洪水预报与水库防洪调度概要.ppt

洪水预报与水库防洪调度洪水预报与水库防洪调度主要内容主要内容 1 1、洪水预报的定义洪水预报的定义 2 2、洪水预报技术的发展洪水预报技术的发展 3 3、洪水预报方法及原理洪水预报方法及原理 4 4、影响洪水预报精度的主要因素影响洪水预报精度的主要因素 5 5、防洪调度防洪调度1.洪水预报的定义 水文预报（hydrological forecast）根据前期和现时的水文、气象等信息，对未来一定时段内水文情势作出的定性或定量预测。水文预报是应用水文学的一个分支，是一项重要的水利基本工作和防洪非工程措施，直接为水资源合理利用与保护、水利工程建设与管理，以及工农业生产服务。水文预报按预见期的长短，分为短、中、长期预报。按预报对象分为：洪水预报。主要预报暴雨洪水、融雪洪水的洪峰水位（或流量）、洪峰出现时间、洪水涨落过程和洪水总量等。枯季径流预报。主要预报枯季径流量、最低水位及其出现时间。墒情预报。分析土壤水分的动态变化，预报农作物生长所需的墒情。地下水位预报。分析地下水动态变化。预报地下水蓄量及水位升降等。冰情预报。主要预报流凌、封冻、解冻、冰厚、冰坝、开河等多种冰情的发生发展过程。融雪径流预报。分析计算融雪产生的总水量及洪水变化过程。台风暴潮预报。包括风暴潮增水及最高潮位变化等。水质预报。包括水质状况及稀释自净能力的分析计算和预测等。洪水预报（flood forecast）是预测江湖未来洪水要素及其特征值的一门应用技术科学。作为防汛抗旱的耳目和参谋，它是在人类与洪水灾害斗争的长期实践中发展起来的。随着近代科学的进步，到20世纪30年代，洪水预报已成为水文学科的一个重要分支，它包括河道洪水预报、流域洪水预报、水库洪水预报等。现代洪水预报是根据前期和现时已出现的水文、气象等要素，对洪水的发生和变化过程作出定量、定时的科学预测。其主要预报项目有最高洪峰水位或流量、洪峰出现时间、洪水涨落过程、洪水总量等。1.洪水预报的定义 洪水预报技术分传统洪水预报技术和现代洪水预报技术，传统洪水预报技术主要是相关图，谢尔曼单位线，马斯京根法，预报员趣称“老三篇”；现代洪水预报技术主要是数学优化技术(如最小二乘法、LS、RLS)、系统数学模型技术(如线/非线性模型、流域水文模型)、计算机技术(如图形交互技术)，趣称“新三篇”。几十年防洪减灾的实践已证明，洪水预报在防洪非工程措施中发挥了尚无法被替代的极重要的作用。洪水预报是防汛决策的科学依据，洪水预报是防汛决策的科学依据，洪水预报是洪水预报是防洪非工程措施防洪非工程措施的重要内容之一，直接为的重要内容之一，直接为防汛防汛抢险、抢险、水资源水资源合理利用与保护、合理利用与保护、水利工程水利工程建设和调度运用建设和调度运用管理，及管理，及工农业工农业的安全生产服务。的安全生产服务。2 洪水预报方法及原理 目前，我省流域的洪水预报主要采取三种方法：第一种是降雨径流相关法，第二种是相应水位(流量)预报法，第三种是利用洪水预报模型预报。不论“新三篇”技术，还是“老三篇”技术，都已融入这三种预报方法之中，且在四水预报中得到了广泛的应用。2.洪水预报方法及原理 降雨径流预报是根据次洪降雨量预报流域出流断面的流量过程。方法的依据是降雨径流形成过程。预见期取决于雨水汇集到出流断面的汇流时间，所以预见期比河段预报要长些，这一点在中小河流上特别重要。此外，在宜于发布河段预报的大河上，也常存在着处理区间降雨入流的问题。随着电子计算机的运用，考虑流域面上的不均匀性的分布参数模型已得到广泛应用，小流域的降雨径流预报是模型的基础。因此，从降雨预报流量过程已成为一种基本的预报手段。我国在50年代初开始应用P-R相关图，也不断作出了改进。该方法主要应用于流域支流预报和区间预报。降雨(P)径流(R)相关法一般采取P（降雨量）、Pa（前期影响雨量指标）、R（径流深）三变数相关线，用它来表示R=f（P，Pa）的函数关系。在足够多的实测点据基础上，相关图能反映流域的不同降雨和流域特性。2.1 2.1 降雨降雨(P)(P)径流径流(R)(R)相关法相关法 2.洪水预报方法及原理编制降雨径流相关方案时必须注意以下几点：一是消退系数K值的确定：消退系数K值计算:按公式 K=1-E日m/Im；E日m为112月日最大蒸散发能力平均值，经综合考虑多种方法，取流域最大初损Im为120mm。不同月取不同K值，同月取同一个K值。经试算，确立K值。