東江水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度系統(tǒng)研究及開發(fā)碩士畢業(yè)論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 Reservoir realtime flood forecasting。 being able to correct realtime flood forecasting result efficiently。 being the foundation of realtime flood dispatching。3． Realtime flood dispatching subsystem can form realtime flood dispatching schemes, and paring schemes for user’s decision. 4．Graphics user interface is friendly。 and very convenient to user’s manipulation and backtracking.The article includes five chapters. Firstly, it introduces the development of flood forecasting and studies and technologies involved in this article. Secondly, in accordance with specific features of Dongjiang Reservoir and practical experience, it can forecast inflow of Dongjiang Reservoir based on the XinAnJiang model and the realtime adjustment model. Thirdly, Dongjiang Reservoir is a carryover storage reservoir, the storage capacity coefficient of which is , and its regulating the function is perfect, so rules of flood control, as the Dongjiang Reservoir flood control operation model, can basically meet the reservoir39。s flood control needs. Finally, it introduces the design and realization of realtime flood forecasting and dispatching system in detail and it also introduces relative technologies and system exploited platform used in the software.Key words: flood forecasting。 XinAnJiang Model。 realtime adjustment。 flood dispatching。 flood forecasting and dispatching system第一章 緒 論 研究目的及意義我國幅員遼闊，河流水系眾多，由于受季風(fēng)與自然地理?xiàng)l件影響，汛期降雨在年內(nèi)和年際的變化十分劇烈，歷史上洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生。我國的防洪實(shí)踐證明，工程措施與非工程措施的結(jié)合應(yīng)用是建立和完善江河防洪系統(tǒng)的有效措施。非工程措施通常包括：加強(qiáng)防洪設(shè)施管理，保證防洪設(shè)施的防洪能力；在工程設(shè)施中充分考慮適應(yīng)洪水短暫淹沒的措施，以盡可能減少洪災(zāi)損失；建立健全通訊系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)；改進(jìn)和發(fā)展洪水預(yù)報(bào)技術(shù)，提高防洪調(diào)度水平等。其中改進(jìn)洪水預(yù)報(bào)方法、提高預(yù)報(bào)精度、實(shí)施洪水預(yù)報(bào)調(diào)度是非工程措施中最行之有效的辦法。水文預(yù)報(bào)是研究和運(yùn)用水文變化規(guī)律，揭示和預(yù)測未來水文要素變化的一門應(yīng)用學(xué)科。洪水預(yù)報(bào)作為水文預(yù)報(bào)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是人類在與洪水災(zāi)害長期斗爭的客觀需求推動(dòng)下發(fā)展起來的；同時(shí)，新理論、新技術(shù)的發(fā)展也極大地推動(dòng)了水文情報(bào)預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。