2022年水文预报课程设计报告.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校水文预报课程设计报告学 院：资源与环境学院专 业：水文与水资源工程年 级： 2022 级姓 名：刘燨元学 号： 2022215334 指导老师：余倩2022 年 6 月 9 日1 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校前言水文预报 hydrologic forecasting就是据已知的信息对将来肯定时期内的水温状态作出定性或定量的猜测；已知信息,广义上指对预报水文状态有影响的一切信息,最常用的是水文与气象要素信息,如降水、蒸发、流量、水位、气温顺含沙量等观测信息；预报的水文状态变量可以是任一水文要素也可以是水文特点量,不同的状态量预报要求的已知信息不同、预报方法不同、预见期也不同；目前通常预报 的水文要素有流量、水位、冰情和旱情等；水文预报方法以水文基本规律、水文模型讨论为基础, 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；一般水文预报讨论的重点和关键有两部分：共性规律讨论, 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讨论；个性问题讨论,对反映具体问题的特性、方法进行明白,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；2 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校目录1、新安江水文模型简介 . 4 1.1 概述 . 4 1.2 新安江模型的基本原理 . 4 1.3 新安江模型的结构 . 5 . 8 . 8 1.4.2 模型参数率定 . 9 2、新安江日模、次模调参成果图 . 11 2.1 日模模拟结果 . 11 . 14 3、新安江水库日模型、次模型模拟结果及精度统计表 . 18 3.1 新安江水库日模型 . 18 4、心得体会 .18 导师评语3 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校1、新安江水文模型简介1.1 概述流域水文模型可分为物理模型、概念性模型和系统模型；在水文预报中,概念性模型和系统模型应用较多,此处主要介绍概念性流域水文模型；概念性流域水文模型属于数学模型,它与物理模型相比,具有很多优点：一是它的全部条件均可由原型观测资料直接给出,不受比尺的限制, 即数学模型无相像律问题； 二是它的边界条件及其它条件可严格掌握,也可随时按实际需要改变；三是它的通用型较强, 只要研制出一种适用的应用软件,就可用来解决不同的实际问题； 四是它具有抱负的抗干扰性能,只要条件不变, 重复模拟可以得到相同的结果,不会因人、因地而异；五是它的研制费用相对较低；因此,流域水 文模型的研制和应用受到水文学家和水文工作者的普普遍重视；世界上第一个流域水文模型Stanford 模型显现在 20 世纪 60 岁月,目前全世界已提出数以百计的流域水文模型；主要包括由美国天气局 V. T. Sitten 提出的 API 模型、 N. H. Crawford 和 R. K. Linsley 提出的斯坦福模型以及 R. J. C. Bernash 等提出的萨克拉门托模型,日本国立防灾科学讨论中心菅原正已教授提出的水箱模型, 丹麦技术高校提出的NAM模型,以及原华东水利学院赵人俊教授提出的新安江模型； 这些概念性水文模型对流域的降雨径流过程进行了较为 细致的模拟； 由于这些模型具有较好的结构形式和良好的模拟预报精度,因此在 洪水实时预报中得到广泛地应用； 本文主要介绍国内应用最为广泛的新安江三水 源模型；1.2 新安江模型的基本原理原华东水利学院的赵人俊教授于1963 年初次提出潮湿地区以蓄满产流为主的观点,主要依据是次洪的降雨径流关系与雨强无关,而只有用蓄满产流概念才能说明这一现象；上个世纪70 岁月国外对产流问题绽开了理论讨论,最有代表性的著作是 1978 年出版的山坡水文学,它的结论与赵人俊先生的观点基本一致：传统的超渗产流概念只适用于干旱地区,而在潮湿地区, 