如沅水流域各月消退系数K值参见下表。2.1 2.1 降雨降雨(P)(P)径流径流(R)(R)相关法相关法 沅水流域各月消退系数沅水流域各月消退系数K K值值 (Im=120mm)月份月份一一二二三三四四五五六六七七八八九九十十十一十一十二十二K值值0.9800.9720.9620.9540.9480.9430.9360.9360.9430.9640.9730.9782.洪水预报方法及原理又如浦市以上流域各月消退系数K值：2.1 2.1 降雨降雨(P)(P)径流径流(R)(R)相关法相关法 浦市以上流域各月消退系数浦市以上流域各月消退系数K K值值 (Im=130mm)月份月份一一二二三三四四五五六六七七八八九九十十十一十一十二十二K K晴晴0.9750.9750.9720.9720.9660.9660.9580.9580.9560.9560.9550.9550.9540.9540.9540.9540.9580.9580.9620.9620.9650.9650.9700.970K K阴阴0.9860.9860.9830.9830.9800.9800.9760.9760.9730.9730.9700.9700.9680.9680.9680.9680.9720.9720.9770.9770.9800.9800.9840.984K K均均0.9810.9810.9780.9780.9730.9730.9670.9670.9650.9650.9630.9630.9610.9610.9610.9610.9650.9650.9700.9700.9730.9730.9770.9772.洪水预报方法及原理 二是前期影响雨量（Pa值）的计算：Pa由前期雨量计算，也称前期影响雨量，为土壤湿度的指标，计算公式如下：Pa,t+1=K(Pt+Pa,t)如t日无雨，则Pa,t+1=K Pa,t 三是流域平均雨量计算：采用所预报流域的报汛雨量站，按泰森多边形权重法或算术平均法计算流域平均雨量。2.1 2.1 降雨降雨(P)(P)径流径流(R)(R)相关法相关法 2.洪水预报方法及原理 四是次洪径流深简单计算：次洪径流深简单计算公式为：R=Qt/A R-次洪径流深（mm）-单位换算系数(3.6)Q-各时段次洪流量和(秒立米)t-时段长（h）A-流域面积（km2）2.1 2.1 降雨降雨(P)(P)径流径流(R)(R)相关法相关法 2.洪水预报方法及原理 五是降雨径流相关图的建立：降雨径流经验相关图是在成因分析与统计相关的基础上，用每次降雨的流域平均雨量（P）和相应产生的径流深（R）以及影响它们的主要因素（Pa）所建立起来的一种经验相关图。制作降雨径流经验相关图时，选用流域足够场次的大、中、小洪水，计算次洪流域平均雨量、次洪径流深，按上式连续计算前期影响雨量，得到次洪起始Pa值，点绘降雨径流经验相关R=f(P,Pa)图。如下图：2.1 2.1 降雨降雨(P)(P)径流径流(R)(R)相关法相关法 2.洪水预报方法及原理降雨径流相关示意图降雨径流相关示意图 2.1 2.1 降雨降雨(P)(P)径流径流(R)(R)相关法相关法 2.洪水预报方法及原理 汇流采用经验单位线方法（如1小时、3小时、6小时单位线）。它与API产流模型一起构成完整的产汇流模型系统。分析单位线时采用试错法；根据流域暴雨特点，按暴雨中心的不同位置，将流域单位线综合分类。方案程序化时，系统可依据每一时段的降雨中心位置，变动挑选单位线类型，再推求出预报断面流量过程线。2.1 2.1 降雨降雨(P)(P)径流径流(R)(R)相关法相关法 2.洪水预报方法及原理 相应水位(流量)预报方法是根据上、下游断面相应水位(流量)间和水位(流量)与传播速度之间的定量规律，建立相应关系，以此来进行预报的方法。相应水位(流量)预报方法是目前较广泛采用的一种简易、实用而古老的水文预报方法，它根据河道洪水波运动原理，分析洪水波上任一位相的水位(流量)沿河道传播过程中在水位(流量)值与传播速度上的变化规律。相应水位(流量)预报方法按其特性可分两大类，即相应水位(流量)法和合成流量法。相应水位(流量)法主要用于无支流或支流量较小的河段，合成流量法主要用于支流量较大的河段。2.2 2.2 相应水位相应水位(流量流量)预报法预报法2.洪水预报方法及原理 断面上水位的变化是由流经断面的流量的变化引起的。