流域水文模型与实时洪水预报
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太 平 站 '19940101'日 模 型 模 拟 过 程 线
0
降雨量(mm)
50 100 150 3,000 2,800 2,600 2,400 2,200 2,000
流量(m ^3/s)
1,800 1,600 1,400 1,200 1,000 50 800 600 400 200 2,400 2,300 2,200 2,100 2,000 1994-8-20 08:00:00 1994-10-7 08:00:00 1,900 1,800 降雨量 实测流量 1,700 1,600 1,500 1,400 1,300 1,200 1,100 1,000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 1998-1-1 08:00:00 1998-2-13 08:00:00 1998-4-1 08:00:00 1998-5-18 08:00:00 1998-7-4 08:00:00 1998-8-20 08:00:00 1998-10-7 08:00:00 1998-11-26 08:00:00 100
计算 径流深 (mm)
200
1200 1000 800 600 400 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
降雨量
实测流量
计算流量
太平站2000年日模型模拟结果对比
实测径流深(mm)
计算径流深与实测径流深比较
34
2010-6-2
夏达忠
有资料小流域模型参数率定结果
若一个模型的 关系式无任何 物理意义，则 该模型是黑箱 子模型。
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夏达忠
4
模型的分类
（2）按对水文过程描述分类 分布式模型
集总式模型
半分布式模型
按流域各处气候信 最基本的特征 是将流域作为 一个整体来模 拟其径流形成 过程。 息及下垫面特性不 同，将流域划分为 若干小单元；每一 单元内用一组参数 来反映其流域特征 介于两者之间 的一种模型。
小流域 选择了若干资料较全的典型小流域进行新安江模型参数率定，选取的资 料年份为1989-2003连续15年，前10年为率定期，后5年为检验期。
参与率定的典型小流域列表
2010-6-2
夏达忠
31
有资料小流域模型参数率定结果
蒙江流域
太平站日模型模拟结果统计
2010-6-2
夏达忠
32
有资料小流域模型参数率定结果
夏达忠
敏感程度 敏感 不敏感 不敏感 不敏感 不敏感 不敏感 不敏感 敏感 不敏感 敏感 敏感 敏感 敏感 敏感 敏感 敏感 敏感
取值范围 10-20 60-90 0.1-0.2 120-200 0.1-0.4 0.01-0.04
第一层次 蒸散发计算
第二层次
产流计算
第三层次
水源划分
EX KG KI CI CG CS L KE XE
太 平 站 '19980101'日 模 型 模 拟 过 程 线
0
降雨量(mm)
1994-1-1 08:00:00 1994-2-13 08:00:00
1994-4-1 08:00:00
1994-5-18 08:00:00
1994-7-4 08:00:00
1994-11-26 08:00:00
计算流量
1.0-1.5
第四层次
汇流计算
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15
水文要素的预报值减去实测值为预 报误差，其绝对值为绝对误差。多
精 度 评 定 误 差 指 标
绝对误差
个绝对误差值的平均值表示多次预 报的平均误差水平。 预报误差除以实测值为相对误差，
相对误差
以百分数表示。多个相对误差绝对 值的平均值表示多次预报的平均相 对误差水平。 洪水预报过程与实测过程之间的吻
流量(m^3/s)
1,000 900 800 700 600 500 400 300
1800 1600 1400
100 2000-1-1 08:00:00 2000-2-13 08:00:00 2000-4-1 08:00:00 2000-5-18 08:00:00 2000-7-4 08:00:00 2000-8-20 08:00:00 2000-10-8 08:00:00 2000-11-27 08:00:00
2010-6-2
夏达忠
9
三者之间的关系
水文预报
水文模拟
水文模型
2010-6-2
夏达忠
10
流域水文模型
新安江模型
2010-6-2
夏达忠
11
- 1973年，河海大学水文水资源学院赵人俊 1973年，河海大学水文水资源学院赵人俊 教授领导的研究组在编制新安江入库洪水预 报方案时，汇集了当时在产汇流理论方面的 研究成果，并结合大流域洪水预报的特点， 设计了国内第一个完整的流域水文模型—新 设计了国内第一个完整的流域水文模型— 安江流域水文模型，以下简称新安江模型。
流量(m^3/s)
太 平 站 '19980616'次 洪 模 型 模 拟 过 程 线
26
GIS在洪水预报方案构建中的应用
F
如何改进分块？
方法二：自然流域分块
wenku.baidu.com
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夏达忠
27
（2）流域概化图
2010-6-2
夏达忠
28
GIS在洪水预报方案构建中的应用
空间对应
2010-6-2
夏达忠
29
流域空间聚合—流域产汇流分区
流域子单元
流域产汇流分区
2010-6-2 夏达忠 30
（3）针对各预报点，进行模型参数率定
流域水文模型与实时洪水预报
2010-6-2
夏达忠
1
水文模型？ 水文模拟？ 水文预报？
2010-6-2
夏达忠
2
水文模型(Hydrologic Model)
