运用水文模型对漳河流域进行洪水预报.docx
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运用水文模型对漳河流域进行洪水预报
本科生毕业论文
论文题目运用水文模型对漳河流域进行洪水预报
作者姓名陈一铭
专业名称水文与水资源工程
研究方向水文预报
指导教师程银才
2012年6月
学号：
20087011
论文答辩日期：
2012年6月16日
指导教师：
（签字）
山东农业大学学士学位论文
漳河流域洪水预报模型
专业：
水文与水资源工程
班级：
（2）
学生：
陈一铭
指导老师：
程银才
日期：
2010年6月
ADissertationsubmittedtoShandongAgriculturalUniversity
forDegreeofBachelorofScience
ThefloodforecastingofZhangRiver
basin
Student:
ChenYiMing
Supervisor:
ChengYinCai
Speciality:
HydrologyandWaterResourcesengineering
Subject:
hydrologicalforecasting
SchoolofWaterconservancyandCivilengineering,SDAU
July,2012
引言7
1水文模型8
2水文数学模型的发展历程8
3水文数学模型的研究现状10
4我国作业水文预报的方法11
1漳河流域概况11
1.1流域自然地理特征12
1.2流域水文特征13
2研究方法及资料14
2.1研究方法15
2.2资料来源15
3水文预报模型的建立15
3.1流域单元的划分16
3.2流域平均面雨量16
3.3前期土壤含水量（Pa）的计算17
3.4各单元产流的计算18
3.5新安江模型计算19
3.6新安江模型中的参数分析20
3.7三水源新安江模型vb程序22
3.8打鼓台区P、R、Pa三变数的关系表32
3.9各单元汇流分析36
3.9.1单位线的定义和假定36
3.9.2单位线分析36
3.9.3汇流方案移用38
3.6入库洪水计算38
3.7水库调洪演算39
4模型的检验评定40
4.1单元流域产流误差评定40
4.2单元流域汇流误差评定40
4.3库水位预报评定40
5结论与讨论41
参考文献：
42
中文摘要：
通过对漳河产流、汇流、河道汇流和水库调洪演算，建立了漳河流域水文预报模型。
本模型可根据实测降水量预报未来一定时期内入库洪水总量、洪峰、峰现时间、入库洪水过程，考虑水库出流及串联水库水量交换，经调洪演算得出
水库水位变化过程。
同时，也可输入预报的降水量或人工估箅的未来可能降水量，进行水库未来洪水的可能发展趋势预测。
关键词：
新安江模型；泰森多边形法；马斯京根法；VisualBasic；单位线；洪水预报；
Abstract
Abstract：
Bythecalculationofwateryield，conflux,riverbankconflux,floodroutingofreservoirinZhangrivervalley，thepapersetsupmeteorology—hydrologyforecastmodelofZhangfivervalley．Basedontheactualprecipitation，themodelcanforecastreservoirflood．floodpeak，arisentimeoffloodpeak，reservoirfloodprocess．andinviewofoutletflowofreservoirandseries—woundreservoirwaterexchange，itCanfindtheprocessofreservoirwaterlevelthroughthefloodroutingcalculation．Atthesametime．iftheprecipitationofmeteorologicalpredictionorfuturepossibleprecipitationofmanualestimationisinputtedtothemodel，thepossibledevelopmenttrendofreservoirfuturefloodcanbeforecasted.Keywords：
Zhangriver,Xinanjiangmodel；Area-rainfall；Wateryield；Conflux
