基于TOPMODEL模型的清河水库洪水预报研究

摘要

洪水灾害是人类历史上最严重的自然灾害之一。在与洪水灾害斗争的过程中，人类通常运用工程措施以及非工程措施两种方式来应对洪水可能带来的风险，而水文预报是防洪减灾非工程措施的核心，并在调度决策中起主导作用。清河水库在辽河防洪工程体系中具有举足轻重的地位，它的调度决策是否得当关系到辽河中下游人民群众的生命财产安全。因此，本文以清河水库以上流域为研究背景，开展基于TOPMODEL模型的清河水库洪水预报研究。研究首先根据清河流域水文、地理特点，运用TOPMODEL模型对清河流域进行水文模拟，分析地形指数离散程度对预报精度的影响;其次，按照雨量站点的布设情况划分产流单元，进行不分单元和分单元的产、汇流模拟，并与新安江模型模拟结果对比分析;最后，采用JAVA技术开发了基于TOPMODEL模型的清河水库洪水模拟与预报系统。本文主要研究内容和成果如下:
　　(1)分析了清河流域水文特性，介绍了预报模型与DEM之间的关系，并从清河流域DEM数据中提取地形指数，建立了基于TOPMODEL模型的清河水库洪水预报模型，确定了模型参数优化的方法。
　　(2)介绍了地形指数离散分类的方法，对比分析了地形指数的不同离散程度对洪水预报的影响。结果表明，当对地形指数离散类数大于30类时即可达到最好的预报结果。
　　(3)利用TOPMODEL模型，在地形指数离散为50类的情况下，对清河水库的22场洪水进行产、汇流模拟，其产流和峰值的模拟合格率均为95.5％，峰现时间的模拟合格率为100％，根据《水文情报预报规范》评定，模拟结果与新安江模型的模拟结果基本持平，但对流量大于1000m3/s较大洪水，TOPMODEL模型的汇流模拟结果要好于新安江模型的模拟结果。由于雨量站点比较少，采用分单元和不分单元进行模拟结果并没有明显改善，但精度也没有降低。
　　(4)为方便洪水模拟和预报方案编制，基于j2ee技术、MVC设计模式，利用Spring系统框架+Mybatis数据库框架组合方式，设计开发出了基于TOPMODEL模型的清河水库洪水预报系统。另外系统还提供开放性接口，可以嵌入其他水文模型，也可以应用到其他水库洪水预报中。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题背景和研究意义

1．1．1 选题背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状及发展动态

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 发展动态分析

1．3 本文研究内容

2 流域概化及模型介绍

2．1 流域概况

2．1．1 工程概况

2．1．2 气象概况

2．1．3 水文测站

2．2 数字化流域建立

2．2．1 DEM简介

2．2．2 DEM在分布式水文模型中的应用

2．2．3 研究区DEM数据预处理

2．2．4 流域地形指数提取

2．3 TOPMODEL模型简介

2．3．1 单元水文响应过程

2．3．2 地形指数的作用

2．3．3 模型参数分析

2．4 新安江模型简介

2．4．1 产流机理

2．4．2 模型参数介绍

2．4．3 模型特点

2．5 模型参数优选方法研究

2．5．1 智能算法研究

2．5．2 目标函数确定

2．6 小结

3 地形指数离散程度对洪水模拟精度影响

3．1 引言

3．2 地形指数分类方法

3．3 模型参数率定及洪水分类

3．4 地形指数分类洪水模拟研究

3．4．1 地形指数分5类洪水模拟研究

3．4．2 地形指数分10类洪水模拟研究

3．4．3 地形指数分30类洪水模拟研究

3．4．4 地形指数分100类洪水模拟研究

3．4．5 地形指数全分布洪水模拟研究

3．5 地形指数分类模拟结果对比分析

3．5．1 按相对误差及确定性系数分析

3．5．2 按相对误差绝对值之和分析

3．6 小结

4 清河流域洪水模拟研究

4．1 引言

4．2 TOPMODEL模型洪水模拟研究

4．2．1 地形指数分类及模型参数率定

4．2．2 洪水模拟及结果分析

4．2．3 TOPMODEL模型与新安江模型模拟结果对比

4．3 按雨量站布设分单元洪水模拟研究

4．3．1 清河流域水文站点布设情况

4．3．2 流域网格编码及分布式降雨输入

4．3．3 按测站控制范围分单元洪水模拟

4．4 模拟结果对比分析

4．5 小结

5 基于TOPMODEL模型的洪水预报系统开发

5．1 引言

5．2 预报系统开发需求分析

5．2．1 系统开发目标与原则

5．2．2 系统总体功能

5．3 TOPMODEL模型主要模块的开发

5．3．1 单元水文响应模块开发

5．3．2 前期影响雨量模块开发

5．3．3 参数率定及优化模块开发

5．4 系统架构分析与集成

5．4．1 系统环境配置

5．4．2 系统框架及功能

5．4．3 系统集成

5．4．4 系统主要界面设计

5．5 小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

致谢