水文预报课程设计任务书

《水文预报》课程设计任务书学号姓名班级三峡大学水利与环境学院2014年12月1《水文预报课程设计》任务书一、设计目的1、流域水文模型的用途：洪水预报方案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预见期的关键技术。对水资源可持续利用：流域水文模型是水资源评价、开发、利用和管理的理论基础。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。流域水文模型还是分析研究气候变化和人类活动对洪水、水资源和水环境影响的有效工具。本次课程设计的目的是通过一个具体的降雨～径流预报方案的制作，使学生了解生产单位对预报任务的要求。2、通过课程设计，要求掌握如下内容：（1）流域综合退水曲线、地下水退水曲线的制作以及次洪分割方法；（2）掌握次洪径流深及地面、地下流量分割方法；（3）掌握降雨～径流相关图（API模型）编制的完整过程；（4）新安江两水源模型结构及产流参数率定方法；（5）流域经验单位线的推求方法；（6）洪水预报方案精度评定方法；（7）利用预报方案进行实时洪水预报方法；（8）利用马斯京根分段连续演算法进行长河段洪水演进预报。二、设计基本资料某流域集水面积为XXkm2（具体数值见给定数据），干流河长约273km，地貌属于低山丘陵区，以低山分布较广，相对高差多在500km左右，最上游尚有部分原始森林，以松、衫、竹类为主，灌木次之。山涧盆地种植农作物，植被总覆盖面积占全流域的80%以上，山坡残积坡坡积一般厚度为1~2米，最厚约为4~5米，在山麓坡积层与基岩接触面上，或河流下切至接触部位时，常有泉水流出，涌水量较大每秒可达数升。本流域气候温湿，年降雨量在1700毫米左右，汛期为4~9月，降雨量占全年的73%左右，冬季有降雪，量很少。地下水位较高，且季节变幅小，因此，一般情况下，土壤含水量较大。洪水流量过程线极不对称，涨洪历时仅数小时至十多小时，而退水历时长达数日。根据流域的自然地理情况和气候条件，以及洪水流量过程线的分析，可知流域产流规律符合湿润地区的蓄满产流特征。采用降雨径流相关图制作蓄满产流方案，用二层蒸发模型计算蒸发，水源划分暂考虑为两水源。三、课程设计基本资料1、一场历史洪水的流量过程，相应的流域平均时段雨量（时段长为3h）2、洪水起涨前5日的各日降雨量，日蒸散发能力资料（历史洪水与实时预报洪水）23、XX场洪水的退水过程4、流域基本水文参数（蓄水容量、流域面积等）5、多场历史洪水的次洪对应总降雨量、径流深、起涨日Pa值6、干流河段的马斯京根演算参数及分段数（3段）四、课程设计基本流程及要求本次课程设计主要分为两块内容，即预报方案制作与利用该预报方案进行实时洪水预报。（一）预报方案制作预报方案制作主要包括：1、流域降雨径流相关图；2、推求流域稳定下渗率fc；3、流域时段单位线；4、地下水汇流相关参数；5、马斯京根分段流量演算相关参数。1、流域产流方案制作根据流域的自然地理情况和气候条件，以及洪水流量过程线的分析，可知流域产流规律符合湿润地区的蓄满产流特征。采用降雨径流相关图制作蓄满产流方案，用二层蒸发模型计算蒸发，水源划分暂考虑为两水源。（1）制作流域降雨径流相关图制作流域降雨径流相关图需要知道多场实测洪水对应的次洪总降雨量、次洪径流深、起涨日Pa值，以此为基础点绘相应的Pa等值线。本次设计要求建立两类降雨径流相关图，类型分别为P~Pa~R型与P+Pa~R型。降雨径流相关图制作：首先需计算次洪径流深R、起涨日Pa值以及次洪总降雨量P。次洪总降雨量P的计算方法较为简单，在此不作论述。次洪径流深R计算：要计算次洪径流深首先需从实测洪水流量过程分割出本次降雨所产生的流量过程，再折算成相应的径流深。此外，在汇流计算推求单位线时还需已知地面流量过程，故还应分割出地面流量过程。