水文学

水文学的基础概念。

水库规模

大、中、小型水库的等级是按照库容大小来划分的。

• 总库容在1亿立方米及以上的称大型水库;
• 1000万立方米及以上，1亿立方米以下的称中型水库;
• 10～1000万立方米的称小型水库。
  • 其中100～1000万立方米的称小（一）型水库;
  • 10～100万立方米的称小（二）型水库。
• 10万立方米以下至1万立方米的称为山塘。

降雨等级

降雨等级‌通常根据24小时内的降雨量进行划分，主要分为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨六个等级。‌

• ‌小雨‌：24小时内降雨量小于10mm。
• ‌中雨‌：24小时内降雨量在10mm到25mm之间。
• ‌大雨‌：24小时内降雨量在25mm到50mm之间。
• ‌暴雨‌：24小时内降雨量在50mm到100mm之间。
• ‌大暴雨‌：24小时内降雨量在100mm到250mm之间。
• ‌特大暴雨‌：24小时内降雨量大于250mm。

此外，降雨预警信号也分为四个等级：蓝色、黄色、橙色和红色，分别对应不同的降雨量和可能的持续时间。

• ‌蓝色预警‌：12小时内降雨量将达50毫米以上，或者已达50毫米以上且降雨可能持续。
• ‌黄色预警‌：6小时内降雨量将达50毫米以上，或者已达50毫米以上且降雨可能持续。
• ‌橙色预警‌：3小时内降雨量将达50毫米以上，或者已达50毫米以上且降雨可能持续。
• ‌红色预警‌：3小时内降雨量将达100毫米以上，或者已达100毫米以上且降雨可能持续。

水库相关概念

• 雨水情测报： 主要包括降水量、库水位、视频图像、工况信息（供电、充电、信号强度）等数据要素的测报。
• 大坝安全监测：主要包括渗流压力、渗流量、表面变形监测、视频监测、水质监测等数据要素的测报。
• 灌区监测：主要包括灌区水位、灌区流速、泵站信息、实时水位、实时流量、泵闸运行状态、闸门开度、视频监控等数据要素的测报 和 远程闸门控制。

水库设计相关水位的概念

• 正常蓄水位：设计水位。水库按照设计标准确定的最高运行水位
• 校核洪水位：防洪工程所能保证安全运行的最高洪水位，也是防护区所能安全经受的最高洪水位。用来校核大坝、溢洪道等建筑物的安全性，确保极端情况下大坝不会失效。
• 兴利水位：水库在正常运行情况下，为了满足供水、灌溉、发电等经济效益而保持的水位。
• 汛限水位：为了保留必需的防洪库容或满足排沙要求，而在汛期水库允许达到的最高兴利蓄水位，也称防洪限制水位。为保证防洪安全，汛前必须将水位降到汛期限制水位，以便腾出防洪库容，在汛期随时接纳洪水，一次洪水过后，也要立即泄放到汛期限制水位。
• 警戒水位：汛期江河、湖海水位达到某一高程，防洪工程已有可能出现险情时的水位。
• 保证水位：保证水位是指水库在特定保证率下（如 95%、90%、80% 等）能够维持供水、灌溉、发电等功能的最低水位。
• 死水位：最低运行水位。水库允许的最低水位，低于此水位时，水库无法正常供水、发电或排水。

上述水位之间的关系：校核水位 ＞ 设计水位 ≥ 兴利水位 ＞ 汛限水位 ＞ 保证水位 ＞ 死水位

水文模型

调度模型

1、产汇流模型

本次项目以新安江模型作为水文流量预报时的流域产汇流模型。根据预报调度模型体系技术路线图所示，需要建立分区产汇流模型。马斯京根模型则是一种应用成熟的河道演进模型，其可靠性已在长期、广泛的实践中得到验证。因此，本项目将以新安江模型和马斯京根模型建立控制断面实时径流预报模型。

原文链接：http://www.watergis.cn/xinan.htm  

新安江模型是华东水利学院(现河海大学)赵人俊教授团队提出的一个集总式水文模型，广泛应用于半湿润、湿润气候区。  
其产汇流原理为当流域面积较小时，采用集总模型，当面积较大时，采用分散模型，即将全流域划分多个单元子流域，并对各响应单元进行产汇流计算，得到单元流域的出口流量过程。
其次，进行河道洪水演算，求得流域出口的流量过程线，即将每个单元流域的出流过程进行累加，求得了流域的总出流过程。

