基于水位樣本的洪水預報方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于水位樣本的洪水預報方法，其特征在于包括以下步驟：步驟S01：采用水箱模式，模擬徑流形成過程，將降雨轉(zhuǎn)化為徑流的過程抽象為流域的蓄水與出流量之間的關系；步驟S02：建立流量與水位間的函數(shù)關系，采用過原點冪函數(shù)先對水位與斷面平均流速進行函數(shù)擬合，進而建立斷面水位與流量關系；步驟S03：獲得降雨量與出流水位之間的關系；步驟S04：針對得到的出流水位過程，將其與實測水位值進行比對，并通過對水文模型參數(shù)的調(diào)整；步驟S05：針對率定后的水文模型，輸入上游流域降雨量、水面蒸發(fā)量，得到下游出口水位過程，根據(jù)水位峰值判斷預測地區(qū)是否發(fā)生洪水，并根據(jù)已有的水位雨量資料分析雨峰與洪峰間的滯后時間確定峰現(xiàn)時間。
【專利說明】基于水位樣本的洪水預報方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及水利防災減災領域，特別是一種基于水位樣本的洪水預報方法。

【背景技術】
[0002] 洪水預測一直是水利防災減災領域難以攻克的問題之一，對于大型河流，往往有 豐富的水文水利數(shù)據(jù)，同時有大量的水利專家對當?shù)剡@些水文水利數(shù)據(jù)進行研究，進而對 河流的洪水進行預報，為當?shù)胤篮榇胧┨峁┮欢〝?shù)據(jù)支持，而面對分布于全國各地山區(qū)中 的中小河流，往往沒有足夠的人力與物力和有效方法來支持其洪水預報。
[0003] 山洪，指的是山區(qū)溪溝中發(fā)生的暴漲性洪水。全球氣侯變化，極端天氣增多，進而 導致各地山洪頻發(fā)，山洪屬驟發(fā)性洪水，暴漲暴落、預見期短、成災快、破壞力大，每年因山 洪都造成大量人員傷亡。溪源溪是福州城區(qū)南面，直接匯入閩江，集水面積僅200km2的一 條小支流。2005年由"龍王"強臺風引發(fā)的一場山洪，造成了一次性80余人重大傷亡。有 關部門統(tǒng)計全國每年因山洪造成的傷亡人數(shù)占全部洪澇災害傷亡總數(shù)的80%?？梢姡胶橐?成為廣大山區(qū)百姓安全的一大危害。目前山洪呈多發(fā)常發(fā)的態(tài)勢，局部地區(qū)集中強降水是 山洪發(fā)生的根本原因。
[0004] 為避免山洪災害對人民生命財產(chǎn)造成破壞性影響，往往需要通過對山洪災害進行 預測，進而根據(jù)當?shù)貙嶋H情況作出相應的防災預案，及時疏導民眾。但現(xiàn)有的情況是有限的 人力物力無法對廣大地區(qū)的山洪進行預測，其中，流量數(shù)據(jù)的缺失是阻礙各地進行山洪預 測的最重要原因之一。
[0005] 目前洪水預報成果基于水文模型進行計算獲得，相應水文模型建立過程對流量數(shù) 據(jù)的依賴度大，具體的，通過以下幾個步驟實現(xiàn)對洪水的預測： 1、 產(chǎn)匯流計算，采用水箱模型，模擬徑流形成過程，將降雨轉(zhuǎn)化為徑流的過程抽象為流 域的蓄水與出流量之間的關系。通過水箱模型，可以獲得降雨量與出流量之間的關系。其 中水箱的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中：P:降水量、E:水面蒸發(fā)量、z:下滲量、a :邊孔出流 系數(shù)X :水箱蓄水深度、h :邊孔高度； 2、 定線，圖2是傳統(tǒng)水文模型框架圖，為了驗證水文模型的可行性，需要用實測流量資 料為樣本，對模型參數(shù)進行率定和驗證，而目前流量的實測僅僅能獲得斷面有限個流量測 次數(shù)據(jù)，要獲得更多的流量信息就需要對斷面水流規(guī)律進行分析，通過對有限個流量測次 數(shù)據(jù)進行擬合，并建立該斷面水位流量關系。
[0006] 3、推流，對獲得的水位流量關系曲線推求任意時刻流量值，獲得實測流量樣本數(shù) 據(jù)。
[0007] 4、模型率定與驗證，請參見圖3,圖3是傳統(tǒng)水文模型參數(shù)率定框圖。該參數(shù)的率 定是一個反復試錯的過程，通過調(diào)試出一套參數(shù)值，使模型用這套參數(shù)值計算出的結(jié)果與 作為樣本的實測流量過程擬合達到最優(yōu)，具體的，針對水箱模型得到的流量值，將其與通過 定線、推流得到的實測流量值進行比對，并通過對水箱模型參數(shù)的調(diào)整，不斷提高模型準確 性，滿足實測值與通過水位流量關系曲線推求的流量值之間的匹配率達到要求水平。
