增加,即A2S2>A1S1，附加比降不斷減小，波前水量不斷向波后轉(zhuǎn)

10、移）在自然河道中，河道斷面邊界的差異和河段區(qū)間入流等條件變化，都對(duì)洪水波變形有顯著的影響。9.2.2 相應(yīng)水位(流量)法根據(jù)河段洪水波運(yùn)動(dòng)和變形規(guī)律,利用河段上斷面的實(shí)測(cè)水位(流量),預(yù)報(bào)河段下斷面未來(lái)水位(流量)的方法,稱為相應(yīng)水位(流量)法。1.基本原理相應(yīng)水位（流量）相應(yīng)水位（流量）是指在河段同次洪水過(guò)程線上，處于同一位相點(diǎn)上、下站的水位（流量）稱為相應(yīng)水位（流量）。如圖9-2-3所示某次洪水過(guò)程線上的各個(gè)特征點(diǎn),例如上游2點(diǎn)洪峰水位經(jīng)過(guò)河段傳播時(shí)間,在下游站2點(diǎn)的洪峰水位,就是同位相的水位。圖9-2-3 上、下游站相應(yīng)水位過(guò)程線圖（圖9-2-3：按不同顏色表示上游站、下游站水位過(guò)程線，

11、然后成對(duì)出現(xiàn)起漲點(diǎn)1和1；洪峰點(diǎn)2和2、峰谷點(diǎn)3和3等）相應(yīng)水位(流量)法的基本方程l 河段無(wú)區(qū)間入流：設(shè)河段上游站流量為Q上,t，經(jīng)過(guò)時(shí)間的傳播,下游站的相應(yīng)流量為Q下,t+,兩者的關(guān)系為：Q下,t+=Q上,t-QL (9-2-1)式中QL-洪水波展開(kāi)量,與附加比降有關(guān)。l 河段有區(qū)間入流q兩者的關(guān)系為：Q下,t+=Q上,t-QL + q (9-2-2)2.無(wú)支流河段的相應(yīng)水位預(yù)報(bào)在制定相應(yīng)水位法的預(yù)報(bào)方案時(shí),一般采取水位過(guò)程線上的特征點(diǎn),如洪峰等,作出該特征點(diǎn)的相應(yīng)水位關(guān)系曲線與傳播時(shí)間曲線。簡(jiǎn)單的相應(yīng)水位法在無(wú)支流匯入的河段上,若影響洪水波傳播的因素比較單純,可用簡(jiǎn)單的相應(yīng)水位法。l 預(yù)

12、報(bào)方案：根據(jù)上游站和下游站的實(shí)測(cè)水位過(guò)程線,摘錄相應(yīng)的特征點(diǎn)即洪峰水位值及其出現(xiàn)時(shí)間(見(jiàn)表9-2-1),并繪制相應(yīng)洪峰水位相關(guān)曲線及其傳播時(shí)間曲線(圖9-2-4)作為預(yù)報(bào)方案。l 作業(yè)預(yù)報(bào)：按t時(shí)上游出現(xiàn)的洪峰水位Z上,t，在Z上,tZ上,t+曲線上查得Z下,t+,在Z上,t曲線上查得,從而預(yù)報(bào)出t+時(shí)下游將要出現(xiàn)的洪峰水位Z上,t+。表9-2-1 長(zhǎng)江萬(wàn)縣站三斗坪站相應(yīng)洪峰水位及傳播時(shí)間 圖9-2-4 萬(wàn)縣站三斗坪站相應(yīng)洪峰水位及傳播時(shí)間關(guān)系曲線圖（圖9-2-4中，點(diǎn)與線采用不同顏色，虛線先橫，然后向下）以下游站同時(shí)水位為參數(shù)的相應(yīng)水位法下游站同時(shí)水位Z下,t就是上游站水位Z上,t出現(xiàn)時(shí)刻的

