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图们江流域水文水利特性分析及中长期径流预报研究

时间:2018-04-23 23:10来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇水利工程论文,水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水,达到除害兴利目的而修建的工程。也称为水工程。水是人类生产和生活必不可少的宝贵资源。
本文是一篇水利工程论文,水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水,达到除害兴利目的而修建的工程。也称为水工程。水是人类生产和生活必不可少的宝贵资源,但其自然存在的状态并不完全符合人类的需要。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇水利工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪论
 
1.1 研究背景、目的及意义
水是人类最为珍贵的天然资源,社会经济发展的命脉。我国是水资源短缺的国家之一,随着社会经济快速发展伴随而来的极端洪水、干旱现象时有发生。若能够将科学有效的计算方法运用到水文预报领域,可以预防自然灾害风险,也有利于水资源的高效利用[1]。目前针对防治和减轻水灾害事件一方面通过兴建水利工程进行宏观调控,另一方面在省、市、县各级地区成立水文预报和管理部门。水文预报在防洪抗旱和社会经济发展中都有着广泛的作用。按照水文预报时间的长短进行分类,可以分为短期、中长期与超长期三类。目前,短期水文预报主要用来预防短时间内强降雨引起的洪水灾害,随着人们对自然灾害的防御意识不断增强,对中长期的水文预报也提出了更高的要求,分类时通常将预见期在 3 天以上至 1 年以内的称为中长期水文预报[2-4]。针对目前现状,通过计算机技术和网络技术构建中长期水文预报模型进行水文预报,既有利于推动中长期水文预报研究水平的向前发展,也有利于中长期水文预报研究成果在生产实践中的推广和应用。精确、及时的中长期水文预报方法相对于传统的预报方法制定预报方案,更能够科学的实现调度。由于图们江的地理位置特殊,该河流位于吉林省延边州东南部,介于中国与朝鲜边境之间。根据流域划分属于半无资料地区。图们江流域近年存在极端洪水现象,突发洪水威胁到图们市百姓安全,对经济财产造成严重损失。因此本文以图们江干流主要控制站点,上游段开山屯水文站、中游段河东水文站、下游段圈河水文站 1957 年-2015 年降水资料和 1959 年-2015 年径流资料为基础,对流域内这 3 个主要水文控制站点开展降水及径流相关的特性分析并进行中长期径流预报研究是具有重要的现实意义,一方面随着水资源供需矛盾的日益突出,中长期径流预报可以为图们江流域的水资源宏观调控提供参考,另一方面,针对该流域近年突出的洪水事件,良好的中长期径流预报效果可以为当地水利相关部门提前开展防汛工作提供帮助。
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1.2 国内外研究现状
水文要素变化规律错综复杂,流域内的径流伴随着时间推移的过程中受外界因素影响,使得变化过程具有一定的不确定性。通常在开展中长期径流预报工作之前要进行降水、径流时空演变规律的水文特性分析,包括丰枯特性分析、趋势特性分析、突变特性分析、周期特性分析等[5,6]。在我国水文预报通常按照时间分为两大类,包括传统中长期的水文预报与现代中长期的水文预报。水文预报受自然和人类影响的因素较多,使得传统中长期水文预报方法具有局限性。不过随着技术的综合发展包括数学方法的改进、大量的数据处理等在计算机技术的支持下得到进步,延展了水文预报的局限性,例如借助人工神经网络分析、模糊分析、灰色系统分析、支持向量机法等以及不同方法的耦合,这些方法的运用为中长期水文预报提供了多种选择,但每种方法都有其自身的优势与缺陷。为了尽量满足社会对提高水文预报精度的需求,应结合现代预报技术,探求更好的预报方法。
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第 2 章 图们江流域概况
 