在外界条件不变情况下研究相应水位关系，实质上是研究形成该水位的流量在河段传播过程中的变化规律，包括流量值和传播速度两个方面，通常称此流量为相应流量或传播流量。设河段长为L，t时刻上游站的流量为Q上，t，下游站的相应流量为Q下，t+，传播时间为。若河段无旁侧入流，则相应流量关系是:Q下，t+=Q上，tQL 式中QL是河段洪水波展开量,它是流量和附加比降的函数。若河段有旁侧入流，则相应流量关系是:Q下，t+=Q上，tQLq t+式中q t+是旁侧入流在下游站t+时刻形成的流量。上式就是相应水位(流量)预报方法的基本关系式。2.2 2.2 相应水位相应水位(流量流量)预报法预报法2.洪水预报方法及原理2.2 2.2 相应水位相应水位(流量流量)预报法预报法相应水位是指河段上、下站同位相的水位。相应水位（流量）预报，简要地说就是用某时刻上站的水位（流量）预报一定时间（如传播时间）后下站的水位（流量）2.洪水预报方法及原理 自然界中的水文现象是由众多因素相互作用的复杂过程，水文现象虽然发生在地表范围内，但与大气圈、地壳圈、生物圈都有着密切的关系，属于综合性的自然现象。至今人们还不可能对所有水文现象的有关要素进行实际观测，不能用严格的物理定律来描述水文现象各要素间的因果关系，尚有许多问题未解决，严格的水文规律有待探求。随着人们对水文现象及其各要素之间因果关系认识水平的不断提高和研究的深入，人们将复杂水文现象加以概化，即忽略次要的与随机的因素，保留主要因素和具有基本规律的部分，据此建立具有一定物理意义的数学物理模型，并在计算机上实现，这种仿水文现象称之为“水文模拟”。被模拟的水文现象称为原型，模拟则是对原型的种种数学物理和逻辑的概化。所以说，水文模拟首先就是要研制一个水文模型。近年来，伴随着水文理论的发展和高新技术在水文学科领域的广泛应用，为水文模拟（流域水文模型）提供了重要的理论和技术支撑。2.3 2.3 洪水预报模型洪水预报模型2.洪水预报方法及原理 1)1)洪水预报模型的基本原理洪水预报模型的基本原理2.3 2.3 洪水预报模型洪水预报模型 水文模型是研究水文规律的一种工具，是模拟水文现象原型的一种数学结构。所谓模拟，就是用系统分析的观点与方法，在分析水文要素的特征、相互影响和作用过程的基础上，鉴别出主要的影响因素和主要的过程，并用数学关系和逻辑表达式来概化和描述。随着对水文规律研究的深入和描述水文过程方法的不断改进，水文模拟技术已逐渐成为水文科学的一个重要组成部分。流域水文模型可分为物理模型、概念性模型和系统（黑箱）模型三大类，在实时洪水预报中，概念性模型和系统模型应用较多，效果最好。2.洪水预报方法及原理 1)1)洪水预报模型的基本原理洪水预报模型的基本原理2.3 2.3 洪水预报模型洪水预报模型 流域水文模型是把流域看成为一个完整的系统，对系统中的水文动态作出全面的分析，根据各水文要素相互联系制约的物理规律，用数学方式描述主要的水文过程与主要影响因素的关系，形成全流域的水量平衡科学计算系统。根据我省各流域的地理及水文气象特征，通过分析，在流域预报调度系统中预报方案主要选用新安江模型。新安江模型是准分布式模型，把全流域按降水分布和下垫面条件分成许多单元面积，对各单元面积分别进行产、汇流计算。把每个单元面积的出流过程演算到出口断面并相加，求得流域总的出流过程。当流域较小，降雨分布较均匀和下垫面条件变化不大或缺乏降水资料时，则视整个流域为一单元，采用集总模型。从四水流域的各个预报分区运用新安江模型预报结果来看，效果不错，可用于实际洪水预报。至于其它萨克拉门托模型、水箱模型等洪水预报模型在我省应用较少。2.洪水预报方法及原理 新安江模型主要特点：新安江模型主要特点：2.3 2.3 洪水预报模型洪水预报模型 （1）三分特点，即分单元产流、分水源坡面汇流和分阶段流域汇流；（2）模型参数少且大多数具有明确的物理意义，容易确定；（3）模型参数与流域自然条件的关系比较清楚，可以寻找到参数的区域规律；（4）模型中未设超渗产流机制，适用于湿润与半湿润地区。2.洪水预报方法及原理 2)2)新安江三水源模型原理新安江三水源模型原理2.3 2.3 洪水预报模型洪水预报模型 1973年，河海大学赵人俊教授领导的研究组在编制新安江入库洪水预报方案时，汇集了当时在产汇流理论方面的研究成果，并结合大流域洪水预报的特点，设计了国内第一个完整的流域水文模型新安江流域水文模型，以下简称新安江模型。