地面径流的机制是饱和坡面流,壤中流的作用很明显；20 世纪 70 岁月初建立的新安江模型采纳蓄满概念是正确的； 但对于潮湿地区, 由于没有划出壤中流, 导致汇流的非线性程4 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校度偏高,成效不好； 80 岁月初引进吸取了山坡水文学的概念,提出三水源的新 安江模型；新安江模型是分散性模型,可用于潮湿地区与半潮湿地区的潮湿季节；当流 域面积较小时,新安江模型采纳集总模型,当面积较大时,采纳分块模型；它把 全流域分为很多块单元流域, 对每个单元流域作产汇流运算, 得出单元流域的出口流量过程； 再进行出口以下的河道洪水演算,求得流域出口的流量过程； 把每个单元流域的出流过程相加,就求得了流域的总出流过程；该模型依据三层蒸散发模式运算流域蒸散发,按蓄满产流概念运算降雨产生 的总径流量, 采纳流域蓄水曲线考虑下垫面不匀称对产流面积变化的影响；在径 流成分划分方面,对三水源情形,按“ 山坡水文学” 产流理论用一个具有有限容 积和测孔、 底孔的自由水蓄水库把总径流划分成饱和地面径流、壤中水径流和地 壤中 下水径流； 在汇流运算方面, 单元面积的地面径流汇流一般采纳单位线法,水径流和地下水径流的汇流就采纳线性水库法；河网汇流一般采纳分段连续演算的 Muskingum法或滞时演算法,但它一般不作为新安江模型的主体；概念性模型的结构应当反映客观水文规律,参数应当代表流域的水文特点,把模型设计成为分散性的, 主要是为了考虑降雨分布不均的影响,其次也便于考 虑下垫面条件的不同及其变化；降雨分布不均, 不但对汇流产生明显的影响,而 且对产流也产生明显的影响； 假如采纳集总性模型, 应用面平均雨量来进行运算,误差可能很大,而且是系统性的；新安江模型按泰森多边形法分块,以一个雨量站为中心划一块；这种分法便 于考虑降雨分布不均,不考虑其它的分布不均；新安江模型的流程图见图1 所示；图中输入为实测降雨P 和实测蒸散发才能EM,输出为流域出口断面流量Q和流域蒸散发量 E；方框内是状态变量,方框外是常数常量；模型主要由四部分组成,即蒸散发运算、产流量运算、水源划分和 汇流运算；1.3 新安江模型的结构 新安江三水源模型中的蒸散发运算采纳的是三层蒸发运算模式,输入的是蒸发器实测水面蒸发和流域蒸散发才能的折算系数5 K,模型的参数是上、下、深三名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校层的蓄水容量 WUM、WLM、WDMWM=WUM+WLM+WDM 和深层蒸散发系数 C；输出的是上、下、深各层的流域蒸散发量EU、EL 和 EDE=EU+EL+ED；运算中包括三个时变参量,即各层土壤含水量 WU、WL和 WDW=WU+WL+WD；以上的 WM、E、W分别表示总的流域蓄水容量、蒸散发量、土壤含水量；各层蒸散发的运算原就是,上层按蒸散发才能蒸发, 上层含水量蒸发量不够蒸发时, 剩余蒸散发才能从下层蒸发,下层蒸发与蒸散发才能及下层含水量成正比,与下层蓄水容量成反比； 要求运算的下层蒸发量与剩余蒸散发才能之比不小于深层蒸散发系数 C；6 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校输出输入EM 蒸散发 E降雨 P、水面蒸发B WM K IM透水面积产流R 不透水面积产流RB 不产流面产流面积积 1 FR FR SM 地面径流 RS 地面总入流 EXQS 张力水 W UM 上层 WU 表层深层壤中总入流河单 元Ke输出 LM KI UH 网流域 C L,CS 壤 中 流 表层 CI 总面 积X e出流壤中流QI 入出流 KG RI 壤中流流Q 地下径流 CG地下总入流RG QG 7 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校图 1 新安江三水源模型流程图 蒸散发量、土壤含水量；各层蒸散发的运算原就是,上层按蒸散发才能蒸发,上 层含水量蒸发量不够蒸发时, 剩余蒸散发才能从下层蒸发, 下层蒸发与蒸散发能 力及下层含水量成正比, 与下层蓄水容量成反比； 要求运算的下层蒸发量与剩余蒸散发才能之比不小于深层蒸散发系数C；否就,不足部分由下层含水量补给,当下层水量不够补给时, 