水电能源学23知识讲解

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1、水电能源学水水 电电 能能 源源 学学华中科技大学 水电与数字化工程学院20092009年年8 8月月第五章 径流预报水电能源学5.1 概述第五章 径流预报 在水库的运行过程中，必须根据流域径流的信息，在水库的运行过程中，必须根据流域径流的信息，合理安排发电和泄洪计划，做到经济，合理，安全合理安排发电和泄洪计划，做到经济，合理，安全运行。水库调度的的依据就是径流预报。运行。水库调度的的依据就是径流预报。 径流预报是根据流域的水文要素（流量、水位等）径流预报是根据流域的水文要素（流量、水位等）或其影响要素（降雨、温度等）的过去或现在状态，或其影响要素（降雨、温度等）的过去或现在状态，对其未来状态

2、做作出估计。对其未来状态做作出估计。一、径流预报的基本概念一、径流预报的基本概念第五章 径流预报水电能源学 要使发布的径流预报具有实际意义，就必须给要使发布的径流预报具有实际意义，就必须给出正确的预报值和预见期。出正确的预报值和预见期。 下图为某次洪水预报过程线。图中，下图为某次洪水预报过程线。图中， 为当前为当前时刻；时刻； 为预见期；为预见期； 为峰值；为峰值； 为峰值时间。为峰值时间。第五章 径流预报水电能源学 凡预报的预见期小于或等于流域汇流时间的称为凡预报的预见期小于或等于流域汇流时间的称为短期径流预报，否则称为中长期径流预报。短期径流预报，否则称为中长期径流预报。 径流预报按照预见

3、期可以分为短期径流预报和中径流预报按照预见期可以分为短期径流预报和中长期径流预报。一般以流域汇流时间为界：长期径流预报。一般以流域汇流时间为界：第五章 径流预报水电能源学 如何提高径流预报精度和增长有效预见期，是径如何提高径流预报精度和增长有效预见期，是径流预报中的两个重要问题。流预报中的两个重要问题。 因此，开展对水文要素变化及演变规律的研究，因此，开展对水文要素变化及演变规律的研究，建立精确的预报方法，以及应用包括遥测遥感、信建立精确的预报方法，以及应用包括遥测遥感、信息实时处理等现代化测报技术是十分必要的。息实时处理等现代化测报技术是十分必要的。 第五章 径流预报水电能源学 径流的形成过

4、程：径流的形成过程：地面径流地面径流壤中径流壤中径流地下径流地下径流蒸散发蒸散发流域蓄水流域蓄水流域降雨流域降雨坡坡地地汇汇流流径流径流产流过程产流过程降雨量蓄水量蒸散发损失蒸散发损失产流量河河网网汇汇流流第五章 径流预报水电能源学 水文现象是一种非常复杂的物理现象，它不仅受水文现象是一种非常复杂的物理现象，它不仅受降雨的时空分布特性的影响，还受流域下垫面、人降雨的时空分布特性的影响，还受流域下垫面、人类活动等因素的影响。因此，多年来水文学者一直类活动等因素的影响。因此，多年来水文学者一直在不断探索和研究，以便揭示水文现象及其发展变在不断探索和研究，以便揭示水文现象及其发展变化规律。化规律。二

5、、二、 流域水文模型及其发展流域水文模型及其发展第五章 径流预报水电能源学 但是，至今仍有许多问题没有解决。在没有完全但是，至今仍有许多问题没有解决。在没有完全弄清楚水文规律之前，水文学家总是试图通过建立弄清楚水文规律之前，水文学家总是试图通过建立模型对水文过程进行模拟。在对复杂的水文过程进模型对水文过程进行模拟。在对复杂的水文过程进行研究时，水文模型可以认为是描述水文现象和水行研究时，水文模型可以认为是描述水文现象和水文过程的有效工具。即：流域水文模型是对自然界文过程的有效工具。即：流域水文模型是对自然界中复杂水文现象的近似模拟，是水文科学研究的重中复杂水文现象的近似模拟，是水文科学研究的重

6、要手段。要手段。 流域水文模型的发展主要经历了如下三个阶段：流域水文模型的发展主要经历了如下三个阶段：第五章 径流预报水电能源学1 1、概念、理论的确立以及系统黑箱模型阶段、概念、理论的确立以及系统黑箱模型阶段 自上世纪自上世纪2020年代开始，一批重要的水文原理和计年代开始，一批重要的水文原理和计算方法陆续出现，如：以达西定律为代表的非饱和算方法陆续出现，如：以达西定律为代表的非饱和土壤水运动方程；以霍顿公式为代表的下渗曲线公土壤水运动方程；以霍顿公式为代表的下渗曲线公式；以彭曼方程为代表的流域蒸散发计算方法；式；以彭曼方程为代表的流域蒸散发计算方法；ShermanSherman的单位线法；

