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降雨径流预报方案的设计研究

排行榜 收藏 打印 发给朋友 举报 来源: 水力发电 发布者:cjk3d
热度81票 浏览44次 时间:2015年4月07日 16:05

2C6K6p}EruTF0作者:吴星鑫 陆宝宏 赵超 邓山 徐琨 毛豆 崔冬梅水利新闻#a{|~I!o7~gv

3M r,Im5YZ0摘要:为了对小流域的降雨径流预报方案进行研究,选取湖南省面积为22.1 km2 的清水流域为研究对象,产流方案采用C 语言编写的程序来实现。对产流方案所模拟的13 场洪水进行分析,模拟结果均较好,合格率为83.3%;汇流方案根据降雨历时以及汇流时段的不同,有2 条单位线可供选择,用于复核单位线的洪水都取得了较好的模拟结果。设计的降雨径流预报方案在清水流域是完全适用的。

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G-u;Ea}"o xX0关键词:产流方案;单位线;汇流方案;清水流域

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Design of Rainfall-runoff Forecasting Program水利新闻+h Pu+k*G`|4R

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WU Xingxin1, LU Baohong1,2, ZHAO Chao1, DENG Shan1, XU Kun1, MAO Dou1, CUI Dongmei1水利新闻~OP4q;F!JP0n

R;o"X A.S#|D5u,{B0Abstract: In order to research the rainfall-runoff forecasting program of small watershed, the Qingshui River Watershed with a area of 22.1 km2 in Hunan Province is selected as study case, and the runoff generation program is achieved by C language program. The simulations of thirteen floods by runoff generation program show that the results are good and the pass rate is 83.3%. Since the rainfall duration periods and the flow time of concentration are different, there are two unit hydrograph to be chosen in flow concentration program. The simulations of floods by flow concentration program have achieved a relative good result. This rainfall-runoff forecasting program is completely applicable in Qingshui River Watershed.

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Key Words: runoff generation program; unit hydrograph flow; concentration program; Qingshui River Watershed

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P$fH9m m^0中图分类号:P338.1 文献标识码:A 文章编号:0559-9342(2014)07-0018-04

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V]pD:\ _:^7U GQ0湖南省地处南方湿润地区,省内主要分布着湘、资、沅、澧四水系和长江的调蓄湖泊洞庭湖,是我国洪水灾害频发区之一。在大部分地区,尤其是湿润地区,降雨是形成洪水的主要成因;所以研究降雨径流规律尤为重要。本研究降雨径流预报方案的设计以湖南省清水流域为研究对象。该流域站网分布密集,观测时间长,观测项目多,为研究提供了充分的分析数据。清水流域是小流域,一些影响产流的因素能突出反映,并且地处偏僻,人为的影响较小,能够很好地反映自然状态下降雨和径流之间的关系以及形成过程的机理。水利新闻[+X/]*o E,Rc h

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1 研究流域概况水利新闻i].{-}/^iuZ6nU"K

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清水流域位于湖南省浏阳县北部边沿,年平均气温16.7~18.2 ℃,年降水量1 457~2 247 mm,平均风速20 m/s。降雨年际、年内分配不均,约45%的雨量集中在每年的4 月~6 月;且降雨存在地域差异,雨量垂直差异尤为明显,总体为山上比山下多,山区比溪谷平原、丘岗多,北坡比南坡多。

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,ITr A7f:u8xT@-~Q02 产流方案水利新闻 ?%cJZ LS9P K

ZNZ(] v02.1 产流模式论证

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q,}.As5G/L0流域地理、气候等特征存在差异,因而流域降雨产流机制会不同。通常把降雨产流过程分为超渗产流和蓄满产流两种基本模式。清水流域属于南方湿润地区,其产流方式选择为蓄满产流模式。

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2.2 产流参数

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t&`,ti8G8j0蓄满产流预报方案共有六个参数:蒸发折算系数K、流域平均蓄水容量WM、上层土壤含水容量WUM、下层土壤含水容量WLM、流域土壤含水量分布曲线指数b 和蒸发扩散系数C。

