洪水計(jì)算不確定性實(shí)例分析研究

摘要:水文計(jì)算存在很大的不確定性,是當(dāng)前世界水文學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題,也是難點(diǎn)問題。文章探索了水文研究方法,分析并減少其中的不確定性,豐富和完善水文學(xué)理論,為工程設(shè)計(jì)和有關(guān)部門的決策提供必要的依據(jù)和支持。

關(guān)鍵詞:水文計(jì)算;洪水計(jì)算;不確定性

中圖分類號(hào):TV213-文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-1145(2009)29-0255-02

洪水過程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程,它的發(fā)生與發(fā)展取決于氣象因素和地理因素。對(duì)于某些突發(fā)性水文事件,比如暴雨洪水,確定性計(jì)算往往不能提供足夠的信息和預(yù)報(bào)精度。葛守西指出,不確定性不僅存在于隨機(jī)系統(tǒng),對(duì)于確定性系統(tǒng)也普遍存在“觀測(cè)隨機(jī)噪聲”和“模型隨機(jī)噪聲”。對(duì)于無資料地區(qū),由于缺少甚至沒有資料,當(dāng)我們應(yīng)用傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)工具時(shí),不確定的問題尤為突出。資料的缺乏結(jié)合氣候影響與土地利用變化,在量與質(zhì)上都進(jìn)一步增加了無資料地區(qū)洪水計(jì)算、水資源、水質(zhì)預(yù)報(bào)的不確定性。

一、洪水計(jì)算中的不確定性

洪水過程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程,它的發(fā)生與發(fā)展取決于氣象因素、水文因素、地理因素以及人為的干擾等。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、自動(dòng)化控制、遙感影像、數(shù)值分析、統(tǒng)計(jì)理論等新技術(shù)、新方法的迅速發(fā)展與應(yīng)用,傳統(tǒng)的確定性計(jì)算由于不能提供足夠的信息,而越來越無法滿足科學(xué)決策的需要。由于缺少甚至沒有資料,當(dāng)我們應(yīng)用傳統(tǒng)的思路與方法時(shí),不確定的問題非常嚴(yán)重,如水文的不確定性、水力學(xué)上的不確定性、數(shù)據(jù)的不確定性和計(jì)算中的不確定性等。如何避免或減少洪水計(jì)算中的不確定性是擺在我們面前的重要問題,也是當(dāng)前水文學(xué)研究的重點(diǎn)、難點(diǎn)。

(一)無資料地區(qū)洪水計(jì)算的不確定性

不確定性一直是水文研究的熱點(diǎn),也是最大的難點(diǎn)問題。設(shè)計(jì)洪水計(jì)算、水資源管理、水環(huán)境控制、水利水電工程規(guī)劃、洪水預(yù)報(bào)以及防洪減災(zāi)決策等都需要準(zhǔn)確的水文計(jì)算來提供必要的信息。傳統(tǒng)的水文研究大多是確定性的,其常見思路是根據(jù)輸入資料建立確定性模型得到輸出結(jié)果,在此過程中回避了不確定性的問題。從統(tǒng)計(jì)的角度來說,由于大多數(shù)水文學(xué)研究只是盡力找到最好的估計(jì)值,而不是基于不確定性的模型預(yù)測(cè),所以目前幾乎所有的水文模擬都被設(shè)定提供點(diǎn)估計(jì)。

1.洪水計(jì)算的不確定性概述

洪水計(jì)算涉及氣象因素、地理因素和人類活動(dòng)等,因而其不確定性的來源十分復(fù)雜。張洪剛等認(rèn)為水文研究中的不確定性來源于水文現(xiàn)象的隨機(jī)性與模糊性、水文模型結(jié)構(gòu)誤差、模型參數(shù)的優(yōu)選誤差、模型確定性輸入的誤差以及模型不確定性輸入的誤差。

一般可把洪水計(jì)算中的各種不確定性來源分為三類:

(1)輸入的不確定性。洪水計(jì)算中的輸入包括確定性輸入和不確定性輸入。確定性輸入的不確定性體現(xiàn)在輸出結(jié)果上,是通過模型結(jié)構(gòu)的不確定性起作用的。

(2)模型結(jié)構(gòu)的不確定性。模型結(jié)構(gòu)的不確定性主要來自于以下幾個(gè)方面:現(xiàn)有水文理論的不完善,研究者對(duì)水文現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的不足與數(shù)學(xué)描述的誤差,不同水文模型的機(jī)理、復(fù)雜程度、應(yīng)用尺度等。

(3)參數(shù)的不確定性。模型參數(shù)主要反映流域下墊面因素的影響,具有一定的物理意義。近幾年研究較熱的分布式水文模型比傳統(tǒng)的集總式概念性模型考慮了更多流域地理信息,結(jié)果更加可靠。但由于其涉及因素多,參數(shù)的不確定性問題也更加復(fù)雜。

2.無資料地區(qū)洪水計(jì)算的不確定性研究現(xiàn)狀。在有資料流域的洪水計(jì)算中,盡管有充足的流量降雨資料,仍存在著相當(dāng)大的不確定性。對(duì)于無資料地區(qū),資料的缺乏結(jié)合氣候影響與土地利用變化,在量與質(zhì)上都進(jìn)一步增加了洪水計(jì)算、水資源、水質(zhì)預(yù)報(bào)的不確定性。歸納起來,水文學(xué)理論的不足、水文模型的缺陷、輸入的不確定以及計(jì)算的誤差等因素,構(gòu)成無資料流域洪水計(jì)算不確定性的主要來源。合理地量化不確定性是解決不確定問題的重要思路。對(duì)于輸入的不確定性是將輸入以隨機(jī)變量的形式而不是以往確定值的形式提供給模型,當(dāng)已知輸入的概率分布時(shí),就能由輸入的不確定性得到輸出的不確定性。

(二)不確定性分析方法

目前,處理各種不確定性已有了各自的數(shù)學(xué)方法。處理隨機(jī)性的數(shù)學(xué)方法是隨機(jī)理論與概率統(tǒng)計(jì);處理模糊性的數(shù)學(xué)方法是模糊數(shù)學(xué);處理灰色性的數(shù)學(xué)方法是灰色數(shù)學(xué);處理末確知性的數(shù)學(xué)方法是未確知數(shù)學(xué)。在實(shí)踐中,常常會(huì)遇到多種不確定性共存的情況,需要將幾種方法結(jié)合起來。

在水文學(xué)領(lǐng)域,上述的各種不確定理論和數(shù)學(xué)方法正得到越來越多的應(yīng)用。除上述的各種理論外,目前主要的不確定分析方法有貝葉斯方法、蒙特卡羅法(MonteCarlo)、GLUE方法(Generalized Likelihood Uncertainty Eatimation,普遍似然不確定性估計(jì))等。

二、洪水技術(shù)實(shí)例分析

(一)流域概況

某水流域是暴雨中心之一,自新中國(guó)成立以來共發(fā)生十多次洪水,給下游村莊造成了嚴(yán)重?fù)p失。為防御洪水,流域已設(shè)計(jì)建造了幾個(gè)水庫,但部分村莊依舊處在洪水危害中。因此,有關(guān)部門擬在流域上游處再建一滯洪水庫。目前,工程尚處于規(guī)劃中,需要計(jì)算相應(yīng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水,并分析水庫對(duì)下游保護(hù)區(qū)的防洪效益。

(二)設(shè)計(jì)暴雨計(jì)算

由于該流域缺少實(shí)測(cè)流量資料,故用暴雨資料推求壩址設(shè)計(jì)洪水。壩址以上流域面積為10.4km2。具體計(jì)算內(nèi)容包括如下幾個(gè)方面:設(shè)計(jì)點(diǎn)雨量計(jì)算,設(shè)計(jì)面雨量計(jì)算,設(shè)計(jì)暴雨過程,設(shè)計(jì)凈雨計(jì)算。

