（水文学及水资源专业论文）新安江模型与topmodel的比较及洪水预报系统的基本框架.pdf

摘要 国民经济的飞速发展，使洪水灾害造成的损失日益严重。洪水预报作为项重要的 防洪非工程措施，对防汛抗洪工作起着至关重要的作用。沙颖河流域地处河南省腹地， 由于地形和气候特点，使该区往往会形成高强度的暴雨，造成洪涝灾害，是河南省重要 的防洪地区之一。 介绍并初步讨论了由d e m 提取流域河网及地形指数的方法。基于分辨率2 5 m 网格 的中汤流域d e m 提取了中汤流域的河网和地形指数，生成的河网与蓝线河网基本接近。 将新安江模型与t o p m o d e l 应用于中汤流域，对模型计算结果进行误差评价并分析误 差产生的原因，比较了两种模型的相同性和差异性。由中汤流域应用两种模型的比较分 析可以看出，同样基于蓄满产流机制的新安江模型与t o p m o d e l 在中汤流域均有较好 的适用性，可以将此两种模型应用于中汤流域的洪水预报。探求了地形指数分布与流域 蓄水容量曲线的关系，由中汤流域地形指数分布推求出的该流域蓄水容量曲线，与新安 江模型率定出的流域蓄水容量曲线拟合程度较好。 洪水预报系统作为预报人员的作业平台，可有效地提高作业预报的质量和效率。简 述了洪水预报系统的组成部分及相应功能，初步构建了沙颖河流域洪水预报系统。利用 所建立的三水源新安江模型参数率定软件，对沙颖河漯河以上流域进行了日模和次模计 算，求出适合紫罗山、紫罗山一汝州区间、汝州一大陈区间、昭平台、昭平台一白龟山 区间、( 大陈+ 白龟山) 一马湾区间、官寨、孤石滩、( 孤石潍+ 官寨) 何口区间、( 马 湾+ 何口) 一漯河区间等1 0 个子流域的新安江模型参数。从误差分析可以看出，日模 型和次模型均有较好的模拟效果，可以将新安江模型应用于沙颖河流域的洪水预报系 统。 关键词：中汤流域；新安江模型；地形指数；t o p m o d e l ；洪水预报系统 a b s t r a c t t h el o s sc a u s e db yf l o o dd i s a s t e ri sb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys e r i o u sw i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to f n a t i o n a le c o n o m y a s a l li m p o r t a n tn o n - e n g i n e e r i n gf l o o dp r o t e c t i o nm e a s u r e ， f l o o df o r e c a s t i n gp l a y sa l li m p o r t a n tp a r ti nf l o o dc o n t r 0 1 b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co f t e r r a i na n dc t i m a t e ，h i g h - i n t e n s i t yr a i n s t o r m so f t e nh a p p e ni nt h es h a y i n g h eb a s i nl o c a t e di n h e n a n p r i v i n c e ，a n df l o o dd i s a s t e r sw e r eb r o u g h t s ot h es h a y i n g h eb a s i ni so n eo fi m p o r t a n t f l o o dc o n t r o la r e a si nh e n a np r o v i n c e t h em e t h o d so fe x t r a c t i n gb a s i nn e t w o r ka n dt o p o g r a p h i ci n d e xf r o md e mw e r e d i s c u s s e d t h e nt h en e t w o r ka n dt h et o p o g r a p h i ci n d e xw e r ee x t r a c t e df r o mt h e2 5x2 5d e m o f z h o n g t a n gb a s i n , t h ee x t r a c t e dr i v e rn e t w o r ka n dt h ea c t u a ln e t w o r kb a s i e a l l ya p p r o a c h 腮 t h ex a jm o d e la n dt o p m o d e lw e r ea p p l i e dt ot h ez h o n g t a n gb a s i n , t h ee r r o ro f c a l c u l a t e dr e s u l t sw a se v a l u a t e da n dt h er e a s