水文模型，是自然系统的抽象,真实世界的概化,是符 号的综合体,是自然系统或部分自然系统的符号化,是数 学模型用数学语言将自然现象符号化的水文学应用，是 为了模拟水文现象而建立的实体结构和数学结构与逻辑 结构。 对用户来说，水文模型主要有两大块组成水文学核 心知识和技术外壳。核心知识主要指水文学的各种定义 和过程描述，技术外壳包括程序主体、人机接口、数据 处理等。
2010-6-2
夏达忠
18
水文预报-预报工作的基本程序
(1)制定预报方案
根据预报项目的任务，收集水文、气象等相关资料，探索、分析预报 要素的形成规律，建立由过去的观测资料推算水文预报要素大小和出现时 间的一整套计算方法，即水文预报方案，并对制定的方案按规范要求的允 许误差进行评定和检验。
(2)进行作业预报
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夏达忠
22
详见电子地图
2010-6-2 夏达忠 23
初步方案构建基本步骤
（1）流域分块 （2）结合预报点，给出流域概化图 （3）针对各预报点，进行参数率定 （4）构建流域拓扑关系 （5）分析各预报点的预见期，构建基 于不同预见期的预报方案
2010-6-2
夏达忠
24
GIS在洪水预报方案构建中的应用
太平站次洪模型模拟结果统计
2010-6-2
夏达忠
35
有资料小流域模型参数率定结果
太 平 站 '19980426'次 洪 模 型 模 拟 过 程 线
0
降雨量(mm)
10 20 2,100 2,000 1,900 1,800 1,700 1,600 1,500 1,400 1,300 1,200 1,100 1,000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 1998-4-26 17:00:00 1998-4-28 1998-4-29 1998-4-30 1998-5-1 1998-5-2 1998-5-3 1998-5-4 1998-5-5 1998-5-6 4,400 1998-5-7 4,200 1998-5-8 1998-5-9
确定性系数
合程度用确定性系数作为指标
2010-6-2
夏达忠
16
实时洪水预报
2010-6-2
夏达忠
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实时洪水预报
实时洪水预报指的是对将发生的未来洪水在实际时间进行预报。 实际时间：指观测降雨即时进入数据库的时间。
实时洪水预报的基本任务：根据采集的实时雨量、蒸发、水位等观 测资料信息，对未来将发生的洪水作出洪水总量、洪峰及发生时间、 洪水发生过程等情况的预测。
2010-6-2
夏达忠
3
模型的分类
（1）按模型构建基础分类 数学物理模型 概念模型 若一个模型的结构、 参数均具有物理意 义，但其结构不是 严格的以物理定律 为基础，则该模型 是概念性模型。 黑箱子模型
若一个模型的每 一个关系式均是 严格的以物理定 律为基础，以数 学来描述，则该 模型是物理模型。
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水文预报(Hydrological Forecasting)
按预见期的长短 短期水文预报 水文预报 中长期水文预报
预报的预见期是指发布预报 与预报要素出现的时间间距。
在水文预报中，预见期的长与短没有明确的时间界限，习惯上 把主要有水文要素作出的预报称为短期预报；把包括气象预报性质 在内的水文预报称为中长期预报。
太平站1994年日模型 模拟结果对比
流量(m ^3/s)
降雨量
实测流量
计算流量
太平站1998年日模型 模拟结果对比
2010-6-2 夏达忠 33
有资料小流域模型参数率定结果
太 平 站 '20000101'日 模 型 模 拟 过 程 线
0
降雨量 (mm)
50 100 1,800 1,700 1,600 1,500 1,400 1,300 1,200 1,100
2010-6-2
夏达忠
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-
主要理论与方法是：产流计算采用蓄满产流理 论；蒸散发计算采用三层蒸散发模型；用自由 水蓄水库结构将总径流划分为地表径流、壤中 流和地下径流三种；流域汇流计算采用线性水 库；河道汇流采用马斯京根分段连续演算或滞 后演算法。
2010-6-2
夏达忠
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主要特点： “三分” 流域分块 总径流分水源 汇流分阶段
将现时发生的水文气象信息，通过报汛设备传送到预报中心，随即经 过预报方案算出即将发生的水文预报要素的大小和出现时间，及时将信息 发布出去，供有关的部门应用。这个过程称为作业预报。若现时水文气象 信息是通过自动化采集、自动传送到预报中心的计算机内，由计算机直接 按存储的水文预报模型程序计算出预报结果。这样的作业预报称为联机作 业实时水文预报。
汇流分阶段：坡地汇流、单元面积河网汇流、单 元面积出口至流域出口的河道汇流
2010-6-2 夏达忠 14
层次
参数 KC UM LM C WM B IM SM
参数意义 流域蒸散发折算系数 上层张力水容量 下层张力水容量 深层蒸散发折算系数 流域平均张力水容量 张力水蓄水容量曲线方次 不透水面积占全流域面积的比例 表层自由水蓄水容量 表层自由水蓄水容量方次 地下水日出流系数 壤中流出流系数 壤中流消退系数 地下水消退系数 河网蓄水消退系数 滞时 马斯京根法演算参数 马斯京根法演算参数
2010-6-2 夏达忠 19
基于数字流域的洪水预报方案 构建和实时运行平台
1、预报方案构建流程概述 2、实时洪水预报系统演示
2010-6-2
夏达忠
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1、预报方案构建流程概述
2010-6-2