作為防汛斗爭的“耳目”和“參謀” ，準(zhǔn)確及時(shí)的洪水預(yù)報(bào)和調(diào)度，為正確做出防汛決策提供了科學(xué)依據(jù)，并獲得了減免洪災(zāi)損失的巨大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。耒水屬湘江一級(jí)支流，位于湖南省東南部，源出桂東縣煙竹堡，流經(jīng)汝城、資興、永興、耒陽、衡南等縣市，在衡陽市郊區(qū)耒河口入湘江，全長 453Km，流域面積 11，783Km 2。東江水庫位于資興市東江鎮(zhèn)上游 11Km 的峽谷處，控制流域面積 4719 平方公里，是以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運(yùn)、城鎮(zhèn)工業(yè)及生活供水、養(yǎng)殖、旅游等綜合利用的大型水利樞紐工程。由于工程所處地理位置重要，社會(huì)和自身經(jīng)濟(jì)效益顯著，因此工程運(yùn)行安全與否，不但影響到收益區(qū)乃至全省的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，而且也直接關(guān)系到下游人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全。目前東江水調(diào)所運(yùn)行的《東江水庫調(diào)度自動(dòng)化》系統(tǒng)基本上實(shí)現(xiàn)了水雨情自動(dòng)采集、日常業(yè)務(wù)管理及調(diào)度等功能，但是洪水預(yù)報(bào)調(diào)度部分還尚未完成。為了滿足東江水庫下游的防洪要求和完善《東江水庫調(diào)度自動(dòng)化》系統(tǒng)，應(yīng)盡早建立水庫洪水預(yù)報(bào)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)，為下游及水庫的安全度汛服務(wù)。 國內(nèi)外研究概況與發(fā)展趨勢 洪水預(yù)報(bào)初級(jí)階段洪水預(yù)報(bào)是在人類與自然斗爭的需要推動(dòng)下發(fā)展起來的應(yīng)用學(xué)科。直到 20世紀(jì)三十年代之前，該學(xué)科還處在經(jīng)驗(yàn)性階段，預(yù)報(bào)只是憑借預(yù)報(bào)者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和認(rèn)識(shí)能力。水文預(yù)報(bào)技術(shù)形成當(dāng)今形態(tài)的起點(diǎn)在三十年代。1931 年，.霍頓(Horton)在文獻(xiàn)《在水文循環(huán)中下滲的作用》中，提出了下滲理論。1932年，. 謝爾曼 (Sherman)在文獻(xiàn)《用單位線法由降雨推求徑流 》中，提出了流域匯流的單位線方法。1938 年 (Mecarthy)在美國建議了以“馬斯京根”法著稱的河道洪水演算預(yù)報(bào)方法。1938 年，(Snyder)在文獻(xiàn)《綜合單位線》中，提出了對(duì)短缺資料地區(qū)使用綜合單位線進(jìn)行匯流計(jì)算的預(yù)報(bào)方法。這些都是沿用至今的洪水預(yù)報(bào)基本方法。 系統(tǒng)理論引入洪水預(yù)報(bào)眾所周知，相關(guān)圖、謝爾曼單位線和馬斯京根法(預(yù)報(bào)員趣稱為“老三篇”)是傳統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)方法。系統(tǒng)理論向洪水預(yù)報(bào)技術(shù)的滲透是從 50 年代開始的，最初引起水文學(xué)者興趣的是謝爾曼單位線與系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)定義驚人的一致，于是用系統(tǒng)離線識(shí)別算法作為推求單位線的工具的研究首先興起。1949 年，林斯雷(Linsley)等在《應(yīng)用水文學(xué) 》一書中提出單位線可以用最小二乘法去推求。1957 年，納什(Nash)在文獻(xiàn) 《 瞬時(shí)單位線的形式》 中，首次提出使用系統(tǒng)脈沖響應(yīng)函數(shù)—瞬時(shí)單位線的概念，并用統(tǒng)計(jì)矩來表達(dá)瞬時(shí)單位線的二參數(shù)。