o n so f c a u s i n ge r r o rw e r ea n s i y z c ：d t h e nt h es a m e a n dd i f f e r e n c eo ft h et w om o d e l sw a sd i s c u s s e d f r o mt h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so ft h e a p p l i c a t i o no ft h et w om o d e l s , i tc o u l db ef o u n dt h a tt h et w om o d e l s , t h a tb o t l lb a s e d0 1 1t h e s a t u r a t i o ne x c e s sm e c h a n i s m , a p p l i e dw e l li nz h o n g t a n gb a s i n s ot h e yc o u l db ea p p l i e dt o t h ef l o o df o r e c a s t i n gi nt h i sb a s i n t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i s t r i b u t i o no ft o p o g r a p h i c i n d e xa n dt h et e n s i o nw a t e rc a p a c i t yo u r v ew a sr e s e a r c h e d t h et e n s i o nw a t e rc a p a c i t yc n r v e g o t t e nf o r mt o p o g r a p h i ci n d e x f i t t e dw e l lw i t ht h a tc a l c u l a t e db yx a jm o d e l a st h ep l a t f o r mf o rf o r e c a s t e r s ，f l o o df o r e c a s t i n gs y s t e mc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v et h e q u a l i t ya n de f f i c i e n c yo ff o r e c a s t s a f t e rp r e s e n t i n gt h ec o m p o n e n t sa n dc o r r e s p o n d i n g f u n c t i o n so ff l o o df o r e c a s t i n gs y s t e m ，t h ef l o o df o r e c a s t i n gs y s t e mo fs h a y i n g h eb a s i nw a s c o n s t r u c t e d t h es i m u l a t i o n so fd a i l yf l o wa n de v e n tf l o o d si nt h e & t e a sb e f o r et h el u o h e s e c t i o ni ns h a y i n g h eb a s i nw e r ec a r r i e db yt h es o f tw h i c hw a sp r o g r a m m e df o rp a r a m e t e r s c a l i b r a t i n go fx a jm o d e l t h e nt h ep a r a m e t e r s ，w h i c ha d o p t e dt ot h et e ns u b b a s i n so f z i l u o s h a n , r u z h o u , d a c h e n , z h a o p i n g t a l ，b a i g u i s h a n , g n s h i t a n , g u a n z h a i ，h e k o l l ，m a w a n , l u o h e ，w e r ec a l c u l a t e d i ts h o w e dt h a tt h es e q u e n t i a ls i m u l a t i o na n dt h ee v e n ts i m u l a t i o n b o t hf i t t e dw e l lt oo b s e r v a t i o n sa c c o r d i n gt oa n a l y s i so f e r r o r s i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a tx a j m o d e lc a r tb ea p p l