洪水预报讲座20150628

洪水预报讲座河海大学水文水资源学院王建群[e-mail]13951004406QQ:609611025水文预报：据已知的信息对未来一定时期内的水文状态做出定性或定量的预测。按水情特点和预报内容分类：（1）洪水预报：主要预测河流、湖泊、水库汛期洪水，预报内容有洪峰水位、洪峰流量和洪水（水位、流量）过程；（2）枯水预报：主要预测枯季水位、流量和河网蓄水量；（3）冰情预报：主要预测水体冻结和消融过程，预报内容包括封冻日期、冰厚、解冻日期和流冰；（4）台风暴潮预报：主要预报入海河口段水量、水位情况；（5）沙量预报：预测河流含沙量和水库泥沙冲淤情况；……按预见期的长短分类：水文预报短期水文预报中长期水文预报预报的预见期是指发布预报与预报要素出现的时间间距。在水文预报中，预见期的长与短没有明确的时间界限，习惯上把主要由水文要素作出的预报称为短期预报；把包括气象预报性质在内的水文预报称为中长期预报。水文预报－短期洪水预报短期洪水预报:降雨径流预报和河段洪水预报。降雨径流预报:按降雨径流形成过程的原理，利用流域内的降雨资料预报出流域出口断面的洪水过程。河段洪水预报:河槽洪水波运动理论为基础，由河段上游断面的水位、流量过程预报下断面的水位和流量过程。水文预报－短期洪水预报降雨径流预报方法降雨径流经验方法降雨径流模型API模型PR连续API模型PRQ径流深净峰相关PRQmax……水文预报－降雨径流经验方法API模型+单位线UH=连续API模型水文预报－降雨径流经验方法降雨—径流—净峰流量相关法),(]),[(amamPPfQQPPfQ水文预报－降雨径流经验方法降雨-最高水位相关暴雨中心在清流河、来安河流域暴雨中心在滁河干流、降雨分布均匀水文预报－短期洪水预报降雨径流预报方法降雨径流经验方法降雨径流模型新安江模型坦克模型萨克模型陕北模型TopModel……新安江模型新安江模型是由赵人俊教授创建的具有自主知识产权的流域水文模型，是中国水文科学领域最具原创性的学术成果。新安江模型1964年提出湿润地区以蓄满产流为主的观点1973年在编制新安江水库入库预报方案时首先提出了一个计算降雨径流的模型--新安江模型（二水源）在80年代中期，总结出了三水源新安江模型三分分单元分水源分阶段产流计算蓄满产流概念；蒸散发计算采用三层模型；水源划分为地表径流、壤中流和地下径流；汇流计算分为坡面汇流、河网汇流和河道汇流三部分；它的模型结构可以简单归结为：流域分单元、径流分水源和汇流分阶段。新安江模型新安江模型：改进的新安江模型流量演算法的基本原理特征河长法马斯京根法滞后演算法相应水位流量法线性动态系统模型BP人工神经网络模型河道洪水预报讲座内容：河道洪水预报方法相应水位（流量）法(经验)流量演算法（特征河长法、马斯京根法、滞后演算法等）上下游水位相关法合成流量法线性动态系统方法非线性方法：BP人工神经网络法、支持向量机等一维水动力学方法（圣维南方程追赶法求解）（由河道上游水位或流量预报下游水位或流量）流量演算法的基本原理——洪水波分类河流的下游及河口地区，由于干流洪水顶托、下游潮位顶托、闸坝调蓄影响等，各项均不可以忽略。扩散波河流的上中游，惯性项仅占河底比降的1%左右，可以忽略；流量与附加比降有关，水位流量关系为绳套。洪水波运动波动力波山区性河道，河底比降较大，附加比降远远小于河底比降，惯性项和附加比降均可以忽略，水位流量关系单一。——洪水波分类——水量平衡方程和槽蓄方程或或对于扩散波情形，动力方程简化为槽蓄方程可以证明，槽蓄曲线的坡度就是河段内洪水波传播时间：特征河长法——特征河长及槽蓄方程特征河长法——流量演算方法马斯京根法——发展过程1、由美国人麦卡锡于1938年提出，首先应用于马斯京根河得名；2、我国从20世纪50年代开始对该方法进行深入的研究，并逐步进行改进：（1）1962年，华东水利学院提出马斯京根法有限差解的河网单位线；（2）长江流域规划办公室水文处导出马斯京根法河道分段连续流量演算的通用公式及完整的汇流系数表；（3）1982年，法国工程师康吉提出了马斯京根-康吉演算法；（4）1985年，华东水利学院提出了马斯京根法非线性解以及矩阵解；（5）1992年，黄委翟家瑞提出分层马法。