13、下游水位,它與Z上,t一起能反映t時(shí)刻的水面比降變化,同時(shí)也間接地反映區(qū)間入流和斷面沖淤以及回水頂托等因素的影響。l 預(yù)報(bào)方案：制作預(yù)報(bào)方案時(shí)，以下游站同時(shí)水位Z下,t為參數(shù)作等值線,分別繪制Z上,t Z下,t Z下,t+和Z上,t Z下,t 相關(guān)曲線,如圖9-2-5所示。l 作業(yè)預(yù)報(bào)：按t時(shí)刻的水位Z上,t及Z下,t，按圖9-2-5的箭頭方向查得Z下,t+和，從而預(yù)報(bào)出t+時(shí)下游將要出現(xiàn)的洪峰水位Z上,t+。圖9-2-5 以下游站同時(shí)水位為參數(shù)的水位及傳播時(shí)間關(guān)系曲線圖（圖9-2-5中，點(diǎn)與線采用不同顏色，虛線先橫，然后向下）以上游站漲差為參數(shù)的水位相關(guān)法上述各種洪峰水位預(yù)報(bào)方案,可近似地用

14、來(lái)預(yù)報(bào)下游站的洪水過(guò)程。但由于它們沒(méi)有反映洪水過(guò)程中附加比降的變化等因素,使預(yù)報(bào)的洪水過(guò)程常常有比較大的系統(tǒng)誤差。為克服這種缺點(diǎn),可用以上游站水位漲差為參數(shù)的水位相關(guān)法。圖9-2-6 長(zhǎng)江萬(wàn)縣水文站宜昌水文站以上游站漲差為參數(shù)的水位預(yù)報(bào)方案（圖9-2-6中，點(diǎn)與線采用不同顏色）洪水波通過(guò)某一斷面時(shí),波前的附加比降為正,使?jié)q水過(guò)程的漲率Z上/t為正;波后的附加比降為負(fù),使落水過(guò)程的漲率為負(fù)。因此, 水位(流量)過(guò)程線的漲(落)率在很大程度上反映了附加比降和水面比降的大小。l 預(yù)報(bào)方案：圖9-2-6是長(zhǎng)江萬(wàn)縣水文站宜昌水文站河段以Q上為參數(shù)的水位預(yù)報(bào)方案。l 作業(yè)預(yù)報(bào)：已知t時(shí)刻的Z上,t(或Z下

15、,t)、Z上(或Q上)，在圖上查出預(yù)報(bào)的下游水位Z下,t+和預(yù)見(jiàn)期為。9.2.3合成流量法在有支流匯入的河段，按照上游干、支流各站的傳播時(shí)間，把各站同時(shí)刻到達(dá)下游站的流量疊加起來(lái)得合成流量，然后建立合成流量與下游站相應(yīng)流量的關(guān)系曲線，進(jìn)行預(yù)報(bào)的方法稱為合成流量法。該法預(yù)報(bào)下游站流量的關(guān)系式為: (9-2-3)式中，為上游干、支流各站相應(yīng)流量；i為上游干、支流各站到下游站的洪水傳播時(shí)間；n-上游干、支流的測(cè)站數(shù)目。根據(jù)式(9-2-3)的關(guān)系該法的預(yù)見(jiàn)期取決于上游各站中傳播時(shí)間最短的一個(gè)。一般情況下,上游各站中以干流站的流量為最大,從預(yù)報(bào)精度的要求出發(fā),常常用它的傳播時(shí)間作為預(yù)報(bào)方案的預(yù)見(jiàn)期。9.

16、2.4流量演算法流量演算法是在圣維南方程組簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)上,利用河槽的水量平衡方程替代連續(xù)性方程,用河段的蓄泄關(guān)系替代動(dòng)力方程, 然后聯(lián)立求解,將河段的入流過(guò)程演算為出流過(guò)程的方法。1.基本原理河段流量演算是由以下兩個(gè)基本公式組成：l 河槽時(shí)段水量平衡方程 （9-2-4） 若當(dāng)河段內(nèi)有區(qū)間入流量q，將q值并入到上斷面的入流量中進(jìn)行演算,即: l 河段蓄水量與泄流量方程 S=f(Q) （9-2-5） 式中S為河段內(nèi)某一流量所對(duì)應(yīng)的蓄水量。 圖9-2-7 河段時(shí)段水量平衡示意圖2.馬斯京根法及其槽蓄曲線方程該方法由G.T.麥卡錫(G-T-McCarthy) 1938年應(yīng)用于美國(guó)馬斯京根河流域而得名。該