i e dt ot h ef l o o df o r e c a s t i n gs y s t e mo f s h a y i n g h eb a s i n k e yw o r d s ：z h o n g t a n gb a s i n ；x a jm o d e l ；t o p o g r a p h i ci n d e x ；t o p m o d e l ； f l o o df o r e c a s t i n gs y s t e m 学位论文独创性声明； 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ； 2 0 0 7 年易月幻日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所( 含万方数据库) 、国家图书馆、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印 件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许 论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学 研究生院办理。 论文作者( 签名) ：墨：盔盔2 0 0 7 年乡月刁日 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 随着我国国民经济的飞速发展，洪水灾害给人们造成的损失也日趋严重，已 成为制约我国经济社会可持续发展的主要因素之一，防洪减灾的任务艰巨而迫 切，国家和社会也越来越重视防汛抗洪工作。洪水预报作为一项非常重要的防洪 非工程措施，对防汛抗洪工作起着至关重要的作用。作为防汛斗争的“耳目”和 “参谋”，及时准确的洪水预报为正确作出防汛决策提供科学依据，在历次抗洪 斗争中取得了巨大的经济效益和社会效益，据统计，仅1 9 9 8 年水文情报预报的 直接经济效益超过8 0 0 亿元。 沙颖河流域地处河南省腹地，是河南省重要的防洪地区之一。由于地形和气 候特点，使该区往往会形成高强度的暴雨，造成浃涝灾害。该流域上游是山区， 中下游是平原，山区到平原的过渡带短，山高坡陡，源短流急，每逢洪水，蜂高 量大，而下游平原河道过水能力低，无法及时排泄上游大量的来水，因此往往形 成较大洪水灾害。如何解决这一矛盾历来是沙颖河流域防洪工作与规划研究的重 要内容。 建国以来，为了解决沙颖河流域的防洪问题，国家在沙颖河流域相继修建了 许多大中小型水库，大型水库有昭平台水库、白龟山水库、孤石滩水库、白沙水 库，修建了泥河洼滞洪区，疏通了河道，加固了堤防。所有这些工程措施在防洪 中都发挥了十分重要的作用。但受流域具体情况的制约，沙颖河流域的防洪形势 仍然十分严峻，洪水对下游流域的威胁仍然很大 在现有的工程条件下，如何充分发挥工程的综合效益，把洪水造成的损失减 少至最低限度，从而提高防洪效益呢? 这就要加强非工程防洪措旖的研究，实行 工程与非工程措施相结合的防洪减灾方案，更好的发挥现有工程的防洪作用，提 高防洪效益。 本文研究的目的即是在沙颖河流域现行洪水预报方法的基础上，根据沙颖河 流域的降雨、蒸发、下垫面、气候等自然特征，建立沙颖河流域洪水预报模型， 探索适合沙颖河地区的科学合理的洪水预报方案，快速进行洪水预报计算，提高 河海大学硕士学位论文新安江模型与t o p m o d e l 的比较及洪水预报系统的基本框槊 洪水预报的精度和预见期，为沙颖河流域的防洪减灾提供重要的决策参考依据和 技术支撑。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 洪水预报理论的研究进展 常见的洪水预报问题可分为河段洪水预报与流域降雨径流预报，前者指根据 河段上断面的水情预报河道下断面的水情，后者是根据降落在流域上的一场具有 时空分布的降雨来预报流域出口断面的洪水过程线。河段洪水预报的理论依据主 要是洪水波在河道中的运动规律，而流域降雨径流预报主要依赖于径流形成原理 或者说是产汇流理论。通常洪水预报并不单纯是河道或者流域，还有二者的结合 体，称为“河流一流域”洪水预报问题。由此可见，可以从了解洪水波运动理论 与产汇流理论的发展了解洪水预报理论的发展。 ( 1 ) 河道洪水波运动理论 人们关于河道洪水波的物理性质和分类的研究，从1 8 5 8 年k l e i t z 提出洪水 波是单斜上升波算起已有一个多世纪y t l l 。1 9 7 7 年，p o n c e 根据s t v e n a n t 方程组 中动力方程各项的对比关系，把洪水波分为运动波、扩散波、重力波、稳定动力 波、动力波等5 类【2 】。纵观洪水演算理论的发展理论，其研究大致沿着三条基本 途径【3 】：以圣维南方程为出发点的水力学途径，以水量平衡和槽蓄方程为基础的 水文学途径，以及应用系统分析方法的研究途径。水力学途径中应用较为广泛的 是运动波与扩散波模型。典型的水文学模型有马斯京根法、特征河长法、蓄量演 算法等。从马斯京根法的发展历程可以看出这两种研究途径之间的内在联系。 1 9 3 5 年至1 9 3 8 年，麦卡锡( m c c a r t h y ) 在美国总结了以“马斯京根法”著 称的洪水演算预报方法【4 l 。