夏达忠
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研究区域概况
西江水系干流全长2075公里、流域面积为35.3万平方公里，为珠江流域 的第一大水系，其中约有94%的面积在广西、云南、贵州境内，广东是西江 洪水的承载区。
（1）流域如何分块？（流域空间计算域离散）
a.流域水文过程空间分布不均匀； b.流域降水是分散地、不均匀地降落在流域上，各点产生的 径流流至同一出口断面，具有分散性输入和集中性输出 的特点。
2010-6-2
夏达忠
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GIS在洪水预报方案构建中的应用
F
如何分块？
方法一：泰森多边形法
2010-6-2
夏达忠
2010-6-2
夏达忠
5
模型的分类
（3）流域模型的其它分类 按数学方法 按模型结构 按模型参数
分为确定性模 型和随机模型。
分为线性和非 线性模型。
分为时不变模 型和时变模型。
2010-6-2
夏达忠
6
水文模拟(Hydrological Simulation)
对水文现象作出合理的概化，建立水文模 型，进行计算处理。
2010-6-2
夏达忠
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水文预报(Hydrological Forecasting)
据已知的信息对未来一定时期内的水文状态做 出定性或定量的预测。
按水情特点和预报内容分： （1）洪水预报：主要预测河流、湖泊、水库汛期洪水，预报内容有洪水 位、洪水流量和洪水过程； （2）枯水预报：主要预测枯季水位、流量和河网蓄水量； （3）冰情预报：主要预测水体冻结和消融过程，预报内容包括封冻日期、 冰厚、解冻日期和流冰； （4）台风暴潮预报：主要预报入海河口段水量、水位情况； （5）沙量预报：预测河流含沙量和水库泥沙冲淤情况； ……
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降雨量(mm)
50 100 150 3,000 2,800 2,600 2,400 2,200 2,000
流量(m ^3/s)
1,800 1,600 1,400 1,200 1,000 50 800 600 400 200 2,400 2,300 2,200 2,100 2,000 1994-8-20 08:00:00 1994-10-7 08:00:00 1,900 1,800 降雨量 实测流量 1,700 1,600 1,500 1,400 1,300 1,200 1,100 1,000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 1998-1-1 08:00:00 1998-2-13 08:00:00 1998-4-1 08:00:00 1998-5-18 08:00:00 1998-7-4 08:00:00 1998-8-20 08:00:00 1998-10-7 08:00:00 1998-11-26 08:00:00 100
计算 径流深 (mm)
200
1200 1000 800 600 400 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
降雨量
实测流量
计算流量
太平站2000年日模型模拟结果对比
实测径流深(mm)
计算径流深与实测径流深比较
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有资料小流域模型参数率定结果
若一个模型的 关系式无任何 物理意义，则 该模型是黑箱 子模型。
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夏达忠
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模型的分类
（2）按对水文过程描述分类 分布式模型
集总式模型
半分布式模型
按流域各处气候信 最基本的特征 是将流域作为 一个整体来模 拟其径流形成 过程。 息及下垫面特性不 同，将流域划分为 若干小单元；每一 单元内用一组参数 来反映其流域特征 介于两者之间 的一种模型。
小流域 选择了若干资料较全的典型小流域进行新安江模型参数率定，选取的资 料年份为1989-2003连续15年，前10年为率定期，后5年为检验期。
参与率定的典型小流域列表
2010-6-2
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有资料小流域模型参数率定结果
蒙江流域
太平站日模型模拟结果统计
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有资料小流域模型参数率定结果
夏达忠
敏感程度 敏感 不敏感 不敏感 不敏感 不敏感 不敏感 不敏感 敏感 不敏感 敏感 敏感 敏感 敏感 敏感 敏感 敏感 敏感
取值范围 10-20 60-90 0.1-0.2 120-200 0.1-0.4 0.01-0.04
第一层次 蒸散发计算
第二层次
产流计算
第三层次
水源划分
EX KG KI CI CG CS L KE XE
太 平 站 '19980101'日 模 型 模 拟 过 程 线
0
降雨量(mm)
1994-1-1 08:00:00 1994-2-13 08:00:00
1994-4-1 08:00:00
1994-5-18 08:00:00
1994-7-4 08:00:00
1994-11-26 08:00:00
计算流量
1.0-1.5
第四层次
汇流计算
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水文要素的预报值减去实测值为预 报误差，其绝对值为绝对误差。多