17、法主要是建立馬斯京根槽蓄曲線方程,并與水量平衡方程聯(lián)立求解,進(jìn)行河段洪水演算。圖9-2-8 河段槽蓄量示意圖在馬斯京根槽蓄曲線方程中,河段槽蓄量由柱蓄和楔蓄兩部分組成，如圖9-2-8。令x為流量比重因素,SQ.上、SQ.下分別為上下斷面在穩(wěn)定流情況下的蓄量,它們與河段內(nèi)總蓄量S的關(guān)系為：（9-2-6）若將河道中的斷面流量與相應(yīng)的槽蓄量近似地按穩(wěn)定流處理時(shí)（SQ =KQ）,由式（9-2-6）可得到馬斯京根槽蓄曲線方程：（9-2-7）式中,K為穩(wěn)定流情況下的河段傳播時(shí)間，Q稱為示儲(chǔ)流量：。3.馬斯京根流量演算方程聯(lián)解水量平衡方程式（9-2-4）和馬斯京根槽蓄曲線方程式（9-2-7）,可得馬斯京根流

18、量演算方程:（9-2-8）式中： （9-2-9）4. 試算法確定x、K值對(duì)某一次洪水,假定不同的x值計(jì)算Q,作出Sf(Q)關(guān)系曲線,其中能使二者關(guān)系成為單一直線的x值即為此次洪水所求的x值,而該直線的斜率即為所求的K值。取多次洪水作相同的計(jì)算和分析,就可以確定該河段的x、K值?！纠?-2-1】根據(jù)某河段一次實(shí)測(cè)洪水資料(表9-2-2),用馬斯京根法進(jìn)行河段洪水演算。表9-2-2 馬斯京根法S與Q值計(jì)算表根據(jù)河段和資料情況,取時(shí)段長(zhǎng)t=12h。將河段實(shí)測(cè)洪水資料列于表中的第(2)(4)欄。因區(qū)間無(wú)實(shí)測(cè)值,將河段入流總量與出流總量差值作為區(qū)間入流總量,其流量過(guò)程近似地按入流過(guò)程的比值分配到各時(shí)段中

19、去。按水量平衡方程式,分別計(jì)算各時(shí)段槽蓄量S(表中第(7)欄),然后逐時(shí)段累加S得槽蓄量S(表中第(8)欄)。假定x值,按Q=xQ上+(1-x)Q下計(jì)算Q值。本例分別假設(shè)x=0.2和x=0.3,計(jì)算結(jié)果列于表中第(9)、(10)欄。按第(9)、(10)兩欄的數(shù)據(jù),分別點(diǎn)繪兩條SQ關(guān)系線,其中以x=0.2的關(guān)系線近似于直線(見(jiàn)圖9-2-9),該x值即為所求。該直線的斜率K=S/Q=800×12/800=12h。圖9-2-9 馬斯京根法SQ關(guān)系曲線圖假定本河段的K值已選定,即x=0.2,K=12h以及t=12h,代入式（9-2-9）得: Co=0.231,C1=0.538,C2=0.23

20、1，而且Co+C1+C2=1.0,計(jì)算無(wú)誤。因此,該河段的洪水演算方程為:Q下,2=0.231Q上,2+0.538Q上,1+0.231Q下,1根據(jù)本河段另一場(chǎng)洪水的上斷面流量資料(見(jiàn)表9-2-3中第(2)欄),用上述洪水演算方程,可算出河段下斷面的流量(見(jiàn)表9-2-3第(6)欄)。4.馬斯京根法中幾個(gè)問(wèn)題的分析(1) K值的綜合l K具有時(shí)間的因次,它基本上反映河道穩(wěn)定流時(shí)河段的傳播時(shí)間。l 在不穩(wěn)定流情況下,按流量分級(jí),根據(jù)不同的流量取不同的K值。(2) x值的綜合l 流量比重因素x反映楔蓄對(duì)流量的作用外,還反映河段的調(diào)蓄能力。l 對(duì)于一定的河段,x在洪水漲落過(guò)程中基本穩(wěn)定,但也有隨流量增加