2.1 自然地理概况
2.1.1 地理位置
图们江位于吉林省延边州的东南部,该河流在中国与朝鲜边境之间,在延边州珲春市敬信镇于防川村土字牌处(E 130°41′,N 42°12′)出境流入日本海。图2-1 中,图们江干流上游的开山屯水文站、中游河东水文站和下游圈河水文站分别为本次进行水文特性分析及中长期径流预报研究的主要控制站点。土字牌竖立于 1886 年,东侧为俄罗斯的哈桑镇,西侧为朝鲜的豆满江市。图们江干流全长 525km,中朝界河段 510km。土字牌以下 15km 为朝鲜与俄罗斯河段,流域总面积约 33000km2,其中中国一侧的流域面积约 22000km2,占整个流域面积的 2/3。河道总的落差为 1300m[51-53]。图们江河流属于山区性河流。上游段(源头至南坪)穿行于长白山丛山峻岭之间,山区性河流的特点为多峡谷峭壁,所以导致河槽呈现“V”形状的窄深结构,河底多石块,并有基岩出露且坡降大;中游段(南坪至甩湾子江桥)的开山屯以上,平均坡降 1.8‰,水位涨落急剧;开山屯以下坡降渐缓,河床宽展,河道顺通;图们江下游段地理位置处在珲春河平原,因地势低平,河道坡降缓,水流平稳,所以河床为细沙组成;圈河以下至河口,河道流经段层边缘的狭窄地带,河谷切割剧烈,坡度陡,流速快。图们江左岸我国一侧主要支流有嘎呀河、珲春河、布尔哈通河,朝鲜一侧有西头水、延面水、会宁水、五龙川等[54-56]。
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2.2 社会经济概况
图们江流域是东北地区很有发展和潜力的区域,流域内共有近 200 万人口居住。其中非农业人口 80 多万人,占总人口的 40%左右。朝鲜族人口约为 90 万人,占总人口数的 45%左右[60,61]。主要有汉族、朝鲜族、回族和满族 4 个民族居住,朝鲜族人口最多。近年来,流域内的经济发展取得了长足进步,产业结构不断优化,人民的生活水平逐步提高,民生状况得到改善。流域内的生产总值达到 900亿以上,人均生产总值为 3.5 万元左右。从长远规划考虑,为适应经济发展过程中在技术创新能力提高的同时对水资源需求不断增多,因此如何能够合理的利用水资源应对可持续发展的需求提出了更高的要求。由于中国和朝鲜两个国家的沿江城市在河道边设有工厂和居民住宅,存在工业废水和生活污水排入河道内的现象,河道内的污染物量超过水体的自净能力,河流从清水变成浑水,水质状况日趋下降。目前,该流域内主要的污染指标有氨氮、高锰酸盐指数、五日生化需氧量、挥发酚等。部分河段的水质污染影响到居民的正常生活,例如:布尔哈通河中游段、图们市内部分河段的水质类别为劣质五类。
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第 3 章 图们江流域降水、径流变化特性分析.........14
3.1 图们江流域降水、径流丰枯特性分析............14
3.1.1 丰、平、枯水年径流量统计分析.............14
3.1.2 丰、平、枯水年年际变化分析.......16
3.2 图们江流域降水、径流趋势分析..........17
3.2.1 滑动平均法趋势分析.............18
3.2.2 Kendall 秩次相关检验法趋势分析.....21
3.3 图们江流域径流突变分析............22
3.4 图们江流域径流周期分析............23
3.4.1 年径流周期分析的基本思路与 F 检验.....23
3.4.2 案例分析.............24
3.5 小结........26
第 4 章 基于人工神经网络的中长期径流预报.........28
4.1 BP 神经网络的基本原理.... 28
4.2 BP 网络中长期径流预报模型的建立.... 32
4.3 BP 神经网络的中长期径流预报............ 33
4.4 小结........39
第 5 章 基于多元回归分析的中长期径流预报.........40
5.1 回归方程、统计检验与分析计算过程............40
5.2 SPSS 应用实例.......... 41
5.3 基于多元回归分析的径流预报....45
5.4 小结........50
 
第 5 章 基于多元回归分析的中长期径流预报
 
5.1 回归方程、统计检验与分析计算过程
通常用决定系数2R 来实现回归方程的拟合优度检验:2R 越接近 1,表明回归直线的拟合程度越好;2R 接近 0,表明回归直线的拟合程度越差。(1)建立由预报对象和m 个预报因子样本观测变量序列组成的 SPSS 数据文件;(2)利用 SPSS 数据编辑窗口进行多元线性回归分析,计算预报对象的估计值及相对拟合误差,生成由预报对象与其估计值组成的历史拟合曲线[67]。保存由数据编辑窗口中的数据和结果输出中的统计结果、相关信息等;(3)对回归效果进行检验;(4)若通过统计检验,可用多元线性回归方程进行预报,也可进行概率区间预报。关于开山屯水文站 2014 年作业效果评定,全年共计12 场次月径流量预报,预报流量与实测流量误差大于 20%以上的预报存在 3 场次,分别为 2 月份误差-21.8%、7 月份误差 24.8%、9 月份误差-23.1%,2014 年的月径流量预报合格率为 75%。在表 5-4 中可以看出,圈河水文站 2015 年作业效果评定,全年 12 场次月径流量预报,存在 4 场次预报误差大于 20%,分别为 2 月份误差-20.1%、4 月份误差-21.5%、9 月份误差-22.1%、10 月份误差 34.8%。2015 年的月径流量预报合格率为 66.7%。
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结论
 
人类社会活动和全球气候变化等影响因素加剧了径流变化的随机性、突变性、周期不稳定等复杂特性,图们江流域近年洪水灾害频次增加。因此本文对图们江流域典型水文站的水文特性进行分析,并且采用人工神经网络法和多元回归分析法进行中长期径流预报,包括逐月径流预报和年径流总量预报。研究的主要结论如下:
(1)在 3 个水文站降水径流资料基础上,采用距平百分率的方法对径流资料进行丰、平、枯水年统计。通过差积分析曲线图的绘制对降水量、径流量的年际变化情况进行分析,得出 3 个水文站降水量、径流量丰枯变化趋势一致。1959 年-1974 年为持续丰水时段,其中开山屯水文站持续丰水年达到 13 年之久;1975 年-1985 年为持续枯水期阶段;1986 年-2015 年差积曲线波动频次增加且下降,表明此阶段枯水期较多,丰水期较少但持续枯水时间短;
(2)采用 5 年滑动平均法和 Kendall 秩次相关检验法对图们江干流 3 个水文站进行了趋势分析,年降水量与年径流总量整体为下降趋势,相比于上游开山屯水文站,河东水文站与圈河水文站年径流总量减小趋势并不显著;
(3)通过滑动 t 检验法的径流突变分析和径流周期方差分析法的 F 检验,得到开山屯、河东、圈河年径流量的突变年份分别为 1974 年、1985 年、1985 年;3个水文站在 1981 年-2015 年时间段内存在试验周期,开山屯站存在 7 年和 11 年试验周期、河东站存在 7 年和相对较弱的 12 年试验周期、圈河站存在 8 年和相对较弱的 11 年试验周期;
(4)对于中长期径流预报,本文采用人工神经网络法和多元回归分析法进行径流预报,两种方法预报场次总体合格率分别达到 80%和 70%以上,相互验证了此次图们江干流 3 个水文站的中长期预报成果是比较可靠的,在该流域人工神经网络模型预报成果相对更好,预报成果对图们江流域的防洪减灾具有参考价值。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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