水文地质毕业论文.doc

2010届函授水文预报毕业论文新丰江水库入库洪水预报学号：姓名：指导教师：教授二零一二年五月四日目 录第一章 新丰江水库流域水文及工程概况.- 8 -1.1 流域概况.- 8 -1.2 水文气象特征.- 9 -1.3 工程概况.- 9 -第二章 使用资料情况.- 11 -2.1 日模型资料.- 11 -2.2 次洪水资料.- 11 -2.3 计算结果存储.- 12 -第三章 三水源新安江模型.- 14 -3.1 模型结构.- 14 -3.2 模型计算.- 15 - 3.2.1 流域产流计算.- 15 - 3.2.1.1 流域分块.- 15 - 3.2.1.2 蒸散发计算.- 15 - 3.2.1.3 产流计算-. 16 - 3.2.1.4 水源划分- .18 - 3.2.2 流域汇流计算.- 22 - 3.2.2.1 地表径流汇流.- 22 - 3.2.2.2 壤中流汇流.- 22 - 3.2.2.3地下径流汇流.- 22 - 3.2.2.4 单元面积河网总入流.- 22 - 3.2.2.5 单元面积河网汇流.- 22 - 3.2.2.6 单元面积以下河道汇流.- 23 - 3.2.3 模型参数.- 23 - 3.2.3.1 模型参数的性质与约值.- 23 - 3.2.3.2 模型参数的独立性、敏感性与相关性.- 24 - 3.2.3.3 模型参数率定.- 26 -第四章 计算成果.- 27 -4.1 日模型参数.- 27 -4.2 日模型计算成果.- 27 -4.3 次洪模型参数.- 41 -4.4 次洪模型计算结果.- 41 -4.5 误差分析及可能减小误差的途径.- 50 - 4.5.1 误差的来源.- 50 - 4.5.2 日模型误差分析.- 51 - 4.5.3 次模型误差分析.- 51 - 4.5.4预报精度评定.- 52 - 4.5.5减小误差的途径- 53 -第五章 对毕业论文的认识与体会- 54 - 第一章 新丰江水库流域水文及工程概况1.1 流域概况 新丰江水库位于东江水系新丰江支流的亚婆山峡谷，距河源市距离为6km，距新丰江河口距离为9.2km。坝址以集水面积为5734km2；干流青龙潭站以上流域面积为1600 km2，占全流域面积的27.9%；支流忠信水顺天站以上流域面积为1357km2，占全流域面积的23.7%；其余部分面积为2777 km2，占全流域面积的48.4%。流域水系及站网分布见图1。 图1 新丰江水库坝址以上流域水系及站网分布图1.2 水文气象特征 流域受热带、亚热带天气系统影响，冬少严寒，夏少酷暑，气候暖热，雨量充沛；有两个多雨时期，46月为前汛期，属极锋雨带降水，致洪暴雨主要由冷锋、静止锋及切变线、低涡等西风带引起。710月为后汛期，主要受台风等低纬热带天气系统影响，致洪暴雨主要由热带气旋、台风、东风波等东风带引起。每年的11次年的3月为枯季。暴雨成因主要是锋面雨，但台风雨占一定比重。 实测多年平均降雨量为1800mm，最大年降雨量为25176mm，年径流系数为0.50.6之间；降水年际间变化大，年内分配不均，46月降水量约占全年降水量的50%，49月降水量约占全年降水量的76.%；年降雨天数在120160d之间。降雨成因以锋面雨为主，暴雨走向自西北西东南东，西南西东北东，其分布以西南西较多，东西较少；暴雨出现次数56月最多，78月次之。流域汇流时间一般在24h，有时更短。一次洪水过程在68d左右，洪峰持续时间约5h。 流域内多年平均气温21.0，历年最高气温40.5，最低气温-3.8。流域内顺天站实测水面蒸发（80cm蒸发皿）多年平均蒸发量为1245mm，78月蒸发量最大。