最新某流域水文预报方案编制.docx
《最新某流域水文预报方案编制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《最新某流域水文预报方案编制.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
最新某流域水文预报方案编制
D.SELECTAVG（成绩）FROM学生,选课WHERE学生.学号=选课.学号AND姓名=”刘明”
【答案】A
A.AB.BCDC.ABCDD.ABCD
A、主机部分B、网络部分C、主机个数D、无任何意义
【答案】B
A、100MpbsB、200MbpsC、400MpbsD、800Mpbs
B.数据库技术的根本目标是要解决数据的共享问题
【答案】OrderBy
input"计算机：
"tojjj
C.RENAMEVIEWD.DELETEVIEW
水文预报大作业
某流域水文预报方案编制
摘要
本文在9场洪水资料的基础上，完成对某流域的水文预报方案的编制。
运用由一层土壤蒸发模式、蓄满产流模型、时段单位线模型以及地下线性水库模型组成的二水源新安江模型进行参数率定及检验工作。
通过雨洪关系的合理性分析，取得其中8场合格的洪水，运用遗传算法对其中6场洪水进行参数率定，并预留两场洪水进行参数检验。
经检验，产流参数，汇流参数对两场预留洪水的产流模拟、汇流模拟均取得了100%合格的效果。
但由于率定及检验的洪水资料较少，率定的参数在预报适用的时间上并不具有代表性，且预报模型具有一定的缺陷。
因此，本预报方案仅可用来参考。
关键词：
水文预报方案；遗传算法；二水源新安江模型
引言
水文预报是根据已知的信息对未来一定时期内的水文状态作出定性或定量的预测。
水文预报方法以水文基本规律、水文模型研究为基础，结合生产实际问题的需要，构成具体的预报方法或预报方案，服务于生产实际。
一般水文预报的研究的重点和关键有两部分：
（1）共性规律研究，即具有一定普遍性的水文基本规律模拟方法和流域水文模型研究；
（2）个性问题研究，对反映问题的特征、方法进行了解，构成具有解决各种具体实际问题的、具有较高预报精度的预报方案。
其在防汛。
抗旱、水资源开发利用、国民经济建设和国防等领域都有广泛的应用，经济效益巨大，应用单位众多。
‘
水文预报在生产上的应用领域十分广泛，主要有：
流域或区域性洪水与旱情预测，河道、水库、湖泊等水体的封冻。
开动状况及冰凌冰清预测，积雪冰川的融雪径流预报，水利工程施工期的施工预报，水库运行管理要求的入库水流过程预报，河道航运要求的沿程水位变化预报等。
本文针对某流域，通过对其9场洪水资料的审查处理，以及水文预报模型参数的率定，简要编制某流域水文预报方案。
由于资料数据较少，无法进行系统和全面的预报方案分析，进而结果也无法得到有效保证，因此本文的目的就是在9场洪水的基础上，熟悉编制水文预报方案的具体工作及流程，达到基本掌握预报方案编制目的。
1流域及水文概况
1.1流域水系概况
某地处大连市东北部，发源于鞍山市龙潭乡老北沟，从北向南穿过庄河市中部地区，流经庄河市和岫山市的十一个乡镇，最后流入黄海。
河流全长94km。
某一级支流6条，依次为沙河、滚子河、汉屯河、二道河、沟门子河、史家卜河。
主要水系分东西两大支流，东支流为大沙河，汇流点以上积水面积324km2，西支流为主河流，汇流点以上面积273km2,与庄河三架山乡沙河口处会合。
某流域共7个雨量站，一处水文站，一处水库站，各类遥测点8处。
1.2下垫面概况
某流域为低山丘陵区。
流域的地貌成因和形态主要受构造和岩性控制，进而形成了北高南低的地貌形态，山脉大体呈北东南西向展布。
按其形态成因类型主要有石英砂岩、花岗岩、片麻岩及混合岩所组成构造侵蚀低山、呈北向或近东西向展布的山间谷地。
1.3洪水特性情况
某流域大多数暴雨集中大多数暴雨主要集中在7、8月份，一般7月下旬到8月上旬，持续时间1~2天，更长达3天。
由于暴雨强度大、降雨时间历时较短、以及流域面积不大的特点，使得暴雨造成的洪水具有峰高量大且峰现时间段的特点。
2水文资料处理
