洪水计算不确定性实例分析研究

摘要:水文计算存在很大的不确定性,是当前世界水文学领域的热点课题,也是难点问题。文章探索了水文研究方法,分析并减少其中的不确定性,丰富和完善水文学理论,为工程设计和有关部门的决策提供必要的依据和支持。

关键词:水文计算;洪水计算;不确定性

中图分类号:TV213-文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)29-0255-02

洪水过程是一个复杂的动态过程,它的发生与发展取决于气象因素和地理因素。对于某些突发性水文事件,比如暴雨洪水,确定性计算往往不能提供足够的信息和预报精度。葛守西指出,不确定性不仅存在于随机系统,对于确定性系统也普遍存在“观测随机噪声”和“模型随机噪声”。对于无资料地区,由于缺少甚至没有资料,当我们应用传统的预测工具时,不确定的问题尤为突出。资料的缺乏结合气候影响与土地利用变化,在量与质上都进一步增加了无资料地区洪水计算、水资源、水质预报的不确定性。

一、洪水计算中的不确定性

洪水过程是一个复杂的动态过程,它的发生与发展取决于气象因素、水文因素、地理因素以及人为的干扰等。随着计算机模拟技术、自动化控制、遥感影像、数值分析、统计理论等新技术、新方法的迅速发展与应用,传统的确定性计算由于不能提供足够的信息,而越来越无法满足科学决策的需要。由于缺少甚至没有资料,当我们应用传统的思路与方法时,不确定的问题非常严重,如水文的不确定性、水力学上的不确定性、数据的不确定性和计算中的不确定性等。如何避免或减少洪水计算中的不确定性是摆在我们面前的重要问题,也是当前水文学研究的重点、难点。

(一)无资料地区洪水计算的不确定性

不确定性一直是水文研究的热点,也是最大的难点问题。设计洪水计算、水资源管理、水环境控制、水利水电工程规划、洪水预报以及防洪减灾决策等都需要准确的水文计算来提供必要的信息。传统的水文研究大多是确定性的,其常见思路是根据输入资料建立确定性模型得到输出结果,在此过程中回避了不确定性的问题。从统计的角度来说,由于大多数水文学研究只是尽力找到最好的估计值,而不是基于不确定性的模型预测,所以目前几乎所有的水文模拟都被设定提供点估计。

1.洪水计算的不确定性概述

洪水计算涉及气象因素、地理因素和人类活动等,因而其不确定性的来源十分复杂。张洪刚等认为水文研究中的不确定性来源于水文现象的随机性与模糊性、水文模型结构误差、模型参数的优选误差、模型确定性输入的误差以及模型不确定性输入的误差。

一般可把洪水计算中的各种不确定性来源分为三类:

(1)输入的不确定性。洪水计算中的输入包括确定性输入和不确定性输入。确定性输入的不确定性体现在输出结果上,是通过模型结构的不确定性起作用的。

(2)模型结构的不确定性。模型结构的不确定性主要来自于以下几个方面:现有水文理论的不完善,研究者对水文现象认识的不足与数学描述的误差,不同水文模型的机理、复杂程度、应用尺度等。

(3)参数的不确定性。模型参数主要反映流域下垫面因素的影响,具有一定的物理意义。近几年研究较热的分布式水文模型比传统的集总式概念性模型考虑了更多流域地理信息,结果更加可靠。但由于其涉及因素多,参数的不确定性问题也更加复杂。

2.无资料地区洪水计算的不确定性研究现状。在有资料流域的洪水计算中,尽管有充足的流量降雨资料,仍存在着相当大的不确定性。对于无资料地区,资料的缺乏结合气候影响与土地利用变化,在量与质上都进一步增加了洪水计算、水资源、水质预报的不确定性。归纳起来,水文学理论的不足、水文模型的缺陷、输入的不确定以及计算的误差等因素,构成无资料流域洪水计算不确定性的主要来源。合理地量化不确定性是解决不确定问题的重要思路。对于输入的不确定性是将输入以随机变量的形式而不是以往确定值的形式提供给模型,当已知输入的概率分布时,就能由输入的不确定性得到输出的不确定性。