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aYMIjf02.2.1产流参数初值的确定水利新闻6C`UpR$K2U+l

C0NJ+je\lT^0产流参数的初值主要是根据参数的物理意义和水文观测资料来分析确定:b 初值一般经验获得,在南方湿润地区取0.3~0.4。c 的初始值对蒸发的影响也不大,一般取0.15。其中WUM,WLM,WDM分别大约占流域平均最大土壤蓄水容量WM 的30%、50%和20%。一般情况下,K 值的计算精度会受到资料观察精度的影响,且受到选择时段长度和季节的影响,所以应该选择多个时段、不同季节计算求得K 值,然后取其平均值作为初值。WM 反映流域的可能最大缺水量。据此物理意义,可从历史资料中选择一次前期土壤十分干燥的降雨所引起的大洪水资料,使其初始土壤含水量尽量的接近于零,而次雨洪之后土壤含水量尽量地满。即认为,土壤含水量由零开始计算,直到降雨把土壤蓄满为止。在湿润地区,找连续几个月干枯的时候一般比较困难,土壤不可能蒸发到最干枯的时候;所以一般算出来的WM 都会比实际值偏小,所以要再根据实际的情况凭借经验加一定的量来进行修正。本流域的WM 计算表见1,初始值WM=110 mm。

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A-HeY;RG3J\%I02.2.2产流参数的率定

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所有的参数初值(见表2)都要根据预报方案的精度来进行修正,只有预报值与实测值的系统误差最小才是最优的参数。经过产流阶段的反复分析和对用C 语言编写的产流程序的调试,最终得出最优的参数值(见表2)。水利新闻p(xHw'T Z!^-J M

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2.3 预报方案模拟目的与结果水利新闻L@&[lNl/h$h5_

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产流阶段选取次雨洪的目的:一,通过次雨洪径流深预报值与实测值的比较,来评定产流阶段预报方案的精度;二,汇流阶段进行单位线和汇流等的计算。因此,场次洪水的选取要基于以下原则:雨量比较集中,前后期没有降雨,降雨时段尽量少;洪水过程线为单峰,起涨点较低,退水段较完整的洪水。为了所选洪水具有代表性,所选洪水场次中应包括大、中、小以及复峰等4 种情况的洪水。这样有利于分类综合和不同情况的比较。各场次洪水的模拟结果见表3。水利新闻*dGOl:Y!S

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3 汇流方案

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3.1 次雨洪的选取水利新闻%{.D+K Jq3| M

$h9n;[-g:|4\#E0汇流分析计算中次雨洪的选取与产流计算中的原则是一样的,但是要求更高,流量过程线的绘制要用逐时资料。次雨洪退水曲线的绘制是用相邻或相似洪水的退水段去接本次洪水的退水过程。这样处理的假定是相同量级的洪水在退水段是相同的,虽然不能完全消除误差,但相比综合退水曲线的精度提高了很多。对于分割直接径流和地下径流,本设计采用的是斜线分割法。其基本思路是先寻找洪水过程的直接径流终止点,然后用斜线连接起涨点与终止点,则斜线上部为直接径流,下部为地下径流;然后分别进行实测地表地下径流的计算。

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qm(h+a%\m|r03.2 单位线的推求

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本次汇流方案单位线推求共选择了6 场洪水,最终考虑降雨过程与洪水过程以及资料代表性等多种因素,采用19740502 (单位线1)和19750308(单位线2)两场洪水推求的单位线供汇流使用:若降雨持续时间短,汇流时段为3 h,则选取单位线1;若降雨持续时间长,汇流时段为6 h,则选取单位线2。水利新闻S9RxJ)nP ?z7t

%f!gV4m&s)BrdT-nG0本汇流方案中地表径流通过地表单位线推求,地下径流的计算采用简化三角形的方法进行分析计算,表4 为19740528 和19750308 号洪水稳定下渗率fc 和时段地面净雨Rs’的计算表。