最初研制的是二水源新安江模型，80年代中期，借鉴山坡水文学的概念和国内外产汇流理论的研究成果，提出了三水源新安江模型。新安江模型的主要产流方式就是蓄满产流，蓄满产流的概念是针对湿润地区的主要产流方式提出的，降水在满足包气带缺水量以前，所有的降水被土壤所吸收；降水在满足包气带缺水量以后，所有的降水（扣除同期蒸发）均产流。也可认为在土壤含水量达到田间持水量以前不产流，降水只补充土壤缺水量，而当土壤达到田间持水量以后，其降水（减去同期蒸发）全部产流。2.洪水预报方法及原理 2)2)新安江三水源模型原理新安江三水源模型原理2.3 2.3 洪水预报模型洪水预报模型 三水源新安模型蒸散发计算采用（上层、下层、深层）三层模型；产流计算采用蓄满产流理论；用自由水蓄水库结构将总径流划分为地表径流、壤中流和地下径流三种；流域汇流计算采用线性水库；河道汇流采用马斯京根分段连续演算或滞后演算法。为了考虑降水和流域下垫面分布不均匀的影响，新安江模型的结构设计为分散性的，分为：蒸散发计算，产流计算，分水源计算和汇流计算四个层次结构。新安江模型参数的物理意义层次参数符号参 数 意 义敏感程度取值范围一般取值第一层次蒸散发计算K流域蒸散发折算系数敏感0.81.30.990UM上层张力水容量(mm)不敏感52020LM下层张力水容量(mm)不敏感609080C深层蒸发系数不敏感0.100.200.167第二层次产流计算WM流域平均张力水容量(mm)不敏感80200120B张力水蓄水容量曲线方次不敏感0.10.50.4IM不透水面积所占全流域面积比例不敏感0.010.050.03第三层次水源划分SM表土自由水蓄水容量(mm)最敏感115025EX表土自由水蓄水容量曲线的方次不敏感1.01.51.5KG表层自由水蓄水库对地下水的日出流系数最敏感0.10.90.35KI表层自由水蓄水库对壤中流的日出流系数最敏感0.10.90.35第四层次汇流计算CI壤中流消退系数敏感010.6CG地下水消退系数敏感0.90.9980.944CS河网蓄水消退系数最敏感0.010.80.2L河网汇流的滞时(h)最敏感0201KE马斯京根法演算参数(h)敏感时段长3XE马斯京根法演算参数敏感-10.50.423.影响洪水预报精度的主要因素3.1 3.1 降雨径流预报误差主要成因降雨径流预报误差主要成因 分析其误差原因，主要归纳为四种：（1）降雨特别不均匀，报汛雨量站未能控制住降雨中心,单位线未能综合出这种降雨类型。（2）长期干旱严重，则Pa计算偏小，因而洪峰流量及洪量预报值偏小。（3）洪水分割不够正确。（4）入库洪水流量过程还原造成的误差影响。预报误差的成因有很多，主要是水文观测、模型的局限性及人类活动等因素引起的。实际作业洪水预报中，应根据预报误差产生的成因，采取针对性措施予以改正。现就降雨径流预报、新安江模型预报、实时洪水预报的误差成因，特别是入库洪水计算误差成因作如下分析：3.影响洪水预报精度的主要因素3.2 3.2 新安江模型预报误差主要成因新安江模型预报误差主要成因造成这种预报误差的原因是：一是模型自身的误差，如对水文现象的种种概化与均化，如土壤含水量的分层计算、多个水库的连续演算模拟，自由水库对几种水源出流的模拟计算等等。二是原始资料的误差，如输入的雨量蒸发等信息在时空上代表性不足，如雨量站点分布与降雨特性不相适应，观测时段过粗等等，蒸发资料也存在类似情况。为尽量减小预报误差，应用方案时，应特别注意中小洪水，特别是小洪水预报误差相对大一些，因产流方案特殊点据大部份是径流深小于20mm的洪水，一般预报径流深大于实测径流深，作业预报时，应考虑作适当校正。汇流预报更应注意暴雨中心、走向、雨型分布，雨强大小及洪水底水高低等，结合退水方案预报的退水过程，用多种方法比较成果再根据预报员经验，最后得到预报最佳洪峰与洪水过程。3.影响洪水预报精度的主要因素3.3 3.3 实时洪水预报误差主要成因实时洪水预报误差主要成因 实时洪水预报特别是水库的实时入库洪水预报，其误差的存在是不可避免的，并且误差的存在不仅是流域水文气象条件的模拟差异，还可能是测站实测及或水库反推流量本身的误差，这就给流域洪水预报提出了更高的要求。在实时洪水预报中，要求预报模型不仅能反映流域的水文气象、产汇流等特性，还要具有一定的容错能力。不论其预报方案自身反映流域水文气象多么“真实”、预报结果多么“精确”，都要以入库反推，或断面实测的“真值”为准，按照概念性水文预报模型的理论这是不可能的，而误差的存在是客观的，在实际运用中，通过对误差的客观分析，结合统计模型及经验模型的特点，对预报系统中的“系统误差”进行修正，使预报值接近“实测值”。