2、洪水演进模型 马斯京根模型则是一种应用成熟的河道演进模型，该模型计算对河道地形等数据要求不高，且其可靠性已在长期、广泛的实践中得到验证。本项目采用马斯京根模型建立水库入库干支流控制断面流量演进方案，并与流域产汇流模型进行耦合，将耦合模型集成到水库智能监管系统中，结合气象预报数据实现对生态流量站点的流量预报。

3、模型构建 水库入库流量组成由上游断面预报结果的河道演进值和区间流域产汇流预报值组成，区间产流模型采用三水源新安江模型，河道演算采用一维水动力和马斯京根法。流域面雨量由水库范围内雨量站降雨数据加权平均得到，加权方法采用反距离加权法。

4、模型率定 本次项目总体上采用人工经验和自动优化算法结合的方式率定参数。对于不敏感参数，如流域平均蓄水容量 WM、上层土壤蓄水容量 WUM、下层土壤蓄水容量 WLM、流域下垫面张力水蓄水容量曲线方次 B 和蒸散发这算系数 KE 等，结合预设的参数范围进行优选，其余如 SM 、KI、CI、CS 等敏感和比较敏感的参数以及河道演进模型马斯京根模型参数，通过 SCE-UA 参数优化方法进行优选，采用平均绝对误差(MAE)和水量误差(VE)评价模型模拟和检验效果"

洪水预警模型

1、调度策略

（1）防洪调度的任务：在确保枢纽工程安全度汛和保障上、下游人民群众生命财产安全的前提下，充分利用来水发电及灌溉，完成单位年度安全度汛、抗旱及发电任务。 
（2）调度方案的制定必须遵循水库设计方案的原则；
（3）防洪与发电等，必须优先满足防洪的原则； 
（4）优化调度方案，水库在安全运行的前提下尽可能多发电，多出效益。 充分利用水文、气象预报信息；在超标洪水入库之前，提前预泄腾库，预留更多防洪库容； 
（5）水库运行期间保坝的原则； 
（6）水库汛期限制水位为水库正常水位，水库运行计划严格按照防汛抗旱指挥部的调度方案及指令执行。

2、调度模型

水库调度模型基于洪水预报模型的预报结果，结合水库调度规则，建立水库调度模型，获取各泄水闸启用时间、泄水量等数据。水库调度计算是在水量平衡和动力平衡的支配下进行，直接目的就是推求下泄流量过程和库水位过程。"

模型应用

洪水预警模型常用的算法主要包括：

1、线性回归模型。这是一种简单的物理模型，通过建立降雨量/流量和水位之间的线性函数关系进行预警。参数估计常用最小二乘法。该模型易于构建但精度较低。 
2、概率模型。如对数正态分布模型，通过分析历史洪水频率，建立不同程度洪水与其概率之间的对应关系。当实时监测到一定条件时，可发出相应的预警。该模型精度受历史数据影响较大，针对罕见洪水效果较差。 
3、神经网络模型。将水文数据作为模型输入，通过多层节点拟合输入和输出之间的复杂关系。模型参数通过迭代算法估计，可应对非线性问题，模拟与预报精度较高,但结构复杂,参数难以确定，结果解释性差。 
4、支持向量机模型。通过构造超平面或曲面，实现对不同类样本的最大分离。需要选定核函数将样本映射到高维空间，模型参数求解较为复杂。但其学习和预测速度快，对过拟合问题较鲁棒，模拟与预报精度高。 
5、Kalman 滤波模型。这是一种 state-space 模型，通过构建状态方程和测量方程描述洪水演变过程。模型参数采用递推算法实时更新，可有效滤除噪声干扰。该模型框架简单但需准确的物理知识支持，适用于较小规模的洪水预警。除此之外，集合预测、模糊 logic 等模型也较常用于洪水预警。总体来说，概率模型与机器学习模型具有更好的普适性，但物理模型在局部区域的模拟与预报能力更强。综合考虑研究目的和数据条件选择适合的算法至关重要。

