基于状态变量初值修正的洪水预报方法研究

发布时间：2020-07-30 07:37

【摘要】：洪水预报是重要的防洪非工程措施,准确及时的洪水预报可以使洪灾损失降到最低。目前在洪水预报中应用最广泛的水文模型是概念性模型,其预报误差来源于模型输入、模型结构、模型参数、实测值以及状态变量初值等5个方面,在模型结构确定,模型输入、实测数据质量一定的情况下,通过修正状态变量初值,使其更符合实际情况,是提高洪水预报精度的有效途径之一,但目前尚无有效的修正方法。针对此问题,论文提出了基于状态变量初值修正(Initial State Variable Correction,ISVC)的洪水预报方法,并对ISVC方法修正效果进行了检验。论文主要内容总结如下:(1)状态变量初值修正的必要性和可行性论文总结了当前洪水预报误差修正方法的特点和不足,指出了从模型输入、模型结构、模型参数、实测值等方面进行修正存在一定的困难和局限性,而目前对状态变量初值主要采用水文模型连续演算的方式得到,在计算过程中,由于模型输入和模型参数的误差,连续演算后的状态变量初值存在误差,特别是对流域上的第一场水和久旱后的洪水,误差更大。目前对状态变量初值修正主要是人工经验的方式,存在专业要求高,主观性强等缺点,因此,提出一种更为科学有效的状态变量初值修正方法是必要的;通过对状态变量初值对单场洪水和连续洪水的洪水模拟影响分析发现,状态变量初值准确的洪水,预报精度更高,同时状态变量初值对洪水预报具有连续性和系统性的影响,因此对状态变量初值进行修正,以提高洪水预报精度是可行的。(2)赛塘流域水文特性分析收集了流域1992-2018年的降水、流量和蒸发资料,并分别对其进行了分析。采用Mann-Kendall趋势检定和MWP突变检定法研究了降水趋势,结果表明,赛塘流域近30年来,年汛期降水天数显著减少,洋溪、章庄3小时最大降水量趋势显著增加,其余各项降水量指标均无明显变化趋势;洪水特性分析表明,赛塘流域的洪水集中在4-7月份,洪水平均历时6.08d,平均预见期19.5h,平均洪雨比为0.53,峰形多为单峰型,洪水过程较为平缓;蒸发特性分析表明,流域的日、月蒸发量无明显变化趋势,年蒸发量有明显的下降趋势,论文分析了蒸发量旬化对洪水预报的影响,结果表明,采用旬化蒸发参数代替实测蒸发量是可行的,当蒸发资料年限达到20年以上时,计算出的旬化蒸发参数较为稳定。(3)ISVC方法的原理、步骤、特点ISVC方法利用平稳期的实测流量与预报流量对状态变量初值进行修正;ISVC方法主要步骤共分为7步进行,首先采用水文模型连续计算得到的状态变量初值进行洪水预报,然后选择平稳期,采用平稳期的实测流量与计算流量建立误差目标函数,判断初值的调整方向,给定初值的取值范围,利用优化算法率定出最优的状态变量初值,最后采用率定出的初值重新进行洪水预报;ISVC方法不对水文模型及原有预报方法做出任何改变,具有独立性、普适性和实用性的特点。(4)ISVC方法在赛塘流域的应用过程及结果分析ISVC方法可应用于历史洪水模拟以及实时洪水预报。采用新安江模型编制了赛塘流域的洪水预报方案,并采用历史洪水对ISVC方法应用效果进行了验证,对17场洪水进行修正后,12场洪水的预报效果变好,变好率为70.6%,修正后方案的合格率由79.3%上升为84.1%,结果表明,ISVC方法能有效提高洪水预报精度;论文将洪水类型分为8种,分析了其修正后的可能变化结果,并选取了修正后效果变好洪水和修正后效果变差等典型洪水对ISVC方法应用进行了详细说明;论文分析讨论了ISVC方法中平稳期的选择对修正结果的影响,结果表明平稳期的选择非常关键,对修正结果有着重要影响;论文设置不同的平稳期阈值,分别进行修正,结果表明阈值设置有着重要影响,设置不当会造成修正不足和修正过度等问题;论文分析了状态变量初值和模型参数的相似性和不同点,通过Monte-Carlo统计实验分析,指出了初值的异参同效现象及其对修正结果的影响,提出了多次计算,取其中最好值的方法,有效解决了初值异参同效现象带来的不利影响。
【学位授予单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P338;TV87
【图文】：

论文第２章对研究区域的水文特性进行研究；第３章和第４章是方法的理论构建部逡逑分，提出基于状态变量初值修正的洪水预报方法研宄；第５章和第６章是对所提出方法逡逑的实际应用。论文各部分内容之间的逻辑关系如图１－１。逡逑第１章绪论逡逑｜逦＾逦｜逡逑第２章研宄区域水文特性逡逑理论构建逦＃逦实践应用逡逑逦逦逦逦—邋￣邋￣邋逦逦逦逦｜逡逑｜邋｜第３章状态变量及其对洪水预报｜逦｜逦￣￣第５章洪水预报方案编制￣￣逦｜逡逑｜逦的影响逦；丨逦！逡逑ｉ「邋了逦＾邋！逡逑；第４章基于状态变量初值修正的；丨第６章ＩＳＶＣ方法应用及分析邋！逡逑；逦洪水预报方法逦丨；逦｜逡逑：逦：＇逦＇：逡逑＾邋－逡逑第７章结论与展望逡逑图１－１论文章节结构图逡逑１．３．３研宄技术路线逡逑论文以基于状态变量初值修正的洪水预报方法为核心，按照“问题提出－资料收集逡逑分析－规律识别－方法提出－方法应用”的总体思路开展研宄。系统研宄方法的必要性，可逡逑行性，方法的原理、步骤、特点，方法的应用范围、应用效果等。如图１－２所示。逡逑１３逡逑

吼江与泸水均为赣江支流，赛塘水文站与吉安蒸发站直线距离仅２０ｋｍ，水文气象特性逡逑相似，用吉安蒸发站的蒸发资料作为赛塘流域的蒸发资料是合适的。逡逑赛塘流域水雨情测站表见表２－１，流域及测站分布、泰森多边形划分图见图２－１。逡逑表２－１赛塘流域水雨情测站表逡逑测站名称逦所在河流逦Ｈ逦Ｗ＆逦测站类型逡逑ＳＳ逦ＰｚＫ逦１１４°４２＇４４．６４＂逦２７。１３＇２０＿６４，，逦水文站逡逑章庄逦东谷水逦１１４°２１＇４０．３２＂逦２７°３１＇３３．６”逦雨量站逡逑排头逦泸水逦１１４。２１＇７．９２＂逦２７°２３＇６．３６＂逦雨量站逡逑平都逦泸水逦１１４°３６２９．１６”逦２７°２３＇５１．７２＂逦雨量站逡逑路口逦泸水逦１１４。５＇３６．２４＂逦２７0１６＇５３．０４＂逦雨量站逡逑洋溪逦泸水逦１１４。１３＇１４．５２＂逦２７°１８＇１４．７６＂逦雨量站逡逑金田逦消河逦１１４°２６］３．７２＂逦２７°８＇５６．７６＂逦雨量站逡逑吉安逦赣江逦１１４°５４Ｗ逦２７°３＇１０．２＂逦蒸发站逡逑１５逡逑

从测站降水量的角度来说，各测站之间的降水量较为接近，而从汛期降逡逑水量分布的角度来说，降水分布不均匀，具有明显的季节性特点。汛期和主汛期的降水逡逑量等值面见图２－３。逡逑

本文编号：2775232