本方案采用9场洪水资料进行预报方案的编制，9场洪水的降雨资料均由三道沟雨量站、庙东沟雨量站、大堡子雨量站、大房子雨量站、前梨树雨量站、姜家堡子雨量站、某雨量站测得；流量资料由某水库日入库流量资料和时段入库流量资料获得，若无水库入库流量资料，则依据水库水位—流量关系曲线和水量平衡反推入库流量过程。
2.1降雨资料处理
某流域有7个雨量测站来记录降雨资料，这7个雨量站所控制的面积以及相应的权重如表2.1。
各测站记录的各时刻雨量值乘以相应测站的权重，再将各测站该值相加，即可得到该时刻的雨量值。
表2.1雨量控制面积及控制权重
名称
三道沟
庙东沟
大堡子
大房子
前梨树
姜家堡子
某
面积（km2）
118
88
107
78
108
140
53
权重
0.17
0.13
0.15
0.11
0.16
0.2
0.08
对9场降雨资料的初步审查中，发现有些雨量站发生故障，以及数据记录延迟，造成降雨量的记录不是很准确，因此对降雨资料的处理，针对“无问题雨量站降雨处理”与“有问题雨量站降雨处理”，分两部分进行。
（1）无问题雨量站降雨处理
20120710号、20120803号、20130730号、20130816号洪水过程中，7个雨量站工作正常。
因此，对各时段各站的雨量按照表2.1采用面积加权平均法计算各时段的雨量。
（2）有问题雨量站降雨处理
20110626号庙东沟站、20130702号前梨树站，姜家堡子站、20130716号姜家堡子站发生故障，故采取舍弃测站的记录值，将剩余几站的面积重新分配权重计算各时段雨量；20120424号、20120728号庙东沟雨量站发生雨量传递延迟，根据流域降雨同时刻其他正常测站的峰值特征，进行该站雨量值移动，两场洪水分别前移2个时段、4个时段。
2.2流量资料处理
对各场洪水，首先进行流量过程线平滑处理，由于个别洪水的流量过程是由水库水位—流量关系曲线和水量平衡反推入库流量过程求得的，因此存在锯齿状的不稳定现象，需要在水量平衡的前提下，对流量过程线进行平滑处理；其次，进行次洪径流分割，由于各场洪水流量过程中即存在前期洪水的退水过程部分，也存在基流部分，因此本文采用平均退水曲线求出本次洪水过程，以及运用平割法求次洪径流深。
（1）流量过程线修匀
对9场洪水修匀前与修匀后径流深的对比见表2.2，径流深变化在误差允许范围内；并以20110626号洪水的流量过程线为例进行修匀，见图2.1。
表2.2修匀前后径流深变化表
洪号
修匀前
修匀后
备注
29.2
29.8
1.单位：
mm
2.没有扣除基流
83.1
82.3
74.2
71.6
56
55.1
280.2
287.9
99.2
98.1
155.9
155.7
81.5
76.1
70.4
71.3
图2.120110626修匀流量图
（2）分割本次洪水
洪水分割采用退水曲线法。
退水曲线是流域蓄水量的消退过程线。
对某一流域而言，地下径流退水过程比较稳定，故去9场洪水的洪水过程退水部分，使他们尾部重合，做光滑的下包线，即可求得流域的地下水退水曲线。
运用该退水曲线，在本次洪水的流量过程图中，于本次洪水起涨点处描绘出上一场洪水的尾水退水部分，然后将该部分扣除，即为本次洪水的流量过程（未扣除基流）。
以20110626号洪水为例，如图2.2黑色虚线部分。
图2.2本次洪水流量过程及前期退水
（3）平割法求次洪径流深
在各场洪水的起涨点处，做一平行线，于本次洪水退水部分有一交点，则图2.3中ABCDEA的面积即为本次洪水径流深（未扣除基流）。
设基流为7m³/s，则扣除基流后的各场洪水径流深见表2.3。
图2.3平割法求次洪径流深图
表2.3各场洪水径流深（已扣除基流）
洪号
径流深
备注
24.26
1.单位：
mm
2.已扣除基流
3.20130716只取第一个洪峰
77.47
66.81
52.89
281.81
90.04
81.0
66.17
67.40
（4）二水源划分
根据退水曲线，找出每一场洪水的地面径流（直接径流）终止点，与起涨点相连，即可将实测流量过程线进行地表径流Qs与地下径流Qg的分割。
以20110626号洪水为例，如图2.4。
图2.4水源分割图
2.3雨洪关系的合理性分析
对于一场合格的洪水，必须要满足两点要求：
（1）符合水量平衡
对于一场洪水，必须符合水量平衡方程式：
P=E+R+Wm-W0（2.1）
其中：
P：
降雨，E：
蒸发，R次洪径流深，Wm：
流域平均蓄水容量，W0：
