第五章水文预报

第五章水文预报研究对象：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目录5.1概述5.2短期洪水预报5.3水文预报精度的评定5.1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、水文预报分类及水文预报工作的基本程序。

一、概念

水文预报：利用实测的水文气象资料，揭示和预测未来水文要素变化的一门水文学科。二、水文预报的作用

1.水文预报可充分利用水资源，最大限度发挥水利工程的效益；2.在防洪斗争中，水文预报能事先提供洪水的发生和发展，为防汛抗险提供情报；3.通过水文预报，实现水利工程的优化调度，更好地处理防洪和兴利的矛盾。三、水文预报分类1.按预报的项目分

2.按预见期长短分中长期水文预报（中期水文预报预见期为两周左右，长期水文预报预见期为15天以上一年以内）短期水文预报(预见期1-2天）指预报发布与预报要素出现的时间间距。水位预报径流预报冰情预报沙情预报水质预报洪水预报枯水预报四、水文预报工作的基本程序

1、制定预报方案收集水文、气象资料；建立预报模型——即水文预报方案；对模型进行评定和检验——允许误差；

2、进行作业预报将现时发生的水文气象信息，通过报汛设备迅速传送到预报中心，随即经过预报方案算出即将发生的水文预报要素大小和出现时间，及时将信息发布出去，供有关部门应用。5.2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

理解相应水位(流量)法和合成流量法；重点掌握马斯京根流量演算方法

一、河段洪水预报1、方法与原理

（1）方法：

以河槽洪水波运动理论为基础，由河流上游断面已出现的水位、流量过程，预报下游断面将要出现的水位和流量过程。预见期：洪水波在河段中的传播时间。短期洪水预报降雨径流预报河段洪水预报AtQAtQ1Q2t1t2BQB2、洪水波运动

河道沿程洪水水面发生高低起伏的一种波动，称为洪水波。稳定流水面比降i0、洪水波的水面比降i。波前部分i>i0，波后部分i<i0。i△=i-i0——附加比降。当河流稳定时，

i△=0；涨洪时，i△=>0；落洪时，i△=<0图5-2-1河道中洪水波变形示意图洪水波的展开：洪水波在传播过程中，波长不断加大，波高不断减小，即A2C2>A1C1，h2<h1。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S2C2<S1C1，附加比降不断加大；波后的长度不断增加，即A2S2>A1S1，附加比降不断减小。因而波前水量不断向波后转移。图5-2-1河道中洪水波变形示意图二、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。

即建立上、下游站同次洪水水位（流量）相关图。相应水位（流量）：同位相的水位（流量）。

图5-2-21、基本原理（1）相应水位（流量）

相应水位（流量）是指在河段同次洪水过程线上，处于同一位相点上、下站的水位（流量）。如图5-2-3所示某次洪水过程线上的各个特征点，例如上游2点洪峰水位经过河段传播时间τ，在下游站2点的洪峰水位，就是同位相的水位。图5-2-3上、下游站相应水位过程线图（2）相应水位(流量)法的基本方程

1)无区间入流：Q下,t+τ=Q上,t-△QL

2)有区间入流q：Q下,t+τ=Q上,t-△QL+q式中，τ为河段传播时间(预见期);△QL——上、下游站相应流量的差值，称为洪水展开量。将上式改写：Q下,t+τ=f(Q上,t,i)=f（Q上,t，Q下,t）同理，对于水位：Z下,t+τ=f(Z上,t，i)=f（Z上,t，Z下,t）2、无支流河段的相应水位预报

在制定相应水位法的预报方案时，一般采取水位过程线上的特征点，如洪峰等，作出该特征点的相应水位关系曲线与传播时间曲线。

（1）简单的相应水位法

在无支流汇入的河段上，若影响洪水波传播的因素比较单纯，可用简单的相应水位法。---预报方案：根据上游站和下游站的实测水位过程线，摘录相应的特征点即洪峰水位值及其出现时间(见表5-2-1)，并绘制相应洪峰水位相关曲线及其传播时间曲线(图5-2-4)作为预报方案。---作业预报：按t时上游出现的洪峰水位(Z上，t)，在(Z上，t～Z上，t+τ)曲线上查得(Z下，t+τ)，在(Z上，t～τ)曲线上查得τ，从而预报出t+τ时下游将要出现的洪峰水位(Z上，t+τ)。表5-2-1长江万县站～三斗坪站相应洪峰水位及传播时间图5-2-4万县站～三斗坪站相应洪峰水位及传播时间关系曲线图（2）以下游站同时水位为参数的相应水位法

下游站同时水位Z下，t就是上游站水位Z上，t出现时刻的下游水位，它与Z上，t一起能反映t时刻的水面比降变化，同时也间接地反映区间入流和断面冲淤以及回水顶托等因素的影响。---预报方案：制作预报方案时，以下游站同时水位Z下，t为参数作等值线，分别绘制Z上，t～Z下，t～Z下，t+τ和Z上，t～Z下，t～τ相关曲线，如图5-2-5所示。---作业预报：按t时刻的水位Z上，t及Z下，t，按图5-2-5的箭头方向查得Z下，t+τ和τ，从而预报出t+τ时下游将要出现的洪峰水位Z上，t+τ。图5-2-5以下游站同时水位为参数的相应水位及传播时间关系曲线图（3）以上游站涨差为参数的水位相关法