3.影响洪水预报精度的主要因素3.3 3.3 实时洪水预报误差主要成因实时洪水预报误差主要成因 现代实时洪水预报系统已不再是仅由单一化的产汇流预报模型或一种预报方法所组成。任一预报模型（或方法）均不可能解决所有流域的预报问题。同样，任一流域也不可能适用各种预报模型（或方法）。现代预报模型系统必须结合流域实时预报作业的现状及特性，采用多途径、多方式、集概念模型、水力学模型、统计模型及经验模型等诸多方法为一体，形成交互式流域综合水文预报系统。另外，设备故障导致资料缺测或不合理的观测数据；水利工程、农田蓄放水误差；流域水文规律的变化；水文规律简化误差，即模型结构误差；雨量资料代表性误差和水文资料观测误差等等都是实时洪水预报误差的成因。3.影响洪水预报精度的主要因素3.4 3.4 关于入库洪水预报误差成因与解决办法关于入库洪水预报误差成因与解决办法 入库洪水预报的精度只能通过还原计算的入库洪水进行评定。用水量平衡法推算入库洪水对于长历时洪量来说误差不大，但对于短历时洪量特别是洪峰流量误差较大。其误差原因主要有以下几个方面：1 1）库容曲线误差）库容曲线误差 库容曲线的误差成因主要有：建库前水位库容曲线测量误差；水库蓄水后导致水下地形的变化引起库容的变化；运行后由于水库泥沙沉积引起库容的变化有条件的话建立GPS控制网，利用GPS接收机及双频测深仪配合定期求出水位与水库库容关系曲线、水位与水库面积的关系曲线。3.影响洪水预报精度的主要因素3.4 3.4 关于入库洪水预报误差成因与解决办法关于入库洪水预报误差成因与解决办法 2 2）库水位误差）库水位误差 水库初始库容是从水位库容曲线上查得的，除库容曲线本身必须具有一定精度外，水库水位准确与否对计算成果影响极大，特别是往往以坝前水位代表整个水库平均水位，误差更大。另外，现行的水情自动测报系统中水位传感器的采集度为1cm。由于风浪或泄流的影响，水库水面经常出现波动，造成观测水位的误差，对于大型水库的水位，1cm的误差可导致数十万方甚至数百万方水量的误差。为了避免这些方面的误差，应按水文观测规范要求布设水尺、选择测流断面和具体情况确定测次，测量精度要满足要求，记录要准确，计算成果要多方校核。有条件的话应在水库库区适当地点增设几个水位观测点，用水库平均水位推算入库洪水。3.影响洪水预报精度的主要因素3.4 3.4 关于入库洪水预报误差成因与解决办法关于入库洪水预报误差成因与解决办法 3）泄流曲线误差 在入库还原计算中必须要用到泄流曲线，由于闸门等泄流设施的Hq曲线、机组的HNq曲线均存在误差，有些仍然采用工程设计阶段水工模型实验形成的曲线，误差更大。为此，应对各类泄流曲线进行实测率定。也可通过水库泄流与下游控制水文站的实测流量分析试验来纠正。另外须注意的是出库流量包括泄洪、发电、灌溉、厂矿和城乡居民供水等，出库流量任何一项的缺测或未及时输入会使反推的入库流量偏小。3、影响洪水预报精度的主要因素3.4 3.4 关于入库洪水预报误差成因与解决办法关于入库洪水预报误差成因与解决办法 4）计算时段长短不当而产生误差 大量的计算结果表明：时段选得过长，会使洪水过程坦化，峰值编低；时段选得过短，则容易使洪水过程线呈锯齿状，即还原的入库流量出现跳动现象，甚至出现负值。解决办法是选择合适的时段，根据一些水库的经验，时段以不小于12h为宜；总之，入库洪水还原计算应当选择几个不同的时段，通过几场洪水的计算，选择其中不出现或少出现不合理现象的时段。3.影响洪水预报精度的主要因素3.4 3.4 关于入库洪水预报误差成因与解决办法关于入库洪水预报误差成因与解决办法 5）时段平均最大流量与瞬时最大流量的误差 入库洪水的流量应当是瞬时值，其洪峰流量也应当是瞬时最大流量。用水量平衡法反推入库洪水过程，只能求得时段平均最大流量，它与瞬时最大流量的差值、与流量过程线的形状及采用的计算时段长短有关。修正的办法有很多。如徒手修正法，修正的原则是修正前后各时段的水量相等，有点象洪水典型过程线同频率放大的办法，这样很容易把瞬时洪峰值定出。6）其它实测信息的误差 如机组负荷的采集误差、闸门启闭误差（采集误差、启闭渐变过程中流量计算的误差）、计算方法的简化误差（水位数值摘录疏密）等。3.