从实测流量过程中分割次洪流量采用蓄泄关系法，即首先要求出流域平均退水曲线，以此制作蓄泄关系曲线，此外，因后续计算地下水汇流计算时还需要知道相应的地下水汇流参数kg，故还需分析计算得到地下水退水曲线，以此计算参数kg。流域平均退水曲线的计算方法有很多，本次设计中采用相邻时段流量相关图法，该法可一次性的计算出流域平均与地下水退水曲线消退系数Cg，图形直观明了，人为性较少。该法具体操作步骤请参见教材[说明书中需作出该图并列出相应的计算结果]。根据流域平均退水曲线制作Q~Re关系：3由退水方案分割前后期洪水，计算次洪的径流深。11023.6/2nnieeiQQRtQARR末初点绘给出的降雨和洪水过程线，根据降雨过程和洪水过程的对应关系划分和计算次雨。由退水曲线分割前后期洪水，采用蓄泄关系曲线法计算次洪径流总量。采用斜线分割法得到地面流量过程[需绘出流量过程分割图]，计算地面径流深与地下径流深。根据地下水退水曲线计算参数kg。1/kgCe1/lnggkC用斜线分割法划分直接径流和地下径流，计算次洪的直接径流量和地下径流量。起涨日Pa值采用前5天的日降雨量逐日进行计算。首日Pa值为65mm。根据每人给定的次洪相应数据计算次洪径流深R、起涨日Pa值以及次洪总降雨量P，然后加上所给定的其他场次洪水的相应数据在相应的坐标格纸上（或EXCEL中）点绘次洪点据（简称图A），并在点据旁标注上Pa值。然后以蓄满产流模型为基础，假定不同的流域蓄水容量曲线指数b，采用蓄满产流模型计算不同的Pa与不同P下的相应净雨量R，计算表如下表所示。将表1中数据绘制在图A中（注意：最终设计报告书中该图中曲线一律采用黑色，在各Pa值所对应的曲线上采用文本框进行Pa值标注，曲线不添加任何数据标志，相应的实测洪水点据以黑色实心圆点表示，找几个代表性的洪水在圆点旁标注出相应的Pa值），观察各实测洪水的Pa值与图中Pa曲线的拟合情况，选取拟合效果最好的曲线相应的b值作为最终采用的b值。降雨径流关系b=WM=80mmWUM=WLM=WMM=WM*(1+b)=W00102030405060708090100110120Pa01020304045060708090:蓄满产流模型所用公式如下：11*[1(1)]bWaWMMWM1WMMWMbPE0，则产流；否则不产流。产流时，当PE+a≤WMM(部分面积产流)：1*(1)bPEaRPEWWMWMWMM当PE+aWMM（全面产流）：()RPEWMW净雨预报检验：以每人给定的一次洪水数据加上其他场次洪水的相应数据为检验对象，代入前面制作的降雨径流相关图中模拟预报各次洪水相应的净雨总量，按下述方法判定各次洪水是否预报合格：参考《水文情报预报规范》，径流深预报许可误差为实测值的20%，当该值大于20mm时，取20mm；当小于3mm时，取3mm。合格率=合格次数/总次数×100%计算表格如下表所示。Pa(mm)有效降雨PE(mm)次洪径流深R(mm)预报径流深R'(mm)预报误差允许误差是否合格是/否（2）稳渗率fc的试算采用试算法推求流域平均稳定下渗率fc，计算公式如下：*()*PEFcPEFcPEFcriRgFcriPEriRsPEFCPE试算时必需假设具体数值，不得采用假设范围的方法。由时段降雨，根据两层蒸发模式求出有效降雨，按降雨径流相关图（蓄满产流公式）计算时段净雨，进而得到各时段有效降5雨及净雨。计算有效降雨时应扣除时段蒸发量，时段蒸发量按二层蒸发模式法计算，包气带上、下层初始蓄水量可将Pa按上、下层蓄水容量比例分配；二层蒸发模式的计算模型如下：0EUPUPLULPPWEEEEEEE上层土壤蒸发量下层土壤蒸发量土壤总蒸发量PL(E-)WEUPUULULMULPWEEWEEWEE上层土壤蒸发量下层土壤蒸发量土壤总蒸发量计算书中需列出两次试算的各时段相应的PE、包气带上下层的蓄水量、蒸发量及地面、地下净雨。其中最后一次为试算的最终结果。2、流域汇流方案制作（1）地面径流汇流方案：时段单位线分析。