單位線分析計算

1、第三章 單位線分析計算本章著重介紹如何由凈雨量過程預(yù)報流域出口的流量過程。凈雨量經(jīng)過流域匯流形成出口的流量過程線，流域匯流歷時是降雨徑流預(yù)報預(yù)見期的來源，流域匯流物理過程是編制預(yù)報方案的理論依據(jù)。3.1 舍爾曼時段單位線 基本原理舍爾曼(L. K. Sherman)于1932年提出了單位線的概念。其定義為：流域上分布均勻的1個單位凈雨直接徑流產(chǎn)流量，所形成的直接徑流過程線，即為單位線，記為。1個單位凈雨是指單位時段內(nèi)單位凈雨深。單位時段長可以任取，例如2h、3h、6h，等。而單位凈雨深通常取為10mm。而實際發(fā)生的凈雨，常常不是1個時段，也不是1個單位，應(yīng)用于分析單位線時，有一些假定。這些假定

2、可歸納為以下兩點：(1) 如果單位時段內(nèi)凈雨深不是一個單位，而是個，它所形成的出流過程線，總歷時與UH相同，流量則是UH的倍。(2) 如果凈雨歷時不是一個時段，而是個，則各個時段凈雨所形成的出流過程之間互不干擾，出流過程的流量過程等于個流量過程之和。由以上假定，凈雨、出流與的縱坐標(biāo)之間的關(guān)系如下： (2-1)式中：，為凈雨時段數(shù)。和的單位為，則用單位凈雨深的倍來表示。如果已知，根據(jù)上式，可由凈雨轉(zhuǎn)換為出流，計算十分簡便。關(guān)鍵是如何求得?？梢愿鶕?jù)流域的實測水文資料，分析出凈雨及直接徑流過程后，依據(jù)上式推求出，為式(2-1)的逆過程。 單位線的推求推求是使用次洪時段凈雨深及相隔為計算時段長的直接徑

3、流時序過程。前者由次洪降雨量經(jīng)過扣損后得到，后者由徑流過程線分割地下水后得到。這里需要補(bǔ)充說明一下具體問題：(1) 由扣損方案求得的次洪凈雨深，常不等于過程線分割得到的實測值，為了不把扣損的誤差帶入?yún)R流計算，需要將計算值改正，或謂平差。在平差前應(yīng)分析誤差的來源，作出較為合理的修正，以不改變原來的雨型為原則。(2) 計算時段長的確定，主要考慮峰形的控制，一般取漲洪歷時的1/31/4，常與流域大小成正比對于多時段凈雨而言，傳統(tǒng)的單位線分析方法有以下一些：(1) 分析法由 ，得到因此，上式組成的方程組為一個多元線性代數(shù)方程組，求解該代數(shù)方程組可以得到、的數(shù)值。最簡單的解法是逐一消去法。由上面的方程組

4、可以看出，由式(3-2)，已知和，解出： (3-5)已知，將其帶入式(3-3)，可得到 (3-6)如此遞推下去，得到 (3-7)計算結(jié)果見表3-1和圖3-1所示。直接代數(shù)法對于降雨與徑流實測資料沒有誤差，流域匯流符合線性時不變系統(tǒng)時，能得出正確的唯一解。但實際情況是：提供分析的實測資料存在著觀測與分析誤差，流域匯流為非線性系統(tǒng)，因此直接分析解法不但不能得出唯一解，由于誤差累積，其解常很不合理。如分析得到的呈鋸齒形，如表3-1和圖3-1的退水段，有的甚至出現(xiàn)負(fù)值，無法繼續(xù)計算下去。所以很少有人使用。圖3-1 分析法得到的單位線表3-1 單位線分析法結(jié)果日 時時序計算值修正值計算值7 600000

5、12118624.5767618618266720.32092106698 0319356166171938642450489490245312519003703551864186128021624013099 07850168155867685608910557212940089733921810277395227610 01120250381996121421622131121380191274181440102411 0150000(2) 試錯法這個方法是假設(shè)單位線，目估對比推流的與實測的。當(dāng)兩者最接近時，所假設(shè)的即為所求。初始的，可用其它洪水已分析得來的成果，或用斜線分割法的結(jié)果，也可

6、任意假定。試錯法應(yīng)用比較廣泛，有的用科林法試錯，有的憑經(jīng)驗試錯。但主要確定是單位線過程的初始假定比較困難，試錯過程有時也會出現(xiàn)不合理現(xiàn)象，對其過程進(jìn)行修正也不易做得完好。(3) 系統(tǒng)識別方法既然是線性系統(tǒng)的單位響應(yīng)，進(jìn)一步可以應(yīng)用線性系統(tǒng)鑒別的方法推求的最優(yōu)解，如有約束的最小二乘法和回歸法等。(4) 各種方法的特點如上所述，推求單位線的方法主要有分析法、試錯法和系統(tǒng)識別法。試錯法又可分為目估試錯法和科倫試錯法，后者是一種迭代性質(zhì)的試錯法。分析法當(dāng)降雨為個時段時能取得很好的效果，但當(dāng)降雨時段數(shù)大于個時段，分析法推求的結(jié)果可能出現(xiàn)鋸齒型，甚至出現(xiàn)負(fù)值，主要原因是誤差的累積。目估試錯法是通過人工目估