这个首先用水量平衡方程与槽蓄方程推导出的洪水演 算公式，在世界上众多河流上得到了广泛的应用。1 9 5 7 年，加里宁提出特征河 长的概念，并在提出该概念的第二年推导出马斯京根法中的参数x 与特征河长， 1， 的关系，x = 去一击，使x 的物理意义得以明释。1 9 6 9 年，法国水文学家康吉用 z 扎 运动波的有限差分形式推导出反映扩散波运动的马斯京根公式，称为马斯京根一 l， 康吉公式，同时证明了加里宁推论的x = 去一寺，表明工与洪水波的波速、扩散 2 第一章绪论 系数及河段长有关。马斯京根法从经验性的公式到现在探明其物理意义，正是水 文科学从经验性阶段向近代科学转变的一个典型例子 洪水演算的重要成就之一就是逐步找到了水文学途径与水力学途径之间共 同的物理基础，这两种途径在实际洪水演算中都有较好的应用，如何将水文学和 水力学两种途径相结合，取长补短，探求适于复杂河流，简单实用的洪水演算方 法，也是水文学感兴趣的问题之一 ( 2 ) 流域产流理论 最早的产流理论是由h o r t o n 在1 9 3 1 年提出，这就是著名的下渗理论嘲。1 9 4 0 年，h o r t o n 在对小面积人工降雨资料的基础上，得出下渗能力随时间呈指数变化 的经验公式，这一概念很快被推广应用。在此之后，又出现很多下渗理论，如 g r e e n - - a m p t 下渗理论，p h i l i p 下渗理论、h o l t a n 下渗理论网等。 六十年代以来，山坡水文学的研究给水文学带来了突破性的发展。其中提出 的壤中流与饱和坡面流的概念是古典h o r t o n 下渗理论中没有的，也是二者的基 本区别，其他的区别也由此产生。在此期间，赵人俊等通过对大量实测水文资料 的分析研究，得出了湿润地区以蓄满产流为主和干旱地区以超渗产流为主的重要 论点。 现在关于产流机制还有一些未被认识的领域，例如坡度、土层各向异性、非 饱和水流等对产流的作用至今还不太清楚1 7 1 。这就期待着水文科学的进步给这些 未知领域带来契机。 ( 3 ) 流域汇流理论 1 9 3 2 年，谢尔曼( s h e r m a n ) 在用单位线法由降雨推求径流i s 中，提出 了预报流域汇流的单位线法。1 9 3 8 年，美国斯奈德( s n y d e r ) 在文献“综合单 位线”中，提出了对短缺资料地区使用综合单位线的预报方法。左贺( z o c h ) 于 1 9 3 4 年首先提出瞬时单位线的概念，其后，克拉克( c o c l a r k ) 、纳须( j e n a s h ) 、 杜格( j c i d o o g e ) 、周文德( t v c h o w ) 、加里宁等进步发展了瞬时单位线。 这些都是有效并一直沿用至今的基本洪水预报方法。单位线方法属于集总式的黑 箱子模型，只要求系统反应，不管系统的状态，缺乏物理概念，因此在应用和发 展上受到了一定限制。 1 9 4 8 年维里卡诺夫提出了等流时线的概念，推导出描述出口断面流量组成 3 河海大学硕士学位论文新安江模型与t o p m o d e l 的比较及洪水预报系统的基本框架 规律的径流成因公式。它模拟了汇流过程。实际应用中，发现由等流时线得出的 结果往往比实际过程峰高且提前，其原因是等流时线没有考虑河道的调蓄作用。 克拉克方法等考虑河道的槽蓄作用，使用基于等流时线的一些改进方法，应用效 果较好。 地貌瞬时单位线理论是一条完全不同于概念性模型的研究途径，由 r o d r i g u e z - - i t u b e 和v a l d e s l 9 1 于1 9 7 9 年提出。它试图将地貌学的一些成果引入到 流域汇流计算中，考虑影响汇流的流域地貌特征和河道水力特征，导出流域汇流 单位线的分析表达式。地貌瞬时单位线认为降落在地面的水滴经由流域地貌扩散 作用和水动力扩散作用的双重作用，形成了流域出口断面流量过程线，较好地揭 示了流域汇流的物理本质f 1 1 。它被提出之后，经过不断地发展，现已可用于实际。 1 2 2 洪水预报模型的研究进展 流域水文模型的研究大约始于本世纪5 0 年代【姗，7 0 年代至8 0 年代中期是 其蓬勃发展时期。流域水文模型是对流域上发生的水文现象进行概化，将一些经 验规律加以物理解释，用数学方式表达出来，再把各个水文过程综合起来，形成 全流域的水量平衡计算系统。流域水文模型是水文科学与计算机科学相结合的产 物，是信息革命造就的水文科学的一个具有勃勃生机的研究领域【1 1 1 。据不完全统 计，目前全世界有一定使用价值的流域水文模型至少有7 0 个【1 2 1 。 现行的流域水文模型有很多，如s t a n f o r d 模型1 1 3 l 、t a n k 模型【1 4 1 和我国的 新安江模型【1 0 1 都是得到了广泛应用的模型。分析现行的流域水文模型，多为概念 性流域水文模型，模型的许多参数缺乏明确的物理意义，只反映有关影响因素对 流域径流形成过程的平均作用。而且，模型的很多参数靠优选获得，当所选用洪 水资料的代表性较差时，较难获得满意结果。 从实际应用要求出发，应将“实时”的概念引入了水文预报当中。“实时” ( r e a l - - t i m e ) 是计算机术语。