第五章水文預(yù)報(bào)

第五章水文預(yù)報(bào)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)水文要素未來變化過程。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)目錄5.1概述5.2短期洪水預(yù)報(bào)5.3水文預(yù)報(bào)精度的評(píng)定5.1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)見期的定義、水文預(yù)報(bào)分類及水文預(yù)報(bào)工作的基本程序。

一、概念

水文預(yù)報(bào)：利用實(shí)測(cè)的水文氣象資料，揭示和預(yù)測(cè)未來水文要素變化的一門水文學(xué)科。二、水文預(yù)報(bào)的作用

1.水文預(yù)報(bào)可充分利用水資源，最大限度發(fā)揮水利工程的效益；2.在防洪斗爭(zhēng)中，水文預(yù)報(bào)能事先提供洪水的發(fā)生和發(fā)展，為防汛抗險(xiǎn)提供情報(bào)；3.通過水文預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)水利工程的優(yōu)化調(diào)度，更好地處理防洪和興利的矛盾。三、水文預(yù)報(bào)分類1.按預(yù)報(bào)的項(xiàng)目分

2.按預(yù)見期長(zhǎng)短分中長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)（中期水文預(yù)報(bào)預(yù)見期為兩周左右，長(zhǎng)期水文預(yù)報(bào)預(yù)見期為15天以上一年以內(nèi)）短期水文預(yù)報(bào)(預(yù)見期1-2天）指預(yù)報(bào)發(fā)布與預(yù)報(bào)要素出現(xiàn)的時(shí)間間距。水位預(yù)報(bào)徑流預(yù)報(bào)冰情預(yù)報(bào)沙情預(yù)報(bào)水質(zhì)預(yù)報(bào)洪水預(yù)報(bào)枯水預(yù)報(bào)四、水文預(yù)報(bào)工作的基本程序

1、制定預(yù)報(bào)方案收集水文、氣象資料；建立預(yù)報(bào)模型——即水文預(yù)報(bào)方案；對(duì)模型進(jìn)行評(píng)定和檢驗(yàn)——允許誤差；

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，通過報(bào)汛設(shè)備迅速傳送到預(yù)報(bào)中心，隨即經(jīng)過預(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，供有關(guān)部門應(yīng)用。5.2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

理解相應(yīng)水位(流量)法和合成流量法；重點(diǎn)掌握馬斯京根流量演算方法

一、河段洪水預(yù)報(bào)1、方法與原理

（1）方法：

以河槽洪水波運(yùn)動(dòng)理論為基礎(chǔ)，由河流上游斷面已出現(xiàn)的水位、流量過程，預(yù)報(bào)下游斷面將要出現(xiàn)的水位和流量過程。預(yù)見期：洪水波在河段中的傳播時(shí)間。短期洪水預(yù)報(bào)降雨徑流預(yù)報(bào)河段洪水預(yù)報(bào)AtQAtQ1Q2t1t2BQB2、洪水波運(yùn)動(dòng)

河道沿程洪水水面發(fā)生高低起伏的一種波動(dòng)，稱為洪水波。穩(wěn)定流水面比降i0、洪水波的水面比降i。波前部分i>i0，波后部分i<i0。i△=i-i0——附加比降。當(dāng)河流穩(wěn)定時(shí)，

i△=0；漲洪時(shí)，i△=>0；落洪時(shí)，i△=<0圖5-2-1河道中洪水波變形示意圖洪水波的展開：洪水波在傳播過程中，波長(zhǎng)不斷加大，波高不斷減小，即A2C2>A1C1，h2<h1。洪水波的扭曲：洪水波在傳播過程中，波峰向它的起點(diǎn)逼近，波前長(zhǎng)度減小，即S2C2<S1C1，附加比降不斷加大；波后的長(zhǎng)度不斷增加，即A2S2>A1S1，附加比降不斷減小。因而波前水量不斷向波后轉(zhuǎn)移。圖5-2-1河道中洪水波變形示意圖二、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)河段下斷面未來水位（流量）的方法，稱為相應(yīng)水位（流量）法。