7、尤其是的单位线法；尤其是霍顿超渗产流和蓄满产霍顿超渗产流和蓄满产流概念的提出，使人们认识到自然界中存在两种截流概念的提出，使人们认识到自然界中存在两种截然不同的产流机制。这些理论和方法在实践中不断然不同的产流机制。这些理论和方法在实践中不断得到发展和完善，为水文模型的雏形得到发展和完善，为水文模型的雏形经验性的经验性的“黑箱黑箱”模型亦应运而生。模型亦应运而生。第五章 径流预报水电能源学2 2、概念性水文模型阶段、概念性水文模型阶段 进入上世纪进入上世纪5050年代以后，随着人们对下渗理论、年代以后，随着人们对下渗理论、土壤水运动理论和河道水力学理论认识的不断加深，土壤水运动理论和河道水力学理

8、论认识的不断加深，以及将计算机技术引入水文学研究领域，水文学家开以及将计算机技术引入水文学研究领域，水文学家开始把水文循环的整体过程作为一个完整的系统来研究，始把水文循环的整体过程作为一个完整的系统来研究，并于并于5050年代后期提出了年代后期提出了“流域模型流域模型”的概念。的概念。第五章 径流预报水电能源学 到了上世纪到了上世纪5050年代中期至年代中期至8080年代中期，概念性水年代中期，概念性水文模型进入蓬勃发展阶段，其中代表性模型有美国文模型进入蓬勃发展阶段，其中代表性模型有美国的的StanfordStanford模型和模型和HEC-1HEC-1模型、日本模型、日本TankTank模

9、型、瑞典模型、瑞典的的HBVHBV模型、我国的新安江模型等。模型、我国的新安江模型等。 概念性模型比经验黑箱模型先进，但其最大缺陷概念性模型比经验黑箱模型先进，但其最大缺陷是忽略了气象强迫输入和地形、土壤、植被等流域是忽略了气象强迫输入和地形、土壤、植被等流域下垫面特性的空间不均匀性，且无法给出水文变量下垫面特性的空间不均匀性，且无法给出水文变量在流域内的分布，满足不了规划管理和预报实践中在流域内的分布，满足不了规划管理和预报实践中对流域内各个位置的水位水量情报的需要。对流域内各个位置的水位水量情报的需要。第五章 径流预报水电能源学3 3、分布式水文模型阶段、分布式水文模型阶段 上世纪上世纪8

10、080年代中期开始，随着计算机、年代中期开始，随着计算机、GISGIS和遥和遥感技术的迅速发展，具有一定物理基础并能反映流感技术的迅速发展，具有一定物理基础并能反映流域内各种要素空间异质特性的分布域内各种要素空间异质特性的分布式水文模型开始式水文模型开始兴起，国际上较成熟的兴起，国际上较成熟的分布分布式水文模型式水文模型有有TOPMODELTOPMODEL、SHESHE、SWATSWAT等。针对我国实况建立具有我国流域特等。针对我国实况建立具有我国流域特色的分布色的分布式水文模型，近式水文模型，近1010年来取得了不少创新性年来取得了不少创新性研究成果。研究成果。第五章 径流预报水电能源学 随

11、着环境变化下水文水资源影响问题的日益关注，随着环境变化下水文水资源影响问题的日益关注，现代分布现代分布式水文模型开始更多地考虑地球生物圈、式水文模型开始更多地考虑地球生物圈、全球气候变化及人类活动的影响，同时对土壤湿度全球气候变化及人类活动的影响，同时对土壤湿度的侧向分布、产流机制、汇流机制、蒸发估计等方的侧向分布、产流机制、汇流机制、蒸发估计等方面的描述更加完善。为改进陆面过程模拟，实现大面的描述更加完善。为改进陆面过程模拟，实现大气水文模式的耦合提供了可能。气水文模式的耦合提供了可能。第五章 径流预报水电能源学 概念性水文模型用概化的方法表达流域的水文过概念性水文模型用概化的方法表达流域的

