一种基于聚合水库蓄放水模拟的洪水预报方法

摘要

本发明提供一种基于聚合水库蓄放水模拟的洪水预报方法，该方法包括以下步骤：1)率定天然期TOPMODEL模型参数；2)将流域内水利工程聚合成一个水库，计算其聚合库容，确定初始蓄满率；3)制定聚合水库的蓄放水模拟图；4)在天然状态下模型参数的基础上，根据实测场次洪水率定出洪水发生前聚合水库蓄水量参数B，P

说明书

技术领域

本发明属于洪水预报技术领域，涉及到一种基于聚合水库蓄放水模拟的洪 水预报方法。

背景技术

由于人口和社会生产力的急剧增长，水的问题已成为世界上日益严重的问 题之一。为了缓解防洪和兴利的矛盾，流域内修建了许多各种类型的水利水电 工程。这些工程使流城的产汇流形成条件发生了变化，以至于无论水文预报还 是水文计算都不得不考虑它们的影响。目前考虑水利工程影响的洪水预报主要 有两种方法：第一类方法是分析洪水趋势性变化，主要是对受水利工程影响前 后的水文资料进行对比分析，一般采用趋势法和相关分析法。但该方法仅适用 于水利工程建设时间比较均匀的流域，且缺乏机理机制基础，只能对水利工程 的水文效应进行简单描述。第二类方法是在水文模型中加入考虑水利工程影响 的因子，如程春田等(程春田,王本德.考虑人类活动影响的流域水文模型参数的 确定[J].大连理工大学学报,1995,3:400-404.)将水利工程影响纳入流域水文模 型参数的确定过程中；郭生练等(郭生练,王金星,彭辉,等.考虑人类活动影响的 丰满水库洪水预报方案[J].水电能源科学,2000,2:14-17.)在新安江三水源产流 模型和相应汇流模型的基础上，提出了考虑水利工程对产汇流机制影响的洪水 预报方案。

但上述研究方法主要是从整体上确定水利工程对洪量的最大影响量，很难 反映水利工程的影响过程，且不能利用当前水利工程库容信息实时校正水利工 程的影响量，从而使计算结果具有较大的不确定性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于聚合水库蓄放水模拟的洪水预 报方法。

本发明的技术方案为：

一种基于聚合水库蓄放水模拟的洪水预报方法，具体包括以下步骤：

第一步，利用天然期场次洪水信息率定TOPMODEL模型参数；所述的天 然期为未建水利工程或水利工程很少的时期；

第二步，基于聚合水库的思想，将流域内众多水利工程聚合成一个水库， 计算聚合水库的库容V，确定聚合水库的初始蓄满率δ₀；

2.1计算聚合水库库容V

首先，统计分析流域中的大中小型水库及塘坝等水利工程，采用下述规则 计算大、中小水库及塘坝聚合时的库容：

(1)大型水库：大型水库的兴利库容作为聚合时的库容。

(2)中小型水库：分析水库现有运行资料得出实际运行中库容占总库容的比 例，并以该比例与中小型水库总库容的乘积作为聚合时的库容。

(3)塘坝：塘坝的总库容作为聚合时的库容。

所述的大型水库有明确的调度规则，在低水位时会对洪水有明显拦蓄作用， 在主汛期水位可能会高于汛限水位，但洪水结束时水位基本维持在汛限水位的 水利工程；所述的中小型水库没有明确的调度规则，可根据水库现有运行资料 分析得出实际运行中库容；所述的塘坝不存在调度规则，在洪水过程中基本上 属于有多大库容就蓄多少，人工控制能力较差。

其次，将流域中大中小水库及塘坝聚合成一个水库，以上述计算所得的各 自聚合时的库容之和作为该聚合水库的聚合库容V。

2.2确定聚合水库的初始蓄满率δ₀

土壤饱和程度χ₀可以衡量近期土壤水分的出入状况，决定了聚合水库的上 层库容变化，对聚合水库蓄满率有非线性影响，而前期降雨因子ρ₀决定了水利 工程前期水量的积累，对聚合水库蓄满率有直接的线性影响，二者共同影响洪 水发生时水利工程的蓄满状况，采用土壤饱和程度χ₀和洪水发生时前期降雨因 子ρ₀来计算水库的初始蓄满率δ₀：

δ₀＝Bχ₀^τ+(1-B)ρ₀(1)