Keyword：
XinanRivermodel；Thiessenpolygonmethod；MuskingummethodVisualBasic；Unithydrograph；Floodforecasting；
引言
1水文模型
水文模型是对自然界中复杂水文现象的近似模拟，是水文科学眼就的一种手段和方法，描述水文过程的模型，是一切与水文过程有关的过程模拟和基础。
从20世纪30年代Horton提出著明的下渗理论至今，在近一个世纪以来，各国水文学家在水文规律研究及水文过程模拟方面做了大量的研究工作，获得了丰硕的成果，也提出了众多的水文模型。
岸模型的性质和建模技术，水文模型可以分为：
实体模型，类比模型和模拟模型。
其中，模拟模型是最常用的一类水文模型，也是各国学者着力研究的重点。
该类模型的特征是运用数学的语言和方式描述水文原型的主要特征关系和过程，因此也称为水文数学模型。
2水文数学模型的发展历程
水文模型是水文学发展的产物，并伴随着水文学的发展而发展。
现代水文模型出现于应用水文学兴起的20世纪30年代，特别是Sheman提出水文单位线过程的概念和Horton提出下渗理论后，在50年代以前，水文模拟大多是针对某一个水文环节（入产流、汇流等）进行的。
进入50年代以后，伴随着人们对入渗理论、土壤水运动理论和河道理论等的综合认识，以及将计算机引入水文研究领域，开始吧水文循环的真题过程作为一个完整的系统研究，在50年代后期提出了流域模型的概念。
著名的Stanford模型就是在1959年提出的。
20世纪60年代初到80年代中期，是水文模型蓬勃发展的时期。
先后提出了一些比较著名的水文模型，入Stanford模型，SR-FCH模型、API模型、新安江模型、SSARR模型、ARNO模型、SCS模型、HEC-1模型等。
Stanford模型从1959年提出到1966年完成第Ⅳ号模型，一共用了8年时间，模型的物理概念明确，结构紧密，层次鲜明，对小流域采用集总方式，对大流域则采用分块模型的方式。
模型的建立以流域水量平衡为基础，共设计了4个蓄水层以控制土壤水分剖面和地下水状态。
模型中河川径流有四个来源，即不透水面积上的直接径流、坡面径流、壤中流和浅层地下径流，他们从不同的途径进入河槽，形成河槽总入流，经过河槽调蓄演算的到出口断面的流量过程线。
新安江模型是由华东水利学院（现河海大学）赵人俊教授等根据蓄满产流理论于20世纪70年代研制的分散性流域水文模型，可用湿润地区和半湿润地区的湿润季节。
模型把流域分成许多单元流域，对每个单元流域做产汇流计算，得到单元流域的出口流量过程，在进行出口至下河道洪水演算，求得流域出口流量过程，把每个单元流域的出口过程相加，就得到了流域出口的总出流过程，划分单元流域的主要目的是为了处理降雨分布的不均匀性。
最初的新安江模型为两水源-地表径流和地下径流；到80年代初，模型研究者将用线性水库函数划分水源的概念引入模型，提出了三水源新安江模型-地表径流、壤中流和地下径流；到80年代中期，为了提高模拟的精度和参数的稳定性，有提出了四水源新安江模型-地表径流、壤中流、快速地下径流和慢速地下径流。
模型的产流部分采用蓄满产流模型，地表径流的汇流采用经验单位线，地下径流的出流计算采用线性水库模型，河道洪水演算采用马斯京根法。
另外，针对我国黄土高原干旱半干旱地区的特点，赵人俊教授又提出了陕北模型，模型以超渗产流理论为基础，采用霍顿下渗公式模拟产流，用滞后线性水库模式对单元面积上的汇流进行模拟，用马斯京根方法进行河道汇流演算。
SCS模型是美国农业部水土保持局于20世纪50年代研制的小流域设计洪水模型，在美国及其他一些国家得到了广泛的应用，并在不断改进中完善。
SCS模型的产流部分是一个由实测资料分析并总结而得的经验关系式-F/Q=Q/（P-I），该关系式并无严格的解释，但由于其来自实际资料，本身就代表着自然规律，大量的应用结果页证明了该式的合理性、模型的汇流部分采用一条无因次单位线来计算径流输出过程。
SCS模型考虑了流域下垫面的特点，如土壤、坡度、植被、土地利用等。
水文工作者都认为下垫面条件是影响降雨径流关系的重要因素，但很少有人把它如此显著而有效地列入水文模型的定量计算中；SCS模型可应用于无资料流域；模型考虑了人类活动对径流的影响，针对未来土地利用情况的变化，预估降雨径流关系的可能变化；模型结构简单，易于理解，使用方便，参数少。
SCS模型的这些优点是模型得到广泛应用的基础。