(三)壩址設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

資料不足的情況下設(shè)計(jì)洪水計(jì)算,可分為由流量資料經(jīng)插補(bǔ)展延后推求設(shè)計(jì)洪水與由雨量資料經(jīng)產(chǎn)流匯流計(jì)算后推求設(shè)計(jì)洪水兩種途徑。本流域由于嚴(yán)重缺少流量數(shù)據(jù),故采用后一種方法。

設(shè)計(jì)洪水計(jì)算的內(nèi)容包括推求設(shè)計(jì)洪峰流量、不同時(shí)段的設(shè)計(jì)洪水總量以及設(shè)計(jì)洪水過程線三個(gè)部分。對(duì)于中小型水庫,溢洪道無須閘門控制,推求設(shè)計(jì)洪水的重點(diǎn)為設(shè)計(jì)洪峰流量及以洪峰控制的設(shè)計(jì)洪水過程線。

(四)水庫調(diào)洪計(jì)算

設(shè)計(jì)削峰滯洪水庫時(shí),防洪效益是首要問題。由于該水庫要承擔(dān)下游防洪任務(wù),除了要考慮保證水庫自身安全的防洪標(biāo)準(zhǔn)外,還要考慮下游防護(hù)對(duì)象。設(shè)計(jì)水庫時(shí),要求水庫有防洪設(shè)施,即設(shè)置一定的防洪庫容和泄洪建筑物,使洪水經(jīng)過調(diào)節(jié)后,安全通過大壩,還要求下泄流量不超過防護(hù)河段的允許泄量,即安全泄量,以保證下游防護(hù)對(duì)象的安全。

水庫調(diào)節(jié)洪水的作用是攔蓄洪水,削減洪峰,延長(zhǎng)泄洪時(shí)間,使下泄流量能安全通過下游河道。調(diào)洪計(jì)算的任務(wù)是在水工建筑物或下游防護(hù)對(duì)象的防洪標(biāo)準(zhǔn)一定的情況下,根據(jù)已知的設(shè)計(jì)入庫洪水過程線、水庫地形特性資料、擬定的泄洪建筑物型式的尺寸、調(diào)洪方式,通過調(diào)洪計(jì)算,推求出水庫出流過程、最大下泄流量、防洪庫容和水庫相應(yīng)的最高洪水位。

(五)河道洪水演進(jìn)計(jì)算

天然河道中的洪水,以洪水波(見河水運(yùn)動(dòng))形態(tài)沿河道自上游向下游運(yùn)動(dòng),各項(xiàng)洪水要素(洪水位和洪水流量等)先在河道上游斷面出現(xiàn),然后依次在下游各斷面出現(xiàn)。因此,可利用河道中洪水波運(yùn)動(dòng)規(guī)律,由上游斷面的洪水位和洪水流量,來預(yù)報(bào)下游斷面的洪水位和洪水流量。根據(jù)洪水波運(yùn)動(dòng)的不同研究方法,可得出各河道洪水預(yù)報(bào)的各種方法。常用的有相應(yīng)水位(或相應(yīng)流量)法和流量演算法(主要是指馬斯京根法)。

三、結(jié)語

本文結(jié)合研究流域,采用綜合法計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨;用初損后損法計(jì)算凈雨;用推理公式法和地區(qū)綜合法推求設(shè)計(jì)洪水并進(jìn)行比較結(jié)果表明推理公式法。以某小流域?yàn)楸尘?探討小流域洪水計(jì)算的理論和方法,并分析洪水計(jì)算,特別是設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中的不確定。本文的洪水計(jì)算結(jié)果是該流域水利工程設(shè)計(jì)的依據(jù)和支持,也希望能為其他地區(qū)的洪水計(jì)算研究提供一定的參考價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介:何樹敏,男,廣西梧州人,廣西梧州水利電力設(shè)計(jì)院助理工程師,研究方向:水文規(guī)劃。