流域初始土壤含水量。
由于在对洪水资料进行模型参数率定之前，Wm与W0可能未知，因此，对于一场洪水起码要符合（2.2）的关系式：
P≥E+R（2.2）
（2）径流系数小于1
合格的洪水径流系数必须小于1，但不排除各别洪水径流系数大与1的情况，如过径流系数大与1不多也是可以接受的。
根据以上两个指标对9洪水进行雨洪关系合理性分析，发现由3场洪水径流系数大与1。
分析原因为降雨量记录值偏小或者是流量值偏大。
经过对某流域水工建筑物及当时降雨现实情况的分析，上游没有拦蓄工程，不会发生防水造成流量增大的现象，因此，只有降雨量记录上发生了问题。
经分析，降雨是由翻斗式雨量计记录的，当雨强较大时，反斗会因为翻转效率问题造成记录的雨量比实际的雨量小。
因此，对问题洪水降雨强度较大的降雨适当增大。
处理后发现20120803号洪水径流系数为1.1，仍大与1，因此，将该洪水舍弃，不参与参数率定工作。
结果如表2.4。
表2.4洪水径流系数
洪号
原始降雨
径流深（修匀后）
径流系数
是否正常
20110626
106.70
24.26
0.23
正常
20120424
115.85
77.47
0.67
正常
20120710
115.36
66.81
0.58
正常
20120728
67.95
52.89
0.78
正常
20120803
257.33
281.81
1.10
否
20130702
115.64
90.04
0.78
正常
20130716
86.27
80.96
0.94
正常
20130730
65.36
66.17
1.01
正常
20130816
102.21
67.40
0.66
正常
3预报模型参数率定
3.1模型的选择
某流域为半湿润地区，产流具有蓄满产流和超渗产流两种特性。
当前期土壤较为湿润时，容易发生蓄满产流，当前期比较干旱时，容易发生超渗产流。
根据参与参数率定的8场洪水的前期降雨及土壤含水量情况，发现较为湿润，因此适合蓄满产流模式，故决定采用二水源新安江模型进行产汇流参数的率定。
本文采用的二水源新安江模型包括产流模型、二水源划分模型、汇流模型三部分组成（图3.1）。
（1）产流模型
产流模型为蓄满产流模型，其中土壤蒸发采用最简单的一层蒸发模式，因此需要率定三个参数：
①流域平均蓄水容量Wm；②土壤含水量分布曲线指数b；③蒸发能力折算系数k。
（2）水源划分模型
将率定出的蓄满产流参数带入产流模型中，算出各时刻的径流量Ri，再运用试算法求稳定下渗率fc，进而将总净流量R划分为地表径流Rs和地下径流Rg。
（3）汇流模型
汇流模型分为地表汇流和地下汇流。
地表汇流根据地表径流Rs，通过时段单位线模型可求得地表流量Qs；地下汇流根据地下径流Rg，通过地下线性水库模型可求得地下径流Qg。
将Qs与Qg相加即总流量Q，与实测流量进行对比，调参率定。
由于时段单位线可由瞬时单位线推求，而瞬时单位线只需要n（反映流域调蓄能力的参数），和K（线性水库蓄泄系数），即可确定。
并且地下线性水库只需要Kg（地下水蓄水常数）即可确定，因此回流模型需要率定3个参数：
①n；②K；②Kg。
图3.1二水源新安江模型计算流程
3.2参数率定及步骤
3.2.1率定方法选择
本模型采用遗传算法及人工调参相结合的方法进行参数率定。
遗传算法的过程就是从一个初始种群出发，经过不断地选择、交叉、变异，使种群越来越接近某个目标。
如果把种群看作是超空间中的一组点，则选择、交叉、变异的过程便是在超空间中点集之间的变换过程，通过这些信息的变换使种群不断地进化，直至达到目标。
标准遗传算法的基本运算过程是一个典型的迭代过程，其必须完成的工作和基本步骤如下：
①选择编码策略：
根据实际问题定义适应度函数；②确定遗传策略，包括种群大小、选择、交叉、变异方法，以及确定交叉概率、变异概率等遗传参数；③随机初始化生成初始群体；④计算当前种群中个体编码串解码后的适应度；（按照遗传策略，运用选择、交叉和变异算子作用于群体，形成下一代种群；）⑤判断种群性能是否满足某一指标，或者己完成预定迭代次数满足则输出最佳个体，退出；⑥不满足则返回。
遗传算法本身具有一定的随机性，结果也具有一定的不确定性，并且，有些参数采用试算法率定，因此，需要人为的对率定出的参数进行调试，最终得出合理的参数。