控制理论上实时预测的核心技术是利用“新息” ( 当前时刻预报值与实测值之差) 为导向，对于系统模型或者对预报做出现时校 正。系统动态识别( 亦称参数自适应估计) 及卡尔曼滤波( k a l m a nf i l t e r i n g ) 就 是这类方法的代表。最早将卡尔曼滤波应用于水文预报的研究者是日本学者 h i n o ，他于1 9 7 0 年在论文“使用线性预报滤波器的径流预报”中提出【1 5 】，并在 1 9 7 3 年“水文系统的在线预报”中加以发展。1 9 8 0 年，凯特尼迪和伯拉斯发表 4 第章绪论 了论文“用概念性水文模型进行实时预报”0 6 1 ，报告了对美国天气局( n w s ) 模型进行实时化处理的第一个研究这一工作在1 9 8 2 年由波沙达( p o s a d a ) 和 伯拉斯在论文“一个大概念性降雨一径流模型的自动参数估计：一种极大似然法” 1 1 7 】中，推广到萨克拉门托模型中。 在国内，实时洪水预报技术也取得了一系列令人瞩目的成就。其中代表性的 研究成果包括：1 9 8 4 年，葛守西将卡尔曼滤波算法与蓄满产流模型结合，建议 以土壤含水量为状态变量，应用卡尔曼滤波技术单独对于产流预报进行动态实时 校正的新技术【埘，这是在国内概念性水文模型实现实时校正的技术上的一次重要 尝试；1 9 8 5 年，王厥谋、张瑞芳、徐贯午在“约束线形系统及其在汉江流域洪 水预报中的应用”一文中【1 9 1 ，介绍了我国从意大利引进托迪尼教授c l s 模型的 研究工作，我国对c l s 模型的产流计算进行改进，以蓄满产流模型代替原来的 产流门槛处理，构成c l s n 模型，经过在汉江流域试验预报精度令人满意：1 9 8 7 年3 月，朱华在“马斯京根法的矩阵方程求解法”一文q ，t 2 0 j ，对于一个可分为多 个子河段的长河段，以各子河段的出1 3 流量作为状态向量，将一个多河段的马斯 京根演算问题变为一个状态向量的递推问题，以各子河段出口断面流量作为状态 向量，再以单位阵作为观测矩阵构造观测方程，从而为使用马斯京根方法进行实 时预报提供了一个可用的模型形式。该方法在众多流域如黄河三花区间、鲁布革 水库的实时洪水预报中得到成功应用。 考虑到水文要素在空间上的变异性，自从1 9 6 9 年f r e e z e 和i - i a r l a l l l 2 1 1 第一 次提出了分布式水文模型的概念以来，分布式水文模型得到了越来越快的发展。 1 9 7 9 年b e v e n 等基于山坡水文学理论提出了t o p m o d e l 模型 2 2 1 ；1 9 8 6 年丹 麦水力学研究所、英国水文研究所和法国的s o g r e a h 合作开发了欧洲水文系 统模型s h e 2 3 1 ，该模型充分考虑了截留、下渗、土壤蓄水量、蒸散发、地表径 流、壤中流、地下径流、融雪径流等水文过程。分布式水文模型可以充分考虑参 数和变量的空间变异性，并考虑不同单元问的水平联系。因此，在模拟土地利用、 土地覆盖、水土流失变化的水文响应及面源污染、陆面过程、气候变化影响评价 等方面的应用中显出优势。此外，分布式水文模型容易解决参数间的不独立性和 不确定性问题，便于在无实测水文资料的地区推广使用【2 4 】。 随着3 s 技术和雷达测雨技术的不断发展，将d e m 、实时降雨以及与表达 河海大学硕士学位论文 新安江模型与t o p m o d e l 的比较及洪水预报系统的基本框架 土壤、植被、地质、水文地质等特性的参数进行时空耦合，在此基础上构建流域 水文模型，将是流域水文模型未来的发展趋势f 2 习。同时，新一代的水文模型将进 一步地与描述环境、生态、社会经济要素的模型耦合，变成更大和更高层次上管 理模型的一个组成部分。可以预料，随着信息技术和一些交叉学科的发展，流域 水文模型的发展将更加迅猛。 1 2 3 洪水预报系统的研究进展 洪水预报系统与计算机的应用密切相关，因此，计算机应用早的发达国家洪 水预报系统的发展走在前面。在国外，最早将水情信息处理与洪水预报计算机制 作直接联为一体的系统是从研制水文自动遥测洪水警报、预报系统开始的。从 5 0 年代开始，日本、美国、法国，英国等相继在本国的河流中研制出水文自动 测报系统。8 0 年代后，这种技术走向成熟和普及。这一类系统的共同特点是使 用遥测水文信息( 雨量、水位) ，直接实现联机洪水预报作业。它们属于第一代 洪水预报系统1 1 8 1 。 8 0 年代以后，由于控制理论的实时预报技术大量引入到洪水预报中来，实 现自动的实时校正，以解决单纯用数学模型计算以至在许多时候与实际出入过大 的问题。这种系统称为“联机实时预报系统”，从预报技术的角度看，比较第一 代系统有了实质的进步，可以划分它属于第二代的洪水预报系统。 1 9 8 9 年，美国天气局在河流预报系统( n w s r f s ) 第5 版上安装了交互式 预报程序( i f p ) 2 6 1 ，揭开了第三代洪水预报系统研制的序幕。该系统集成 n w s r f s 以往版本的优点，采用完全模块化的结构，预报算法独立于计算机系 统，利用图形交互处理技术对洪水预报数学模型的计算结果进行人工干预，从而 得到可以发布和实行河系连续预报的成果，保证了河系预报作业的连续性。