工程地质及水文第五章

1、研究对象： 本章研究水文现象的客观规律，利用现时已经掌握的水文、气象资料，预报水文要素未来变化过程。研究内容： 1.短期洪水预报； 2.枯水预报； 3.施工水文预报； 4.水文实时预报方法。研究目的 ： 在防汛工作中，及时准确的水文预报，是防汛抗洪指挥决策的重要科学依据；在水能、水资源的合理调度、开发利用和保护以及航运等工作中，都需要有水文预报作指导。第五章第五章 水文预报水文预报第一节 概述内容提要 1. 水文预报的重要作用； 2. 水文预报的分类； 3. 水文预报工作的基本程序学习要求 掌握预见期的定义及水文预报工作的基本程序。一、水文预报的作用 1、防止洪水灾害 2、水库管理 3、解决水

2、库防洪与兴利的矛盾 广东始兴县墨江河石俚坝段的富村湾电站闸坝 揭阳市区洪水水位与市区淹没情况模拟图揭阳市区洪水水位与市区淹没情况模拟图 长江武汉关水位出现罕见的“枯水”现象 黄河沿岸堤坝 内蒙古河段凌洪 长江水质污染严重 二、水文预报的分类按预报的项目：径流预报、冰情预报、沙情预报与水质预报；径流预报：洪水预报和枯水预报水位和流量。按预见期长短分：短期水文预报、中长期水文预报。预见期：分布预报与预报要素出现的时间间距。（水文预报的预见期决定于水文现象的性质，有一定限制。 ） 短期预报：由水文要素作出的预报（小时、1天.）中长期预报：包括气象预报性质在内的水文预报（旬、月、年） 思考题 1. 洪

3、水预报的预见期是 a、洪峰出现的时间 b、洪水从开始到终止的时间 c、从发布预报时刻到预报洪水出现时刻所隔的时间 d、从收到报汛站资料开始到预报的洪水出现所隔的时间三、水文预报工作的基本程序（1）制定预报方案：分析预报要素的形成规律，建立由过去的观测资料推算水文预报要素大小和出现时间的一整套计算方法，即水文预报方案。 A 收集水文、气象资料； B 建立预报模型即水文预报方案； C 对模型进行评定和检验允许误差；我国现行的水文情报预报规范（SL250-2000） （2）进行作业预报 水文气象信息-传送到预报中心-预报方案-水文预报要素大小和出现时间-信息发布 联机作业实时水文预报思考题:1.水文

4、预报方案的评定和检验，是 a、都用制定预报方案时的全部实测资料进行 b、都用作业预报过程中的时实测资料进行 c、用以上两种资料进行 d、用制定预报方案中使用的资料来进行评定，而用没有参加方案编制的预留资料进行检验。第二节第二节 短期洪水预报短期洪水预报内容提要 1. 河段中的洪水波运动； 2. 相应水位(流量)法； 3. 合成流量法； 4. 流量演算法； 5. 降雨径流预报。学习要求 掌握相应水位(流量)法、合成流量法和马斯京根流量演算方法。分类： 河段洪水预报和降雨径流预报 河段洪水预报以河槽洪水波运动理论为基础，由河流上游断面的水位、流量过程预报下游断面的水位和流量过程。 降雨径流预报方法

5、则是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。 基本思路：基本思路：以河槽洪水波运动理论为基础，由上断面入流洪水Z上，t、Q上，t预报河段下断面的洪水 、 tQ下，tZ下， 一、河段洪水波运动一、河段洪水波运动1. 河段洪水波：如图12-1，河段中涨落的波状水体，是渐变非稳定流，主要由暴雨引起 特征：波高：h1、h2 波长：A1C1、A2C2 附加比降： =洪水比降-稳定流的水面比降波前部分ii0，波后部分i0；落洪时， i =A1C1，h2h1。洪水波的扭曲：洪水波在传播过程中，波峰向它的起点逼近，波前长度减小，即S2C2A1S1，附加比降不断减小。因而波前