精 度 评 定 误 差 指 标
绝对误差
个绝对误差值的平均值表示多次预 报的平均误差水平。 预报误差除以实测值为相对误差，
相对误差
以百分数表示。多个相对误差绝对 值的平均值表示多次预报的平均相 对误差水平。 洪水预报过程与实测过程之间的吻
流量(m^3/s)
1,000 900 800 700 600 500 400 300
1800 1600 1400
100 2000-1-1 08:00:00 2000-2-13 08:00:00 2000-4-1 08:00:00 2000-5-18 08:00:00 2000-7-4 08:00:00 2000-8-20 08:00:00 2000-10-8 08:00:00 2000-11-27 08:00:00
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三者之间的关系
水文预报
水文模拟
水文模型
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10
流域水文模型
新安江模型
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11
- 1973年，河海大学水文水资源学院赵人俊 1973年，河海大学水文水资源学院赵人俊 教授领导的研究组在编制新安江入库洪水预 报方案时，汇集了当时在产汇流理论方面的 研究成果，并结合大流域洪水预报的特点， 设计了国内第一个完整的流域水文模型—新 设计了国内第一个完整的流域水文模型— 安江流域水文模型，以下简称新安江模型。
流量(m^3/s)
太 平 站 '19980616'次 洪 模 型 模 拟 过 程 线
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GIS在洪水预报方案构建中的应用
F
如何改进分块？
方法二：自然流域分块
wenku.baidu.com
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（2）流域概化图
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GIS在洪水预报方案构建中的应用
空间对应
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夏达忠
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流域空间聚合—流域产汇流分区
流域子单元
流域产汇流分区
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（3）针对各预报点，进行模型参数率定
流域水文模型与实时洪水预报
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夏达忠
1
水文模型？ 水文模拟？ 水文预报？
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夏达忠
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水文模型(Hydrologic Model)
水文模型，是自然系统的抽象,真实世界的概化,是符 号的综合体,是自然系统或部分自然系统的符号化,是数 学模型用数学语言将自然现象符号化的水文学应用，是 为了模拟水文现象而建立的实体结构和数学结构与逻辑 结构。 对用户来说，水文模型主要有两大块组成水文学核 心知识和技术外壳。核心知识主要指水文学的各种定义 和过程描述，技术外壳包括程序主体、人机接口、数据 处理等。
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水文预报-预报工作的基本程序
(1)制定预报方案
根据预报项目的任务，收集水文、气象等相关资料，探索、分析预报 要素的形成规律，建立由过去的观测资料推算水文预报要素大小和出现时 间的一整套计算方法，即水文预报方案，并对制定的方案按规范要求的允 许误差进行评定和检验。
(2)进行作业预报
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详见电子地图
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初步方案构建基本步骤
（1）流域分块 （2）结合预报点，给出流域概化图 （3）针对各预报点，进行参数率定 （4）构建流域拓扑关系 （5）分析各预报点的预见期，构建基 于不同预见期的预报方案
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GIS在洪水预报方案构建中的应用
太平站次洪模型模拟结果统计
2010-6-2
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35
有资料小流域模型参数率定结果
太 平 站 '19980426'次 洪 模 型 模 拟 过 程 线
0
降雨量(mm)
10 20 2,100 2,000 1,900 1,800 1,700 1,600 1,500 1,400 1,300 1,200 1,100 1,000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 1998-4-26 17:00:00 1998-4-28 1998-4-29 1998-4-30 1998-5-1 1998-5-2 1998-5-3 1998-5-4 1998-5-5 1998-5-6 4,400 1998-5-7 4,200 1998-5-8 1998-5-9
确定性系数
合程度用确定性系数作为指标
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实时洪水预报
