專利名稱：基于降雨-徑流-洪水演進(jìn)計(jì)算的洪水預(yù)報(bào)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及洪水預(yù)報(bào)與計(jì)算機(jī)結(jié)合的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用降雨-徑流-洪水演進(jìn)計(jì)算的多個(gè)模型綜合進(jìn)行流域洪水預(yù)報(bào)的方法。
背景技術(shù)：
長(zhǎng)期以來(lái)，洪水作為一種自然災(zāi)害受到了人類的廣泛關(guān)注，人們采取了大量措施來(lái)減小洪水災(zāi)害可能造成的損失。而要進(jìn)行有效的洪水管理和調(diào)度，根本上需要依靠準(zhǔn)確的洪水預(yù)報(bào)作為技術(shù)支持。洪水預(yù)報(bào)是根據(jù)洪水形成的客觀規(guī)律，利用現(xiàn)時(shí)已經(jīng)掌握的水文、氣象資料(稱水文信息或水文數(shù)據(jù))，預(yù)報(bào)河流某一斷面在未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)(稱預(yù)見(jiàn)期)將要出現(xiàn)的流量、水位過(guò)程。根據(jù)發(fā)布預(yù)報(bào)時(shí)所依據(jù)的資料不同，洪水預(yù)報(bào)可以分為水文氣象法、降雨徑流法及河段洪水演進(jìn)法三類。其中水文氣象法主要是利用前期的氣象要素作為預(yù)報(bào)因子，根據(jù)氣壓場(chǎng)、濕度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)等變化預(yù)報(bào)降雨，進(jìn)而得出洪水預(yù)報(bào)的結(jié)果；降雨徑流法則是根據(jù)流域產(chǎn)匯流基本原理，由暴雨預(yù)報(bào)某一河道斷面洪水過(guò)程的方法；洪水演進(jìn)法主要是根據(jù)河段上游斷面的徑流過(guò)程通過(guò)洪水演進(jìn)算法預(yù)報(bào)下游斷面的洪水過(guò)程。 洪水預(yù)報(bào)通常關(guān)心兩個(gè)主要問(wèn)題，一個(gè)是預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期，另一個(gè)是預(yù)報(bào)精度。上述三種方法中，預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期依次遞減縮短，但預(yù)報(bào)精度往往是依次提高的。目前在洪水預(yù)報(bào)中應(yīng)用較為廣泛的是降雨徑流法和河段洪水演進(jìn)法兩種，但兩種方法各有其不足之處。降雨徑流法能夠由降雨數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)洪水過(guò)程，目前應(yīng)用較多的是水文數(shù)值模型，這些模型在特定的時(shí)間或地域條件下，適用于對(duì)過(guò)程細(xì)節(jié)、內(nèi)部機(jī)理沒(méi)有要求的科學(xué)研究及工程實(shí)踐。但這些模型的缺點(diǎn)是缺少堅(jiān)實(shí)的物理基礎(chǔ)，在很多細(xì)節(jié)過(guò)程上使用經(jīng)驗(yàn)公式，無(wú)法描述自然現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理，也就不可能完全重現(xiàn)流域的真實(shí)水文過(guò)程，在模擬預(yù)測(cè)中的誤差也就不可避免，使得其應(yīng)用范圍受到限制。另外在應(yīng)用時(shí)，該類模型中的參數(shù)雖有一定物理意義，但是難以直接推算，需要根據(jù)流域出口流量資料率定，整體而言比較依賴于歷史水文數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式。這一不足也使得該方法在缺乏歷史水文數(shù)據(jù)的流域的應(yīng)用受到限制。整體而言，這一方法有較長(zhǎng)的預(yù)見(jiàn)期，但對(duì)產(chǎn)匯流期間的模擬精度略為不足。河段洪水演進(jìn)法是由上游河道流量、水位數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)下游的洪水過(guò)程，其預(yù)報(bào)的預(yù)見(jiàn)期較短，在某些情況下不足以滿足洪水預(yù)報(bào)的要求，但其預(yù)報(bào)精度較降雨徑流法更高些。 這一方法的基本依據(jù)是圣維南方程組，目前比較常用的方法是先對(duì)圣維南方程組進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后再進(jìn)行求解。這種方法的最大優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單地把經(jīng)驗(yàn)和實(shí)時(shí)信息結(jié)合進(jìn)來(lái)，另外對(duì)河道地形資料要求較少。但是這同時(shí)也帶來(lái)其不足，在人類活動(dòng)影響越來(lái)越顯著的現(xiàn)在，尤其是河道上水庫(kù)、大壩等水利工程的實(shí)施，河道地形很難能夠保持不變，而河道特征一旦變化，改變了通過(guò)各種水文要素的觀測(cè)探求到的水文自然規(guī)律，破壞了原有水文資料的一致性和代表性，使水文現(xiàn)象發(fā)生變化。這種方法對(duì)歷史水文資料的質(zhì)量和代表性的依賴，限制了其預(yù)報(bào)結(jié)果的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服在模擬流域內(nèi)降雨-產(chǎn)流-河道內(nèi)洪水演進(jìn)過(guò)程中存在的人為誤差、對(duì)自然現(xiàn)象過(guò)于簡(jiǎn)化、對(duì)歷史水文資料過(guò)于依賴性等問(wèn)題。