山前小流域水文—水力学耦合洪水预报研究.pdf

'水利水电技术第47卷2016年第11期山前小流域水文一水力学耦合洪水预报研究孙映宏1，姬战生1，向小华2，吴晓玲2(1．浙江省杭州市水文水资源监测总站，浙江杭州310016；2．河海大学水文水资源学院，江苏南京210098)摘要：为了提高受人类活动影响显著的小流域洪水预报精度，以浙江省杭州市东苕溪流域为研究对象，分别以半分布式新安江模型、平原区水文模型、分洪区水动力模型以及一维河网模型模拟山区、平原区、分洪区以及河道的洪水过程，在卡尔曼滤波实时校正技术的支持下，建立流域水文一水力学耦合预报模型。通过对1996年以来瓶窑站典型洪水进行率定和验证，表明该模型符合东苕溪预报的精度要求。在2012年“海葵”台风的实时预报应用中，该模型发挥了辅助决策的作用，可作为后期防汛决策的参考。关键词：水文一水力学耦合模型；洪水预报；实时校正；卡尔曼滤波doi：10．13928／j．c幽．wTalle．2016．11．003中图分类号：7Ⅳ124文献标识码：A文章编号：1000．08印(2016)11—0009．05StIIdyonhydrologic-hyd咫lllicc伽pHngmodelofnoodforec嬲tingformo岫tain·frontwate袖edSuNYingllon91，JIzhanshen91，xLANGxiaohua2，wuxiaolin92(1．H柚gzllouHydrolo舒粕dWaterResourcesMorIitoriIlgGeneralStati∞ofzllejiarIgPmvince，H蚰舒hou310016，Zheji蚰g，China；2．CoUegeofHydrology蚰dWaterReso眦e，Ho|laiUIIive璐ity，N龃j咄210098，JiaJlgsu，Clli眦)A畸tract：InordertoeI山锄cetlleaccuracy0fⅡoodforec鹊tingfortllosewatershedsundersigIlificantimpactsf南mhum锄actiVi-ties，Dongshao)【iwatershedinH锄铲houofZheji锄gPmvinceistal【en硒山estudyc鹊e，锄dt}lenawaterShedhydmlo百c-hy-dmuliccouplingmodelisestablishedbysim幽ngtllenoodhydrogmphs《mountainousarea，plainarea，nooddiversionarea柚driverchaIlIlelwitlltllesemi-dis袖uted)【inanji蚰gM0del，hydrol晒calmodelforplainarea，hydmdyll锄icmodelfornooddiVersionarea明d∞e-dimemiollalriVe卜net’帅rkmodelrespectivelyuIldert}lesupport0ftlletechIIiqueofreal．timeupdatingbyKalIn卸filteL711lroughtllecalibmtion粕dve商cationmadeoHtlletypicalnoodsrecordedinPingyaostationsince1996，itisin—dicatedtIlattllemodeImeetstlleaccuracyre(IuirementoftlIeforec鹊tingfbrDon铲haoxiWate璐hedDmingtIleapplica60n0ft11ereal-timefbrec鸽tingforTyphoonHaikui，tllemodelplaysamle0f鹊sistantdecision-making，wllichcanbetaken鹊arefbrenceformedecision-m出ngofnoodconn_0lintlledaystocome．Keywords：hydmlo舀c·hydmIlliccouplingmodel；noodforec鹊ting；real-timecorrection；Kalmanfilter多年来，为缓解水资源缺乏和发展区域经济等问题，在流域内修建了大量的闸、坝等水利工程，改变了流域下垫面条件和河道水流特性，使得单一的水文学洪水预报方法越来越难以满足要求。为此，诸多学者将水文学与水力学方法结合起来开展洪水预报方法研究。