影响洪水预报精度的主要因素3.5 3.5 其它提高现有洪水预报精度的主要途径其它提高现有洪水预报精度的主要途径1 1）优化水情站网优化水情站网 水情站网是水文情报、预报工作的基础，它是收集防汛抗旱公用资料的一个系统，其作用是通过系统内有限站点的观测，提供流域内各支流的任一地点、具有一定精度的水文信息，且使其在组合上能以最小的经济代价实现预定的目的。我省的水情站网均是按照全国统一的站网分析原则分干流控制站、区域代表站、小河站三级布设，且在最近几年经过多次优化和审查，在当时经济条件下，站网布设基本是合理的。3.影响洪水预报精度的主要因素3.5 3.5 其它提高现有洪水预报精度的主要途径其它提高现有洪水预报精度的主要途径1 1）优化水情站网优化水情站网目前我省水情站网主要按以下原则予以规划：一是为掌握面上水情变化的四水干流及其一级支流的控制站、洞庭湖重要防汛断面而布设的水文站。二是为水文预报断面提供预报依据而布设的水文站。三是有防汛任务的大、中型水库的出入库控制水文站。凡符合以上三条原则的均列为水情报汛站，水情报汛站的作用是提供雨情、水情信息。通过使用数理统计和模糊相似选择法、逐步回归法、满足误差标准的水文气象站网空间分布法三种方法得出如下最优站网公式：n=3.44+0.0012F+0.0038L-0.0587J其中：n为最优站网数；F为流域面积(km2)；L为干流长度(km)；J为干流坡降()。3.影响洪水预报精度的主要因素3.5 3.5 其它提高现有洪水预报精度的主要途径其它提高现有洪水预报精度的主要途径2 2）实时校正技术实时校正技术 实时预报就是利用在作业预报过程中，不断得到预报值与实测值的误差信息，运用现代系统理论方法及时校正、改善预报估计值或水文预报模型中的参数，使以后阶段的预报误差尽可能减小，预报结果更接近实测值。水文实时预报是近20多年来，国内外积极探索动态预报水文变化过程的现代水文预报方法。它是洪水预警系统或洪水实时联机预报系统中研究的核心部分。采用洪水实时预报校正方法与技术将明显地改进洪水预报、水库调度的精度及增长有效预见期。3.影响洪水预报精度的主要因素3.5 3.5 其它提高现有洪水预报精度的主要途径其它提高现有洪水预报精度的主要途径2 2）实时校正技术实时校正技术 实时校正的主要方法按校正内容划分，可分为：（1）模型误差校正。以自回归方法为典型，即根据误差系列，建立自回归模型，再由实时误差，预报未来误差；（2）模型参数校正。有参数状态方程校正和卡尔曼滤波校正等方法；（3）模型输入校正。主要有滤波方法，典型的卡尔曼滤波、维纳滤波等；（4）综合校正。就是前三者的结合。这些校正方法的基本特点，都是以实时计算误差系列为基本信息依据的。3.影响洪水预报精度的主要因素3.5 3.5 其它提高现有洪水预报精度的主要途径其它提高现有洪水预报精度的主要途径2 2）实时校正技术实时校正技术 实时校正的主要方法根据水文预报误差来源的不同，也可分为：（1）模型参数实时校正。采用模型参数实时校正是认为水文预报方法或水文模型的结构是有效的，只是由于存在数据的观测误差，导致率定的模型参数不准确，或是率定的模型参数对具体场次的洪水并非最优，因此在实际作业预报过程中，根据实际的预报误差不断的修正模型参数，以提高此后的预报精度，对模型参数进行实时校正的方法有最小二乘估计等算法；（2）模型预报误差实时校正。对模型预报误差进行校正是对已出现的预报误差时序过程进行分析，寻求其变化规律建立合适的预报误差模型，通过推求未来的误差值以校正还未出现的预报值，从而达到提高预报的精度；（3）状态变量实时校正。预报过程中能控制当前及以后时刻系统状态和行为的变量，称为状态变量。对状态变量的估计，是认为预报误差来源于状态估计的偏差和实际观测的误差，通过实时修正状态变量来校正以后的预报值，从而提高预报的精度，卡尔曼滤波或自适应滤波方法就是对状态变量进行实时校正的算法。4.防洪调度 防洪调度是运用防洪工程或防洪系统中的设施，有计划地实时安排洪水以达到防洪最优效果。防洪调度的主要目的是减免洪水为害,同时还要适当兼顾其他综合利用要求。原则：将确保工程安全置于首位；防护区的洪灾总损失最小;妥善处理防洪与兴利的矛盾,在汛期兴利服从防洪,防洪兼顾兴利；编制防洪调度方案,严格按调度方案进行运用；由于基本资料、水情预报、调度决策等可能存在误差或失误,运行时需要留有余地,以策安全。4.