本發(fā)明的目的是提供一種利用多個(gè)模型綜合進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)的方法，從而能夠根據(jù)流域降雨和初始、 邊界條件，預(yù)先模擬洪水運(yùn)動(dòng)情況，對(duì)洪災(zāi)做出事先的估計(jì)。本發(fā)明提供的基于降雨-徑流-洪水演進(jìn)計(jì)算的洪水預(yù)報(bào)方法，包括以下步驟(1)數(shù)據(jù)集成根據(jù)分布式水文模型和水動(dòng)力模型的規(guī)范和要求，對(duì)洪水預(yù)報(bào)計(jì)算流域的地形數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)進(jìn)行集成處理，以提供給參數(shù)確定；其中，地形數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程地圖以及河網(wǎng)與河道幾何尺寸，土壤數(shù)據(jù)包括土壤類別及其分布、土地利用數(shù)據(jù)，水文數(shù)據(jù)包括降雨和徑流的時(shí)間序列數(shù)據(jù)；⑵參數(shù)確定對(duì)步驟(1)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬歷時(shí)、初始條件、邊界條件以及降雨情況的確定，并根據(jù)模型參數(shù)的規(guī)范和要求，對(duì)相應(yīng)參數(shù)值進(jìn)行設(shè)定；其中，模擬歷時(shí)是指洪水預(yù)報(bào)計(jì)算的總時(shí)長(zhǎng)；初始條件的確定包括針對(duì)不同土壤類別的區(qū)域分別進(jìn)行土體性質(zhì)的定義；邊界條件的確定包括設(shè)定計(jì)算流域的出口位置坐標(biāo)，具體為流域內(nèi)河流最下游， 以及對(duì)河道尺寸的定義；降雨情況的確定包括降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、降雨區(qū)域，具體由實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)得到；(3)模型計(jì)算模型計(jì)算部分接收參數(shù)確定部分輸出參數(shù)值后，首先使用分布式水文模型得到計(jì)算流域內(nèi)各河流源頭及交匯點(diǎn)的流量、水位數(shù)據(jù)；然后利用基于圣維南方程組的水動(dòng)力模型計(jì)算河道內(nèi)的洪水演進(jìn)過(guò)程，輸出計(jì)算流域的河道內(nèi)各點(diǎn)的水位、流量隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)；(4)結(jié)果發(fā)布比較計(jì)算流域內(nèi)各河道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的水位預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)以及警戒水位數(shù)據(jù)，若預(yù)報(bào)水位大于警戒水位，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)發(fā)生洪水；若預(yù)報(bào)水位小于等于警戒水位，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)生洪水。本發(fā)明的有益效果是相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，采用本發(fā)明方法，可以方便的根據(jù)實(shí)測(cè)雨、水情進(jìn)行各點(diǎn)的洪水預(yù)報(bào)。在計(jì)算過(guò)程中不受地形規(guī)模和復(fù)雜程度限制，并運(yùn)用基本物理定律(質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等)來(lái)描述自然現(xiàn)象，相比較而言不必依賴于歷史水文數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式，有效地避免了人為誤差，并可適用于缺少歷史數(shù)據(jù)的流域。


圖1是本發(fā)明基于降雨-徑流-洪水演進(jìn)計(jì)算的洪水預(yù)報(bào)方法的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施案例的區(qū)域示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施案例的區(qū)域內(nèi)上埠河上游監(jiān)測(cè)站水位沿時(shí)間變化過(guò)程圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施案例的區(qū)域內(nèi)上埠河下游監(jiān)測(cè)站水位沿時(shí)間變化過(guò)程圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是利用一個(gè)耦合了分布式模型αηΗΜ)和水動(dòng)力模型的計(jì)算方法進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)，該方法包括降雨徑流過(guò)程和洪水演進(jìn)計(jì)算兩個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)由降雨數(shù)據(jù)模擬流域內(nèi)徑流產(chǎn)生，進(jìn)而對(duì)下游河道進(jìn)行洪水演進(jìn)計(jì)算，得到計(jì)算區(qū)域內(nèi)相應(yīng)點(diǎn)發(fā)生洪水險(xiǎn)情的可能性及可能時(shí)段的計(jì)算過(guò)程。