12、水文过程，虽然有一定的物理基础，但都是经验性概述。程，虽然有一定的物理基础，但都是经验性概述。 分布分布式物理模型的参数具有明确的物理意义，可式物理模型的参数具有明确的物理意义，可以通过连续方程和动力方程求解，因而能更准确地以通过连续方程和动力方程求解，因而能更准确地描述水文过程，具有很强的适应性，在模拟土地利描述水文过程，具有很强的适应性，在模拟土地利用、水土流失变化的水文响应及非点源污染、陆面用、水土流失变化的水文响应及非点源污染、陆面过程、气候变化影响评价等方面得到了广泛应用。过程、气候变化影响评价等方面得到了广泛应用。第五章 径流预报水电能源学 在径流预报和水文计算中都需要对大面积以至

13、全在径流预报和水文计算中都需要对大面积以至全流域的降水量进行计算。流域的降水量进行计算。5.2 流域的降水量计算 从降水成因及分类可知，降水在空间的分布是不从降水成因及分类可知，降水在空间的分布是不均匀的，往往某一局部范围内的降雨量相对其周围均匀的，往往某一局部范围内的降雨量相对其周围要大，而其它位置的降雨量则随距离加大而逐渐减要大，而其它位置的降雨量则随距离加大而逐渐减少。我们将降雨集中处称为暴雨中心。少。我们将降雨集中处称为暴雨中心。第五章 径流预报水电能源学 由于暴雨中心在流域上的分布是随机的，因此需由于暴雨中心在流域上的分布是随机的，因此需要有足够多的雨量观测站捕捉多变的降雨量，才能要

14、有足够多的雨量观测站捕捉多变的降雨量，才能较好地反映降雨的空间分布。较好地反映降雨的空间分布。 由于水文工作多以流域为对象，因此所谓降雨量，由于水文工作多以流域为对象，因此所谓降雨量，多指流域的平均降雨量。多指流域的平均降雨量。 根据雨量观测站测量的降雨量来估算流域平均降根据雨量观测站测量的降雨量来估算流域平均降雨量的方法有算术平均法和泰森多边形法等。雨量的方法有算术平均法和泰森多边形法等。第五章 径流预报水电能源学一、算术平均法一、算术平均法 设：在流域上均匀分布了设：在流域上均匀分布了 个雨量观测站；在某个雨量观测站；在某时段第时段第 个雨量观测站测量的降雨量为个雨量观测站测量的降雨量为

15、；流域的；流域的平均降雨量为平均降雨量为 ，则算术平均法的计算式为，则算术平均法的计算式为 算术平均法适用于流域内地形起伏不大，雨量站算术平均法适用于流域内地形起伏不大，雨量站网分布均匀且较稠密的地区。网分布均匀且较稠密的地区。第五章 径流预报水电能源学二、泰森多边形法二、泰森多边形法 泰森多边形法又称为垂直平分法。该法是将相邻泰森多边形法又称为垂直平分法。该法是将相邻雨量站用直线连接成若干三角形，然后对每个三角雨量站用直线连接成若干三角形，然后对每个三角形各边作垂直平分线，连接这些垂直线的交点，得形各边作垂直平分线，连接这些垂直线的交点，得若干多边形，每个多边形各有一个雨量站。若干多边形，每

16、个多边形各有一个雨量站。第五章 径流预报水电能源学 泰森多边形法即以此多边形面积泰森多边形法即以此多边形面积 作为该雨量作为该雨量站所控制的面积，并按下式计算流域的平均降雨量站所控制的面积，并按下式计算流域的平均降雨量 泰森多边形法适用于雨量站网分布不均匀的流域。泰森多边形法适用于雨量站网分布不均匀的流域。该法假定雨量站点所代表的区域在不同降雨过程中该法假定雨量站点所代表的区域在不同降雨过程中视为固定不变，因此与实际降水空间分布不完全符视为固定不变，因此与实际降水空间分布不完全符合。合。第五章 径流预报水电能源学5.3 流域的蓄水容量曲线 考考察察流流域域上上沿沿垂垂向向的的土土柱柱结结构构。可可以以看看出出，以以地地下水面为界，土柱被分为两个不同的土壤含水带：下水面为界，土柱被分为两个不同的土壤含水带： 地地下下水水面面以以下下，土土壤壤处处于于饱饱和和含含水水状状态态，是是土土壤壤颗粒和水分组成的两相系统，称为饱和带；颗粒和水分组成的两相系统，称为饱和带； 地地下下水水面面以以上上，土土壤壤含含水水量量处处于于非非饱饱和和状状态态，是是土土壤壤颗颗粒粒、水水分分和和空空气气组组成成