Freeze和Harlan于1969年首先提出了分布式水文模型的概念。
由于模型对资料的要求很高，要从悠闲地观测站点的有限数据中找到在质量上符合要求并且在空间和时间分辨率上合适的资料是十分困难的，加之对计算机的要求较高，使得分布式水文模型在70年代末以前发展较慢。
分布式水文模型的大量出现开始于20世纪70年代末以后，主要的分布式水文模型有SHE模型、IHDM模型、SWAM模型等。
80年代后期至今，流域水文模型的发展处于缓慢阶段，大多数的水文模型是在原模型的基础上，为适应不同的用途进行改进。
由于计算机计算能力的提高，以及地理信息系统、遥感技术等新技术引入水文模型的应用中，是得资料的获取和模型的运行更加方便，分布式水文模型得到了较快的发展，致使原有的水文模型在处理降雨和下垫面条件的不均匀性方面得到了改进，也更重视对水文过程纹理基础的描述
3水文数学模型的研究现状
由于生产时间对水文模型的要求日益提高，以及水文学本身的发展和新技术与水文模型的研究断结合，水文模型的研究已从单位线模型、经验相关模型发展到概念模型，特别是以分布式概念模型的研究为重点研究阶段。
分布式水文模型用严格的数学物理方程表述水文循环的各子过程，在参数和变量中充分考虑空间的变异性，并着重考虑不同单元间的水平联系，对水量和能量过程均采用偏微分方程模拟。
参数一般不需要通过实测水文资料来率定。
解决了参数间的不独立性和不确定性问题，便于在无实测水文资料的地区推广应用。
完全分布式的水文模型是在具有严格物理基础的分布参数水文模型，因此、该类模型的两个显著特点就是，“具有严格物理基础”和“参数是分布的”。
而反映流域水文过程的具有严格物理基础的流域水文模型必然是分布式参数模型。
由于水文过程的复杂性、下垫面的多变，以及人类对水文过程的认识的限制，目前尚没有任何一种模型能够完全描述世纪的水文物理过程，而是或多或少地基于一定的假设。
因此，目前的分布式水文模型基本都是将具有一定物理基础的概念性水文模型参数分布化，而分布的概念一般式相对于集总而言的。
传统的集总式模型由于忽略了参数和下垫面条件的时空变化，将参数和变量都取流域的平均值，儿这于实际流域的情况并不相符，因为不经降雨具有随时变化的空间分布，流域的土壤、植被、地形、地质、水文地质及人类活动的影响等在空间上也是时空变化的。
因此，将下垫面条件本不均匀的流域硬性第作为一个空间均化的整体来处理，显然只能提供流域产流过程空间均化的结果，造成集总式流域水文模型的精度往往不能令人满意。
因此，分布式流域水文模型就成为了当今水文研究的重点。
4我国作业水文预报的方法
目前，用于我国作业水文预报的方法基本上可以分为实用水文预报方案和流域水文模型二种方法。
水文预报与预报相结合是目前洪水预报的发展趋势，目的是延长预报时效。
漳河流域属典型的湿润地区，汛期暴雨集中，洪水来势猛，传播时间短，水位变幅大。
为了确保流域防汛安全，对该流域的水文预报模型作了一些探讨，提出了分单元计算，特别按雨量站控制面积划分单元，提高了预报精度，为了延长了预报时间，将预报降水量或人工估算的可能降水量加入水文预报模式。
经检验，预报合格率较高。
1漳河流域概况
1.1流域自然地理特征
漳河发源于湖北省保康县黑林流经远安、荆门，于当阳市两河口与沮河汇流为沮漳河，再经枝江、荆州区，于沙市注入长江，全长202公里。
，干流长132．6km，其流域属典型的湿润地区，形状为狭长带，河流平均坡度为6‰。
流域集水面积2212k㎡，山区面积约占60％，丘陵面积约占40％。
地表层以黄棕壤土为主，也有少量的裸露岩石，壤中流比重较大。
漳河水库是拦截长江中游北岸支流沮漳河的东支——漳河及其支流建成的水库群，通过三段明槽串联成整体。
水库承雨面积212平方公里，总库容0.35亿立方米，水域104公里。
她位于湖北省中部，地处荆门、宜昌、襄樊三市交界处，坝体总量近500万立方米的观音寺大坝在漳河主河道上巍巍屹立；总量300万立方米的鸡公尖大坝，以及王家湾、林家港大坝，上游干流上和支流茅坪河上分别设有打鼓台和苍坪两个人库站，全长5500米的三段明槽穿过三座山梁、两个大冲，将观音寺、鸡公尖两库连成一个巨大的水库群。
其流域特征见表1。
表1漳河流域自然地理特征值
站名
流域面积（k㎡）
流域形态
形状系数
干流长度（km）
干流坡度（‰）
流域平均坡度（‰）
地表土壤构成
森林面积占流域比例（﹪）
径流系数
打鼓台
727
羽毛型
0.16
65.6
0.529
6.2
黄棕壤土