7、，逐步試錯，使計算的流量過程與實測的流量過程吻合，避免了誤差的累積，但任意性大，吻合程度缺乏客觀標(biāo)準(zhǔn)，并且要求調(diào)試者具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗，費時費力。科倫試錯法是首先擬定初始單位線，然后按初始單位線計算出除最大降雨時段外的其它時段降雨產(chǎn)生的流量過程，并從實測流量過程中將其減去，差值即當(dāng)成最大降雨時段產(chǎn)生的流量過程，據(jù)此推求新的單位線，將新單位線作為初始單位線，重復(fù)上述步驟，直至新舊單位線之間的差值達(dá)到給定的誤差要求。優(yōu)點是當(dāng)初始單位線擬定后，不必目估試錯，能自動逐步修正，適合計算機(jī)編程。缺點是計算結(jié)果及迭代的收斂性與初始單位線的擬定有關(guān)，推求的結(jié)果不一定是最佳結(jié)果。另外當(dāng)降雨時段較多時，迭代難以繼續(xù)下

8、去。因此，科倫試錯法僅當(dāng)降雨較集中在最大時段或降雨時段數(shù)較小時，效果才較好。 單位線的綜合為求得流域的單位線預(yù)報方案，需分析多次洪水。多數(shù)流域，各次洪水所得到的會有差別。這時，首先要檢查原始資料的觀測誤差，及根據(jù)原始資料計算用于分析的和過程中的操作誤差，作出可能的改正，然后對的變化根據(jù)原理上存在的問題進(jìn)行分析及處理。如果各次洪水的變化不大，可求出平均。平均的繪制須注意，平均縱標(biāo)值不宜取同時流量的平均值。應(yīng)先根據(jù)各個，計算出平均峰值及峰現(xiàn)時間，確定峰點位置。然后根據(jù)各個的外形，初繪光滑的平均，最后修正并校核總量為單位雨深。 單位線時段轉(zhuǎn)換是有一定長度的，同一次洪水，如單位時段長度不同，實際雨強(qiáng)不

9、等，不相同。如原來時段長為，現(xiàn)推求的，根據(jù)線性假定，可將滯后h，與原相加，將該過程線的縱坐標(biāo)除以2即得的。該的峰值應(yīng)等于上述兩個的交點，比原來峰值低并滯后，這是由于歷時增長，雨強(qiáng)降低所致。因此，對一個給定的流域綜合方案，或?qū)⒉煌貐^(qū)的方案綜合，需將不同時段的換算為同一時段。是作為一個經(jīng)驗方法提出來的，但方法簡易，使用精度不錯，生產(chǎn)上一直沿用至今。系統(tǒng)概念引入后，建立了的理論，明確了方法的物理實質(zhì)，這對于推求及正確的應(yīng)用都有益。是個黑箱模型，并和流域上實際的水力狀態(tài)沒有關(guān)系，使用時必須有實測水文資料，這是它的應(yīng)用受到限制的主要原因。3.2 納須單位線(Nash)納須模型是現(xiàn)行概念性流域匯流模型中

10、得到比較廣泛應(yīng)用的一種，該模型結(jié)構(gòu)簡單，包含的參數(shù)較少，且具有較好的適應(yīng)性。本文介紹納須模型的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)率定方法。 納須瞬時單位線1945年克拉克(C. O. Clark)首先提出瞬時單位線的概念。所謂瞬時單位線，就是流域上均勻分布的、歷時趨于無限小、強(qiáng)度趨于無窮大、但凈雨總量為1個單位的凈雨所形成的流域出口斷面過程線。通常用表示。1957年，納須(Nash)把流域看作是一連串的個相同的“線性水庫”，如圖3-2所示?？梢酝茖?dǎo)出一個單位的瞬時入流進(jìn)入水庫系統(tǒng)后，其對應(yīng)的出流即瞬時單位線的數(shù)學(xué)方程式為 (3-8)式中：為伽馬函數(shù)，當(dāng)為整數(shù)時，其值為；為相當(dāng)于水庫個數(shù)；為一個線性水庫的蓄泄系數(shù)。圖

11、3-2 納須模型示意圖 納須時段單位線在實際應(yīng)用中，需要將瞬時單位線轉(zhuǎn)換成時段單位線，一般用曲線。按照曲線的定義，等于瞬時單位線的積分，即 ，對該式進(jìn)行積分，可以很方便地導(dǎo)出曲線，再利用線性疊加原理，從而得到時段單位線。即為 (3-9)式(3-9)為當(dāng)為自然數(shù)時，計算步長為時的納須時段單位線的計算公式。 納須單位線參數(shù)、的確定如何確定參數(shù)和是納須模型應(yīng)用中的重要問題之一?？v觀目前所有的確定該模型的方法，按依據(jù)的資料分，則可歸納為3類：一是依據(jù)降雨和徑流一一對應(yīng)資料的方法，如矩法、累積量法、最優(yōu)化方法等；二是依據(jù)流域地形和地貌資料的方法，如經(jīng)驗公式法等；三是依據(jù)流域出口斷面流量資料的方法。本文著

12、重介紹應(yīng)用較為廣泛的矩法。根據(jù)矩法，可以求出參數(shù)： (3-10) (3-11)式中：、分別為入流量(凈雨量)及出流量的一階原點矩；、分別為入流量和出流量的二階中心矩。入流量和出流量的一階原點矩的計算公式分別為 (3-12) (3-13)式中：、分別為時刻的凈雨量和凈雨量的時段平均值；、分別為時刻的出流量和出流量的時段平均值。同理，可以計算出凈雨量和出流量的二階原點矩為 (3-14) (3-15)由于入流量和出流量的二階中心矩可用原點矩來表示，即 (3-16) (3-17)在推求某一流域納須時段單位線時，首先選擇幾場有代表性的洪水資料，根據(jù)每場次洪水的相應(yīng)入流和出流過程，分別求出它們的單位線參數(shù)和，然后把和平均(如果相差較大，可以分成幾組)概化出流域的單位線參數(shù)，便可用納須時段單位線計算公式計算出流域