水文预报课程设计报告书.docx
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水文预报课程设计报告书
水文预报课程设计
澴河流域洪水预报方案编制
姓名：
韩夕林
学号：
2014********
组号：
15
一、设计目的
流域洪水预报方案的用途：
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。
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。
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而言，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而言，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。
流域水文模型亦为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。
通过课程设计，要求掌握如下容：
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；
掌握次洪径流深及地面、地下流量分割方法；
掌握降雨～径流相关图（API模型）编制的完整过程；
流域经验单位线的推求方法；
洪水预报方案精度评定方法；
利用预报方案进行实时洪水预报方法；
相应水位流量预报方案的制作方法；
利用相应水位流量法进行河道洪水预报。
《水文预报课程设计》对应工程教育认证要求：
毕业要求4.
研究：
能够基于科学原理并采用科学方法对复杂工程问题进行研究，包括方案设计、分析与解释数据、并通过信息综合得到合理有效的结论，具有归纳、整理、分析研究结果，撰写报告能力。
毕业要求5.
使用现代工具：
能够针对复杂工程问题，掌握计算机、文献检索、科技方法等现代工程工具和信息技术工具，实现对复杂工程问题的预测与模拟，并能够理解其局限性。
支撑毕业要求指标点：
能够独立对实验数据进行有效分析、整理及撰写实验报告、研究报告或论文。
研究报告结论合理有效，能解决某个具体复杂工程任务。
针对具体复杂工程问题，能选择、使用与开发恰当的工具。
能对复杂工程问题进行预测与模拟。
二、课程设计任务
任务一、A站降雨径流相关图制作与预报
1流域自然地理特征
澴河，古称澴水，发源于省县与省大悟县接壤的灵山。
澴河流域界于东经113°12′~114°33′，北纬30°26′~31°29′之间，主要在省市境，干流全长150.8公里，流域面积3618平方公里。
距河口57km处有A水文站，控制面积为2591km，占流域面积的71.6%，干流长130.5公里，河床平均坡度0.97‰。
A站控制流域水系图及A站站网一览表见下。
图1A站控制流域水系图
图2流域水系地图
表1A站站网一览表
A站站网一览表
站名
站别
集水面积（km²）
坐标
设立日期
资料系列长（年）
东经
北纬
A
水文站
257
113°58′00〃
31°15′00〃
1956
52
B
水库站
272
114°13′00〃
31°50′00〃
1972.5
55
C
雨量站
275
114°17′00〃
31°39′00〃
1959
55
D
水文站
459
114°07′00〃
31°32′00〃
1958
55
E
水文站
417
114°00′11〃
31°37′12〃
1960
50
F
水文站
433
113°50′30〃
31°36′42〃
1931.1
55
G
雨量站
478
113°56′12〃
31°27′43〃
1959
55
2水文气象特征
流域属于副热带大陆性季风气候，气候温和，四季分明。
一月份是本流域最冷的月份，多年最低气温南部在零下6~8℃，北部在零下7~9℃。
七月份一般是本流域最热的月份，多年最高气温南部在37℃左右，北部在37℃以上。
流域雨量充沛，多年平均雨量在1150mm左右。
各年雨量的变化比较大，一般在均值上下200mm以，最多的1969年（1300~1600mm）比最少的1966年（650~800mm）多一倍。
全流域各地雨量多集中在5~9月，最大一日雨量：
1968年7月13日为355.2mm。
历史实测最大洪水位1996年7月17日，洪峰流量6060m³/s，洪峰水位39.95m。
3预报站基本情况
A水文站于1956年设立，属国家驻测重要站。
经常性监测项目有降水、蒸发、水位、流量、水质、泥沙、地下水位、土壤墒情等。
该站位于东经113°58′，北纬31°15′，引用的绝对基准面为黄海基面，采用基面为冻结基面。
A站设防水位36.50m，警戒水位37.50m，保证水位39.95m。
水位级别划分：
38.5m以上为高水，34.00m~38.50m为中水，34.00m以下为低水。
预报标准：
当流量大于1000m³/s时，需要作业预报。
A站系河流中下游控制站，集水面积为257km²。
4水利工程概况
该流域有中型水库6座，总库容2.1789×108m³，控制面积225.8km²，占流域面积的8.7%；有小型水库306座，控制面积424km²，占流域面积的16.4%。
水库总控制面积占流域面积的25.1%。
A站流域水库基本情况一览表见下。
表2A站流域水库基本情况一览表