式中，P₇为洪水发生前7天总降雨量，χ₀为洪水过 程中某一时刻土壤饱和程度，参数B、P_max、P_min、τ都通过优化得到，0<δ₀<1

第三步，根据水利工程的基本调蓄规律制定聚合水库的蓄放水模拟图，确 定水利工程影响量；所述的基本调蓄规律为水利工程拦蓄、放流规律；

水利工程对洪水的影响主要表现为洪水规模较小时的拦蓄作用和洪水规模 较大时的放流作用，且考虑大部分中小水利工程都是无闸门的，由此假定当蓄 满率小于某固定值A的时候水利工程对洪水的影响表现为拦蓄作用，当蓄满率 大于某固定值A的时候水利工程对洪水的影响表现为放流作用。据此，建立聚 合水库的蓄放水模拟图(见图1，横轴t为场次洪水过程的各个时刻，横轴k为 时段净雨蓄放率，纵轴δ为水库蓄满率)，其中，曲线I为一场洪水的水库蓄满 率的变化过程，曲线II为时段净雨放流率随水库蓄满率的变化过程，对应的曲 线形式为k₁＝[(A-δ)/A]^m，曲线III为时段净雨拦蓄率随水库蓄满率的变化过程， 对应的曲线形式为k₂＝[(δ-A)/(1-A)]ⁿ。其中，参数A、m、n需要通过优化得到。

考虑水利工程影响前后的洪水模拟过程如图2、图3所示，Q为原模型模拟 的洪水过程；Q’为考虑水利工程影响后模拟的洪水过程，R_t为时段产流量；△R_t为时段水利工程影响量，则：

(1)当δ_t<A时，水利工程拦蓄，时段拦蓄量△R_1,t＝k_1,tR_t；

(2)当δ_t>A时，水利工程放流，时段放流量△R_2,t＝k_2,tR_t。

其中，参数A、m、n通过优化得到；k_1,t和k_2,t由聚合水库蓄放模拟图得到， k_1,t为放水率，k_2,t为拦蓄率；R_t为时段产流量；△R_1,t、△R_2,t为时段水利工程影 响量；

第四步，将第一步率定的TOPMODEL模型参数作为模拟无水利工程影响 或水利工程影响较小情况下的流域产流情况的基础参数；根据实测场次洪水信 息，结合考虑水利工程影响的洪水计算过程，率定出洪水发生前聚合水库蓄水 量参数B、P_max、P_min、τ和聚合水库的蓄放水模拟图参数A、m、n，进行洪水预 报。

所述的考虑水利工程影响的洪水计算为：

4.1)由第一步率定的TOPMODEL模型参数得到天然预报结果R_t；

4.2)根据第二步得到的初始蓄满率δ₀和聚合水库的库容V，计算聚合水库 的初始库容v₀＝δ₀V；

4.3)计算各时段水利工程影响拦蓄量△R_1,t或放流量△R_2,t；

初始化时段t＝1，根据δ₀和第三步的聚合水库蓄放模拟图得到时段水利工程 影响拦蓄量△R_1,1或放流量△R_2,1，并计算聚合水库的该时段末库容v₁及水库的 该时段蓄满率δ₁＝v₁/V，其中v₁＝v₀+△R_1,1或v₁＝v₀-△R_2,1。

令时段t＝t+1，根据δ_t-1和第三步的聚合水库蓄放模拟图得到时段径流放水率 k_1,t或拦蓄率k_2,t，从而得到时段水利工程影响拦蓄量△R_1,t或放流量△R_2,t，并计 算聚合水库的时段末库容v_t及水库的时段蓄满率δ_t＝v_t/V，其中v_t＝v_t-1+△R_1,t或 v_t＝v_t-1-△R_2,t。

4.4)根据步骤4.3)所得的水利工程影响拦蓄量△R_1,t或放流量△R_2,t校正 R_t，得到水利工程影响下的时段产流量R’_t；

4.5)根据步骤4.4)得到的时段产流量R’_t，得到水利工程影响下的场次洪 水模拟结果Q’_t。

本发明的有益效果为：该洪水预报方法充分考虑了水利工程库容信息，采 用聚合水库蓄放水模拟图的方式将水利工程对洪水预报的影响融入 TOPMODEL模型，实时校正了水利工程对洪水预报的影响，从而减少了洪水预 报结果的不确定性，提高了洪水预报方案精度。