21、而減小的趨勢(shì)。l 流量比重因素x，一般從上游向下游逐漸減小,介于0.20.45之間,特殊情況下也有小于零的。(3) 計(jì)算時(shí)段t的選擇l t不能取得太長(zhǎng),以保證流量過(guò)程線在t內(nèi)近于直線;l 為在計(jì)算中不漏掉洪峰,選取的t最好等于河段傳播時(shí)間。(4) 預(yù)見(jiàn)期問(wèn)題l 馬斯京根法用于預(yù)報(bào)時(shí)是沒(méi)有預(yù)見(jiàn)期的。l 如果取t=2kx，則Co=0,有一個(gè)時(shí)段的預(yù)見(jiàn)期。表9-2-3 馬斯京根洪水演算表9.2.5降雨徑流預(yù)報(bào)降雨徑流預(yù)報(bào)是利用流域降雨量經(jīng)過(guò)產(chǎn)流計(jì)算和匯流計(jì)算,預(yù)報(bào)出流域出口斷面的徑流過(guò)程。主要包括兩方面的內(nèi)容:l 由降雨量推求凈雨量;l 由凈雨過(guò)程推求流域出口斷面的徑流過(guò)程。有關(guān)這兩個(gè)問(wèn)題的計(jì)算原理

22、和計(jì)算方法,見(jiàn)第七章的內(nèi)容。在降雨徑流預(yù)報(bào)中，有以下主要工作內(nèi)容：1.編制降雨徑流方案根據(jù)流域自然地理特征和實(shí)測(cè)資料條件,建立流域產(chǎn)、匯流計(jì)算方案,如降雨徑流相關(guān)圖、單位線等。并對(duì)方案的預(yù)報(bào)精度進(jìn)行評(píng)定和檢驗(yàn)。2.作業(yè)預(yù)報(bào)在作業(yè)預(yù)報(bào)中,如圖9-2-10所示 to時(shí)刻以前的降雨量是實(shí)測(cè)的； to之后的降雨量是預(yù)報(bào)的。預(yù)報(bào)雨量與預(yù)報(bào)方案的誤差,兩者都影響預(yù)報(bào)的精度。因此,在作業(yè)預(yù)報(bào)時(shí),應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)時(shí)段降雨量或?qū)崪y(cè)流量對(duì)預(yù)報(bào)的徑流進(jìn)行逐時(shí)段修正。圖9-2-10降雨徑流預(yù)報(bào)法預(yù)報(bào)洪水過(guò)程示意圖（動(dòng)畫）（動(dòng)畫圖9-2-10，上圖中的雨量每變動(dòng)一格時(shí)，下圖中流量過(guò)程相應(yīng)變動(dòng)完一個(gè)過(guò)程線，用不同的顏色線表示；

23、）復(fù)習(xí)思考題1.洪水波的波速時(shí)洪水波上b a、某一斷面的平均流速b、某一位相點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度c、最大斷面平均流速d、某一水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度2.對(duì)于一定的河段，附加比降影響洪水波變形，就洪峰而言，下述哪種說(shuō)法是對(duì)的a a、附加比降愈大，洪水波變形愈大，傳播時(shí)間愈短b、附加比降愈大，洪水波變形愈大，傳播時(shí)間愈長(zhǎng)c、附加比降愈大，洪水波變形愈大，對(duì)時(shí)間沒(méi)什么影響d、附加比降愈大，洪水波變形愈小，對(duì)時(shí)間沒(méi)什么影響3.引起河槽洪水波變形的原因是d a、附加比降 b、區(qū)間徑流 c、河網(wǎng)調(diào)蓄及斷面沖淤 d、以上因素都有影響4.存在附加比降是洪水波的主要特征，在漲洪時(shí)ba、=0 b、>0 c、<0 d、

24、不能肯定5.利用相應(yīng)水位法作預(yù)報(bào)方案，加入下游站同時(shí)水位作參數(shù)的目的主要是c a、考慮洪水到來(lái)前的底水作用b、考慮上游降雨的影響c、考慮水面比降和底水的作用d、考慮河道坡降的作用6.相應(yīng)水位法由上斷面洪峰水位預(yù)報(bào)下斷面洪峰水位的預(yù)見(jiàn)期為兩斷面間的b a、洪水上漲歷時(shí) b、洪水傳播時(shí)間 c、整個(gè)洪水歷時(shí) d、洪水退落歷時(shí)7.用馬斯京根法作洪水預(yù)報(bào)，當(dāng)計(jì)算時(shí)段=（，為該法的兩上參數(shù)）時(shí)預(yù)見(jiàn)期為aa、 b、 c、零 d、+8.馬斯京根流量演算方程中的系數(shù)da、大于零 b、小于零 c、等于零 d、三種情況都可能存在9.馬斯京根法中的值，從理論上說(shuō)，應(yīng)b a、隨流量的增大而增大b、隨流量的增大而減小c、