88.90
0.44
苍坪
402
羽毛型
/
59.8
0.718
9.38
黄棕壤土
81
/
1.2流域水文特征
漳河水库始建于1958年，1966年基本建成并发挥效益。
该水库是以防洪灌溉为主，兼有发电、养殖等综合利用的大型水库，系由观音寺和鸡公尖两库组成的串联水库，中间由林港明渠连通。
总库容为20．35亿立方米。
多年平均来水量为8．91亿立方米，水库以上集水面积为2212k㎡。
水库设计洪水位125．48m，汛限水位121．00m，防洪效益明显，可降低沙市洪水位0．1~0．2m，有效灌溉面积14．94万公顷，年发电量达920万度。
流域内降雨时空分布不均匀，雨强变化大。
多年平均降雨量为l000一l100mm，多年平均蒸发量（水面）800-900mm，多年平均径流深460mm。
观音寺水库来水量大，库容小，鸡公尖反之。
在观音寺水库不溢洪的情况下，上游来水经水库调蓄后，通过林家港明渠进入鸡公尖水库，直至两库水位持平为止。
2研究方法及资料
2.1研究方法
新安江模型问自1974年首次应用于新安江水库以来，我国湿润地区不少水库及天然流域应用该模型，大都取得了较好的效果。
漳河流域属典型的湿润地区，因此产流采用成熟的新安江蓄满产流方法；汇流采用谢尔曼单位线法进行汇流计算；河道汇流采用马斯京干演算法；水库调洪演算根据水量平衡原理采用试算法进行。
2.2资料来源
打鼓台站选用1973—2005年共33年的水文资料，产流选用48场洪水，汇流选用11场洪水；苍坪站选用1971—2005年共30多年水文资料，产流选用35场洪水，汇流选用13场洪水，均包括高中低洪水过程。
3水文预报模型的建立
3.1流域单元的划分
漳河流域总面积2212k㎡，包含多个各自闭合的小流域，为了考虑流域降水的不均匀性，提高水文预报模型质量和精度，根据流域状况分成5个计算单元（表2），分别为：
漳河上游干流打鼓台区、支流茅坪河苍坪区、观音寺水库区间、钱家河、西河。
分别对各单元块计算产流和汇流，在各单元出流互不干扰即线性叠加的假定下，将各单元的产流量通过单元汇流单位线的分配，经河道演算后按时序相加，便得出入库径流过程。
将打鼓台、苍坪作为代表流域，然后对其它单元视地理和水文特性移用。
表2漳河水库流域单元面积划分表
要素
单元名称
合计
打鼓台区
苍坪区
观音寺水库区间
钱家河
西河
单位面积雨量站点数/个
5
4
1
1
1
12
单位面积
/k㎡
727
402
611
217
255
2212
占流域总面积的百分数/﹪
32.9
18.2
27.6
9.8
11.5
100
3.2流域平均面雨量
面雨量的计算方法主要有逐步订正格点法、三角形法、等雨量法、算术平均法、泰森多边形法。
对于不同流域，各有其优缺点。
漳河上游干流打鼓台区、支流茅坪河苍坪区、观音寺水库区间、钱家河、西河各单元均采用泰森多边形法计算流域平均面雨量。
其计算公式如下：
（3-1）
式中
为流域平均雨量；
为单站降水；
为单站权重。
流域平均面雨量可根据实测降水资料进行计算，或者利用数值预报产品等方法进行预报或预测未来可能降水量。
3.3前期土壤含水量（Pa）的计算
Pa即本次降雨前流域原有的土壤含水量，是影响洪水形成的重要流域物理因素。
它的大小与本次降雨的下渗损失量直接相关，是影响降雨产流的主要因素。
前期土壤含水量Pa初始计算日以汛前一个月开始，设起始日的Pa=0，进行连续计算，其公式如下：
（3-2）
式中，K为消退系数。
在计算Pa前，需要先确定流域的最大初损
值和消退系数K值。
是指产流前应满足的最大损失值，它包括了植物截流、填洼、土壤蓄水等。
因在降水损失中主要部分成为土壤的蓄水量，所以又将
近似地作为流域的土壤最大蓄量。
对一个流域来说，可近似的将
看成是一个定值，并由实测水文资料分析得到。
经分析试算得打鼓台站
=80mm，苍坪站
=90mm。
消退系数K值是与土壤蒸发有关的系数，依季节不同而有变化，汛期K值比枯期K值要小。
其计算公式为：
（3-3）
式（3）中的蒸发能力
因目前实测土壤蒸发资料不易得到，通常认为与水面蒸发相近，用水面蒸发实测值代替。
故本流域
采用马良坪站和部门历年各月实测最大日蒸发量的平均值。
打鼓台区、苍坪区逐月的K值见表3。
表3打鼓台区及苍坪区各月消退系数（K）
流量名称
月份
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
打鼓台区
0.97
0.95
0.94
0.93
0.92
0.90
