最新某流域水文预报方案编制Word下载.docx
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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)
径流深
24.26
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
原始降雨
径流深(修匀后)
径流系数
是否正常
20110626
106.70
0.23
正常
20120424
115.85
0.67
20120710
115.36
0.58
20120728
67.95
0.78
20120803
257.33
1.10
否
20130702
115.64
20130716
86.27
80.96
0.94
20130730
65.36
1.01
20130816
102.21
0.66
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
符号
取值范围
敏感性
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<
Wm<
150mm
不敏感
算法率定
土壤含水量分布曲线指数
b
b<
0.5
蒸发能力折算系数
k
0.1<
k<
1
敏感
稳定下渗率
fc
试算率定
地下水蓄水常数
kg
40<
kg<
100
反映流域调蓄能力的参数
N
1<
N<
2
线性水库蓄泄系数
K
K<
15
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
(mm)
实测径流深
率定径流深
相对误差
(%)
43
132
0.21
0.81
23.70
-2.30
37
74
0.4
0.6
72.50
-6.42
115
0.23
0.85
71.30
6.71
114
0.29
0.8
52.80
-0.18
139
0.32
0.89
88.40
-1.82
125
130
0.82
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
115.0
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
降雨量
预报径流深
绝对误差
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
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
数值
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
n
实测洪峰
(m³
/s)
模拟洪峰
洪峰绝对误差
洪峰相对误差
峰现误差
(h)
DC
0.33
38.29
8.00
217
216
-1
-0.46
0.74
61.55
7.00
1000
984
-16
-1.60
1.30
58.42
1.20
15.00
481
487
6
1.25
0
51.44
7.50
661
643
-18
-2.72
-2
4.60
100.00
1.04
4.35
1400
1342
-58
-4.14
0.7
12.00
7.23
616
623
7
1.14
0.91
—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
4.39
68.28
1.11
8.18
表4.7汇流模型模拟2场洪水的结果
503
537
34
6.76
0.73
1319
1062
-257
-19.48
0.65
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
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)
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