洪水波通过某一断面时，波前的附加比降为正，使涨水过程的涨率ΔZ上/Δt为正；波后的附加比降为负，使落水过程的涨率为负。因此，水位(流量)过程线的涨(落)率在很大程度上反映了附加比降和水面比降的大小。---预报方案：图5-2-6是长江万县水文站～宜昌水文站河段以ΔQ上为参数的水位预报方案。---作业预报：已知t时刻的Z上，t(或Z下，t)、ΔZ上(或ΔQ上)，在图上查出预报的下游水位Z下，t+和预见期为。图5-2-6长江万县水文站~宜昌水文站以上游站涨差为参数的水位预报方案

三、合成流量法1、原理

当河段中有支流汇入时，下断面B处的洪水是上断面洪水A和支流C、D等组成的，即BDCABDCA

关键：确定干、支流传播时间。该法的预见期取决于上游各站中传播时间最短的一个。1)一般情况下，上游各站中以干流站的流量为最大，从预报精度的要求出发，常常用它的传播时间τ作为预报方案的预见期。上游干流实测流量+支流错开传播时间的流量=合成流量2)支流传播时间小于干流站的传播时间，需对该支流站的相应流量作出预报。2、预报方案制作

a.相关曲线较好，如图5-2-7所示。b.相关曲线较不好时，应建立以下游站同时水位或流量为参数的相关曲线。如图5-2-8所示。图5-2-7图5-2-8例：流域情况见右图。试用合成法预报南平流量。图5-2-9四、流量演算法1、基本原理

洪水波的演进与变形可用圣维南（Saint-Venant）方程组描述。水文上将其连续方程简化为河段水量平衡方程，把动力方程简化为槽蓄方程，然后联立求解，将河段的入流过程演算为出流过程。这就是流量演算法。S——河段蓄水量，m3/s·h；Q——河段流量，m3/s当河段有区间入流q时，则式（1）的左边应增加（q1+q2）△t/2一项。(1)(2)关键：建立槽蓄曲线（方程）图5-2-102、马斯京根法及其槽蓄曲线方程

（1）马斯京根法1938年G.T.McCarthy美国马斯京根河流域而得名。（2）马斯京根槽蓄曲线方程洪水波产生附加比降，涨洪时，流量大，槽蓄量S大；落洪时，流量小，槽蓄量S小。故S~Q关系曲线随水面比降i变化。即：S=f(Q,i)马斯京根槽蓄曲线方程中，河段槽蓄量两部分组成：a柱蓄b楔蓄下断面出流量只能反映河段内的柱蓄，唯有采用上断面的入流量作为参数时，才能反映河段内的全部蓄量。图5-2-11x：流量比重因素

K：稳定流情况下的河段传播时间C0+C1+C2=1(1)310×0.231=72250×0.538=135250×0.231=58已知x=0.2，K=12，△t=12h。计算得C0=0.231，C1=0.538，C2=0.231。即：3、马斯京根法中几各问题的分析（1）K值的综合：（2）x值的综合：（3）计算时段△t的选择：（4）预见期问题：

上式是没有遇见期的。通过改进，可获得预见期：选择适当的计算时段△t，使得：△t=2Kx

练习题：某河段马斯京根法流量演算的参数Δt=18h、k=18h、x=0.15，已知上游站入流过程和下游站起始的流量如下表，试列表计算下游站出流过程。

表某河段一次实测洪水过程时间（h）上游站流量(m3/s)下游站流量(m3/s)18505036805415072130901001088012660二、降雨径流预报1、原理

根据流域上一场降雨过程推算流域出口断面未来出现的洪水过程。称为降雨径流预报。2、基本思路

P(t)R(t)Q(t)产流汇流在降雨径流预报中，有以下主要工作内容：（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）作业预报在作业预报中，如图5-2-12所示to时刻以前的降雨量是实测的；to之后的降雨量是预报的。预报雨量与预报方案的误差，两者都影响预报的精度。因此，在作业预报时，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。

图5-2-12降雨径流预报法预报洪水过程示意图1、预报误差由于影响水文要素的因素很多，情况比较复杂，预报的水文特征值与实际的水文特征值总有一定的差别，这种差别称为预报误差。2、预报精度方法有两种：有效性和合格率3、有效性评定方法确定性系数dy：5.3水文预报精度的评定

4、合格率评定法（1）评定指标：许可误差——许可误差是人们在预报作业时拟定的误差允许范围，是评定预报精度的一种标准。（2）河道水位（流量）预报许可误差的拟定变幅许可误差1）预见期内最大变幅的许可误差：采用实测变幅的均方差变幅为零的许可误差：采用0.3；其余