A站流域水库基本情况一览表
序号
水库名称
水库类型
集雨面积（km²）
所在流域面积（km²）
总库容（万m³）
1
R1
中型
70
2591
5840
2
R2
中型
17
2591
1561
3
R3
中型
50
2591
7764
4
R4
中型
32.2
2591
2162
5
R5
中型
37
2591
3282
6
R6
中型
19.6
2591
1180
5预报方案编制说明
5.1流域特征提取
本文使用ArcGIS软件对流域特征进行提取。
ArcGIS是由ESRI出品的一个地理信息系统系列软件的总称。
ArcGIS产品线为用户提供一个可伸缩的，全面的GIS平台。
笔者用ArcGIS对流域特征进行提取的方法流程如下。
数据结果见图1A站控制流域水系图和表2A站流域水库基本情况一览表。
图3流域特征提取方法流程图
5.2水文数据整理
5.2.1雨量站权重
本文降雨资料为7个站点的逐日降雨数据和部分降雨摘录表。
逐日降雨数据提供了各个雨量站点每天总的降雨量，降雨部分摘录表提供了时段降雨量，在汛期雨量较大时时段比较短，在枯水期雨量较少时时段比较长。
预报所需的降雨应为A站控制流域的总的降雨数据，本文采用泰森多边形法计算流域平均雨量。
笔者通过ArcGIS制作泰森多边形并计算各站点集水面积方法流程如下。
各站点集水面积数据见表3雨量站面积权重表。
图4集水面积计算方法流程图
再通过泰森多边形面积对雨量站雨量数据进行面积加权平均，得到各雨量站雨量权重情况见下表。
表3雨量站面积权重表
雨量站面积权重表
站名
A
B
C
D
E
F
G
集水面积（km²）
257
272
275
459
417
433
478
面积权重
0.10
0.11
0.11
0.18
0.16
0.17
0.18
5.2.2原始流量资料格式处理
流量资料从A站水文要素摘录表中可以得到。
需要注意的是，年、月、日、时时间数据列需对格式进行转化，使其在一列单元格中体现。
方法流程如下。
图5日期格式转换方法过程
5.2.3历年最枯流量平均值
统计历年最枯流量数据，统计表格如下。
经分析计算历年最枯流量的平均值为2.22m³/s。
表4历年最枯流量数据统计表
历年最枯流量数据
年份
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975
流量（m³/s）
4.78
1.2
3
3.7
1.72
4.89
0.038
年份
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
流量（m³/s）
1.3
2.5
0.3
0
0.027
1.74
0.803
年份
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
流量（m³/s）
0.41
2.95
2.6
1.45
10.2
0.7
2.24
5.2.4流域平均蓄水容量WM
WM是流域平均蓄水容量。
本文从所有的历史实测资料中选取久旱无雨之后突然一场暴雨引起的洪水来计算WM。
通常逐日降雨量小于10mm的天数超过10天即可认为是久旱。
本文采用的是1976年7月14日为起涨日的洪水，命名为“760714洪水”。
13日和14日各站降雨量如下。
表5760714洪水降水数据
760714洪水降雨数据（mm）
时间
A
B
C
D
E
F
G
流域平均
13日
153.8
42.5
82.6
104.1
85.2
45.4
98
86.30
14日
103.4
15.1
60.2
102.3
16.6
10.7
91
57.60
从A站水文要素摘录表可以知道洪水起涨时间大约是1976年7月14日凌晨2点。
则
5.2.5流域月蒸发能力Em
蒸发资料从A站逐日水面蒸发数据可以获取。
原数据是历史实测蒸发数据，本文需要推求流域蒸散发能力。
寻找每年各月蒸发量的最大值近似作为本月的蒸发能力，再取21年的平均值，即可得到该流域各月份的蒸发能力
。
提取及计算MATLAB程序如下：
clear;clc
data=xlsread（'A站逐日水面蒸发量表','A2:
D7423'）;
year=（data（:
1）-1969）.*12;
way=year+data（:
2）;
data1=data（1:
321,:
）;%1969年无12月数据，分开算
data（1:
321,:
）=[];
way1=way（1:
321）;
way（1:
321）=[];
num=zeros（252,1）;%21年共252个月
fori=1:
11
num（i）=max（data1（find（way1==i）,4））;
end
fori=13:
252
num（i）=max（data（find（way==i）,4））;
end%提取各月的最大蒸发量作为该月蒸发能力
k=reshape（num,12,21）;
ave=mean（k,2）;
ave（12）=mean（k（12,2:
21）,2）;%21年的平均蒸发能力
蒸散发能力数据结果见下表。
表6多年平均蒸散发能力Em
多年平均蒸散发能力Em
月份
Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Aug
Sep
Oct
Nov
Dec
蒸发能力（mm）
3.17
3.77
5.24
7.49
8.47
8.84
9.17