1967年，國際水文科學(xué)協(xié)會(huì)主席杜格教授在美國馬里州大學(xué)作了《水文系統(tǒng)的線性理論》的專題講座，并于 1979 年 11 月來我國就此進(jìn)行了講學(xué)，全面闡述了系統(tǒng)理論對(duì)于水文學(xué)的適用性，完整地介紹了系統(tǒng)理論的基本概念，用系統(tǒng)研究的方法將水文學(xué)的推理公式、等流時(shí)線、S－曲線、馬斯京根法、流域水文模型等都用系統(tǒng)理論貫穿起來，總結(jié)了響應(yīng)函數(shù)離線識(shí)別的 10 余種方法，并對(duì)識(shí)別中出現(xiàn)的單位線振蕩問題作了研究和討論。由于權(quán)威學(xué)者的推動(dòng)，系統(tǒng)理論的應(yīng)用進(jìn)入了加速發(fā)展時(shí)期。 流域水文模型在流域模型迅速發(fā)展以前，在應(yīng)用水文學(xué)方面，常采用數(shù)學(xué)物理方法、單位線、經(jīng)驗(yàn)相關(guān)及概化推理等方法。50 年代后期，隨著電子計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)理論應(yīng)用的迅速發(fā)展，水文學(xué)中提出了水文模擬的概念和方法。水文模擬方法是對(duì)上述各種方法取長補(bǔ)短并結(jié)合起來而形成的。它一方面有別于數(shù)學(xué)物理方法的嚴(yán)密性，另一方面又有別于概化推理方法的設(shè)計(jì)性；它吸取了經(jīng)驗(yàn)相關(guān)法中合理的物理概念，并把這些概念系統(tǒng)化成一個(gè)推理計(jì)算的模式；因此它可以采用比較嚴(yán)密的結(jié)構(gòu)，也可以采用比較粗略的結(jié)構(gòu)或黑箱子模型作為部分結(jié)構(gòu)。對(duì)水文現(xiàn)象進(jìn)行模擬而建立的一種數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)稱為水文數(shù)學(xué)模型。水文數(shù)學(xué)模型可分為確定性模型和隨機(jī)性模型兩大類：描述水文現(xiàn)象必然性規(guī)律的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)稱為確定性模型；而描述水文現(xiàn)象隨機(jī)性規(guī)律的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)則稱為隨機(jī)性模型。其中確定性模型可分為集總式和分散式模型兩種，前者忽略水文現(xiàn)象空間分布的差異，后者則相反。概念性水文模型屬于確定性模型的范疇，它以水文現(xiàn)象的物理概念作基礎(chǔ)，采用推理和概化的方法對(duì)流域水文現(xiàn)象進(jìn)行水文模擬。概念性模型在一定程度上考慮了系統(tǒng)的物理過程，力圖使其數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)有明確的物理概念。因此建立概念性流域水文模型，首先要建立模型的結(jié)構(gòu)，并以數(shù)學(xué)方式表達(dá)；其次要用實(shí)測降雨徑流資料來率定模型的參數(shù)。自 60 年代初期，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，產(chǎn)生了大量的流域水文模型，其中有代表性的、應(yīng)用較多的有斯坦福(Stanford)模型、薩克拉門托(Sacrament)模型、坦克(Tank)模型和我國的新安江模型 [1][2][3][4]。斯坦福流域水文模型由 1959 年開始研制，到 1966 年完成第Ⅳ號(hào)模型，是世界上最著名的流域水文模型之一。該模型的建立是以流域水量平衡為基礎(chǔ)，模型中設(shè)計(jì)了 4 個(gè)蓄水層以控制土壤水分剖面和地下水狀態(tài)，逐時(shí)段連續(xù)演算。其特點(diǎn)是物理概念明確，模型結(jié)構(gòu)一環(huán)扣一環(huán)，層次清楚，對(duì)小流域采用集總模型方式，對(duì)大流域采用分塊模型方式 [5]。薩克拉門托流域水文模型是美國天氣局于 70 年代初期在第 IV 號(hào)斯坦福模型基礎(chǔ)上改進(jìn)和發(fā)展起來的，是集總參數(shù)型的連續(xù)運(yùn)算的確定型流域水文模型，是用一系列具有一定物理概念的數(shù)學(xué)表達(dá)式來描述的概念性模型，是以土壤含水量貯存、滲透、排水和蒸散發(fā)特性為基礎(chǔ)來模擬水文循環(huán)的綜合河川徑流流域模型。該模型功能較完善，能適用于大中流域，又能適應(yīng)濕潤地區(qū)和干旱地區(qū)而收到較好的效果 [6]。坦克模型又叫水箱模型，由日本管原正已在 50 年代提出，后來不斷發(fā)展成為一種被各國廣泛采用的流域水文模型。水箱模型將雨洪轉(zhuǎn)化過程的各個(gè)環(huán)節(jié)用若干個(gè)彼此相聯(lián)系的水箱進(jìn)行模擬，每一個(gè)水箱有邊孔和底孔，以水箱中的蓄水深度為控制，計(jì)算流域的產(chǎn)流、匯流及下滲過程。水箱模型雖是一種間接的模擬，模型中并無直接的物理量，但此模型的彈性甚好，對(duì)各種大小流域、各種氣候與地形條件都可以適用 [7]。