(二)不确定性分析方法

目前,处理各种不确定性已有了各自的数学方法。处理随机性的数学方法是随机理论与概率统计;处理模糊性的数学方法是模糊数学;处理灰色性的数学方法是灰色数学;处理末确知性的数学方法是未确知数学。在实践中,常常会遇到多种不确定性共存的情况,需要将几种方法结合起来。

在水文学领域,上述的各种不确定理论和数学方法正得到越来越多的应用。除上述的各种理论外,目前主要的不确定分析方法有贝叶斯方法、蒙特卡罗法(MonteCarlo)、GLUE方法(Generalized Likelihood Uncertainty Eatimation,普遍似然不确定性估计)等。

二、洪水技术实例分析

(一)流域概况

某水流域是暴雨中心之一,自新中国成立以来共发生十多次洪水,给下游村庄造成了严重损失。为防御洪水,流域已设计建造了几个水库,但部分村庄依旧处在洪水危害中。因此,有关部门拟在流域上游处再建一滞洪水库。目前,工程尚处于规划中,需要计算相应设计标准的洪水,并分析水库对下游保护区的防洪效益。

(二)设计暴雨计算

由于该流域缺少实测流量资料,故用暴雨资料推求坝址设计洪水。坝址以上流域面积为10.4km2。具体计算内容包括如下几个方面:设计点雨量计算,设计面雨量计算,设计暴雨过程,设计净雨计算。

(三)坝址设计洪水计算

资料不足的情况下设计洪水计算,可分为由流量资料经插补展延后推求设计洪水与由雨量资料经产流汇流计算后推求设计洪水两种途径。本流域由于严重缺少流量数据,故采用后一种方法。

设计洪水计算的内容包括推求设计洪峰流量、不同时段的设计洪水总量以及设计洪水过程线三个部分。对于中小型水库,溢洪道无须闸门控制,推求设计洪水的重点为设计洪峰流量及以洪峰控制的设计洪水过程线。

(四)水库调洪计算

设计削峰滞洪水库时,防洪效益是首要问题。由于该水库要承担下游防洪任务,除了要考虑保证水库自身安全的防洪标准外,还要考虑下游防护对象。设计水库时,要求水库有防洪设施,即设置一定的防洪库容和泄洪建筑物,使洪水经过调节后,安全通过大坝,还要求下泄流量不超过防护河段的允许泄量,即安全泄量,以保证下游防护对象的安全。

水库调节洪水的作用是拦蓄洪水,削减洪峰,延长泄洪时间,使下泄流量能安全通过下游河道。调洪计算的任务是在水工建筑物或下游防护对象的防洪标准一定的情况下,根据已知的设计入库洪水过程线、水库地形特性资料、拟定的泄洪建筑物型式的尺寸、调洪方式,通过调洪计算,推求出水库出流过程、最大下泄流量、防洪库容和水库相应的最高洪水位。

(五)河道洪水演进计算

天然河道中的洪水,以洪水波(见河水运动)形态沿河道自上游向下游运动,各项洪水要素(洪水位和洪水流量等)先在河道上游断面出现,然后依次在下游各断面出现。因此,可利用河道中洪水波运动规律,由上游断面的洪水位和洪水流量,来预报下游断面的洪水位和洪水流量。根据洪水波运动的不同研究方法,可得出各河道洪水预报的各种方法。常用的有相应水位(或相应流量)法和流量演算法(主要是指马斯京根法)。

三、结语

本文结合研究流域,采用综合法计算设计暴雨;用初损后损法计算净雨;用推理公式法和地区综合法推求设计洪水并进行比较结果表明推理公式法。以某小流域为背景,探讨小流域洪水计算的理论和方法,并分析洪水计算,特别是设计洪水计算中的不确定。本文的洪水计算结果是该流域水利工程设计的依据和支持,也希望能为其他地区的洪水计算研究提供一定的参考价值。

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作者简介:何树敏,男,广西梧州人,广西梧州水利电力设计院助理工程师,研究方向:水文规划。