1.3 工程概况 新丰江水库是一个以发电为主，兼顾防洪、航运和灌溉等综合利用的完全多年调节水库。水库总库容为138.98 x108m3，其中兴利库容为64.4 x108m3（水位93116m），防洪库容为15.5 x108m3（水位116120m），总调洪库容为31 x108m3。正常高水位为116.0m，百年（1%）设计洪水位为 120.0m，千年（0.1%）设计洪水位为 121.6m，万年（0.01%）校核洪水位为123.6m，正常高水位为116.0m，汛期防洪限制水位年内各时期不同，死水位为93.0m。 大坝坝顶高程为124.0m，最大坝高为105.0m，坝顶长为440.0m，坝顶宽为5.0m。大坝设有3孔溢洪道，由10x15m的弧型闸门控制，溢洪道堰顶高程为111.6m，最大溢洪流量为3600 m3/s。在左岸设有直径为10m，长为800m的防水洞一个，最大放水流量为3600 m3/s。坝后式厂房位于左岸，总装机容量为292.5MW，共装有4台水轮发电机组，3台72.5MW，单机最大过水流量为118 m3/s；1台75MW，单机最大过水流量为136 m3/s。工程于1958年07月15日动工兴建，1959年10月20日下闸蓄水，1960年6月15日第一台机组开始发电，同年10月26日并网，1961年10月4日，1966年5月3日，1977年12月29日，2#、3#和4#机组分别于相继并网发电。 第二章 使用资料情况 根据新丰江水库流域的地形地貌条件和水文气候特征，选取三水源新安江模型计算新丰江水库流域径流过程。为率定模型参数，首先根据研究流域的水文、水力学特征确定一个初值或变化范围，日模型通过与1977-1984年新丰江流域实测径流资料进行对比分析，次模型通过与代表性较好的8场洪水资料进行对比分析，然后调整参数，选取最优的一组参数作为新丰江水库实时洪水预报模型参数。2.1 日模型资料2.1日模型资料本次毕业设计使用新丰江水库19771984年逐日降水、逐日流量和逐日蒸发资料。资料代表性良好。2.2次洪水资料本次毕业设计使用新丰江水库19771984年逐日降水、逐日流量和逐日蒸发资料。计算时段：dt=6h。选取了15场大、中、小洪水。 第三章 三水源新安江模型3.1 模型结构 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。每块单元流域的计算流程见图2所示。图2 三水源新安江模型流程图 图中方框外为参数，方框内为状态变量。输入为实测降雨量过程和蒸发皿蒸发过程；输出为流域出口断面流量过程和流域实际蒸散发过程。模型各层次结构的功能、计算采用的方法和相应参数见表1 表1 新安江模型各层次结构功能、计算采用的方法和相应参数表层 次（第一层次）（第二层次）（第三层次）（第四层次）功 能蒸散发计算产流计算水 源 划 分汇 流 计 算二 水 源三 水 源坡 面 汇 流河 道 汇 流方 法三层模型蓄满产流稳定下渗率自由水蓄水库单位线或线性水库或滞后演算法马斯京根或滞后演算法参 数KC、UM、LM、CWM、B、IMFCSM、EX、KG、KIUH或CS、CI、CGKE、XE或L3.2 模型计算3.2.1 流域产流计算3.2.1.1 流域分块 为了考虑降雨分布不均的影响和下垫面条件的不同及其变化，特别是流域内水利工程等人类活动的影响，产汇流计算设计成分散性的。采用自然流域划分法或泰森多边形法将计算流域划分为N块单元流域，在每块单元流域内至少有一个雨量站；单元流域大小适当，使得每块单元流域上的降雨分布相对比较均匀，并尽可能使单元流域与自然流域的地形、地貌和水系特征相一致，以便于能充分利用小流域的实测水文资料以及对某些具体问题的分析处理；若流域内有水文站或大、中型水库，通常将水文站或大中型水库以上的集雨面积单独作为一块单元流域；单元流域出口与流域出口用河网连接。 