即建立上、下游站同次洪水水位（流量）相關(guān)圖。相應(yīng)水位（流量）：同位相的水位（流量）。

圖5-2-21、基本原理（1）相應(yīng)水位（流量）

相應(yīng)水位（流量）是指在河段同次洪水過程線上，處于同一位相點(diǎn)上、下站的水位（流量）。如圖5-2-3所示某次洪水過程線上的各個(gè)特征點(diǎn)，例如上游2點(diǎn)洪峰水位經(jīng)過河段傳播時(shí)間τ，在下游站2點(diǎn)的洪峰水位，就是同位相的水位。圖5-2-3上、下游站相應(yīng)水位過程線圖（2）相應(yīng)水位(流量)法的基本方程

1)無區(qū)間入流：Q下,t+τ=Q上,t-△QL

2)有區(qū)間入流q：Q下,t+τ=Q上,t-△QL+q式中，τ為河段傳播時(shí)間(預(yù)見期);△QL——上、下游站相應(yīng)流量的差值，稱為洪水展開量。將上式改寫：Q下,t+τ=f(Q上,t,i)=f（Q上,t，Q下,t）同理，對(duì)于水位：Z下,t+τ=f(Z上,t，i)=f（Z上,t，Z下,t）2、無支流河段的相應(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。

（1）簡(jiǎn)單的相應(yīng)水位法

在無支流匯入的河段上，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。---預(yù)報(bào)方案：根據(jù)上游站和下游站的實(shí)測(cè)水位過程線，摘錄相應(yīng)的特征點(diǎn)即洪峰水位值及其出現(xiàn)時(shí)間(見表5-2-1)，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5-2-4)作為預(yù)報(bào)方案。---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，t～Z上，t+τ)曲線上查得(Z下，t+τ)，在(Z上，t～τ)曲線上查得τ，從而預(yù)報(bào)出t+τ時(shí)下游將要出現(xiàn)的洪峰水位(Z上，t+τ)。表5-2-1長(zhǎng)江萬縣站～三斗坪站相應(yīng)洪峰水位及傳播時(shí)間圖5-2-4萬縣站～三斗坪站相應(yīng)洪峰水位及傳播時(shí)間關(guān)系曲線圖（2）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。---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+τ和Z上，t～Z下，t～τ相關(guān)曲線，如圖5-2-5所示。---作業(yè)預(yù)報(bào)：按t時(shí)刻的水位Z上，t及Z下，t，按圖5-2-5的箭頭方向查得Z下，t+τ和τ，從而預(yù)報(bào)出t+τ時(shí)下游將要出現(xiàn)的洪峰水位Z上，t+τ。圖5-2-5以下游站同時(shí)水位為參數(shù)的相應(yīng)水位及傳播時(shí)間關(guān)系曲線圖（3）以上游站漲差為參數(shù)的水位相關(guān)法

洪水波通過某一斷面時(shí)，波前的附加比降為正，使?jié)q水過程的漲率ΔZ上/Δt為正；波后的附加比降為負(fù)，使落水過程的漲率為負(fù)。因此，水位(流量)過程線的漲(落)率在很大程度上反映了附加比降和水面比降的大小。---預(yù)報(bào)方案：圖5-2-6是長(zhǎng)江萬縣水文站～宜昌水文站河段以ΔQ上為參數(shù)的水位預(yù)報(bào)方案。---作業(yè)預(yù)報(bào)：已知t時(shí)刻的Z上，t(或Z下，t)、ΔZ上(或ΔQ上)，在圖上查出預(yù)報(bào)的下游水位Z下，t+和預(yù)見期為。圖5-2-6長(zhǎng)江萬縣水文站~宜昌水文站以上游站漲差為參數(shù)的水位預(yù)報(bào)方案

三、合成流量法1、原理

當(dāng)河段中有支流匯入時(shí)，下斷面B處的洪水是上斷面洪水A和支流C、D等組成的，即BDCABDCA

關(guān)鍵：確定干、支流傳播時(shí)間。該法的預(yù)見期取決于上游各站中傳播時(shí)間最短的一個(gè)。1)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τ作為預(yù)報(bào)方案的預(yù)見期。上游干流實(shí)測(cè)流量+支流錯(cuò)開傳播時(shí)間的流量=合成流量2)支流傳播時(shí)間小于干流站的傳播時(shí)間，需對(duì)該支流站的相應(yīng)流量作出預(yù)報(bào)。2、預(yù)報(bào)方案制作

a.相關(guān)曲線較好，如圖5-2-7所示。b.相關(guān)曲線較不好時(shí)，應(yīng)建立以下游站同時(shí)水位或流量為參數(shù)的相關(guān)曲線。如圖5-2-8所示。圖5-2-7圖5-2-8例：流域情況見右圖。試用合成法預(yù)報(bào)南平流量。圖5-2-9四、流量演算法1、基本原理