25、不隨流量變化d、以上三種情況都有可能10.在有支流匯入的河段，采用合成流量法預(yù)報(bào)下游站時(shí)刻的流量，它的計(jì)算表達(dá)式（設(shè)為上游第個(gè)站的流量，為上游第個(gè)站到下游站的洪水傳播時(shí)間）為a a、= b、= c、= d、= 11.河段漲洪時(shí)，同時(shí)刻上游站洪峰流量與下游站洪峰流量（假設(shè)無(wú)區(qū)間入流）的關(guān)系是a a、> b、= c、< d、不能肯定第9.3節(jié) 枯水預(yù)報(bào)內(nèi)容提要1. 基本原理；2. 退水曲線法；3. 前后期徑流量相關(guān)法。學(xué)習(xí)要求掌握退水曲線法和前后期徑流量相關(guān)法。9.3.1基本原理枯水期河中的流量主要是由滯留在流域中的蓄水量消退形成，其次是來(lái)源于枯季 的降雨。流域蓄水量包括地面、地下蓄水

26、量?jī)刹糠郑簂 地面蓄水量存在于地面洼地、河網(wǎng)、水庫(kù)、湖泊和沼澤之中；l 地下蓄水量存在于土壤孔隙、巖石裂隙、溶隙和層間含水帶之中。由于地下蓄水量的消退比地面蓄水量慢得多，故長(zhǎng)期無(wú)雨后河中水量幾乎全由地下水補(bǔ)給，流域的水量平衡方程式和蓄量方程式分別為：（9-3-1）（9-3-2）式中Q(t)為枯水期中t時(shí)刻的流域出流量（m3/s）；W（t）為枯水期中t時(shí)刻的流域蓄水量（m3）；K為流域退水參數(shù)（s）。聯(lián)立求解式（9-3-1）和（9-3-2），得枯水期流量消退規(guī)律的表達(dá)式為（9-3-3）式中Q(0)為枯水期某一初始時(shí)刻的流域出流量（m3/s）；為消退系數(shù)。因此，只要分析出流域Kr值，就可掌握該流域

27、的退水規(guī)律。9.3.2 退水曲線法在枯水預(yù)報(bào)中常把退水曲線表示成相鄰時(shí)間t的流量的相關(guān)關(guān)系，由式（9-3-3），有（9-3-4）Kr隨所采用的時(shí)段長(zhǎng)而變，當(dāng)相鄰時(shí)間t取一固定時(shí)段時(shí)，相鄰流量的比值則為： （9-3-5）式中消退系數(shù)Kr，可通過(guò)建立相鄰時(shí)間流量的相關(guān)圖（如圖9-3-1）推求。圖9-3-1 清江搬魚咀站枯水期Qt+tQt關(guān)系圖【例9-3-1】表9-3-1為清江搬魚咀站1972年1月枯水期的流量摘錄，相鄰時(shí)間t為2d。點(diǎn)繪相鄰流量關(guān)系如圖9-3-1。由相關(guān)分析，得相關(guān)方程中a=0,則有表9-3-1 清江搬魚咀站1972年1月枯水期流量資料9.3.3 前后期徑流相關(guān)法前后期徑流相關(guān)法是