8.9
8.04
4.95
3.76
2.67
5.2.6消退系数K
K是消退系数。
在考虑到各月蒸发条件和蒸发能力不同时，消退系数K按月变化，其计算公式为
（1）
其中
为
，
是土壤最大缺水量，其值近似为土壤蓄水容量
从而计算得到消退系数各月数值如下。
表7K值表
K值表
月份
Jan
Feb
Mar
Apr
May
Jun
Jul
Aug
Sep
Oct
Nov
Dec
K值
0.97
0.96
0.95
0.93
0.92
0.91
0.91
0.91
0.92
0.95
0.96
0.97
5.2.7退水曲线
本文从1969年至1989年21年的时间里选取了16场退水数据，时间间隔为24小时。
选取退水数据如下。
表816场退水流量数据
16场退水流量数据（m³/s）
时
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1
34.03
33.98
33.92
33.88
33.84
33.8
33.77
33.77
33.74
33.72
33.67
2
867
385
155
81
48
32.1
24.3
19.9
16.8
15.3
0
3
611
219
109
67.7
50.8
38.5
29.4
22.1
17.8
14
0
4
43.9
31.6
24
19.2
15.3
13.9
12.6
10.8
10.2
9.7
8.61
5
33.6
30.1
24.9
23
20.3
17
14.9
12.2
10.8
10.1
0
6
35.31
34.31
33.95
33.77
33.66
33.5
33.44
33.39
33.35
33.32
33.3
7
448
128
61.3
34.3
22.7
15.6
11.3
8.99
7.39
6.47
0
8
481
187
105
63.8
44.2
35.9
30.3
26.1
22
19.1
16.4
9
72
59
54
45
40
34
28
26
25
23
0
10
308
122
80
65
55
47
42
37
35
32
33.29
11
304
145
69.2
45.8
32.8
26
23.9
22.5
19.8
16
13.1
12
27.5
20.2
11.9
7.11
5.22
4.44
3.2
2.92
2.39
1.38
1.22
13
55.6
51.2
35.7
26.9
22.4
17.3
14.6
13.4
12.1
11.2
0
14
153
107
89.1
70.9
52.5
42
36.4
33.19
33.13
33.06
0
15
230
105
62.8
44.9
33.8
28.1
25.7
23.3
20.2
18.8
20.2
16
131
80.8
45.1
30.9
21.3
16
12.3
11
8.46
7.4
5.82
由于数据系列不够长，因此对上述数据进行插值处理，使时间间隔为6h，插值程序如下。
data=xlsread（'16场洪水退水选取数据','B1:
M17'）;
data=data';
t=data（:
1）;
q=data（:
2:
17）;
tx=[t
（1）:
0.25:
t（end）]';
qx=zeros（45,16）;
fori=1:
16
qx（:
i）=interp1（t,q（:
i）,tx）;
end
xlswrite（'退水插值数据',qx）;
再根据这已知的16场插值洪水数据在Excel中绘制退水曲线，见图616场退水图。
通过分析退水曲线，可定退水规律符合指数函数
的形式。
图616场退水图
绘制相邻时段流量关系图见图7相邻时段流量关系图。
从图可以看出，下部曲线大致重合，且接近直线，反映了地下退水特性，因此可以用外包线对其进行概括。
上部分散的曲线簇用平均曲线进行代替，反映平均退水情况。
图7相邻时段流量关系图
其中，黑线是外包线，其斜率为1.0570，则
。
因为
，则令
，计算
、
，根据计算结果绘制流域的退水曲线见下图。
图8流域标准退水曲线
5.2.8蓄泄关系曲线
根据流域退水曲线建立退水段流量与相应的退水径流深之间的相关关系，点绘成如下图所示的关系曲线。
图9蓄泄关系曲线
此为蓄泄关系曲线，可以用来计算次洪径流深。
笔者选取1983数据年两场洪水进行计算示例。
本文选取“830721洪水”和“830915洪水”进行计算。
对两场洪水流量数据插值后点绘流量过程线见图10两场洪水流量过程线。
根据公式
（2）
分别计算两场洪水径流深。
其中
为本次洪水退水流量所相应的退水径流深；
为前次洪水退水流量所相应的退水径流深，都由图9蓄泄关系曲线查得。
计算得到次洪径流深分别是
图10两场洪水流量过程线
5.3产流分析
5.3.1产流模式
根据每年各站逐日降雨量和面积权重得到从1969年到1989年共21年在该流域的平均降雨量计算表如下。
表9多年平均降雨量计算表
多年平均降雨量计算表
雨量站点
累计雨量（mm）
平均雨量（mm）
权重
流域平均雨量（mm）
A
24059.00
1145.67
0.10
1056.55
B
24371.60
1160.55
0.11
C
23261.20
1107.68
0.11
D
23922.00
1139.14
0.18
E
21016.50
1000.79
0.16
F
19703.30
938.25