洪水波的演進(jìn)與變形可用圣維南（Saint-Venant）方程組描述。水文上將其連續(xù)方程簡(jiǎn)化為河段水量平衡方程，把動(dòng)力方程簡(jiǎn)化為槽蓄方程，然后聯(lián)立求解，將河段的入流過程演算為出流過程。這就是流量演算法。S——河段蓄水量，m3/s·h；Q——河段流量，m3/s當(dāng)河段有區(qū)間入流q時(shí)，則式（1）的左邊應(yīng)增加（q1+q2）△t/2一項(xiàng)。(1)(2)關(guān)鍵：建立槽蓄曲線（方程）圖5-2-102、馬斯京根法及其槽蓄曲線方程

（1）馬斯京根法1938年G.T.McCarthy美國(guó)馬斯京根河流域而得名。（2）馬斯京根槽蓄曲線方程洪水波產(chǎn)生附加比降，漲洪時(shí)，流量大，槽蓄量S大；落洪時(shí)，流量小，槽蓄量S小。故S~Q關(guān)系曲線隨水面比降i變化。即：S=f(Q,i)馬斯京根槽蓄曲線方程中，河段槽蓄量?jī)刹糠纸M成：a柱蓄b楔蓄下斷面出流量只能反映河段內(nèi)的柱蓄，唯有采用上斷面的入流量作為參數(shù)時(shí)，才能反映河段內(nèi)的全部蓄量。圖5-2-11x：流量比重因素

K：穩(wěn)定流情況下的河段傳播時(shí)間C0+C1+C2=1(1)310×0.231=72250×0.538=135250×0.231=58已知x=0.2，K=12，△t=12h。計(jì)算得C0=0.231，C1=0.538，C2=0.231。即：3、馬斯京根法中幾各問題的分析（1）K值的綜合：（2）x值的綜合：（3）計(jì)算時(shí)段△t的選擇：（4）預(yù)見期問題：

上式是沒有遇見期的。通過改進(jìn)，可獲得預(yù)見期：選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算時(shí)段△t，使得：△t=2Kx

練習(xí)題：某河段馬斯京根法流量演算的參數(shù)Δt=18h、k=18h、x=0.15，已知上游站入流過程和下游站起始的流量如下表，試列表計(jì)算下游站出流過程。

表某河段一次實(shí)測(cè)洪水過程時(shí)間（h）上游站流量(m3/s)下游站流量(m3/s)18505036805415072130901001088012660二、降雨徑流預(yù)報(bào)1、原理

根據(jù)流域上一場(chǎng)降雨過程推算流域出口斷面未來出現(xiàn)的洪水過程。稱為降雨徑流預(yù)報(bào)。2、基本思路

P(t)R(t)Q(t)產(chǎn)流匯流在降雨徑流預(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5-2-12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5-2-12降雨徑流預(yù)報(bào)法預(yù)報(bào)洪水過程示意圖1、預(yù)報(bào)誤差由于影響水文要素的因素很多，情況比較復(fù)雜，預(yù)報(bào)的水文特征值與實(shí)際的水文特征值總有一定的差別，這種差別稱為預(yù)報(bào)誤差。2、預(yù)報(bào)精度方法有兩種：有效性和合格率3、有效性評(píng)定方法確定性系數(shù)dy：5.3水文預(yù)報(bào)精度的評(píng)定

4、合格率評(píng)定法（1）評(píng)定指標(biāo)：許可誤差——許可誤差是人們?cè)陬A(yù)報(bào)作業(yè)時(shí)擬定的誤差允許范圍，是評(píng)定預(yù)報(bào)精度的一種標(biāo)準(zhǔn)。（2）河道水位（流量）預(yù)報(bào)許可誤差的擬定變幅許可誤差1）預(yù)見期內(nèi)最大變幅的許可誤差：采用實(shí)測(cè)變幅的均方差變幅為零的許可誤差：采用0.3；其余