根据前述径流斜线分割法所得到的地面流量过程、采用稳定下渗率fc划分得到的各时段地面净雨推求时段单位线。时段单位线采用科林法进行推求，计算说明书中需列出两次试算的过程，其中最后一次为最终结果。在试算前需检查地面净雨总量是否与地面流量折合的地面径流深相等，如不等，则需对各时段的地面净雨进行了修正。注意必须对推求的单位线进行检验，如检验不合格则需进行修正。[计算说明书中需列出原单位线与修正的单位线，并作图]（2）地下径流汇流方案：由流域地下水退水系数和选定的计算时段计算地下径流演算公式参数。用线性水库法对地下径流进行计算，分析计算，由于包气带的调蓄作用，地下水出流过程滞后约12小时，计算时，需要将演算所得的地下径流过程向后移12小时。地下水流量演算公式：21(1)ggQRGKKGUQKKG2()3.6()FkmUth0.50.5ggktKKGkt式中：Qg1：时段初出流量；Qg2：时段末出流量；U：单位换算系数。3、次洪模拟预报精度评价按照前述所得到产汇流预报方案对本次洪水进行模拟预报，得到模拟预报流量，与实测流量过程比较，评价洪峰、峰现时间与洪量的预报精度，并计算确定性系数DC。[计算说明6书中需列出相应的精度评价表格与图形]（二）实时洪水预报（1）根据实时降雨过程，按产流预报方案（降雨径流相关图）得到各时段净雨，推求时段净雨时需按蓄满产流公式计算。计算有效降雨时应扣除时段蒸发量，时段蒸发量应按二层蒸发模式法计算，包气带上、下层初始蓄水量可将Pa按上、下层蓄水容量比例分配。（2）再将时段净雨划分为时段地面、地下净雨过程；（3）分别采用单位线与线性水库进行汇流计算；（4）最后采用马斯京根法进行河道洪水演算得到出流过程。河道洪水演算方法为：采用马斯京根分段连续演算法将河段分为3个子河段，依原河段的演算系数（K，x）推求各子河段的演算系数。1(12)22lnxxKl=△t然后采用汇流系数法或连续演算法推求出流过程。要求对本次洪水与实时洪水进行校核预报和误差评定并作出预报图。评定标准如下：按《水文情报预报规范》统计洪峰流量、洪水总量、峰现时间的是否合格。洪峰预报许可误差以实测洪峰流量的20%作为许可误差。峰现时间即洪峰滞时允许误差应小于涨洪历时的30%，并以三小时或一个计算时段为下限。预报图绘制要求：①实际流量（黑色实线）与模拟流量（黑色虚线），相应的时段降雨与模拟净雨；②实际流量与模拟流量的散点图，以实际流量为横坐标，模拟流量为纵坐标，并作出45°直线。五、课程设计的总结与心得要求写出本次课程设计中，自己认为的重点与难点、解决方法、心得体会。六、时间安排和成果要求时间安排：设计时间为1周，2014年1月18日前必须上交全部设计成果，逾期未交者成绩按不及格计。成果要求：设计说明书中除应包括以上各步骤具体的计算原理与方法论述外，还应包括如下计算成果：（一）预报方案制作部分1.流域面雨量计算表；前期影响雨量Pa逐日计算表；2.退水曲线部分：相邻时段流量相关图、流域平均退水曲线与地下水退水曲线、蓄泄7关系曲线表与曲线图、次洪径流分割示意图；3.率定后的蓄满产流参数与降雨径流相关图计算表与相关图；4.结合其他场次洪水的产流方案精度评价表（各场洪水采用降雨径流相关图的预报合格评定，最后给出预报合格率及相应的预报方案级别。表格中要求列出各场洪水的Pa、P、实测R、模拟R、允许误差、预报误差、合格否）；5.分水源部分：稳定下渗率fc的试算过程及最后结果；对给定洪水过程划分时段净雨计算表；6.坡地汇流部分：地面径流过程计算表（注意：地面径流深与分水源划分的地面净雨深应保持一致）；利用时段净雨与地面径流推求经验单位线计算表（可采用科林法或最小二乘法）；单位线检验计算及修正过程，并绘制原始推求的单位线与修正后的单位线；利用该单位线进行地面净雨汇流计算结果；地下净雨汇流计算过程表（需列出线性水库汇流计算公式与相应的参数值）；总汇流预报结果与实测流量过程，并将相应的流域时段降雨、时段净雨、模拟流量与实测流量三个系列画于一张图上。（二）实时