防洪调度4.1 4.1 单库防洪调度单库防洪调度1 1）单库防洪调度的特点）单库防洪调度的特点 （1）防洪调度决策不仅需统筹考虑水库上下游的防洪矛盾，而且还要统筹考虑防洪与兴利之间的矛盾，是一个多目标、多阶段的决策过程。在洪水进程的不同阶段，决策者考虑的重点具有较大差别，采用的策略是不同的，在洪水初期，较多考虑腾库预泄，在洪峰附近，重点协调上下游之间的防洪矛盾，在洪水后期，较多考虑水库水位回蓄对兴利的影响（在汛末这一点尤为重要）。4.防洪调度4.1 4.1 单库防洪调度单库防洪调度1 1）单库防洪调度的特点）单库防洪调度的特点 （2）防洪调度过程中涉及的因素十分复杂，有水情、雨情、工情等，在防洪形势严峻时，决策的产生在很大程度上受决策者的心理素质，以及决策者对决策风险的承受能力的影响，在诸多影响因素中，有些结构化较强，可以精确定量描述，如库容、泄流能力等；有些则难以精确定量，特别是水雨情信息，自动化遥测设备只能够监测到面临时刻以前的降雨，洪水预报只能保证预见期内的预报精度，对防洪调度而言，这些信息是不完全的，依据这些信息作防洪决策，存在一定的风险。4.防洪调度4.1 4.1 单库防洪调度单库防洪调度单库防洪调度原理图单库防洪调度原理图4.防洪调度4.1 4.1 单库防洪调度单库防洪调度单库防洪系统概化图单库防洪系统概化图4.防洪调度4.1 4.1 单库防洪调度单库防洪调度单库实时调度框图单库实时调度框图4.防洪调度4.1 4.1 单库防洪调度单库防洪调度2 2）多目标方法选择）多目标方法选择 单库洪水调度决策在下游有防洪任务时，是一个多目标决策问题。对于下游有防洪点的单库防洪问题，洪水调度关心三个主要指标，分别为水库的最高水位，最大出库流量与调度期末的水库控制水位，水库最高水位最低体现了水库自身和上游防洪（如果库区有淹没）的效益；而最大出库流量最小体现了下游的防洪效益；调度期末的水位反应水库兴利与防洪的协调关系。4.防洪调度4.1 4.1 单库防洪调度单库防洪调度2 2）多目标方法选择）多目标方法选择 理想的方法是能够确知水库水位与上游淹没损失的关系及最大泄量与下游防护区淹没损失的关系，将多目标问题转化为防洪系统（包括上游、水库、下游）总洪灾经济损失最小的单目标优化调度问题。常见的处理方法是权重协调法，确定水库最高水位与最大出库流量的权重，将多目标问题转化成单目标问题：式中：Zmax：水库最高水位；Qmax：防洪断面最大过水流量（无区间补偿时为水库最大下泄量）；为权重。处理多目标问题的另一种常用方法是约束法，对两目标而言，其基本原理是将其中一个目标转化为约束条件，对另一个目标进行单目标优化，通过改变约束条件的值，逐步逼近决策者的满意解。这一思想比较符合水库实时洪水调度决策的决策习惯。4.防洪调度4.1 4.1 单库防洪调度单库防洪调度3)3)防洪调度模式防洪调度模式 在洪水调度的不同阶段，主要目标的选择有所区别，不同阶段的不同防洪调度模式具体有：（1）水位控制模式 该调度模式将水库水量平衡方程中水库最高水位作为关注因子，将水库最高控制水位转化为约束条件，水库最高水位是水库实时防洪调度的重要控制指标，当洪水位于涨水段，后续降雨难以确知时，保持适当的水库最高控制水位非常重要，水位控制模型的目标为：在保证水库水位控制条件的前提下，使水库的最大出库流量最小，即以通常所说的最大削峰准则进行调度。水位控制模型，通常应用于水库自身防洪形势比较紧张的情形，模型不考虑水库对区间洪水的补偿。4.防洪调度4.1 4.1 单库防洪调度单库防洪调度3)3)防洪调度模式防洪调度模式（1）水位控制模式4.防洪调度4.1 4.1 单库防洪调度单库防洪调度3)3)防洪调度防洪调度模式模式（2）出库控制模式 该调度模式将水量平衡中出库流量作为关注变量，与水位控制模式不同，该模型可以迅速准确地将水库最大出库流量规定到希望的范围之内。该调度模型同时考虑出库流量限制和最高水位限制，当出库流量限制条件生效时其目标为使水库最高水位最低。当出库流量不起约束时，则尽可能利用由允许最高水位规定的允许调蓄库容削减洪峰。（3）补偿控制模式 该调度模式在水库有较多的空闲库容时较为完善，它将关注的水库水位与出库流量，转移到关心水库水位与防洪控制断面的过流量。根据水库距保护区距离不同，可采用完全补偿调节与近似错峰调节的方式。补偿调度的目标为在保证水库最高水位与调度期末水位约束的前提下，使防洪控制断面的最大过水流量最小。4.