0.90
0.91
0.93
0.94
0.96
0.97
苍坪区
0.97
0.96
0.94
0.94
0.93
0.91
0.91
0.92
0.93
0.95
0.96
0.97
3.4各单元产流的计算
由于流域面积形状为狭长带，降雨时空分布的不均匀性对产汇流影响较大，为此将水库流域分5个单元分别进行产流计算。
将漳河上游干流打鼓台区、支流茅坪河苍坪区作为代表流域，然后对其它单元视地理和水文特性移用。
根据流域概况分析，钱家河、西河、观音寺区间等单元在地质、地貌、植被等方面与苍坪流域较接近，且年降水量大致相等，据此均采用苍坪站的产流方案。
库面降雨为直接径流，其中观音寺水库库面面积取36k㎡，鸡公尖水库面积取用60k㎡。
库面降水量分别取用观音寺、烟墩站测站实测值。
相关图是采用流域多年水文资料中多个降雨量实测值（P）与次径流（R）的关系建立的，依Pa做参数，成为一族曲线。
根据各块的P、R、Pa分别建立了打鼓台区、苍坪区三变数相关图（图l、图2）。
图中每一条Pa等值线都是在一种土壤湿润情况下的降雨径流关系。
关系坡度变化表示了径流系数的变化。
事实上，流域各处的湿润情况总是不均匀的，河沟、洼地的土壤湿度大，雨后下渗损失小，易产流；透水性强或向阳坡顶处土壤湿度小，下渗量大，降水后有时就不易产流，或产生的径流在较长距离的坡地漫流过程中逐渐损失。
因此，即使全流域降雨均匀，产流面积往往仍是不均匀的。
雨量较小时，全流域常只有局部面积产流，只有当雨量较大时，才可能全流域面积都产流。
这就是用实测资料点绘的Pa等值线下部弯曲的原因。
3.5新安江模型计算
在新安江模型中，流域蒸散发计算没有考虑流域内土壤含水量在面上分布的不均匀性，而是按土壤垂向分布的不均匀性将土层分为三层，用三层蒸散发模型计算蒸散发量。
参数有流域平均张力水容量WM（mm），上层张力水容量UM（mm），下层张力水容量LM（mm），深层张力水容量DM（mm），蒸散发折算系数KC和深层蒸散发扩散系数C。
具体计算为
若P+WU>=EP,则EU=EP,EL=0,ED=0;
若P+WU若WL>C*LM,则WL=（EP-EU）WL/LM,ED=0;
若WL=C*（EP-EU）,则EL=C*（EP-EU）,ED=0;
若WL产流计算中，先判断是局部产流还是全流域产流再计算径流量。
水源划分中，采用的是三水源划分。
三水源用自由水蓄水库结构解决水源划分问题，自由水蓄水库结构考虑了包气带的垂向调蓄作用，按蓄满产流模型计算出总径流量R，先进入自由水蓄水库调蓄，再划分水源。
3.6新安江模型中的参数分析
蒸散发能力折算系数KC
KC是影响产流量计算最为重要和敏感的参数，产流计算中KC控制着水量平衡，因此，对水量计算是最重要的。
KC主要反映流域平均高程与蒸发站高程之间差别的影响和蒸发皿蒸散发于陆面蒸散发间差别的影响。
在实际模拟计算中KC值往往变化很大，最后需经模型调试并验证后确定。
流域平均张力水容量WM
流域平均张力水容量WM表示流域干旱程度，分为UM,LM,DM。
根据经验，南方湿润地区WM约为120~150mm，半湿润地区WM约为150~200mm。
流域蓄水容量-面积分布曲线指数B
B值反映划分单元流域张力水蓄水分布的不均匀程度。
在一般情况下其取值与单元流域面积有关。
在山丘地区，若单元流域面积较小，B=0.1左右；若单元流域面积中等，有几百到一千平方千米，B=0.2~0.3；若单元流域面积有几千平方千米，B=0.4左右。
不透水面积占全流域面积的比例IM
IM值可由大比例尺的地形图通过GIS现代技术测量出来。
在天然流域，IM=0.01~0.02。
深层蒸散发扩散系数C
C值主要取决于流域内深根植物的覆盖面积，南方多林地区C=0.15~0.20；在北方半湿润地区C=0.09~0.15。
自由水蓄水容量SM
SM反映表土蓄水能力，其值受降雨资料时段均化的影响明显。
当以日作为时段长时，在图层很薄的山区，其值为10mm或更小；在土深林茂透水性很强的流域，其值可取50mm或更大；一般流域在10~20mm。
自由水蓄水容量—面积分布曲线指数EX
EX反映流域自由水蓄水分布的不均匀程度，一般EX=1.0~1.5
自由水蓄水库对地下水和壤中流的日出流系数KG+KI
KG的大小反映基岩和深层土壤的渗透性，KI的大小反映表层土的渗透性。
地下水消退系数CG
CG可根据枯季地下径流退
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