6、水量不断向波后转移。 2. 洪水波传播中的变形洪水波传播中的变形 洪水波的展开与扭曲是同时进行的。以上情况没有考虑区间入流和河道很不规则的影响3.3.洪水波与河流断面的水位、流量过程的关系洪水波与河流断面的水位、流量过程的关系 洪水波通过某一河流断面时，就形成那里的的水位、流量过程，波前通过时引起洪水上涨，波前的水面越陡，洪水涨的越快；波后通过则洪水回落。因此，一个断面的洪水过程线，在很多方面反映了洪水波的特征，如涨洪、落洪、水面比降、附加比降 二、相应水位（流量）法 根据河段洪水波运动和变形规律，利用河段上断面的实测水位（流量），预报河段下断面未来水位（流量）的方法，称为相应水位（流量）法。

7、tZ,下 相应水位与相应流量：相应水位与相应流量：同次洪水的上游断面水位过程线与下游断面水位过程线上同位相的水位Z上,t与 （ 河段的传播时间），互称为相应水位，如图12-2中1与1、2与2。类似地，Q上,t与 互称为相应流量tQ,下 下游同时水位：下游断面与上游断面同时间出现的水位Z下t称下游同时水位。对于一定的河段，它与Z上t一起可反映河段的水面比降、底水、回水顶拖等影响 相应水位（流量）法：根据相应水位（流量）原理，建立的用已知河段上断面的水位（流量），预报河段下断面的水位（流量）的方法（一）相应水位（流量）法的基本原理洪水波的传播与变形 用断面实测水位（流量）过程线资料，建立上、下游断

8、面水位（流量）间的相关关系，综合考虑了影响洪水波变形的各种因素 1对上、下游断面相应水位分析上断面 t1：1,tZ上 下断面 11,11tZt下：，1,tZ下 传播时间（预见期） ： 1 由实测资料找出1,tZ上与11,tZ下、1,tZ下和1， 分析它们之间的关系及变化规律 2对上、下断面的相应流量的分析 无区间入流 q区=0 lttQQQ-=,上下 lQ上、下游断面相应流量的差值，称为洪水 波的展开量，与 i 有关 有区间入流，0区q 区下qQQQltt-=,上, 在河段洪水特性分析的基础上，推求河段上下游断面相应水位（流量）的相关关系)(,ttQfQ上下= ),(,tttQQfQ下上下=

9、)Z,(,tttZfZ下上下= 3传播时间的分析 =uL L河段长度；u波速，洪波上某相位点的 传播速度，与水面比降、水深等有关，因此可建立 如下的相关关系 ),(),(iQfiZftt上，上，或 =， （二）无支流河段的相应水位预报 1. 简单的相应水位法预报洪峰水位 方案：ttZZ,下上， Z上，t 应用：洪峰水位（流量）预报 图12-3图12-4 2以下游同时水位为参数的相应水位法预报洪峰水位 方案：)Z,(,tttZfZ下上下=，),(,ttZZf下上= 应用 3以上游站涨差为参数的的相应水位法预报洪水过程 方案： -=ttttZZZZZfZ上，上，上上下，),( 或 -=ttttQQ

10、QQZfZ上，上，上上下，),( 应用 三、多支流河段相应水位（流量）预报合成流量法 如图12-6，下游站的预报流量主要是上游干支流相应流量之和形成的 预见期决定于上游各站传播最短的传播时间。一般是以干流的流量传播时间为预见期因此其相应关系为 )(1,t ,-=ntiiQfQ上下 -ntiiQ1,上上游干、支流相应流量之和； i上游干、支流各断面到下断面的洪水传播时间 四、流量演算法（马斯京根法）四、流量演算法（马斯京根法）基本思路：Q上t程联解水量平衡、蓄泄方Q下t （一）基本原理 如图12 -7 图12-7 式中Q上1、Q上2、S1和Q下1已知，还有两个未知数Q下2，S2 ，因此推求Q下2