防洪调度4.1 4.1 单库防洪调度单库防洪调度3)3)防洪调度防洪调度模式模式（4）规则控制模式 各水库都有既定调度规则，这些调度规则大多是基于水位作指标的分级调度原则，或者是以入库流量为控制指标的分级调度原则，在设计时，大多未考虑预报因素，是相对保守的调度方式，一般情况下，实时预报调度方式的效果比规则调度方式要好。但因为调度规则的安全可靠性，人们常常将方案作为考核预报调度软件效果的基础方案。（5）指令控制模式 一些重要的防洪水库，其调度权是分级的，在水库水位或入库洪水超过某种限制时，调度权归上级防汛指挥部门，水库调度人员在执行上级防汛指挥部门的调度指令时，需要对调度指令所产生的后果进行分析，并将分析的结果反馈给上级防汛指挥部门。4.防洪调度4.1 4.1 单库防洪调度单库防洪调度3)3)防洪调度防洪调度模式模式（6）预报预泄模式 该调度模式为经典预报预泄模式，该调度方式能体现“大水大放、小水小放”的优点，经典的预报预泄方式在预泄效果上可能比前述方法略差，但在短期洪水预报较可靠时，它可以保证预泄的可靠性，防止由于预泄过度导致水库水位难以恢复的消落，因此，经典的预报预泄模型在汛末使用比较理想，因为在汛末常常使水库管理人员陷入既怕防洪不安全又怕水库难以有效回蓄的两难境地。4.防洪调度4.2 4.2 库群联合调度库群联合调度 4.防洪调度4.2 4.2 库群联合调度库群联合调度 对于流域性洪水，单个水库各自为战，显然难以发挥全流域水库系统的防洪效益，因而水库群的联合洪水调度，对于流域性的整体防洪水平十分必要。库群联合实时洪水调度，主要表现为各水库间的空间补偿，具体体现在两个方面，一是不同水库其来水不同步，根据各库洪水发生时差，安排各库的蓄泄方案，使防洪控制点防洪效益最大（最大过水流量最小或成灾历时最短）；另一方面表现为各水库到防洪控制点的距离不同，通过调度方案实施，避免或减轻不同支流的洪峰迭加，以提高防洪控制点的安全度。库群实时洪水联合调度的困难在于不同水库或区间的洪水预报预见期不一致，由于水库比较分散，库与库之间的洪水传播时间较长，甚至超过了洪水预报的预见期。4.防洪调度4.2 4.2 库群联合调度库群联合调度 因此，对防洪断面，各库同期出流的相关程度不高，在非完全预报（一次预报只能提供次洪的部分信息）时，很难实现真正意义上的全流域库群联合调度，实现理想的库群防洪补偿。必须在充分研究单库洪水调度各种控制方式的基础上，进一步研究库群不同组合方案的洪水调度，对提高整体防洪能力具有积极的作用。同时，由于各水库的控制流域面积、流域形状不同，预报预见期存在差异，库下区间流域面积的差异更大，各库距防洪控制点的传播时间各不相同，由于联合调度的计算期是相同的，传播时间导致各库之间的水力联系减弱。而在实时洪水调度时须考虑河道洪水的演进，所以，严格的数学意义上的联合优化调度是十分困难的，以下提供两种可供选择的联合调度方式：4.防洪调度4.2 4.2 库群联合调度库群联合调度 1)1)逐级交互调度模式逐级交互调度模式 逐级交互调度模式是对单库调度模型的延伸，在单库防洪调度中，各库入库流量过程均采用本库洪水预报模型提供的预报过程，而不考虑各库之间的水力联系和相互协调。在逐级交互过程中，各单库调度的原理与方法完全相同，而增加了交互反馈的环节。遵照先支后干，先上后下的原则，将水库编序，逐库调度，前库的调度结果作为后库进一步补偿的依据，在最后一级水库计算完毕后，视最后结果确定反馈的方向。见下逐级交互计算流程图。碗米坡、凤滩、五强溪水库逐级交互计算流程4.水库防洪调度方法4.2 4.2 库群联合调度库群联合调度 2)2)库容补偿优化调度模式库容补偿优化调度模式 雨止后，余留期洪水过程在不考虑预报误差时可认为是确知的。这时的预报模型可望获得较长的预见期。随着新技术应用，预报预见期也有大幅增长的可能。当预报预见期远大于库与库间的传播时间时，即可实现库群的库容补偿优化调度模式。对于该调度模式，数学模型求解可用动态规划等数学规划方法严格求解，但调洪演算为纯水量问题，在最大削峰准则下，多库联合补偿，常会出现多个等价方案，其中的部分方案奇异性严重，如出现泄量锯齿振荡，出现极端方案（一库取上限，另一库取下限）等，此时可采用简单试错法求解。可以证明，对特定洪水，最大削峰准则的最优解，等价于传统的“削平头”方法的操作结果。即在洪水总量已知时，通过防洪库容的调节，最后使各时段泄流量尽可能均匀，达到最大削峰目标。碗米坡、凤滩、五强溪水库库容补偿计算流程