附图说明

图1是聚合水库蓄放模拟图；

图2是水利工程放流作用影响前后洪水模拟过程；

图3是水利工程拦蓄作用影响前后洪水模拟过程；

图中：曲线I为一场洪水的水库蓄满率的变化过程；曲线II为时段净雨放流 率随水库蓄满率的变化过程；曲线III为时段净雨拦蓄率随水库蓄满率的变化过 程。

具体实施方式

本发明考虑了水利工程对洪水预报的影响，将水利工程聚合为一个水库， 提出了一种基于聚合水库蓄放水模拟的洪水预报方法。

下面通过实施例，并结合附图，对本发明做进一步说明。

丰满水库位于吉林省东南部的第二松花江上，控制流域面积42500km²，洪 水预报时整个丰满水库流域划分为三个区：丰满水库蓄水区(I区)、五道沟以 上(II区)和白山水库以上(III区)，其中II区水库与塘坝的控制面积占相应流 域面积的比例最大，为63.98％，对产汇流的影响大，以该区为实例进行洪水预 报，具体步骤如下：

第一步，利用天然期场次洪水信息率定TOPMODEL模型参数；

通过统计流域水库年代分布可知流域1956年以前水利工程较少，可以认为 1956年前的洪水符合天然状态下的产汇流机制，用于率定天然状态下模型参数。 由于1956年以前有完整实测资料的场次洪水较少，所以仅选取1953～1955年间 的4场洪水进行参数率定，2场洪水进行检验。采用粒子群优化算法(PSO)算

法进行模型参数优化，参数率定期和验证期模拟结果如表1、2所示。

表1天然状态下的模型率定结果

表2天然状态下的模型验证结果

表1、2中6场洪水全部合格，故将这套参数作为模拟无水利工程影响或水 利工程较少情况下的流域产流情况的基础参数。选取流域1956～2010年受水利 工程影响期的26场历史暴雨洪水，用天然状态下模型参数进行模拟，根据《水 文情报预报规范SL250-2000》对模拟结果精度进行评定可以得出，26场洪水中 洪量模拟不合格的有7场，模拟精度仅为73％。这主要是因为水利工程对洪水 预报有较大的影响，表现为汛初、汛末拦蓄洪水，使模拟量超过实测量及主汛 期主动放流缓解防洪压力，特别是小水库塘坝甚至出现非人为垮坝泄流情况， 使模拟径流小于实测径流。

第二步，基于聚合水库的思想，将流域内众多水利工程聚合成一个水库计 算其聚合库容V及初始蓄满率δ₀；

2.1计算聚合水库库容V

同一年代的洪水采用相同聚合水库库容，根据水利工程聚合水库库容计算 模型和各年代各类型水利工程库容统计结果得到各年代聚合水库库容，各年代 聚合水库库容计算结果见表3。

表3五道沟以上流域各年代水利工程最大影响量统计表

2.2确定聚合水库初始蓄满率δ₀，具体步骤详见发明内容。

第三步，根据水利工程的基本调蓄规律(基本调蓄规律指的是水利工程拦 蓄、放流规律)制定聚合水库的蓄放水模拟图，确定水利工程影响量，具体步 骤详见发明内容；

第四步，将第一步率定的TOPMODEL模型参数作为模拟无水利工程影响 或水利工程影响较小情况下的流域产流情况的基础参数；根据实测场次洪水信 息，结合考虑水利工程影响的洪水计算过程，率定出洪水发生前聚合水库蓄水 量参数B、P_max、P_min、τ和聚合水库的蓄放水模拟图参数A、m、n，进行洪水预 报。该考虑水利工程影响的洪水计算流程详见发明内容4.1)-4.5)。

在天然状态下模型参数的基础上，根据实测洪水率定出洪水发生前聚合水 库蓄水量参数B＝0.7、P_max＝90、P_min＝20、τ＝0.5；聚合水库蓄放模拟图参数A＝0.7、 m＝1.1、n＝0.5。采用上述率定好的参数模拟1956～2010年受水利工程影响期的 26场历史暴雨洪水，模拟精度有大幅度提高，产流不合格场次由7场减少为0 场，合格率由73％提高为100％。这说明本发明考虑水利工程对洪水预报的影响， 有效减少了洪水预报结果的不确定性，提高了洪水预报精度。