11、还必须另外建立河段的蓄泄方程 河段水量平衡方程：对于时段t（t1t2） SSStQQtQQ=-=-122121)(21)(21下下上上 (12-3) S1、S2时段始、末河段蓄水量； Q上1、Q上2上断面时段始、末入流量(包括区间入流)； Q下1、Q下2下断面时段始、末出流量； 河槽蓄水量与泄流量关系方程蓄泄方程W=f（Q上，Q下）=f(Q) (12-4) 马斯京根法将该方程表达为Q上，Q下的线性组合 联解式（12-3）、（12-4），即可求得Q下t （二）马斯京根法（二）马斯京根法1. 马斯京根流量演算方程马斯京根流量演算方程 如图12-8所示，该法将槽蓄量S分为二部分柱蓄和锲蓄组成：图12

12、-8 柱蓄量=河段通过稳定流量Q下的槽蓄量SQ下=KQ下 K为稳定流情况下的河段流量传播时间 锲蓄量=x(SQ上-SQ下)=x (KQ上- KQ下) x楔蓄系数，或称流量比重因数则槽蓄量 S=SQ下+ x(SQ上-SQ下)= KQ下+ x (KQ上- KQ下) 亦 S=Kx Q上+(1- x) Q下 = K (12-17) = x Q上+(1- x) Q下= Q下+ x(Q上-Q下) (12-18) 示储流量（表示槽蓄量S相应的稳定流流量）QQQ式（12-7）与式（12-3）联解，即得马斯京根流量演算方程 1211202下上上下QCQCQCQ= （12-19） 其中 tKxKtKxKCtKxK

13、KxtCtKxKKxtC-=-=-=2121,2121,2121210（12-20） 可以证明 C0+C1+C2=1 确定 K、xC0，C1，C2 由 Q上t 求 Q下t 2. K K 和和x x 的确定的确定 马斯京根蓄泄方程的S 和 呈线性关系，表明 是S下的稳定流流量，所以，可假设x，作S 和 关系线，当为直线时，如图12-9，x即为所求，此时的直线斜率即为K值。具体计算，见例12-1，p211图12-9QQQ3. 3. 马斯京根法的几个问题与处理方法马斯京根法的几个问题与处理方法（1）K K 值的综合值的综合 分析多次洪水的K值，如果变化不大，可取平均值 如果K值变化较大，一般可按流量

14、分级，应用时，随预报流量的变化取相应的K值（2）x x 值的综合值的综合 x值一般变化不大，约0.20.45，可取多次洪水分析的平均值（3） 的选取 一般 ，最好取 等于河段的洪水传播时间K。如果难以满足，则可将整个河段按 分为n个河段，采用分段连续演算法计算（4）马斯京根法本身无预见期，一般利用降雨径流法预报出上断面Q上t，再用马法计算Q下t 。但取 时，C0=0，则有 的预见期四、降雨径流预报四、降雨径流预报 制定降雨径流预报方案根据降雨、蒸发进行洪水预报tKxtK2t= K/n2Kx=ttt时间 上 上 上 下 下 （月日时） (1) (2) (3) (4) (5) (6) . 250

15、250 . 310 72 135 58 265 . 500 116 167 61 344 . 1560 360 269 79 708 . 1680 388 839 164 1391 . 1360 314 904 321 1539 . 1090 252 732 356 1340 . 870 201 586 310 1097 . 730 169 468 253 890 . 640 148 3983 206 747 . 560 129 344 173 646 . 500 116 301 149 566 马斯京根洪水演算表 五、降雨径流预报 1、编制降雨径流方案 根据流域自然地理特征和实测资料条件,建