3.2.2参数及范围
本模型需要的参数有10个，其中有7个需要率定。
其取值范围及性质如表3.1。
表3.1模型各参数汇集表
名称
符号
取值范围
敏感性
备注
土壤初始含水量
W0
0<
——
常量
计算时段
t
1h
——
流域面积
F
692km2
——
流域平均蓄水容量
Wm
w0不敏感
算法率定
土壤含水量分布曲线指数
b
0不敏感
蒸发能力折算系数
k
0.1敏感
稳定下渗率
fc
0敏感
试算率定
地下水蓄水常数
kg
40敏感
算法率定
反映流域调蓄能力的参数
N
1敏感
线性水库蓄泄系数
K
0敏感
3.2.3参数率定步骤
整个模型分三个部分进行参数率定，各参数率定方式及范围如表3.1，率定流程（图3.2）如下：
（1）蓄满产流模型的Wm，b，k
蓄满产流模型由参数率定模型及结果输出模型组成。
①输入资料有降雨资料P，蒸发资料E，土壤初始含水量W0（W0可由前期影响雨量公式计算及日降雨资料得到）。
经参数率定模型中的遗传算法循环率定，输出相应参数值。
②将率定的结果带入结果输出模型求出PE、R时间序列值。
（2）水源划分模型fc
水源划分模型分为试算fc与求Rs、Rg两步构成
水源划分模型的fc可用手动试算法求得。
通过输入上一步求得的PE、R，及Qg（Qg由洪水分割线分割求得），求得净流深R’，与分割出的径流深R（由Qg求得）进行对比，通过不断调整fc，直到两者接近获相等为止，即可获得fc。
②将试算的fc作为参数带入到接下来的汇流模型中，即可输出Rs、Rg。
（3）汇流模型kg、N、K
汇流模型同样由参数率定模型及结果输出模型组成。
1在参数率定模型输入实测流量过程线Q以及求出的PE、R、fc，经过地表时段单位线模型及地下线性水库模型的计算及循环率定后，即可求出相应的参数。
2将求出的参数带入结果输出模型，同样经过地表时段单位线模型及地下线性水库模型的计算，即可输出Rs、Rg、UH、Qs、Qg的时间序列。
图3.2参数率定流程图
4预报方案
本文在8场洪水中取20110626、20120424、20120710、20120718、20130702、20130716号6场洪水进行产汇流参数率定（其中，20120803号洪水的雨洪关系不正常，故舍弃不用。
）预留20130730、20130816号2场洪水进行参数检验。
4.1产流预报方案
运用遗传算法率定蓄满产流模型参数，得出6场洪水的产流参数如表4.1。
表4.1蓄满产流模型产流模拟参数
洪号
W0
（mm）
Wm
（mm）
b
k
实测径流深
（mm）
率定径流深
（mm）
相对误差
（%）
43
132
0.21
0.81
24.26
23.70
-2.30
37
74
0.4
0.6
77.47
72.50
-6.42
78
115
0.23
0.85
66.81
71.30
6.71
100
114
0.29
0.8
52.89
52.80
-0.18
115
139
0.32
0.89
90.04
88.40
-1.82
125
130
0.2
0.82
80.96
70.70
-12.68
—表示率定值小于实测值
预留的20130730和20130816号洪水发生在7、8月份，因此主要选择6场洪水中处于7、8月份的洪水率定的参数，取参数的平均值（表4.2），并置入产流结果输出模型中。
将预留洪水的资料输入模型，模拟结果如表4.3。
表4.2输入产流结果输出模型的参数平均值
洪号
Wm
b
k
115.0
0.23
0.85
114.0
0.29
0.80
139.0
0.32
0.89
130.0
0.20
0.82
平均值
124.5
0.26
0.84
表4.3蓄满产流模型模拟2场洪水的结果
洪号
降雨量
（mm）
实测径流深
（mm）
径流系数
预报径流深
（mm）
绝对误差
（mm）
相对误差
（%）
是否合格
65.4
66.2
1.0
64.2
-2.0
-2.98
是
102.2
67.4
0.7
72.9
5.5
8.16
是
根据《水文情报预报规范GB/T22482-2008-T》，产流误差范围需满足以下其中1项误差评定要求即可合格：
①径流深相对误差＜20%且径流深绝对误差小于20mm；②径流深绝对误差小于3mm。