历史数据收集

本项目新建模型采用接口方式实现模型计算过程中与内外部 web 应用系统之间的数据交互，采用 WebService 方式进行发布实现接口远程调用。WebService 接口数据基于 json 格式。模型调用只需要准备输入参数，执行模型运行开始执行函数即可。以此实现各个应用系统之间的互联、互通和互操作，以及数据的安全、共享和集成。

水库调度

水库调度也叫水库的水资源兴利调度。 兴利调度的任务是根据水库承担兴利任务的主次及规定的调度原则，在确保工程安全和按规定满足下游防洪要求的前提下，运用水库的调蓄能力，有计划地对入库的天然径流进行蓄泄，最大限度地满足各用水部门的要求。

水库调度，是水库管理的主要生产活动。其内容包括：

• 掌握各种建筑物和设备的技术状况，了解水库实际蓄、泄能力和有关河道的过水能力。
• 收集水文、气象资料的情报和预报以及防汛部门、各用水户的要求。
• 编制水库调度规程，确定调度原则和调度方式（参见水库兴利调度），绘制水库调度图。
• 编制和审批水库年度调度计划，确定分期运用指标（参见水利工程运用指标）和供水指标，作为年度水库调度的依据。
• 确定每个时段（月、旬或周）的调度计划，发布和执行水库实时调度指令。
• 在改变泄量前，通知有关单位并发出警报。
• 随时了解调度过程中的问题和用水户的意见，据以调整调度工作。
• 搜集、整理、分析有关调度的原始资料。

水库调度涉及的部门和地区较多，相邻各水库之间的关系比较复杂。许多先进国家和中国部分省、自治区已从单库调度向水库群集中统一调度发展，在方法上采用了水利优化调度技术。随着计算机、通信技术和遥测遥控技术的迅速发展，许多发达国家和中国的一些流域或水系已经实现了水库调度自动化，即在中央控制室内对同一水系内的水库、水电站进行集中监控、统一调度和自动控制，把上下游有关雨量、水位、流量等数据传输到中央控制站的电子计算机中进行实时运算，提出洪水预报和优化调度方案，并据以自动开关闸门、开停水力发电机组，并用各种通信手段向下游地区发出泄洪警报信号（参见防洪调度自动化系统）。

水资源调度决策系统依据天气趋势、水雨情、工情、旱情、需水及社会经济等综合信息，对区域内工程系统的现状供需水形势进行综合分析；在水资源预报和形势综合分析的基础上，拟定调度运行的决策目标，根据这个目标和工程系统可供使用的工程手段，建立区域水资源系统优化调度模型，生成区域水资源实时调度方案，并对拟定的水资源实时调度方案仿真计算的结果进行评价。

系统基于实时水雨情、工情、旱情数据，依托区域内的电子地图，实现了水资源调度监控预警，报警预警查询、水资源调度配置管理、历史数据查询、历史水位曲线图查询、调水情况统计、测站基础数据维护等功能。

水库兴利调度方式

在确保大坝安全和满足下游防洪要求的前提下，使水库兴利效益最大的调度方法。它是保证水库经济运行的依据，一般有：

• 保证运行方式，即遭遇设计枯水年时，在设计保证率范围内，使各兴利部门得到正常供水。
• 加大供水方式，即遭遇丰水年时，根据需要与可能向各兴利部门加大供水，以尽可能扩大兴利效益。
• 降低供水方式，即遭遇特枯水年时，按各兴利部门保证率的高低分别减少供水，并尽可能使因减少供水而造成的损失最小。

（1）发电调度方式。

• 对于具有长期调节能力水库（指年或多年调节水库）的水电站，一般应绘制水库调度图。在实际运行中，根据面临时段的库水位按调度图决定其发电出力。对于具备条件的水库，还应结合水文预报拟定各运行期的最佳调度方式（参见水库预报调度）。
• 对于仅具有日调节能力水库的水电站，日发电量由日入库径流量决定，在枯水季节应根据电力系统调峰要求拟定逐时发电出力。在丰水季节，当入库径流量达到水电站最大过水能力时，一般应停止日调节，使水库尽量维持在正常蓄水位，并按机组最大出力工作，以减少电能损失。对于具备条件的水库，还可结合短期水文预报，拟定遭遇中小洪水时提高发电量的调度计划。
• 对于径流式水电站，水库应维持在正常蓄水位运行，电站按入库径流量工作。对于一些有条件的低水头径流式电站，在遭遇洪水时，可研究采用在系统低谷负荷时段加大泄洪量、高峰负荷时段减少泄洪量的间隙泄洪，以提高水电站的发电量和调峰出力。