28、根據(jù)流域前期徑流量來(lái)預(yù)報(bào)未來(lái)的后期徑流量的。該法的預(yù)見(jiàn)期一般較長(zhǎng)，如10天、1個(gè)月等，可以直接預(yù)報(bào)出時(shí)段枯水徑流量。圖9-3-2為滏陽(yáng)河?xùn)|武仕站11月平均流量與10月平均流量的關(guān)系線（一年一個(gè)點(diǎn)子），關(guān)系很好。圖9-3-2滏陽(yáng)河?xùn)|武仕站關(guān)系線復(fù)習(xí)思考題1.枯水徑流變化相當(dāng)穩(wěn)定，是因?yàn)樗饕獊?lái)源于ba、地表徑流 b、地下潛水 c、河網(wǎng)蓄水 d、融雪徑流2. 枯水預(yù)報(bào)中的退水曲線法與前后期徑流量相關(guān)法，預(yù)報(bào)的流量值是有差別的，預(yù)見(jiàn)期越長(zhǎng)其差別越明顯。T第9.4節(jié) 施工水文預(yù)報(bào)內(nèi)容提要1. 壩址處流量預(yù)報(bào)；2. 圍堰上、下游水位預(yù)報(bào)；3. 截流期水情預(yù)報(bào)學(xué)習(xí)要求掌握圍堰水情預(yù)報(bào)和截流期水情預(yù)報(bào)方法。

29、施工水文預(yù)報(bào)是指對(duì)水電工程施工期，受到施工回水影響河段的水文預(yù)報(bào)。按施工階段，施工水文預(yù)報(bào)主要分為圍堰水情預(yù)報(bào)和截流期水情預(yù)報(bào)。9.4.1圍堰水情預(yù)報(bào)在修筑圍堰（圖9-4-1）及導(dǎo)流建筑物階段，要求預(yù)報(bào)圍堰前的水位或流量，以防止河水漫入施工區(qū)。圖9-4-1 施工圍堰平面示意圖 1預(yù)報(bào)壩址處的流量 采用馬斯京根流量演算法計(jì)算壩址處的流量，但此時(shí)要注意的是圍堰修建以后，天然河道情況下的馬斯京根槽蓄曲線已不適用了。具體計(jì)算方法步驟如下： 采用水力學(xué)方法計(jì)算各級(jí)穩(wěn)定流量Qi相應(yīng)的水面曲線； 計(jì)算出上游為入庫(kù)站，下游為壩址各級(jí)穩(wěn)定流量Qi的槽蓄量Wi； 假定修筑圍堰后，原馬斯京根參數(shù)x值不變（修圍堰后x

30、值最好以實(shí)測(cè)資料分析而得），計(jì)算出示儲(chǔ)流量Q，點(diǎn)繪WQ關(guān)系，推求出K值。求得修筑圍堰后的演算公式，由于圍堰上、下游兩端距離很短，推算的流量可作為圍堰上、下游的流量。 2. 圍堰上、下游水位預(yù)報(bào) 修筑圍堰后，圍堰上游天然情況下的水位流量關(guān)系發(fā)生了變化，此時(shí)應(yīng)重新建立上游水位流量關(guān)系曲線。根據(jù)壩址流量，可用下列公式近似推求束窄河段水位的壅高值Z，（9-4-1）（9-4-2）（9-4-3）式中，Z上、Z下分別為上、下游斷面水位；V上、Vc分別為上游及束窄斷面平均流速；A上、Ac分別為上游及束窄處斷面面積；Q為穩(wěn)定流量，為動(dòng)能修正系數(shù)，取1.0 1.1。g為重力加速度。采用試算法計(jì)算Z，在計(jì)算時(shí)，要求

31、具備有下游斷面的水位流量關(guān)系Qf(Z下),上游及束窄斷面的水位面積曲線A上f1(Z上)，Ac=f2(Z下)。具體計(jì)算方法步驟如下：擬定過(guò)水流量Q，查Qf(Z下)曲線得Z下；由Z下值查Ac=f2(Z下)曲線得Ac，由此計(jì)算出Vc，并算出；假定壅水高度Z，則得上游水位Z上=Z下+Z，由A上f1(Z上)曲線查得A上，計(jì)算出V上，并計(jì)算出； 按式（9-4-1）計(jì)算壅水高度Z，若計(jì)算出的Z與假定的Z相符，則試算完畢，否則重新計(jì)算。計(jì)算出各級(jí)流量的壅水高度，即可建立上游壅高后的水位流量關(guān)系曲線Qf(Z下+Z)= f(Z上)，見(jiàn)圖（9-4-2）。圍堰下游的水位流量關(guān)系仍是天然情況下的，即Qf(Z下)。有了圍