至今， 美国天气局河流预报系统( n w s r f f s ) 已建成包含2 8 个常用的预报模型的预 报模型库，用户可任意选择所需模型用于构建预报方案。美国全国1 3 个河流预 报中心均广泛使用该系统。 我国洪水预报系统的应用较晚。1 9 8 3 年以后，为了加快洪水预报系统的应 用进程，开始引进国外技术设备。最早的一批系统有：黄河- n 峡一花园口区间 遥测系统，长江陆水流域预测系统，这两个系统均由美国天气局中介，招标购置 了美国s m 公司的全套商售系统，系统于1 9 8 5 年建成并投入运行。系统预报部 6 分是通用的萨克拉门托模型作业预报软件。 国内一些科研院所在借鉴引进的系统的基础上，在微机d o s 系统上开发了 一套从遥测数据处理到洪水预报、实时校正及水库防洪调度的功能较完备的遥测 预报系统，配合国产遥测硬件设备研制的进展，使遥测预报系统在我国迅速推广， 迄今国内引进与自产的此类系统总数已超过了2 0 0 个。 国家“八五”攻关科研中，葛守西等主持开发研制的“长江专家交互式洪水 预报系统”吸收了美国天气局系统的成功经验，采用图形工作站为工具，不仅再 现了该系统的主要功能，而且在交互处理模式上进行了进一步的开拓，从总结长 江数十年洪水预报的专家经验入手，选择其中最有效的定量分析经验，将其规范 化、计算机化，设计出一批全新的交互处理模式网，获得了同行专家的高度评价。 1 3 本文研究内容及主要技术路线 本论文拟在河南省沙颖河流域利用新安江模型进行流域洪水预报项目的基 础上，对相关的洪水预报问题进行系统、深入的研究，作为本人的硕士论文。论 文的目的旨在探索适用的沙颖河流域洪水预报模型，并期待获得较高的洪水预报 精度。 本文研究的主要内容包括：根据中汤流域d e m 资料，提取流域水系，计 算常用的地貌参数。通过新安江模型与t o p m o d e l 模型在中汤子流域的对比 研究，找出模型的相同点与不同点，以便在生产实践中，根据不同的地理气候水 文条件采用不同的模型。提出构建沙颖河流域洪水预报系统的思路和方法。 将沙颖河漯河以上流域划分为l o 个子流域，率定各子流域的新安江模型参数， 并对所建立的洪水预报系统的合理性进行验证。 为达到上述研究目的，本论文拟采用以下技术路线： ( 1 ) 新安江模型与t o p m o 扎模型的应用比较。 由中汤流域的数字高程模型( d e m ) ，应用r i v e r t o o l s 软件自动生成河网， 应用v i s u a lb a s i c 计算机语言编程计算该流域的地形指数，并最终计算 t o p m o d e l 计算时所需要的地形指数分布曲线。 应用中汤流域资料率定和验证新安江模型和t o p m o d e l 模型的参数，根 据模拟效果，对比分析两个模型的异同点，找出误差的原因，讨论模型的适用性。 河海大学硕士学位论文新安江模型与t o p m o d e l 的比较及洪水预报系统的基本框架 ( 2 ) 初步建立沙颖河流域洪水预报系统 提出构建沙颖河流域实时洪水预报软件的思路和方法。 将沙颖河漯河以上流域划分成1 0 个子流域，根据1 9 7 9 1 9 9 8 年的实测水 文气象资料，率定新安江模型参数，并分析其在沙颖河流域的适用性。 1 4 研究区域流域概况 1 4 1 自然地理概况 沙颖河水系发源于河南省伏牛山山脉的外方山，是淮河的一条最大的支流， 它自西北向东南流经河南的中部地区进入安徽省西部，在安徽省阜阳市的沫河口 汇入淮河。流域跨河南、安徽两省，流经平顶山、漯河、周口、阜阳等四十个市 县，总流域面积3 9 8 7 7 k m 2 ，干流全长6 1 9 k m 。沙颖河由沙河和颍河于周口汇流 丽成，其主要支流有北汝河、澧河、颍河、贾鲁河( h i 运河) 等。沙河在平顶 山以上为上游，流经丘陵山区，河床比降大，不稳定，河道蛇曲多弯：平项山至 漯河河段，地势渐趋平坦，河道轮廓平顺，河床明显成“u ”形；漯河以下为平 原河道，河谷逐渐增深，河道平顺稳定，河床比降约为1 6 5 0 0 3 5 0 0 0 ，河床底 质为泥沙质。 本论文研究区域位于沙颖河上游区，具体指漯河市以上沙颖河干支流河道的 集水区域，其中颖河集水区域不包括白沙水库以上集水面积，颖河河道以漯河市 郾城县境内京广铁路为下游界限。该区位于东经1 1 1 。5 77 1 1 4 。0 2 ，北纬 3 3 。0 4 3 4 。2 5 。区内沙河集水面积为1 2 1 5 0 k m 2 ，颖河集水面积2 9 9 2k m 2 ， 总集水面积1 5 1 4 2 k m 2 ，其中山丘区面积约占7 8 ，平原区面积仅占2 2 。 1 4 2 暴雨洪水特性 沙颖河上游区分别与黄河流域及长江流域毗邻，位于南北方气候过渡地带， 属大陆性季风气候1 2 8 1 。年平均降水量6 5 0 1 4 0 0 m m ；区域内气温相差甚大，在 西部山区年平均气温1 0 7 1 2 9 c ，而在东部平原区年平均气温1 4 5 c 1 4 9 。冬春季节，在大气环流形势影响下，区内气候受蒙古冷高压控制，盛行干冷 的西北季风，气温偏低，降水偏少。