用深层含水量补； 三层蒸散发的运算程序框图在这里就 不一一列举了；新安江模型的参数一般具有明确的物理意义,可以分为如下 4 类：1 蒸散发参数： K、WUM、WLM、C K 为蒸散发才能折算系数,是指流域蒸散发才能与实测水面蒸发值之比；此 参数掌握着总水量平稳,因此,对水量运算是重要的；WUM为上层蓄水容量,它包括植物截留量；在植被与土壤很好的流域,约 56mm；为 20mm；在植被与土壤颇差的流域,约为 WLM为下层蓄水容量；可取 6090 mm；C为深层蒸散发系数； 它打算于深根植物占流域面积的比数, 同时也与 WLMWUM 值有关,此值越大,深层蒸散发越困难；一般体会,在江南潮湿地区 C值约为 0.15 0.20 左右,而在华北半潮湿地区就在 2 产流量参数： WM、B、IMP 0.09 0.12 左右；WM为流域蓄水容量,是流域干旱程度的指标；找久旱以后下大雨的资料,如雨前可认为蓄水量为 0,雨后可认为已蓄满,就此次洪水的总缺失量就是 WM,可从实测资料中求得, 如找不到这样的资料, 就只能找久旱以后几次降雨,使雨后蓄满,用估量的方法求出WM；一般分为上层 WUM、下层 WLM和深层 WDM；在南方约为 120mm,北方半潮湿地区约为 180mm；B为蓄水容量曲线的方次；它反映流域上蓄水容量分布的不匀称性；假如有降雨径流相关图,就可依据Pa=0的曲线反求出蓄水容量曲线,并据此估量出B值；一般体会,流域越大,各种地质地势配置越多样,B 值也越大；在山丘区,很小面积 几平方公里 的 B 为 0.1 左右,中等面积 300 平方公里以内 的 B 为 0.2 0.3 左右,较大面积 数千平方公里 的 B值为 0.3 0.4 左右；但需说明,8 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校B值与 UM有关,相互并不完全独立；同流域同蓄水容量曲线,如 WM加大, B 就相应削减,或反之；IMP 为不透水面积占全流域面积之比；如有具体地图,可以量出,但一般不可能,可找干旱期降小雨的资料来分析,这时有一很小洪水, 完全是不透水面积上产生的；求出此洪水的径流系数,就是 IMP；3 水源划分参数： SM、EX、KSS、KG SM为流域平均自由水蓄水容量,本参数受降雨资料时段均化的影响,当用 日为时段长时, 一般流域的 SM值约为 1050mm；当所取时段长较少时, SM要加 大,这个参数对地面径流的多少起着打算性作用,因此很重要；EX 为自由水蓄水容量曲线指数,它表示自由水容量分布不匀称性；通常 EX 取值在 11.5 之间；KSS为自由水蓄水库对壤中流的出流系数,KG为自由水蓄水库对地下径流出流系数,这两个出流系数是并联的, 其和代表着自由水出流的快慢； 一般来说,KSS+KG=0.7,相当于从雨止到壤中流止的时间为 3 天；4 汇流参数： KKSS、KKG、CS、L KKSS为壤中流水库的消退系数；如无深层壤中流时,KKSS趋于零；当深层壤中流很丰富时, KKSS趋于 0.9 ；相当于汇流时间为 10 天；KKG为地下水库的消退系数；如以日为时段长,此值一般为 0.98 0.998 ,相当于汇流时间为 50500 日；CS为河网蓄水消退系数, L 为滞时,它们打算于河网地貌；1.4.2 模型参数率定新安江模型的参数依据物理意义分为4 层,上面已作了介绍；参数的率定可以依据蒸散发产流分水源汇流的次序进行,各类参数基本上是相互独立 的；依据以下次序率定参数；一、日模型 日模型参数率定依据以下步骤分别进行：1 定出各参数的初始值；2 比较多年总径流；这是最基本的水量平稳校核；如有误差,要第一修改9 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校K值,K 是影响蒸发运算最大的参数,对于某些北方河流,夏季植物茂密,而冬季就有封冻；冬季蒸发不行能用E601观测,就应考虑把K 分为冬、夏各月定为不同的数值；3 多年总水量基本平稳后, 再比较每年的径流, 看很干旱的年与潮湿年份有无系统误差；如有应调整WUM、WLM和 C；减小 WUM将使少雨季节的蒸发削减,而对于很干旱的季节就无影响；WLM的作用与此相仿；加大C值将使很干旱的季节的蒸散发增大, 