（2）灌溉或供水调度方式。对于具有长期调节能力的以灌溉、供水为主的水库，应绘制水库调度图，划分出正常供水区、加大供水区、降低供水区。在实际运行中，根据面临时段的库水位在调度图上的位置，决定供水状况。

• 库水位位于正常供水区，即按灌区及供水对象的正常需求供水。
• 库水位位于加大供水区，可按扩大效益的需求加大供水。
• 库水位位于降低供水区，应及早减少供水，以免造成集中破坏。灌区内的骨干水库要与区内中小水库及塘堰、机（电）井合理配合运用，以充分利用各类工程的供水、蓄水能力，达到扩大灌溉范围及提高灌溉保证率的目的（参见水利调度）。

（3）航运调度.对于兼有航运任务的水库，库区枯季消落水位和非灌溉季节的泄流量，要照顾上下游航运对最小航深的要求；在电站日调节时，要考虑上下游正常通航对水位变幅、最小航深、最大允许表面流速等的要求。

（4）其他。水库还可能担负防凌、水产养殖、改善下游水质、旅游等方面的一种或多种任务时，在拟定调度方式时，还应考虑它们对水位、流速、泄量及其过程的要求，在协调中要以国民经济整体效益最佳为原则。还有水沙统一调度方式。对于多沙河流上的水库，应按保持水库长期使用和控制水库回水末端河床淤积高程的要求，拟定水库的调度方式（参见水库水沙调度）。

水库群调度

位于同一河流上下游的梯级（串联）水库群［图（a）］、位于不同河流的并联水库群［图（b）］以及含以上两者的混合水库群的统一控制运用。

水库群可能共同担负的任务，包括下游某一地区的防洪、灌溉及城镇供水，同一电力系统的供电，同一航道的航运，以及综合利用任务等。在运用时，除各库需满足各自单独承担的任务外，应着重研究它们的地理位置、地形条件、水文特性、调节程度、设计标准、水库规模等方面的特点，拟定相互配合、总效益最佳的统一调度方式。

当水库群担任多种水利任务时，其调度方式随承担任务的情况变化，难以有固定模式。一般来说，应根据水库群调节计算结果，拟定统一调度方式，其一般原则为：

• 首先满足各水库本身防洪安全的要求，并力求做到防洪与兴利相结合。
• 尽量满足各水库主要任务的要求，同时要照顾到综合利用的其他方面。
• 当某一水利任务的比重很大时，可按该水利任务制定统一调度方式，而后检验其他方面的满足情况，并予以修正。
• 在调度中尽可能考虑各种兴利用水的结合。

水闸种类

水闸的种类很多，按用途分有节制闸、排水闸、引水闸、分水闸、分洪闸、退水闸、挡潮闸等。

它们共同的运用原则是：①在保证工程安全的条件下，尽可能综合利用水资源，充分发挥水闸的综合效益。②应与上下游工程相配合，并与河道堤防的防洪能力或上下游排水、蓄水能力相适应。③按照规定的水利任务主次关系，合理分配水量。④遵守闸门启闭操作规程，均匀、对称地启闭闸门，以满足水闸的消能防冲要求，尽量防止泥沙淤积，延长工程使用寿命。

系统需根据调度需求，按照水闸所承担的任务及规定的调度原则，有计划地调节水位和过闸流量。

水工大坝类型

重力坝

重力坝是由砼或浆砌石修筑的大体积档水建筑物，其基本剖面是直角三角形，整体是由若干坝段组成。主要依靠坝体自重来维持稳定的坝。

重力坝在水压力及其他荷载作用下，主要依靠坝体自重产生的抗滑力来满足稳定要求;同时依靠坝体自重产生的压力来抵消由于水压力所引起的拉应力以满足强度要求。

在水压力及其他外荷载作用下，主要依靠坝体自重来维持稳定的坝。重力坝的断面基本呈三角形，筑坝材料为混凝土或浆砌石。

据统计,在各国修建的大坝中,重力坝在各种坝型中往往占有较大的比重。在中国的坝工建设中,混凝土重力坝也占有较大的比重,在20座高100m以上的高坝中，混凝土重力坝就有10座。