32、堰上、下游水位流量關(guān)系，便可利用前面預(yù)報(bào)的流量Q，推求出上游水位Z上、和Z下，完成圍堰上、下游的水位預(yù)報(bào)。圖9-4-2 圍堰上、下游的水位流量關(guān)系曲線9.4.2 截流期水情預(yù)報(bào)水利水電工程施工的截流一般是在枯季進(jìn)行，枯季河水流量小，流速慢給截流施工創(chuàng)造了有利條件。只有預(yù)先掌握了截流期河道流量的大小，采取相應(yīng)措施，施工截流才能順利的進(jìn)行 。因此，截流期水情預(yù)報(bào)是施工截流中不可缺少的工作。截流期水情預(yù)報(bào)方法可參見(jiàn)第9.3節(jié)的枯水預(yù)報(bào)。復(fù)習(xí)思考題1. 施工區(qū)河道流量演算中的馬斯京根參數(shù)x值與河道天然情況相同，不必以實(shí)測(cè)資料分析得到。F2. 施工區(qū)河道流量演算中的馬斯京根參數(shù)k值與河道天然情況相同，可

33、以不必重新分析得到。F3. 施工截流期河道流量預(yù)報(bào)，可以采用天然河道情況下枯水預(yù)報(bào)模型。 T第9.5節(jié) 水文實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)方法內(nèi)容提要1. 水文預(yù)報(bào)誤差的來(lái)源；2. 實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)校正方法；3. 遞推最小二乘估計(jì)算法。學(xué)習(xí)要求了解水文預(yù)報(bào)誤差的來(lái)源及最小二乘估計(jì)的遞推算法。9.5.1水文實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)的意義水文現(xiàn)象受到自然界中眾多因素的影響,人們采用的各種方法或模型都不可能將復(fù)雜的水文現(xiàn)象模擬得十分確切,水文預(yù)報(bào)估計(jì)值與實(shí)際出現(xiàn)值的偏離,即預(yù)報(bào)誤差是不可避免的。實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)就是利用在作業(yè)預(yù)報(bào)過(guò)程中，不斷得到的預(yù)報(bào)誤差信息,及時(shí)地校正、改善預(yù)報(bào)估計(jì)值或水文預(yù)報(bào)模型中的參數(shù),使以后階段的預(yù)報(bào)誤差盡可能減小。9.5.2

34、水文實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)方法分類1.水文預(yù)報(bào)誤差的來(lái)源水文預(yù)報(bào)誤差的來(lái)源大致有如下幾個(gè)方面： 模型結(jié)構(gòu)誤差在對(duì)水文循環(huán)過(guò)程的模擬中，采用了不同程度簡(jiǎn)化的模型或不完善的處理方法，由此引起的誤差稱為模型結(jié)構(gòu)誤差。模型參數(shù)估計(jì)誤差水文模型中估計(jì)的模型參數(shù)對(duì)其真值來(lái)講,總是存在著誤差的。根據(jù)各場(chǎng)洪水優(yōu)選的模型參數(shù),它是綜合各場(chǎng)洪水的最優(yōu)值,而對(duì)某一特定場(chǎng)次的洪水,它并非就是最合適的。模型的輸入誤差進(jìn)行水文預(yù)報(bào)所輸入的資料通常是降雨、流量和流域蒸散發(fā),這些資料或由實(shí)測(cè)獲得,或根據(jù)天氣預(yù)報(bào)估算得到。前者存在著測(cè)驗(yàn)和時(shí)段統(tǒng)計(jì)平均誤差,后者則存在著相當(dāng)大的預(yù)報(bào)誤差。2. 實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)校正模型洪水實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)校正方法包含兩方面的內(nèi)