夏季，蒙古冷高压北撤消失，转而受太平洋 副热带高压控制，盛行偏南或东南季风，并带来了太平洋副热带洋面上的大量水 汽，加之太阳辐射的增强，气温增高，极易形成暴雨；有时印度洋孟加拉湾水汽 3 第一章绪论 i i 自西南输入该区，也会引起局部或大面积降水，因此，夏季降水显著偏多。秋季。 副热带高压南退减弱，蒙古冷高压南进入侵，气温下降，降水减少，此时，南北 方冷暖气团时有交绥，也会形成较大降水，但强度明显减少。 降水受副热带高压活动的影响，5 月至6 月上旬，沙颖河水系进入汛期，但 晴好天气较多嗍。6 月中旬至7 月上旬，较常出现降水天气，且时有暴雨发生。 7 月中下旬，该区受雨带北移的影响，常出现暴雨天气。7 月底至8 月，沙颖河 上游经常受台风、东风波等影响，也容易引起暴雨。因此，7 、8 月份区间内降 水最为集中。特别是7 月下旬至8 月上旬，出现的暴雨不仅场次多，而且量级大， 最易引起洪涝灾害。如1 9 7 5 年8 月上旬在澧河支流干江河上游发生的特大暴雨， 最大点雨量发生在郭林站。2 4 小时最大降水量达1 0 5 0 m m ，, 4 8 小时达l1 5 4 m m ， 7 2 小时达1 5 1 7 m m 。致使干江河发生罕见的特大洪水，官寨站洪峰流量达 1 2 1 0 0 m 3 s 。又如1 9 8 2 年7 月底发生在北汝河上游的特大暴雨，暴雨中心拍路站 2 4 小时最大降水量达6 5 5 3 m m ，4 8 小时达7 7 0 1 m m ，7 2 小时达8 1 5 2 m m ，致使 紫罗山站出现有史以来最大洪峰流量7 0 5 0 m 3 s 。该区这两场稀遇暴雨皆是由台风 和其他天气系统相遇而形成的。副热带高气压在9 月上旬急速南撤，降水量及雨 强明显减少。 沙颖河上游区受气候条件影响，降雨量年内分配极不均匀。降雨多集中在汛 期6 9 月，其中7 、8 两个月，降水量最集中，约占全年降水量的4 2 2 s l 。同 时，受太阳辐射及大气环流等因素的综合影响，降水量年际变化较大。沙颖河上 游区多年平均年降水量受大陆性气候及地形影响，地理分布不均。多年平均年降 水量总体分布是南部大于北部，即在地理经度相近的地域上，多年平均年降水量 自南向北渐减。位于区域南部的沙河、澧河及干江河诸河，明显有着从上游山区 向下游平原区递减的趋势。靠近区域北部的颖河，由于流向呈西北东南向，下游 位置偏南，水汽含量较充沛，因而降水量分布为下游大于上游。位于区域中部的 北汝河，源远流长，且于中游临汝站处河流转折成西北东南流向，因而北汝河上 的降水分布为：临汝站以上自上而下递减，临汝站以下自上而下递增。该区沙河 上游山区为多年平均年降水高值区，最大值发生在坪沟站，多年平均年降水量为 1 4 0 0 5 m m 。该区多年平均年降水低值区发生在颢河及北汝河的低山丘陵河谷地 带，颖河禹县站及北汝河临汝站，两站地理纬度相近，多年平均年降水量也相近， 9 河海大学硕士学位论文新安江模型与t o p m o d e l 的比较及洪水预报系统的基本框架 分别为6 5 6 。5 m m 及6 5 6 8 m m ，为我区多年平均年降水量低值。多年平均年降水 量在西南山区变化梯度较大，而在东北部变化梯度减小。 1 4 3 基础水文资料 ( 1 ) 沙颖河流域水文资料 采用沙颖河流域l o 个水文站1 9 7 9 1 9 9 8 年的流量及相应的降雨、蒸发资料 进行新安江模型日模、次模的参数率定，各个子流域采用的雨量站及其权重如表 1 1 所列，站网分布图见图1 1 。 圈1 1 沙颖河澡河以上流域雨量站分布圈 l o 露浔甫 袁l l 沙颖河流域雨量站权重及蒸发站表 流域名 雨量站权重流域名雨量站权重 两河口 0 4 1 金汤寨0 1 8 付店 o 2 3 治平0 2 4 紫罗山 黄庄 0 1 l官寨 独树0 2 1 紫罗山 o ，1 0 5 小史店0 2 6 篓子沟 0 1 4 5 官寨o 1 l 蒸发站 紫罗山蒸发站孤石滩 流域名雨量站权重 流域名雨量站权重 二郎庙o 1 3 下孤山0 0 6 l 中汤o 1 i l 昭平台0 1 3 4 下汤0 0 7 5大营0 0 8 2 鸡冢0 0 8 6嗤阳0 0 7 5 昭平台一自龟山 昭平台 坪沟0 1 2 2鲁山o 2 1 9 区同 瓦屋0 1 9 8宝丰0 0 6 5 下孤山o 0 7 8澎河0 1 4 3 白草坪 o 1 1 4 达店0 1 4 6 昭平台 0 0 3 6 自龟山0 0 7 5 蒸发站 昭平台蒸发站白龟山 流域名雨量站 权重 流域名 雨量站权重 紫罗山o 0 4 2 马湾 0 3 ( 马湾+ 何口) 一漯河 寄料街0 崩7潆河o r 4 区间 临汝镇 0 0 9 3 何口o 3 汝州0 2 2 2蒸发站漯河 紫罗山一大陈 韩店0 0 9流域名 雨量站权重 神后o 0 9 7 ( 大陈+ 白龟山) 一马湾 自龟山 o ，5 区间 邦县0 1 3 5 区问 马湾 0 5 襄城0 0 4蒸发站漯河 大营o 0 7 8流域名雨量站 权重 宝丰o m 6 5 四里店 o 3 9 2 禹州0 0 4 l孤石潍拐河0 3 5 2 蒸发站紫罗山孤石滩o 2 5 6 流域名雨量站权重蒸发站孤石滩 官寨o 2流域名雨量站权重 ( 孤石滩+ 官寨) 何口 孤石滩 o 2 紫罗山o 2 5 旧县0 2 紫罗山一汝州 寄料街o 2 5 区间 保和o 2 区问 临汝镇0 2 5 何口 o 2 汝州o 2 5 蒸发站何口 蒸发站 紫罗山 河海大学硕士学位论文 新安江模型与t o p m o d e l 的比较及洪水预报系统的基本框架 ( 2 ) 中汤流域概况及资料情况 中汤位于河南省鲁山县赵村乡中汤村，地理位置东经1 1 2 0 3 4 ，北纬3 3 0 4 5 ， 集水面积4 8 5 k m 2 ，属于沙颖河流域一部分。