郭延祥等¨o将水文和水力学耦合模型成功地应用于三峡梯级水库的预报调度，为三峡、葛洲坝梯级调度提供5d的实时水情预报；李致家等心1将水文和一、二维水力学耦合模型应用于淮河流域南四湖洪水预报，取得了较好的预报效果；殷骏‘31建立了南四湖区水文和一维水动力耦合预报模型，确认了在南四湖区耦合预报模型的可行性和稳定性；王船海‘4|、吴晓收稿日期：2016．07—19基金项目：国家重点研发计划专项经费资助项目(2016YFA060l000)；浙江省水利科技计划重点项目(RBl308)；国家自然科学基金(41201030)。作者简介：孙映宏(1975一)，男，高级工程师。蓦 孙映宏，等∥山前小流域水文一水力学耦合洪水预报研究玲等¨。将卡尔曼技术应用于三峡以上长江干流水动力学预报，表明校正后的预报精度较校正前有显著提升。连接平原区的山区小流域往往坡度陡，水流急，强降雨条件下洪水迅速从山区进入平原河道造成河水位猛涨，形成防洪压力。该类型的流域对洪水预报反应时间和精度都有很高的要求，且防洪控制点常位于平原河道，预报考察的状态通常为水位，常用的预报流量的水文学方法难以满足要求，需要将山区的水文学方法和平原河道的水力学方法结合起来建立新的预报模型。本文以浙江省杭州市东苕溪流域为研究对象，考虑流域内水库、行蓄洪区以及闸坝等水利工程的影响，建立水文一水力学耦合数字模型进行洪水实时预报，并结合在线自动更新的水情信息，实时修正预报结果，提高洪水预报精度，为区域防洪减灾工作提供技术支撑。1流域概况东苕溪流域属太湖流域，其主流发源于临安市天目山南麓，贯穿临安、余杭、德清等地，经湖州市人太湖。全流域面积为2265km2，干流全长为151km，其中瓶窑站以上流域面积为1424．4km2，干流长80．1km。流域地处亚热带季风区，温暖多雨，多年平均降水量为1300～1800mm。汛期降雨集中，形成洪水的气象成因主要为梅雨和台风雨。流域内山区比重大、坡陡流急，上游天目山区是浙江省大暴雨中心之一，加之下游平原河道泄水不畅，山洪直接威胁杭嘉湖平原，洪涝灾害十分频繁，是浙江省洪涝灾害最严重的河流之一。流域内水利工程较多，先后在上游兴建了青山、四岭、水涛庄等大中型水库，有效控制流域面积达873．3km2，占全流域面积的38．6％；流域中游建有南湖和北湖两个分滞洪区；沿河两^岸筑有堤防，其中右岸堤防称西四岭水库}{{流别险大塘，是保护省会杭州市和杭嘉湖平原的主要屏障；下游通过盖雾溢震’清奎⋯槲流劬闸。河道输送的洪水过程主要来⋯⋯⋯⋯y、自于河道北部的山区和平原区。流域主要水文分区、河道及水利A工程分布如图1所示。青山水库“1流别2预报模型10以德清大桥为下边界构建东@心竺三兰!三／夕—。：I二【二[：_工要孚要要季[『|≤磊‘犁刘嘉、／／厂—Lu—I粤／^＼L—几—厂—一I晷图2东苕溪流域预报模型概化示意水利水电技术第47卷2016年第11期 丘区划分为4个小流域(见图1)：北苕溪流域上游承接四岭水库放水过程，建立多子流域型的半分布式三水源新安江模型哺J，经树状水系输运水库放水和流域产水至流域出口，汇入东苕溪河道干流的北支；中苕溪流域承接水涛庄水库放水，并结合半分布式三水源新安江模型输送水量至东苕溪河道干流的中支；由于东苕溪河道干流南支穿过南苕溪流域，直抵清山水库坝下，所以东苕溪流域半分布式新安江模型得到的水量过程采用沿程旁侧人流的方式汇人南支河道，青山水库上游放水过程直接汇人南支；湖州山区流域也采用半分布式新安江模型，其水量通过流域出口直接汇人东苕溪干流。2．2平原区水文模型流域包含3处平原区(见图1)，分别位于北支与中支之间、中支与南支之间以及湖州流域与干流之间。平原区水文模型采用太湖流域模型r¨中平原水文模型的简化处理，将平原区下垫面划分为水域、不透水硬质地面、透水陆面以及水田，建立有针对性的产流模型。水域产流：水域的产流不考虑土壤下渗等损失，其日产流量即为日降雨量与蒸发量之差R=P一艘(1)式中，P为日雨量(-l蚰)；尺为日净雨量(mm)；E为蒸发皿蒸发量(mm)；口为蒸发皿折算系数。不透水硬质地面产流：当降雨量大于蒸发量时，不透水层产流深等于有效降雨深；反之则不产流。透水陆面产流：在平原水网地区地下水位比较高，土壤含水量易于得到补充，因此旱地计算采用三层蒸发、三水源的新安江模型。水田产流：水田产流需要根据作物生长期的需水过程及水稻田适宜水深上下限、耐淹水深等因素进行推求，逐日进行水量平衡计算，推求水田产水深RHq=HI+P—oLE一}尺=风一k皿=日一当风>％(2)R=0．0皿=风当日mi。≤％≤k—R=Ho—HmH2=Hm当Hn