对划分好的每块单元流域分别进行蒸散发计算、产流计算、水源划分计算和汇流计算，得到单元流域出口的流量过程；对单元流域出口的流量过程进行出口以下的河道汇流计算，得到该单元流域在全流域出口的流量过程；将每块单元流域在全流域出口的流量过程线性叠加，即为全流域出口总的流量过程。 根据新丰江流域地形、地貌条件及布设的水情遥测站网，用泰森多边形法将新丰江水库坝址以上流域划分为13块单元面积，它们分别是：上坪、连平、河头、忠信、岳城、青龙潭、顺天、船塘、梅坑、横石、合江口、灯塔、大坝；权重分别是：0.062、0.075、0.066、0.110、0.080、0.082、0.067、0.091、0.072、0.106、0.074、0.059、0.056。3.2.1.2 蒸散发计算 流域蒸散发在流域水量平衡中起着重要的作用。植物截流、地面填洼水量及土壤蓄水量的消退都耗于蒸散发。据资料统计，在湿润地区的年蒸散发量约占年降水量的50%；在干旱地区约占90%。因为流域内基本都没有蒸散发的实测值，所以只能采用间接的方法来推求。蒸散发计算成果正确与否将直接影响模型产流计算成果。国内外理论和实验研究证实，土壤蒸散发过程大体上可以划分为三个基本阶段，即土壤含水量供水充分的稳定蒸散发阶段、蒸散发随土壤含水量变化而变化的变比例蒸散发阶段和常系数深层蒸散发扩散阶段，有关此部分内容的详细论述参见第二章。土壤蒸散发过程的不同阶段不仅反映了不同的物理现象，而且也揭示了不同阶段蒸散发量的变化规律。 在新安江模型中，流域蒸散发计算没有考虑流域内土壤含水量在面上分布的不均匀性，而是按土壤垂向分布的不均匀性将土层分为三层，用三层蒸散发模型计算蒸散发量。参数有流域平均张力水容量,上层张力水容量，下土层张力水容量，深层张力水容量，蒸散发折算系数和深层蒸散发扩散系数，计算公式如下： （ 1 ） （ 2 ） （ 3 ） （ 4 ）式中 为总的张力水蓄量；为上层张力水蓄量；为下层张力水蓄量；深层张力水蓄量；为总的蒸散发量；为上层蒸散发量；为下层蒸散发量；为深层蒸散发量；为蒸散发能力。具体计算为：若，则，若，则若，则若且，则，若且，则，3.2.1.3 产流计算产流计算中采用蓄满产流模型。蓄满是指包气带的土壤含水量达到田间持水量。蓄满产流是指：降水在满足田间持水量以前不产流，所有的降水都被土壤所吸收；降水在满足田间持水量以后，所有的降水（扣除同期蒸发量）都产流。其概念就是设想流域具有一定的蓄水能力，当这种蓄水能力满足以后，全部降水变为径流，产流表现为蓄量控制的特点。湿润地区产流的蓄量控制特点，解决了产流计算在这些地区处理雨强和入渗动态过程的问题；而降雨径流理论关系的建立，解决了考虑流域降雨不均匀的分布式产流计算问题。按照蓄满产流的概念，采用蓄水容量面积分配曲线来考虑土壤缺水量分布不均匀的问题。所谓蓄水容量面积分配曲线是指：部分产流面积随蓄水容量而变化的累计频率曲线。应用蓄水容量面积分配曲线可以确定降雨空间分布均匀情况下蓄满产流的总径流量。实践表明，对于闭合流域，流域蓄水容量面积分配曲线采用抛物线型为宜，为计算简便，假定不透水面积，其线型为 （ 5 ）式中 为产流面积；为全流域面积；为流域单点的蓄水量；为流域单点最大蓄水量；为蓄水容量面积分配曲线的指数。流域蓄水容量面积分配曲线及其与降雨径流相互转换关系见图3。