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实时洪水预报
实时洪水预报指的是对将发生的未来洪水在实际时间进行预报。 实际时间：指观测降雨即时进入数据库的时间。
实时洪水预报的基本任务：根据采集的实时雨量、蒸发、水位等观 测资料信息，对未来将发生的洪水作出洪水总量、洪峰及发生时间、 洪水发生过程等情况的预测。
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模型的分类
（1）按模型构建基础分类 数学物理模型 概念模型 若一个模型的结构、 参数均具有物理意 义，但其结构不是 严格的以物理定律 为基础，则该模型 是概念性模型。 黑箱子模型
若一个模型的每 一个关系式均是 严格的以物理定 律为基础，以数 学来描述，则该 模型是物理模型。
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水文预报(Hydrological Forecasting)
按预见期的长短 短期水文预报 水文预报 中长期水文预报
预报的预见期是指发布预报 与预报要素出现的时间间距。
在水文预报中，预见期的长与短没有明确的时间界限，习惯上 把主要有水文要素作出的预报称为短期预报；把包括气象预报性质 在内的水文预报称为中长期预报。
太平站1994年日模型 模拟结果对比
流量(m ^3/s)
降雨量
实测流量
计算流量
太平站1998年日模型 模拟结果对比
2010-6-2 夏达忠 33
有资料小流域模型参数率定结果
太 平 站 '20000101'日 模 型 模 拟 过 程 线
0
降雨量 (mm)
50 100 1,800 1,700 1,600 1,500 1,400 1,300 1,200 1,100
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主要理论与方法是：产流计算采用蓄满产流理 论；蒸散发计算采用三层蒸散发模型；用自由 水蓄水库结构将总径流划分为地表径流、壤中 流和地下径流三种；流域汇流计算采用线性水 库；河道汇流采用马斯京根分段连续演算或滞 后演算法。
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主要特点： “三分” 流域分块 总径流分水源 汇流分阶段
将现时发生的水文气象信息，通过报汛设备传送到预报中心，随即经 过预报方案算出即将发生的水文预报要素的大小和出现时间，及时将信息 发布出去，供有关的部门应用。这个过程称为作业预报。若现时水文气象 信息是通过自动化采集、自动传送到预报中心的计算机内，由计算机直接 按存储的水文预报模型程序计算出预报结果。这样的作业预报称为联机作 业实时水文预报。
汇流分阶段：坡地汇流、单元面积河网汇流、单 元面积出口至流域出口的河道汇流
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层次
参数 KC UM LM C WM B IM SM
参数意义 流域蒸散发折算系数 上层张力水容量 下层张力水容量 深层蒸散发折算系数 流域平均张力水容量 张力水蓄水容量曲线方次 不透水面积占全流域面积的比例 表层自由水蓄水容量 表层自由水蓄水容量方次 地下水日出流系数 壤中流出流系数 壤中流消退系数 地下水消退系数 河网蓄水消退系数 滞时 马斯京根法演算参数 马斯京根法演算参数
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基于数字流域的洪水预报方案 构建和实时运行平台
1、预报方案构建流程概述 2、实时洪水预报系统演示
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1、预报方案构建流程概述
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研究区域概况
西江水系干流全长2075公里、流域面积为35.3万平方公里，为珠江流域 的第一大水系，其中约有94%的面积在广西、云南、贵州境内，广东是西江 洪水的承载区。
（1）流域如何分块？（流域空间计算域离散）
a.流域水文过程空间分布不均匀； b.流域降水是分散地、不均匀地降落在流域上，各点产生的 径流流至同一出口断面，具有分散性输入和集中性输出 的特点。
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GIS在洪水预报方案构建中的应用
F
如何分块？
方法一：泰森多边形法
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模型的分类
（3）流域模型的其它分类 按数学方法 按模型结构 按模型参数
分为确定性模 型和随机模型。
分为线性和非 线性模型。
分为时不变模 型和时变模型。
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水文模拟(Hydrological Simulation)
对水文现象作出合理的概化，建立水文模 型，进行计算处理。
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水文预报(Hydrological Forecasting)
据已知的信息对未来一定时期内的水文状态做 出定性或定量的预测。
按水情特点和预报内容分： （1）洪水预报：主要预测河流、湖泊、水库汛期洪水，预报内容有洪水 位、洪水流量和洪水过程； （2）枯水预报：主要预测枯季水位、流量和河网蓄水量； （3）冰情预报：主要预测水体冻结和消融过程，预报内容包括封冻日期、 冰厚、解冻日期和流冰； （4）台风暴潮预报：主要预报入海河口段水量、水位情况； （5）沙量预报：预测河流含沙量和水库泥沙冲淤情况； ……