而对于有雨季节就无此影响； 在北方半潮湿地区可以找到干旱年份与潮湿年份之间的系统误差,而在南方潮湿地区就不易找到；4 如上述差异并不明显, 就应比较年内干旱季与潮湿季之间的差异；在南方,主要是伏旱季的蒸散发运算是否正确的问题；如伏旱以后的初次洪水具有系统误差,例如,各年中这种洪水的运算值都偏大,就应调整 WUM、WLM和 C值,使基 本符合；假如在运算中发觉 W值在久旱后显现负值,就应加大 WM,不转变 WUM 和 WLM；在运算中当 W为负值时以零处理是不对的, 它破坏了产流量运算的前提；新安江模型是蓄满型,只要蒸散发运算基本正确了,产流总量的精度也就有保证了；一般流域,有80%左右的年份的年径流误差在7%以下是可能做到的；5 比较枯季地下径流；如有系统偏大偏小,就应调整KSS、KG,调整地下径流、壤中流的比重；如有系统偏快偏慢,就应调整,以转变汇流速度；二、次模型日模与次模的时段长不同,参数值不全部可以通用,但K、WM、WUM、WLM、B、IMP、EX、C与时段长无关,可以通用,SM、KG、KSS、KKG、KKSS与时段长有关,不行以通用；调试时通常以洪水总量、洪峰值及峰现时间按答应误差统计合格率最高为目标函数；调试步骤如下：1 比较洪水径流总量； 影响运算次洪径流总量的主要因素除降雨外明显是流域初始含水量 0W,但当已确定的情形下,可通过调整水源的比重来影响运算次洪径流量,可调整 SM和 KG,两个参数数值越大,地下径流的比重越大,使次洪径流量削减；2 比较洪峰值；洪峰流量主要由地面径流和壤中流组成,主要取决于 SM、KKSS、CS等参数,当 SM确定后,调整 KKSS和 CS等参数,特别是 CS对洪峰10名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校起着很大的作用；3 假如流量过程现显现整体的提前,主要调整 L；表 1 新安江模型各层次参数表第一层次层次参数符号参数意义敏锐程度取值范畴蒸散发运算KC 流域蒸散发折算系数敏锐其次层次产流运算UM 上层张力水容量mm不敏锐1020 LM 下层张力水容量mm不敏锐6090 C 深层蒸散发折算系数不敏锐120200 WM 流域平均张力水容量不敏锐mmB 张力水蓄水容量曲线方不敏锐程IM 不透水面积占全流域面不敏锐积的比例第三层次水源划分SM 表层自由水蓄水容量敏锐mmEX 表层自由水蓄水容量曲不敏锐线方次KG 表层自由水蓄水库对地敏锐下水的日出流系数KI 表层自由水蓄水库对壤敏锐中流的日出流系数第四层次汇流运算CI 壤中流消退系数敏锐CG 地下流消退系数敏锐CSUH 河网蓄水消退系数 单位敏锐线L 滞时 h敏锐KE= tKE 马斯京根法演算参数 h敏锐XE 马斯京根法演算参数敏锐2、新安江日模、次模调参成果图2.1 日模模拟结果11名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校图 1：其中,肯定误差QCQM1387.6051473.44385.838由图得相对误差5.826% ；QCQM1752.7981915.594162.796图 2：其中,肯定误差由图得相对误差8.499% ；QCQM1135. 3791155. 95920.58图 3：其中,肯定误差由图得相对误差1. 780%；QCQM1175.0151165.0529.963图 4：其中,肯定误差由图得相对误差0.843% ；QCQM988.848948.01140.837图 5：其中,肯定误差由图得相对误差4.130% ；图 1 1982 年径流量与降雨关系图12名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校图 2 1983 年径流量与降雨关系图图 3 1984 年径流量与降雨关系图13名师归纳总结 - - - - - - -第 13 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校图 4 1985 年径流量与降雨关系图图 5 1986 年径流量与降雨关系图图 6：其中,肯定误差QCQM48.78960.70011.911由图得相对误差19.623% ；QM61.60670.5268.920图 