(a)流域蓄水容量面积分配曲线 (b) 流域蓄水容量面积分配曲线与降雨径流关系图3 流域蓄水容量面积分配曲线与降雨径流间关系图由（5）式和图3（b），计算公式为 （ 6 ） 对(6)式积分得 （ 7 ） 由图2（a）知，当，将其带入(7)式得 （ 8 ） 与值相应的纵坐标值为 （ 9 ）设扣除雨期蒸发后的降雨量为，则总径流量的计算公式为： ( 10 )若，即局部产流时 ( 11 )将（7）式带入（11）式得 ( 12 )若，即全流域产流时 ( 13 )式中 为流域初始土壤蓄水量；为流域平均最大蓄水容量；为总径流量；其余符号与上同。式（12）、（13）表明，在蓄满产流模式下，总径流量是降水量，雨期蒸散发量和流域初始土壤蓄水量的函数，即。当，即局部产流时，径流系数；当，即全流域产流时，。由（5）式可知，只须事先给定流域平均最大蓄水容量和流域蓄水容量面积分配曲线指数便可建立以为参数的降雨径流关系。3.2.1.4 水源划分 三水源的水源划分结构借鉴了山坡水文学的概念，去掉了，用自由水蓄水库结构解决水源划分问题。自由水蓄水库结构见图4。自由水蓄水库结构考虑了包气带的垂向调蓄作用。按蓄满产流模型计算出的总径流量，先进入自由水蓄水库调蓄，再划分水源,产流面积上自由水蓄水库设置了两个出口，一个为向上出口，形成地面径流；另一个为向下出口，形成地下径流。根据蓄满产流的概念，只有在产流面积上才可能产生径流，而产流面积是变化的，所以，自由水蓄水库的底宽也是变化的。从自由水蓄水库结构图（图4）中可以看出，除还设置了一个壤中流水库，该水库用于壤中流受调蓄作用大的流域，也就是将划分出来的壤中流再进行一次调蓄计算。该水库一般是不需要的，故在图中用虚线表示。图4 自由水蓄水库结构图 由于饱和坡面流的产流面积是不断变化的，所以在产流面积上自由水蓄水容量分布是不均匀的。三水源的水源划分结构是采用类似于流域蓄水容量面积分配曲线的流域自由水蓄水容量面积分配曲线来考虑流域内自由水蓄水容量分布不均匀的问题。所谓流域自由水蓄水容量面积分配曲线是指：部分产流面积随自由水蓄水容量而变化的累计频率曲线。流域自由水蓄水容量面积分配曲线的线型为 ( 14 ) 式中 为流域单点自由水蓄水容量；为流域单点最大的自由水蓄水容量；为流域自由水蓄水容量面积分配曲线的方次；其余符号同前。流域自由水蓄水容量面积分配曲线与各水源的关系描述见图5。图中，为流域自由水蓄水容量对地下径流的出流系数；为流域自由水蓄水容量对壤中流的出流系数。图5 自由水蓄水容量面积分配曲线与各水源关系图由（14）式和图4，计算公式为 ( 15 ) 对(15)式积分得 ( 16 ) 当时，将其代入(16)式得 ( 17 ) 根据（17）式可求得流域单点最大的自由水蓄水容量为 ( 18 ) 与值相应得纵坐标值为 ( 19 ) 产流面积为 ( 20 ) 为了考虑上时段和本时段产流面积不同而引起的变化，包为民教授提出如下转换公式 ( 21 ) 当<，地面径流为 （ 22 ） 当，地面径流为 （ 23 ） 本时段的自由水蓄量为 （ 24 ） 相应的壤中流和地下径流为 （ 25 ） 本时段末即下一时段初的自由水蓄量为 （ 26 ）式中 分别为上一时段和本时段的产流面积比例。在对自由水蓄水库进行水量平衡计算时，通常是将产流量作为时段初的入流量进入自由水蓄水库的，而实际上它是在时段内均匀进入的，这就会造成向前差分的误差。这种误差有时会很大，需要认真对待和解决。解决的方法是：每个计算时段的入流量,按为一段划分为段，即 （ 27 ） 计算时段划分为段，按作为时段长进行水量平衡计算，这样处理就可以大大地减小因差分所造成的误差。由于产流面积是随着自由水蓄水容量的变化而变化的，当计算时段长改变以后，它也要做相应的改变。改变后计算时段和产流面积分别用和表示，则 ( 28 ) 由于自由水蓄水库的蓄水量对地下水的出流系数、对壤中流的出流系数、地下水消退系数和壤中流消退系数都是以日(24h)为时段长定义的，当计算时段长改变以后，它们都要做相应的改变。