拱坝

拱坝是一种建筑在峡谷中的拦水坝，做成水平拱形，凸边面向上游，两端紧贴着峡谷壁。是指一种在平面上向上游弯曲，呈曲线形、能把一部分水平荷载传给两岸的挡水建筑，是一个空间壳体结构。

拱坝是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物，借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩。与重力坝相比，在水压力作用下坝体的稳定不需要依靠本身的重量来维持，主要是利用拱端基岩的反作用来支承。拱圈截面上主要承受轴向反力，可充分利用筑坝材料的强度。因此，是一种经济性和安全性都很好的坝型。

平面上呈拱形并在结构上起拱的作用的坝。拱坝的水平剖面由曲线形拱构成，两端支承在两岸基岩上。竖直剖面呈悬臂梁形式，底部座落在河床或两岸基岩上。拱坝一般依靠拱的作用，即利用两端拱座的反力，同时还依靠自重维持坝体的稳定。拱坝的结构作用可视为两个系统，即水平拱和竖直梁系统。

水荷载及温度荷载等由此二系统共同承担。当河谷宽高比较小时，荷载大部分由水平拱系统承担；当河谷宽高比较大时，荷载大部分由梁承担。拱坝比之重力坝可较充分地利用坝体的强度。其体积一般较重力坝为小。其超载能力常比其他坝型为高。拱坝主要的缺点是对坝址河谷形状及地基要求较高。

拱坝的基础处理要慎重对待。务必查明地质条件的薄弱环节。在工程措施上要不惜代价彻底解决。不能轻率处理。对水文、试验等工作应按规程规范办理，这样才能提高设计精度，不然将造成工程失事的遗留病害。所以应保证在安全的前提下求经济合理。

拱坝坝址地质条件，一般是上部岩石比下部差，左右岸岸坡均有软弱夹层。为了使拱坝传给基岩的推力分散，易于保持稳定，中小型拱坝工程，扩大其拱端尺寸，即将坝布置为变截面圆拱成大头拱坝是有效的。但相对于重力坝，拱坝对坝址岩石基础的要求相对重力坝要少一些。

土石坝

土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。当坝体材料以土和砂砾为主时，称土坝、以石渣、卵石、爆破石料为主时，称堆石坝；当两类当地材料均占相当比例时，称土石混合坝。土石坝是历史最为悠久的一种坝型。

近代的土石坝筑坝技术自20世纪50年以后得到发展，并促成了一批高坝的建设。目前，土石坝是世界大坝工程建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。

橡胶坝

橡胶坝，又称橡胶水闸，是用高强度合成纤维织物做受力骨架，内外涂敷橡胶作保护层，加工成胶布，再将其锚固于底板上成封闭状的坝袋，通过充排管路用水（气）将其充胀形成的袋式挡水坝。坝顶可以溢流，并可根据需要调节坝高，控制上游水位，以发挥灌溉、发电、航运、防洪、挡潮等效益。

橡胶坝主要由土建部分、坝袋及锚固件、充排水（气）设施 及控制系统等部分组成。橡胶坝运行时要严格按照规定的方案和操作规程进行，要注意坝袋内的充水（气） 压力不能超过设计压力，以免坝袋爆破。橡胶坝虽然很少维修，不像常规钢闸门那样需要定期涂刷油漆防锈，但也要定期检查，尤其是在洪水过后，要检查是否有漂浮物对坝袋造成刺伤，以及坝体振动、坝袋与底板磨损、河卵石摩擦撞击坝袋等造成的损害。橡胶坝袋容易受到尖利和有头角物体的损坏，故应划出橡胶坝工程的管理范围和安全区域。

堆石坝

堆石坝的主体是用石料填筑，配以防渗体建成的坝。它是土石坝的一种。这种坝的优点是可充分利用当地天然材料，能适应不同的地质条件，施工方法比较简便，抗震性能好等。其不足是一般需在坝外设置施工导流和泄洪建筑物。