35、容：一是實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)校正模型，二是實(shí)時(shí)校正方法。實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)校正模型在很大程度上取決于水文模型的結(jié)構(gòu)?！帮@式”結(jié)構(gòu)的水文模型當(dāng)水文模型相對(duì)于模型的待定參數(shù)是線性關(guān)系模型時(shí)，稱為為“顯式”結(jié)構(gòu)。一種處理方法是將水文系統(tǒng)視為動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，模型的動(dòng)態(tài)參數(shù)“在線”識(shí)別和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)是關(guān)鍵。另一種處理方法是將水文預(yù)報(bào)模型改造成系統(tǒng)狀態(tài)方程和系統(tǒng)觀測(cè)方程，利用濾波的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)校正?！半[式”結(jié)構(gòu)水文模型一般來(lái)講，流域概念性水文模型是較復(fù)雜的“隱式”結(jié)構(gòu)。目前在處理這類模型時(shí)，一種方法是對(duì)模型進(jìn)行“顯式”化處理；另一種方法是基于確定性流域水文模型的預(yù)報(bào)流量與實(shí)測(cè)流量的誤差序列，建立流量誤差預(yù)報(bào)的“顯式”模型（如AR或ARM

36、A模型），流域洪水預(yù)報(bào)即用預(yù)報(bào)的流量殘差疊加到模型的計(jì)算流量上，從而完成洪水實(shí)時(shí)校正預(yù)報(bào)。3.實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)校正方法的分類根據(jù)不同預(yù)報(bào)誤差的來(lái)源,實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)校正方法可分為以下三種。對(duì)模型參數(shù)實(shí)時(shí)校正若認(rèn)為水文預(yù)報(bào)方法或模型的結(jié)構(gòu)是有效的,只是由于存在數(shù)據(jù)的觀測(cè)誤差,導(dǎo)致率定的模型參數(shù)不準(zhǔn)確,或是率定的模型參數(shù)對(duì)具體場(chǎng)次洪水并非最優(yōu)，可以在實(shí)際作業(yè)預(yù)報(bào)過(guò)程中,根據(jù)實(shí)際的預(yù)報(bào)誤差不斷地修正模型參數(shù)。對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正的方法有最小二乘估計(jì)等方法。對(duì)模型預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行預(yù)測(cè) 對(duì)已出現(xiàn)的預(yù)報(bào)誤差時(shí)序過(guò)程,建立合適的預(yù)報(bào)誤差的模型。通過(guò)預(yù)報(bào)未來(lái)的誤差值以校正尚未出現(xiàn)的預(yù)報(bào)值,從而提高水文預(yù)報(bào)的精度。對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行

37、估計(jì)一個(gè)預(yù)報(bào)模型中能控制當(dāng)前及以后時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)和行為的變量,稱為狀態(tài)變量。對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì)是認(rèn)為預(yù)報(bào)誤差來(lái)源于狀態(tài)估計(jì)的偏差和實(shí)際觀測(cè)的誤差,通過(guò)實(shí)時(shí)修正狀態(tài)變量來(lái)提高預(yù)報(bào)的精度。卡爾曼濾波就是對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行實(shí)時(shí)校正的一種算法。9.5.3 水文實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)的最小二乘方法在水文預(yù)報(bào)模型參數(shù)的估計(jì)中，最小二乘法是一種常用的估計(jì)方法。通過(guò)最小二乘估計(jì)可以獲得一個(gè)在最小方差意義上與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合最好的模型。1.最小二乘估計(jì)的基本算法設(shè)y(i)和為在i時(shí)刻（i=1,2,，m）所觀測(cè)得的數(shù)據(jù)，可以用m個(gè)方程表示這些數(shù)據(jù)的關(guān)系（9-5-1）式中y為系統(tǒng)觀測(cè)輸出值，X為系統(tǒng)觀測(cè)輸入值，V為誤差向量，是一個(gè)待定的參數(shù)向量。上式用矩陣形式表示為（9-5-2）式中： （9-5-3）在水文模型中，經(jīng)常遇到測(cè)量次數(shù)m超過(guò)方程組所需的定解條件數(shù)n。最小二乘原理指出，最可信賴的參數(shù)值應(yīng)在使殘余誤差平方和最小的條件下求出。 目標(biāo)函數(shù)為： （9-5-4）將J對(duì)求偏微分，并令其等于零，則可求得使J趨于最小的估計(jì)值，有（9-5-5）2. 序貫遞推最小二乘算法它是基于最小二乘推導(dǎo)出的、利用新息來(lái)改進(jìn)參數(shù)的遞推估計(jì)算法，使參數(shù)實(shí)現(xiàn)在線識(shí)別。參