16、立流域产、汇流计算方案,如降雨径流相关图、单位线等。并对方案的预报精度进行评定和检验。2、作业预报 应根据实测时段降雨量或实测流量对预报的径流进行逐时段修正。 复习思考题1.洪水波的波速是洪水波上 a、某一断面的平均流速 b、某一位相点的运动速度 c、最大断面平均流速 d、某一水质点的运动速度2.对于一定的河段，附加比降影响洪水波变形，就洪峰而言，下述哪种说法是对的 a、附加比降愈大，洪水波变形愈大，传播时间愈短 b、附加比降愈大，洪水波变形愈大，传播时间愈长 c、附加比降愈大，洪水波变形愈大，对时间没什么影响 d、附加比降愈大，洪水波变形愈小，对时间没什么影响3.引起河槽洪水波变形的原因是

17、a、附加比降 b、区间径流 c、河网调蓄及断面冲淤 d、以上因素都有影响4.存在附加比降i是洪水波的主要特征，在涨洪时 a、 i =0 b、 i 0 c、 i 0.90 0.700.90 0.50.69 预报方案合格率是评定（检验）中计算值与实测值之差不超过许可误差的次数（m）占全部次数（n）的百分率（m/n100）。按其合格率可将预报方案划分为以下3个等级。 预报方案经评定达到上述甲、乙两个等级者，即可用于作业预报；达到丙等的方案用于参考性预报；丙等以下的方案不能用于作业预报，只能作参考性估报。等级 甲等 乙等 丙等 合格率 85 7084 6069 三、作业预报的评定三、作业预报的评定 作

18、业预报按每次预报误差 与允许误差 比值百分率（ ）的大小，分以下四个等级，评定时按此标准进行。许100/许预报误差/ 许可误差许 100 作业预报等级 优 良 合格 不合格 第五节 中长期水文预报简介一、预报方法与途径（1）天气学方法（2）天文地球物理因素方法（3）统计学方法 根据前期大气环流特征及表示这些特征的各种高空气象、天文地球物理要素因子如环流类型(如季风环流主要因子为太阳辐射的季节变化、海陆热力差异、青藏高原的热力和动力作用等)、环流指数、海温特征、火山爆发、太阳活动规律，太阳黑子相对数等，直接与后期的水文要素建立起相关关系，并按此关系对后期水文要素可能发生的变化情况作出预测。（3)

19、 数理统计方法 历史演变法 逐步回归分析 聚类分析法 降雨量相似分析法二、多元线性回归分析法1、预报因子的挑选2、预报方程的建立 Y=b0+b1X1+b2x2+.3、回归效果检验 复相关系数r第六节 施工水文预报内容提要 1. 坝址处流量预报；2. 围堰上、下游水位预报；3. 截流期水情预报学习要求 掌握围堰水情预报和截流期水情预报方法。一、围堰水情预报1、预报坝址处的流量 计算各级稳定流量Qi相应的水面曲线； 计算出上游为入库站，下游为坝址各级稳定流量Qi的槽蓄量Wi； 假定修筑围堰后，原马斯京根参数x值不变（修围堰后x值最好以实测资料分析而得），计算出示储流量Q，点绘WQ关系，推求出K值。

20、 求得修筑围堰后的演算公式，由于围堰上、下游两端距离很短，推算的流量可作为围堰上、下游的流量。2、围堰上、下游水位预报 拟定过水流量Q，查Qf(Z下)曲线得Z下； 由Z下值查Ac=f2(Z下)曲线得Ac，由此计算出Vc，并算出； 假定壅水高度Z，则得上游水位Z上=Z下+Z，由A上f1(Z上)曲线查得A上，计算出V上，并计算出； 按式（9-4-1）计算壅水高度Z，若计算出的Z与假定的Z相符，则试算完毕，否则重新计算。在枯水预报中常把退水曲线表示成相邻时间t的流量的相关关系： 2、前后期径流相关法枯水预报枯水预报 枯水：河流流量较小、水位较低的时期称枯水期，枯水期的径流称枯水。枯水的主要来源是地下径流，降雨产生的地表径流则很少。因此，枯水预报基本上按地下径流的退水规律进行一、退水曲线法一、退水曲线