马斯京根法——槽蓄方程其中：'))1((),(kQQxxIkQIfW马斯京根法——演算公式1210CCC1211202QCICICQkxKtkxtC5.05.00kxKtkxtC5.05.01kxKtkxktC5.05.02马斯京根法——演算示例马斯京根法——演算示例马斯京根法——演算公式（有区间入流情形）马斯京根法——xk、的物理意义'))1((),(kQQxxIkQIfW当0'QQ才有单一线性关系。00'dQdWdQdWk于是：就是恒定流状态下河段内流量传播时间。k马斯京根法——Llx2210000)()(QZSQQflxk、的物理意义5.0x马斯京根法——xk、的物理意义马斯京根法——xk、的确定t、Llx2210CLk)1(22xKtKx当kt时上式自然满足可结合物理概念优化率定参数马斯京根法——分段连续演算为保证线性条件，需取kt但在长河段时还是难以满足。为此，分段连续演算。当已知预报河段xkL、、时t先确定取tKlnLLl2)21(21xnxltKKKnl马斯京根法——分段连续演算当预报河段无xk、时t先确定取tKl、tCLllLLnllLlx221马斯京根法——分段连续演算演算公式jijijijiQCQCQCQ,121,111,0,mi,,2,1nj,,2,1其中0,0,10,0,,,mQQQ为入流过程nmnnQQQ,,1,0,,,为出流过程滞后演算法滞后演算法就是把洪水波运动中的平移与坦化两种作用分开且一次处理。水流经一连串“线形渠道”滞后一段时间以代表平移，同时经一连串“线性水库”调蓄演算以代表坦化。此方法由C．O．Clark在1954年首先用于大流域汇流，后推广应用于河道汇流。这种方法很简便，在平移作用明显的情况下，如长河段汇流问题、大流域汇流问题和非线性问题，能取得令人满意的效果。——原理滞后演算法——演算公式相应水位（流量）相关法——上下游洪峰流量（水位）相关相应水位（流量）相关法——上下游洪峰流量（水位）相关合成流量法合成流量法是上下游相关法的一种，在有多支流汇入的河段，下游站洪峰是上游干支流来水复合而成的，此时宜用合成流量法，即将各来水控制站的流量，按其传播时间（可分别取其均值）先后错开相加，从而建立上游合成流量与下游站相应流量相关关系来进行下游断面洪水预报。合成流量法)(1,niititIfQniitiI1,为同时流达下游断面的各上游站相应流量之和，称为合成流量。i为各干、支流河段的流量传播时间tQ为下游预报断面流量合成流量法线性动态系统模型河道洪水预报的一个单（多）输入、单输出的线性动态系统模型可统一表示为：tKiMjjNijjiiitubitQatQ11)(1)(线性动态系统模型tKiMjjNijjiiitubitQatQ11)(1)(模型结构和阶数的估计属模型识别问题，常用的算法有残差方差图法、AIC准则法和逐步回归优化筛选法等。模型参数的估计采用最小二乘法估计。线性动态系统模型由前4个时间节点上的合成流量（由归阳流量和耒阳、欧阳海、神山头相应流量合成），预报后第6个时间节点上的衡阳流量，预报模型为：)()()2()2()1()1()0()(000mpmpjQmpFmpjQFmpjQFFjQglosglosgloshy线性动态系统模型线性动态系统模型线性动态系统模型BP人工神经网络模型BP人工神经网络模型BP人工神经网络模型BP人工神经网络模型…...X1X2Xnx…...…...Y1Y2YnyZ1Z1ZnzinxihijjXWY0,nyjjojkkYWZ0,BP人工神经网络模型inxihijjXWY0,nyjjojkkYWZ0,MSK_3汇流（X、KK、MP）LAG_3汇流（CS、LAG）UH汇流新安江模型中汇流处理MSK_3汇流（X、KK、MP）误差度量:绝对误差：Qyb-Qsc相对误差:（Qyb-Qsc）/Qsc确定性系数：许可误差：