模型计算时采用二郎庙、中汤、坪 沟和白草坪四个雨量站的水文资料，其中，四个站多年平均降雨量分别为 9 4 0 0 m m 、1 3 7 0 1 m m 、8 9 3 3 m m 、9 6 2 5 m m ，四个站的位置、权重及马斯京根河 段数见表1 2 ： 表1 2 中汤流域雨量站情况表 站名站码东经 北纬权重河段数 二郎庙5 1 6 3 01 1 2 0 2 3 3 3 0 4 5 0 3 4 22 中汤5 1 6 3 l1 1 2 0 3 4 3 3 0 4 5 7 o 2 1 10 坪沟5 1 6 3 41 1 2 0 2 8 3 3 0 4 2 0 2 3 ll 白草坪5 1 6 3 71 1 2 0 2 9 3 3 0 4 9 0 2 1 62 选用中汤流域1 9 7 9 1 9 9 0 年的水文资料用于降雨径流模拟。另有中汤流域 分辨率为2 5 m 的d e m ，栅格矩阵为1 1 1 2 x1 4 9 3 行列。 2 1 概述 第二章模型的选用 流域水文模型在进行水文规律研究和解决生产实际问题中起着重要的作用。 随着现代科学技术的飞速发展，以计算机和通信为核心的信息技术在水文水资源 及水利工程科学领域的广泛应用，使流域水文模型的研究得以迅速发展。对防洪 减灾，流域水文模型是现代实时洪水预报调度系统的核心部分，是提高预报精度 和增长遇见期的关键技术；对水资源可持续利用，流域水文模型是水资源评价、 开发、利用和管理盼理论基础；对水环境和生态系统保护，流域水文模型是构建 面污染模型和生态评价模型的主要平台此外，流域水文模型还是分析研究气候 变化和人类活动对洪水、承资源、和水环境影响的有效工具。 根据沙颖河流域的自然地理概念和流域特征，选用新安江模型和 t o p m o d e l 作为该流域的洪水预报模型。 2 2 新安江模型 新安江模型是河海大学( 原华东水利学院) 水文系在1 9 7 3 年对新安江水库 作入库流量预报时提出来的概念性流域降雨径流模型。新安江模型把全流域分成 许多个单元流域，对每个单元流域进行产汇流计算，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，把各个单元流域的出流过程相加，求得流 域的总出流过程【1 0 1 。模型的核心是蓄满产流及基于流域蓄水容量曲线的计算模 块。模型主要适应于湿润与半湿润地区，计算精度较高，在国内外水文预报工作 中有较好的应用【嚣】。 2 2 1 模型结构 新安江( - - 水源) 模型的流程图见图2 1 所示p o 】。图中输入为降雨p 和水面 蒸发e m ，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， 方框外是模型参数。模型主要由四部分组成，即蒸散发计算、产流量计算、水源 划分和汇流计算。 河海大学硕士学位论文 新安江模型与t o p m o d e l 的比较及洪水预报系统的基本框架 图2 1 新安江( 三永潦) 模型流程图 ( 1 ) 蒸散发计算 新安江( 三水源) 模型中的蒸散发计算采用三层蒸发计算模式，输入是蒸发 皿实测水面蒸发，参数是流域上、下、深三层的蓄水容量蹄删jw l m , w d m ( w m = w u m + w l m + w d m ，w m 为流域蓄水容量) 、流域蒸散发折算系数k 和深层蒸散发系数c 。输出是上、下、深三层时变的流域蒸散发量e u e l 、e d ( e = e u + 觑+ e d ) 和各层时交的流域蓄水量形队w l 、w d ( w = w u + w l + w d ) 。以上层、形分别表示时变的流域蒸散发量和流域蓄水 量。各层蒸散发的计算原则是，上层按蒸散发能力蒸发，上层含水量不满足蒸发 能力时，剩余蒸散发能力从下层蒸发，下层的蒸发量与蒸散发能力及下层蓄水量 成正比，并要求计算的下层蒸发量与剩余蒸散发能力之比不小于深层蒸散发系数 c 。否则，不足部分由下层蓄水量补给，当下层蓄水量不够补给时，用深层蓄水 量补给。三层蒸散发的计算程序框图见图2 2 。其中朋= ，一e 。所用公式如下： 当p e + w u e p 时， 昱u = e p , e l = o ，e d = 0 ( 2 - 1 ) 当p e + w u e p 时， e u = p e + w u ( 2 - 2 ) 若耽c x w l m ，则 1 4 第二覃模型的选用 e l = ( e p e u ) 丽w l ，e d = o ( 2 - 3 ) 若w l c x w l m 且w l c ( e p - e ，则 e l = c x ( e p e u ) e 1 ) = 0 ( 2 _ 4 ) 若耽( c w l m 且脱 0 时，则产流；否则不产流。产流时， 当p e + 4 吒，则 拈胁w m + + w m ( 1 - 学 ( 2 9 ) 当p e + 4 吒