0.17
G
20913.30
995.87
0.18
可以看到，多年平均降雨量为1056.55mm，超过了1000mm。
从所给流量资料里选取两场洪水，绘制洪水过程线见图11澴河流域洪水过程代表。
可以看到该流域的洪水过程线不具有对称性。
再结合该流所处地带，澴水流域属于我国南方地区，土壤颗粒较大、结构疏松、植被较高、地下水也比较丰富，因此属于蓄满产流区。
图11澴河流域洪水过程代表
该流域属于湿润地区,雨量充沛,植被良好,具有蓄满产流的特点,但水利工程和人类活动影响较大,产流方案采用以前期影响雨量Pa为参数的降雨径流经验相关法建立。
5.3.2洪峰流量频率分析
本文采用年最大值法对所给21年的流量数据进行样本选择，即寻找各年最大流量作为洪峰流量设计的样本。
利用MATLAB对原始资料进行提取，得到各年最大流量数据如下。
表10各年最大流量
各年最大流量（m³/s）
年份
1969
1970
1971
1972
1973
1974
1975
流量
3580
2760
944
519
1430
928
2630
年份
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
流量
2050
1200
200
259
3470
232
1090
年份
1983
1984
1985
1986
1987
1988
1989
流量
2940
1100
1290
844
3750
709
879
MATLAB提取程序如下：
clear;clc
num=zeros（21,1）;
fortemp=1969:
1989
t1=xlsread（'A站洪水水文要素摘录表',num2str（temp）,'E6:
E55'）;
t2=xlsread（'A站洪水水文要素摘录表',num2str（temp）,'J6:
J55'）;
t3=xlsread（'A站洪水水文要素摘录表',num2str（temp）,'O6:
O55'）;
t4=xlsread（'A站洪水水文要素摘录表',num2str（temp）,'E61:
E110'）;
t5=xlsread（'A站洪水水文要素摘录表',num2str（temp）,'J61:
J110'）;
t6=xlsread（'A站洪水水文要素摘录表',num2str（temp）,'O61:
O110'）;
t7=xlsread（'A站洪水水文要素摘录表',num2str（temp）,'E116:
E165'）;
t8=xlsread（'A站洪水水文要素摘录表',num2str（temp）,'J116:
J165'）;
t9=xlsread（'A站洪水水文要素摘录表',num2str（temp）,'O116:
O165'）;
t=[t1;t2;t3;t4;t5;t6;t7];
num（temp-1968）=max（t）;
end
v=reshape（num,7,3）;
v=v';
xlswrite（'年最大洪峰流量',v）;
本文不考虑特大洪水的影响，将流量数据降序排列，并按照统一处理法计算频率，计算公式如下
（3）
其中，N是样本容量，在这里是21，n是序列数。
计算频率如下表。
表11计算频率表
计算频率表
序号
1
2
3
4
5
6
7
流量
3750
3580
3470
2940
2760
2630
2050
频率
0.05
0.09
0.14
0.18
0.23
0.27
0.32
序号
8
9
10
11
12
13
14
流量
1430
1290
1200
1100
1090
944
928
频率
0.36
0.41
0.45
0.50
0.55
0.59
0.64
序号
15
16
17
18
19
20
21
流量
879
844
709
519
259
232
200
频率
0.68
0.73
0.77
0.82
0.86
0.91
0.95
本文采用大学水文频率分布曲线适线软件（徐磊改版）-连续系列进行适线。
适线结果图如下。
获取两年一遇洪峰设计值为1318.02m³/s。
图12洪峰流量频率曲线
笔者的数据年是1983年，从1983年的A站水文摘录表中选择洪峰为1370m³/s的洪水进行分析，其起涨日为1983年9月15日，故命名为“830915洪水”。
对洪水流量进行插值，间隔为6个小时，插值主要程序如下：
clc;clear;
a=textread（'插值数据.txt'）;
b=interp1（a（:
1）,a（:
2）,[a（1,1）:
0.25:
a（end,1）]’）;
绘制流量过程线如下：
图13830915洪水流量过程线
5.3.3产流量计算
前期雨量指数Pa的计算公式为
（4）
其中，
是第t+1日的前期雨量指数，k是月消退系数，
是第t日的降雨量，
是第t日的前期雨量指数。
本文选取1983年9月15日前的75天作为计算9月15日前期雨量指数的预热期，即7月2日至9月14日。
先取各站逐日降雨量计算流域平均降雨量，假设7月2日的前期雨量指数，再按照公式（4）逐个计算各日的前期雨量指数。
Pa值计算趋势如图14Pa值计算趋势图。
可以看到，取不同的初始Pa值对计算9月15日的前期雨量指数并没有影响，都是32.1mm，这就是预热期的作用。
图14Pa值计算趋势图
蓄满产流模型：
（5）
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