故模拟的两场洪水都合格，合格率100%，精度等级为甲。
因此当暴雨时间为7、8月份时，可采用表4.4的产流参数。
由于缺少其他月份的洪水资料，故无法验证产流参数在其他月份的有效性。
因此参数仅适用于7、8月份。
表4.47、8月份蓄满产流参数
名称
Wm
b
k
数值
124.5
0.26
0.84
4.2汇流预报方案
运用试算法计算出每一场洪水的稳定下渗率，并用遗传算法对汇流模型的参数进行率定，得出6场洪水的汇流参数，如表4.5。
根据《水文情报预报规范GB/T22482-2008-T》，汇流误差范围需都满足3项误差评定要求才算合格：
①降雨径流预报以实测洪峰量值的20%作为许可误差；
②峰现时间以预报根据时间至实测洪峰出现时间之间时距的30%作为许可误差，若许可误差小于一个时段或3h，取一个时段或3h；
3确定性系数主要根据精度的等级要求而定。
（本方案设定为丙级）
故率定的汇流参数合格。
表4.5洪水汇流参数率定结果
洪号
fc
kg
n
K
实测洪峰
（m³/s）
模拟洪峰
（m³/s）
洪峰绝对误差
（m³/s）
洪峰相对误差
（%）
峰现误差
（h）
DC
是否合格
0.33
38.29
1.10
8.00
217
216
-1
-0.46
0
0.74
是
1.10
61.55
1.01
7.00
1000
984
-16
-1.60
0
0.89
是
1.30
58.42
1.20
15.00
481
487
6
1.25
0
0.94
是
7.00
51.44
1.10
7.50
661
643
-18
-2.72
-2
0.81
是
4.60
100.00
1.04
4.35
1400
1342
-58
-4.14
-2
0.7
是
12.00
100.00
1.20
7.23
616
623
7
1.14
0
0.91
是
—表示率定值小于实测值
由某流域的洪水特性情况得知，暴雨造成的洪水具有峰高量大且峰现时间短的特点。
对6场率定参数的洪水的流量过程线进行观察后发现，其洪峰及峰型的确都符合上述特点，并且峰现时间基本上相似。
故可推断，预留模拟的20130730和20130816号洪水同样具有上述特征。
因此，在汇流阶段，取6场洪水率定参数各项的平均值作为模拟参数（表4.6）置入汇流结果输出模型中。
将预留洪水的资料输入模型，结果见表4.7。
表4.6输入汇流结果输出模型的参数平均值
洪号
fc
kg
n
K
0.33
38.29
1.10
8.00
1.10
61.55
1.01
7.00
1.30
58.42
1.20
15.00
7.00
51.44
1.10
7.50
4.60
100.00
1.04
4.35
12.00
100.00
1.20
7.23
平均值
4.39
68.28
1.11
8.18
表4.7汇流模型模拟2场洪水的结果
洪号
fc
kg
n
K
实测洪峰
（m³/s）
模拟洪峰
（m³/s）
洪峰绝对误差
（m³/s）
洪峰相对误差
（%）
峰现误差
（h）
DC
是否合格
4.39
68.28
1.11
8.18
503
537
34
6.76
-2
0.73
是
4.39
68.28
1.11
8.18
1319
1062
-257
-19.48
-1
0.65
是
—表示率定值小于实测值
根据《水文情报预报规范GB/T22482-2008-T》汇流预报结果评定要求，两场洪水的模拟结果都合格，合格率100%。
精度等级为甲。
故汇流阶段可采用的参数如表4.8。
4.8汇流参数
名称
fc
kg
n
K
数值
4.39
68.28
1.11
8.18
4.3预报方案分析及评定
通过对本方案的流程进行分析，存在以下不足之处：
（1）实测资料较少，9场洪水满足不了模型参数的率定及检验工作。
虽然运用率定出的参数，模拟预报了两场预留的洪水，得到了基本合格的效果，但并不具有代表性。
例如，产流参数用于7、8月份的洪水，得到了好的效果，但缺少其他月份对参数的检验，因此参数是否适用于其他月份的洪水，不得而知。
因此结果只能作为一种参考。
（2）在对洪水资料的处理上，例如求退水曲线、进行二水源划分等方面，存在一定的主观性，造成分割出的地下径流量有夸张及误差存在，这会造成率定出的参数不符合实际，难以实际运用。
（3）
升级会员 