7：其中,肯定误差QC由图得相对误差12.649%QM127.354134.8217.467图 8：其中,肯定误差QC14名师归纳总结 - - - - - - -第 14 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校由图得相对误差5.539%QCQM102.151100.7181.433图 9：其中,肯定误差由图得相对误差1.403% ；QCQM39.95835.0494.909图 10：其中,肯定误差由图得相对误差14.006% ；QCQM181.395181.8900.495图 11：其中,肯定误差由图得0.272% ；图 6 洪号 820401 模拟结果表15名师归纳总结 - - - - - - -第 15 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校图 7 洪号 830822 模拟结果图；图 8 洪号 820716 模拟结果表16名师归纳总结 - - - - - - -第 16 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校图 9 洪号 850621 模拟结果表图 10 洪号 860714 模拟结果表17名师归纳总结 - - - - - - -第 17 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校图 11 洪号 860909 模拟结果表3、新安江水库日模型、次模型模拟结果及精度统计表3.1 新安江水库日模型表 2 日模型模拟结果及精度统计表年份降雨量 PP 运算径流量实测径流量肯定误差相对误差 DR确定性系数DC mm Q mmQmmmmm %1982 1983 1984 1985 1986 3.2 新安江水库次模型表 3 次模型模拟结果及精度统计表洪号降雨量 PP 运算径流量实测径流量肯定误差相对误差 DR确定性系数mm Q mmQ mmmm %DC 820401 830822 840612 850621 860714 860909 18名师归纳总结 - - - - - - -第 18 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校4、心得体会本次做水文预报的课程设计,总体来说是一次非常富有挑战性的尝试与实践；在将平常老师上课所叙述的理论学问全部真正用于编写课程设计报告的过程 中,我深深领会到了 “纸上得来方觉浅 ”的道理；在给定初试数据和一些条件的情形下, 在把报告依据要求一步一步做下来的 过程中,真可谓是举步维艰,步步为营；每一次运算,每一次引用,都必需要找 到合理的依据；第一在自己脑海中想,想不起来了,就仔认真细翻书,书本上再没有,只能上网查阅大量的资料和文献去查找答案和灵感；就这样, 在花费了大量的时间之后,才写出了这份凝结着满满的心血和精力的报告,真可谓是“宝剑锋从磨砺出,梅花香自苦寒来”；当然,这样的一次经受对成长的帮忙当然是显而易见的；第一,对课本学问的把握程度有了质的提高； 原本只是明白, 简洁的死记硬背； 但是通过这次的报告撰写,使很多学问真正转化为自己的内在才能,做到能够娴熟的运用, 让理论为我所用；其次,明白了基本论文格式的要求；原本不怎么会写论文,但是经过这次锤炼, 使自己的报告排版格式更加标准,为将来毕业论文等更大的挑战打下基础；最终,把握了有关信息的收集,整理,挑选和选用的一整套处理模式；因为这次课程设计很多东西在书上找不到标准答案,所以必需利用现代信息检索工具来丰富自己的信息猎取途径； 个人认为这种才能的成长, 甚至比课程设计本身 更具有价值； 由于在这样的过程中, 自己独立摸索, 独立解决问题的才能在无形 之中被锤炼起来,这对将来的进展和帮忙是不行估量的；最终,诚心感谢我的指导老师 余倩老师的辛勤付出！ 您认真负责的批改和宝贵的建议让我受益匪浅！在此请答应我说一声：19“老师,您辛苦了！ ”名师归纳总结 - - - - - - -第 19 页,共 20 页精选学习资料 - - - - - - - - - 中南民族高校指导老师评语：成果评定：指导老师签名：日 期：20名师归纳总结 - - - - - - -第 20 页,共 20 页