60 年代初，我國水文學(xué)者趙人俊教授等開始研究蓄滿產(chǎn)流模型，并于 1973 年正式提出一個(gè)適用于濕潤與半濕潤地區(qū)的降雨徑流流域模型—新安江模型。最初的新安江模型為兩水源—地表徑流和地下徑流；80 年代初期，模型研制者將薩克拉門托模型與水箱模型中的用線性水庫函數(shù)劃分水源的概念引入新安江模型，提出了三水源新安江模型；1984 至 1986 年期間，又提出了四水源新安江模型—地面徑流、壤中流、快速地下徑流和慢速地下徑流 [8][9][10][11][12]。在我國水文預(yù)報(bào)的實(shí)踐中，不僅廣泛使用概念性模型，如新安江模型等，而且也開始使用按系統(tǒng)分析方法求解的黑箱子模型 [13][14][15]。文康等(1986)介紹了以多元線性回歸方法為基礎(chǔ)的總徑流線性響應(yīng)模型(TLR)和線性擾動(dòng)模型(LPM)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)及其在長江三峽地區(qū)的應(yīng)用 [16]。王真榮 (1991)對(duì) TLR 模型作了改進(jìn)，采用某一標(biāo)準(zhǔn)的暴雨強(qiáng)度為臨界值對(duì)降雨系列進(jìn)行分階計(jì)算，可以考慮雨強(qiáng)對(duì)徑流的影響 [17]。王厥謀等(1987)指出了 TLR 模型和 LPM 模型以及約束線性系統(tǒng)模型(CLS)的缺陷，并將新安江概念模型與 CLS 模型結(jié)合起來，提出了綜合約束線性系統(tǒng)模型(SCLS)，并建立了一個(gè)通用計(jì)算機(jī)程序包，開始在我國實(shí)際應(yīng)用 [18][19]。張國祥 (1994)探討了常用水文模型中的蒸發(fā)、下滲和產(chǎn)匯流機(jī)制，并剖析了模型中存在的問題，為實(shí)際工作中模型的選擇和應(yīng)用提供了借鑒 [20]。1967 年，世界氣象組織(WMO) 就降雨徑流模型在世界范圍內(nèi)作檢驗(yàn)對(duì)比后得出以下結(jié)論 [21]：(l) 如果流域位于濕潤地區(qū)，就不必過于挑選模型，因?yàn)樵谶@樣的流域，簡單模型與復(fù)雜模型可以取得同樣好的效果；反之，對(duì)于干早與半干旱流域，就需要慎重選擇模型。(2)一般來說，在久旱之中與久旱之后，計(jì)算土壤含水量的模型能較好的模擬河流的徑流。(3)類似 Tank 那種不直接計(jì)算土壤含水量的模型，對(duì)于流域的大小以及氣候和地理特征具有更好的適應(yīng)能力與彈性。(4)在建立模型時(shí)，如果資料不好，則隱式計(jì)算土壤含水量的模型特別是系統(tǒng)途徑模型有可能具有更好的處理這種缺陷的能力，因而可能較之計(jì)算土壤含水量的模型給出更好的預(yù)報(bào)結(jié)果。1980 年，具體負(fù)責(zé)模型對(duì)比檢驗(yàn)工作的 博士發(fā)表了題為《 我們今天能夠模擬降雨徑流過程嗎?》的論文。Neaf認(rèn)為，沒有一個(gè)水文模型能應(yīng)付所有的水文情況，沒有一個(gè)模型真正反映了降雨徑流過程，主要問題在于估算面平均雨量的不確定性以及土壤參數(shù)和土壤含水量的變化；而造成模擬誤差較大的原因可能是雨量與流量的觀測誤差以及面雨量觀測的誤差；此外，徑流過程的非線性也可能造成誤差。Neaf 博士的論述對(duì)于我們認(rèn)識(shí)模型的性質(zhì)及其功能是很有價(jià)值的。 實(shí)時(shí)洪水預(yù)報(bào)“實(shí)時(shí)”是計(jì)算機(jī)科學(xué)用語?？刂评碚撋蠈?shí)時(shí)預(yù)報(bào)的核心技術(shù)是利用“新息”(當(dāng)前時(shí)刻預(yù)報(bào)值與實(shí)測值之差)導(dǎo)向，對(duì)于系統(tǒng)模型或者對(duì)預(yù)報(bào)做出現(xiàn)時(shí)校正。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)識(shí)別(亦稱參數(shù)自適應(yīng)估計(jì))及卡爾曼濾波就是這類方法的典型代表。最早將卡爾曼濾波應(yīng)用于水文預(yù)報(bào)的研究是日本學(xué)者 Hino，他明確提出卡爾曼濾波適用于水文預(yù)報(bào)，并用卡爾曼濾波器遞推地估計(jì)降雨徑流的響應(yīng)函數(shù)。1976 年，莫爾和威斯在論文《使用推廣的卡爾曼濾波器于非線性流域模型的實(shí)時(shí)參數(shù)估計(jì)》中，提出了將非線性匯流模型進(jìn)行線性化、然后使用推廣的卡爾曼濾波器對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行在線估計(jì)?？唆攧P等在論文《實(shí)時(shí)降雨－徑流預(yù)報(bào)的三種系統(tǒng)方法》中