[0008] 5、洪水預測，針對率定后的水文模型，輸入上游流域降雨過程、水面蒸發(fā)量，得到 下游出口斷面流量過程。由圖3可以清楚看出現(xiàn)有模型輸出是流量，其值要與作為樣本的 實測流量比較，所以流量資料是模型率定(建模）和具體流域應用的必備條件。
[0009] 現(xiàn)有可用于山洪預報的水箱模型，其技術主要缺點是，模型計算結(jié)果是流量，參 數(shù)率定與驗證僅能以實測流量資料為樣本，建模與應用"流量資料"是一必備條件。沒有實 測流量資料的江河，就無法建模，也就無法應用現(xiàn)有水箱等模型開展洪水預報。
[0010] 流量資料要通過江河斷面流量測驗取得。流量測驗(施測流量)需由專業(yè)人員采用 流速儀等專業(yè)儀器和專業(yè)設備(測船、跨江河架設的水文攬道）施測，還要經(jīng)后續(xù)的定線、推 流等諸多環(huán)節(jié)與工序才能完成。"流量"投入的經(jīng)費、人力、物力、時間比"水位"、"雨量"要 大的多。加至近年來人類活動對江河影響加劇及對天然水流認識的局限，流量測驗與推求 出現(xiàn)了不少至今還難應對的新問題，準確流量測驗和完整資料收集變得愈加困難。這也是 山區(qū)江河普遍缺乏流量資料的主要原因。
[0011] 而且流量僅能表明江河斷面水量大小，而不能告知水位的高低。洪峰水位是洪水 的最重要特征，也是防汛重要、直觀、民眾容易理解的洪水量級指標和決策依據(jù)。準確的洪 峰水位預報不但可預知洪水大小、量級，結(jié)合地形資料可明確洪水可能影響、淹沒范圍和撤 離的安全高程。因此，洪水預報最關注的是洪水水位過程與洪峰水位。現(xiàn)有水箱模型輸出 計算的流量結(jié)果又要通過"根據(jù)實測流量數(shù)據(jù)建立的水位流量關系"換算成相應的水位過 程，實現(xiàn)最終的洪水位預報。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 基于以上不足，本發(fā)明提供一種基于水位樣本的洪水預報方法，事實上是一種新 的水文模型的建立過程，具體過程如下： 步驟SOl :采用水箱模式，模擬徑流形成過程，將降雨轉(zhuǎn)化為徑流的過程抽象為流域的 蓄水與出流量之間的關系； 步驟S02 :建立流量與水位間的函數(shù)關系，通過過原點冪函數(shù)先對水位與斷面平均流 速關系的函數(shù)擬合實現(xiàn)。

【權利要求】
1. 一種基于水位樣本的洪水預報方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟SOl :采用水箱模式，模擬徑流形成過程，將降雨轉(zhuǎn)化為徑流的過程抽象為流域的 蓄水與出流量之間的關系； 步驟S02 :建立出流量與水位間的函數(shù)關系，通過采用過原點冪函數(shù)先對水位與斷面 平均流速的關系進行函數(shù)擬合：
其中h為斷流水位以上水深，其中h=H+H0、H:水位、HO:斷流水位，即斷面流量為0時 相應水位，V為斷面平均流速，進而建立出流量Q與水位的相關關系，基于對a，b參數(shù)的確 定即可實現(xiàn)對當?shù)豩與Q關系的確定； 步驟S03 :給a、b進行初始賦值，基于h與Q的關系，進而獲得降雨量與出流水位之間 的關系； 步驟S04 :針對得到的出流水位過程，將其與實測水位值進行比對，并通過對水文模型 參數(shù)的調(diào)整，不斷提高模型準確性，滿足實測值與通過基于模型得到的水位之值之間的匹 配率達到允許水平； 步驟S05 :針對率定后的水文模型，輸入上游流域降雨量、水面蒸發(fā)量，得到下游出口 水位過程，根據(jù)水位峰值預測地區(qū)是否發(fā)生洪水，并根據(jù)雨洪滯時確定峰值出現(xiàn)時間。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于水位樣本的洪水預報方法，其特征在于：所述的水箱模 式中采用的水箱模型采用三層直立串聯(lián)結(jié)構(gòu)：第一層水箱的出流模擬"地面徑流"，第二層 水箱出流模擬"壤中流"，底層水箱出流模擬"地下徑流";其中第一、二層水箱旁側(cè)設有出流 孔、底部設有下滲孔，底層水箱僅有出流孔而無下滲孔；第一層設有三個側(cè)孔出流，以體現(xiàn) 大、中、小不同特性洪水的非線性影響。
【文檔編號】G06F19/00GK104392111SQ201410628139
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月10日 優(yōu)先權日:2014年11月10日
【發(fā)明者】連承鍇 申請人:連承鍇