若将一天划分为个计算时段，时段的参数值以和表示，则 ( 29 ) ( 30 ) 计算时段改变后，和要满足以下两个关系式，即 ( 31 ) ( 32 ) 3.2.2 流域汇流计算3.2.2.1 地表径流汇流 地表径流的坡地汇流采用线性水库模拟，计算公式为: ( 33 )式中 为地面径流消退系数，其余符号同前。 3.2.2.2 壤中流汇流 表层自由水侧向流动，出流后成为表层壤中流进入河网。若土层较厚，表层自由水还可以渗入到深层土，经过深层土的调蓄作用才进入河网。壤中流汇流采用线性水库模拟，计算公式为: ( 34 ) 式中 为壤中流；为消退系数；为壤中流径流量；为单位换算系数，。地下径流汇流 地下径流汇流采用线性水库模拟，计算公式为: ( 35 ) 式中 为地下径流；为消退系数；为地下径流量；其余符号同前。3.2.2.4 单元面积河网总入流 ( 36 ) 3.2.2.5 单元面积河网汇流 单元面积河网汇流可采用滞后演算法模拟,计算公式为: ( 37 ) 式中 为单元面积出口流量；为河网蓄水消退系数；为滞后时间。 需要指出的是，单元面积河网汇流计算在很多情况下可以简化。这是由于单元流域的面积一般不大而且其河道较短，对水流运动的调蓄作用通常较小，将这种调蓄作用合并在前面所述的地面和地下径流中一起考虑所带来的误差通常可以忽略。只有在单元流域面积较大或流域坡面汇流极其复杂的情况下，才考虑单元面积内的河网汇流。3.2.2.6 单元面积以下河道汇流 从单元面积以下到流域出口是河道汇流阶段。河道汇流计算采用马斯京根分段连续演算法。参数有槽蓄系数和流量比重因素，各单元河段的参数取相同值。为了保证马斯京根法的两个线性条件，每个单元河段取。已知、和，求出、和，即可用下式进行河道演算。 ( 38 ) 式中 分别为出流和入流。3.2.3 模型参数3.2.3.1 模型参数的性质与约值 （1）蒸散发能力折算系数KC。此参数控制着总水量平衡，因此，对水量计算是重要的。其中k1是大水面蒸发与蒸发器蒸发之比，有实验数据可查考。K2是蒸散发能力与大水面蒸发之比，其值在夏天约为1.31.5，在冬天约为1。K3用来把蒸发站实测值改正至流域平均值，因此主要决定于蒸发站高程与流域平均高程之差。当采用E-601蒸发器时，。 （2）流域平均张力水容量WM。分为上层UM，下层LM与深层DM三层。WM也就是流域张力水最大缺水量，表示流域的干旱程度。在我国南方约为100mm，北方半湿润地区约为170mm。UM包括植物截流，在缺林地可取5mm，多林地可取20mm。LM常取为6090mm。据实验，在此范围内蒸散发大约与土湿成正比。 （3）张力水蓄水容量曲线指数B。此值决定于张力水蓄水条件的不均匀分布，因此在一般情况下与流域面积有关。据山丘区降雨径流相关图的分析，对于小于5km2的流域，B=0.1；几百至一千平方公里时，B=0.20.3；几千平方公里时，B在0.4左右。 （4）不透水面积占全流域面积的百分比 IM。在天然流域此值很小，约为0.010.02，城镇地区则可能很大。 （5）深层蒸散发系数C。决定于深根植物的覆盖面积。据现有经验，在南方多林地区可达0.18，而对北方半湿润地区则约为0.08。 （6）自由水蓄水库的蓄水容量SM。SM受降雨资料时段均化的影响，当用日为时段长时，在土层很薄的山区，其值为10mm或更小一些。在土深林茂透水性很强的流域，其值可达50mm或更大一些，一般流域在1020mm之间。 （7）自由水蓄水容量分布曲线指数EX。它决定与表层自由水条件的不均匀分布。在山坡水文学里，它决定了饱和坡面流产流面积的发展过程。但由于缺乏研究，定量有困难，一般常取1.5左右。 （8）KG+KI（表层自由水蓄水库对地下水与壤中流的出流系数）。这两个出流系数是并联的，其和代表自由水出流的快慢。对于一个流域，它们都是常数。1000km2左右的流域，从雨止到壤中流止的时间，一般为3天左右，相当与KG+KI=0.7。 （9）地下水库消退系数CG。如以天为时段长，此值一般为0.980.998，相当于汇流时间为50500天。 （10）壤中流消退系数CI。当壤中流很丰富时，相当于汇流时间为10天。 （11）河网蓄水的滞后时间L与河网蓄水消退系数CS。它们决定于河网地貌。 （12）马斯京根法分段连续演算参数XE与KE。根据河道的水力学特性可以推求出来。3.2.3.2 模型参数的独立性、敏感性与相关性 由于缺乏实测与实验，所以在实用上只能依据实测流量过程，用系统识别的方法来推求模型参数，由于参数多，信息少而简单，所以参数的优化解就可能不稳定，不唯一，本参数的解与其他参数的值有关，互不独立。有的参数敏感，数量稍有变化对输出的影响就很大，而有的参数则反应迟钝，对输出的影响不大。这种敏感性常常是有条件的，如有的参数在湿季敏感，枯季不敏感，而另外的参数则反之。有的参数对高水敏感，低水不敏感等等。新安江模型的参数可分为如下4类：第一类：蒸散发计算，K，UM，LM，C；第二类：产流量计算，WM，B，IM；第三类：分水源计算，SM，EX，KG，KI；第四类：汇流计算，CI，CG，UH，KE，XE。它们之间具有以下的相关性： （1）第一、二类之间。当参数B有变化时，对产流量R的计算结果有影响，因此影响总水量平衡，也就影响第一类参数值的调试结果，这种作用很小；WM不影响蒸散发计算，但由于WM与B有关，因此间接产生一点影响；IM本身作用不大，影响很小。 （2）第二、三类之间。由于采用了蓄满产流概念，在分水源以前已把总产流算好，所以第三类参数完全不影响第二类参数。 （3）第三、四类之间。分水源计算结束后，求得的是河网总入流。汇流计算只处理河网汇流问题，与水源划分无关，故第三、四类参数在性质上是完全独立的。但第三、四类参数都只能根据流量过程线来优选参数，高水控制地面径流，决定了参数SM，EX，KG+KI，UH。低水控制地下径流，决定了参数KG/KI，CG。洪水尾部控制了壤中流，决定了参数KG/KI，CI。 在同一类参数中，各参数之间出存在一定的相关性： （1）第一类。加大UM、LM与C的值就会加大计算E的值，因此在作水量平衡调试时就会减小K的值，由于UM与LM都有一定的变化范围，所以这种影响有限。C值只对干旱期有作用，可以从干旱期的资料中分析出来，而在湿润地区很少用到深层蒸发，所以C值并不敏感。 （2）第二类。如果流域的张力水蓄水容量曲线不变，则WM愈大，B值就愈小，两者并不独立。WM只代表蓄满的标准，并不影响蒸散发计算，但WM值不能为负。因此当WM出现负值时，应加大WM，重新计算。 （3）第三类。这类参数是敏感和重要的，互相间的关系也比较复杂。SM与EX之间是不独立的，其关系相当与WM与B的关系，但WM与B的关系可以根据降雨径流相关图求出，而SM与EX的关系则没有类似的办法可以求解，因此只能依靠优检验的办法来分析。 （4）第四类。CI的作用是弥补KG+KI=0.7的不足。它决定于洪水尾部退水的快慢，与别的条件无关，因此是比较独立的，但它对于整个过程的影响不如SM与KG/KI明显；CG决定于低下退水的快慢，也是比较独立的，用枯季资料很容易把它推求出来。UH（或L及CS）决定于流量过程线的中高水部分，因此与第三类参数之间是比较独立的。此外，UH还与KE、XE之间有相关性，当单元面积的汇流快一些，河网汇流就可以慢一些，相互有补偿作用。3.2.3.3 模型参数率定 根据模型