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tu1~qQ[dWFHw0由于流域水流运动的非线性及实测资料与净雨过程、径流过程的计算等都会有误差,因此初始得到的单位线不是最优单位线,需对其进行修正,修正时应保证单位线的净雨为10 mm。以修正后的单位线为初始值进行试错,根据误差最小的原则,使单位线推流的结果与实测值最为接近,以取得单位线的最优解。两场洪水单位线过程图和实测与预报流量的比较见图1~图4。水利新闻-fc9@+I.e B{ P7s

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3.3 汇流方案复核水利新闻~Qh ?c-T4y

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在修订单位线的基础上,选了4 场洪水分别对单位线1 和单位线2 进行复核(见图5 和图6)。

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x;T6rS7@F%E6{3q+A04 预报方案误差分析

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+r{(@1l g-Bq.y04.1 产流方案误差分析

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+@@az$| V4S8T0从表3 产流方案在清水流域的洪水模拟特征值可以看出,研究所选的13 场洪水中,径流深预报的合格率为83.3%,其中径流深相对误差超过10%的有3 场洪水:小洪水1 场、复峰洪水2 场;只有1场复峰洪水的径流深相对误差超过20%;大洪水以及中洪水的预报结果都比较好。其产生误差的原因主要有以下几个方面:

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4d1j%K:sZAt0}0(1)在计算雨量站权重时有一定的误差,导致计算出的清水流域面平均雨量有一定的误差,致使产流量计算产生误差,且面平均雨量的计算误差是产流量误差的主要影响因素。水利新闻LY Ej{8R4Xj

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(2)产流参数的影响。产流参数是根据调试程序的结果来进行优化的,虽然率定的参数是最优的,但还是有一定的误差。水利新闻S^)A/PY"r}

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(3)虽然计算出了各雨量站的权重,但是降雨量在空间上分布的不均匀同样会导致计算产流量的误差,同样降雨量在时间上的分布不均匀也会给产流量的计算带来一定的误差。

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${l3xXf04.2 汇流方案误差分析

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!P(?GT#EW#]0根据降雨历时以及汇流时段的不同选取不同的单位线进行汇流计算。从图5、图6 中可以看出复核洪水实测与预报流量虽然有一定的误差,但是都取得了比较好的模拟结果;选取的单位线1 和单位线2 在清水流域是完全适用的。汇流方案产生误差的原因分析:水利新闻/tH`1Y*hsv

\q:n UD%`0(1)单位线倍比与叠加的线性假定与实际情况之间的差异是产生这次误差的主要原因。流域单位线并非固定不变,即使降雨空间分布均匀,对同一径流成分来说,也是随降雨强度变化而变化的。雨强越大,单位线洪峰越尖廋,峰现时间越早。水利新闻Mvh{c!?$]/i}3i

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(2)降雨分布和下垫面条件在空间上的不均匀性,导致净雨量在空间上分布的不均匀,对单位线具有显著影响。例如暴雨中心在上游时,流程长,受流域调蓄作用大,洪峰低,峰现时间迟滞;如果暴雨中心在下游,流程短,受流域调蓄作用小,洪峰高,峰现时间提前。同时,单位线还有随水源比重变化而变化的问题。

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(3)计算所带来的误差。单位时段净雨和实测径流深以及稳定下渗率计算中存在一定的误差,从而导致后面单位线以及推流的误差。这些误差是任何时候都存在的,只能尽力使其降低到最小。水利新闻S}L/|E

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5 结论

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BV2c`-Fx1Z0本降雨径流预报方案中,C 语言编写的产流方案程序所模拟的13 场洪水中,只有一场复峰洪水的径流相对误差超过20%,合格率为83.3%,预报精度为乙级。汇流方案中洪水过程线的预报精度主要取决于地表过程,主要是看洪峰的精度,洪峰的许可误差在实测值的20%内,且峰现时间的许可误差取预报根据时间至实际峰现时间间距的30%。因此,本方案在这些主要方面都是满足精度要求的,汇流方案的预报精度为甲级。

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作者简介:吴星鑫(1989-),男,江苏南通人,硕士研究生,研究方向为水资源规划与管理。

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