按照以下步驟實(shí)施(1)數(shù)據(jù)集成對(duì)獲取的各種數(shù)據(jù)資料進(jìn)行處理，使其符合模型使用的規(guī)范和要求，其中各種數(shù)據(jù)資料包括流域地形地貌數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、土壤質(zhì)地?cái)?shù)據(jù)、降雨數(shù)據(jù)、徑流數(shù)據(jù)等流域的基本資料。(2)參數(shù)確定接收數(shù)據(jù)集成輸出的資料數(shù)據(jù)，確定模型所需的各項(xiàng)參數(shù)。(3)模型計(jì)算基于步驟二所輸出的各項(xiàng)參數(shù)值，利用分布式水文模型αηΗΜ模型)，進(jìn)行降雨-徑流模擬預(yù)測(cè)，輸出降雨過(guò)程中各水文變量(流量、水深、流速等)的時(shí)空分布信息。再基于各水文變量，利用水動(dòng)力模型，進(jìn)行河道內(nèi)洪水演進(jìn)計(jì)算，輸出洪水預(yù)報(bào)結(jié)果。(4)結(jié)果評(píng)價(jià)接收上一步驟所得的洪水預(yù)報(bào)結(jié)果，進(jìn)行評(píng)價(jià)驗(yàn)證，若滿足精度要求，進(jìn)入下一步驟；若不滿足精度要求，返回步驟O)。(5)結(jié)果發(fā)布對(duì)預(yù)報(bào)區(qū)域的水位預(yù)報(bào)結(jié)果與相應(yīng)警戒水位進(jìn)行比較，判斷是否有發(fā)生洪水險(xiǎn)情的可能性。如圖1，本發(fā)明包括數(shù)據(jù)集成、參數(shù)確定、模型計(jì)算、結(jié)果驗(yàn)證、結(jié)果發(fā)布這五個(gè)步驟。下面對(duì)這五個(gè)步驟進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。(1)數(shù)據(jù)集成數(shù)據(jù)集成主要是，根據(jù)分布式水文模型αηΗΜ)和水動(dòng)力模型的規(guī)范和要求，對(duì)洪水預(yù)報(bào)計(jì)算流域的地形數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以提供給參數(shù)確定。其中，地形數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程地圖(DEM)以及河網(wǎng)與河道幾何尺寸。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，生成勾出河網(wǎng)分布的流域3D網(wǎng)格，以及河道河槽矩形網(wǎng)格。土壤數(shù)據(jù)主要包括土壤類別及其分布、土地利用數(shù)據(jù)。水文數(shù)據(jù)包括降雨和徑流的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。(2)參數(shù)確定參數(shù)確定主要是，對(duì)步驟(1)中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行模擬歷時(shí)、初始條件、邊界條件以及降雨情況的確定，并根據(jù)模型參數(shù)設(shè)定所需對(duì)相應(yīng)參數(shù)值進(jìn)行確定。其中，模擬歷時(shí)是指洪水預(yù)報(bào)計(jì)算的總時(shí)長(zhǎng)。初始條件的確定包括針對(duì)不同土壤類別的區(qū)域分別進(jìn)行土體性質(zhì)的定義。具體有地表曼寧系數(shù)、土壤特征曲線參數(shù)、土壤孔隙度、土壤飽和導(dǎo)水度、初始含水量以及河道幾何尺寸和河道糙率等參數(shù)。其中土壤孔隙度、土壤飽和導(dǎo)水度、初始含水量以及河道幾何尺寸由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到。地表曼寧系數(shù)通過(guò)下式計(jì)算(該公式來(lái)源于Gabet E J and Dunne Τ,2003)fl = 0.053e27Q(O式(1)中a為地表曼寧系數(shù)；Cv為地表植被覆蓋率，以小數(shù)形式表示，e為自然對(duì)數(shù)的底，其使用數(shù)值為2.718;土壤特征曲線由Van Genuchten方法獲得，其計(jì)算公式如下(該公式來(lái)源于Van
權(quán)利要求
1.基于降雨-徑流-洪水演進(jìn)計(jì)算的洪水預(yù)報(bào)方法，包括以下步驟(1)數(shù)據(jù)集成根據(jù)分布式水文模型和水動(dòng)力模型的規(guī)范和要求，對(duì)洪水預(yù)報(bào)計(jì)算流域的地形數(shù)據(jù)、 土壤數(shù)據(jù)和水文數(shù)據(jù)進(jìn)行集成處理，以提供給參數(shù)確定；其中，地形數(shù)據(jù)包括數(shù)字高程地圖以及河網(wǎng)與河道幾何尺寸，土壤數(shù)據(jù)包括土壤類別及其分布、土地利用數(shù)據(jù)，水文數(shù)據(jù)包括降雨和徑流的時(shí)間序列數(shù)據(jù)；(2)參數(shù)確定對(duì)步驟(1)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬歷時(shí)、初始條件、邊界條件以及降雨情況的確定，并根據(jù)模型參數(shù)的規(guī)范和要求，對(duì)相應(yīng)參數(shù)值進(jìn)行設(shè)定；其中，模擬歷時(shí)是指洪水預(yù)報(bào)計(jì)算的總時(shí)長(zhǎng)；初始條件的確定包括針對(duì)不同土壤類別的區(qū)域分別進(jìn)行土體性質(zhì)的定義；邊界條件的確定包括設(shè)定計(jì)算流域的出口位置坐標(biāo)，具體為流域內(nèi)河流最下游，以及對(duì)河道尺寸的定義；降雨情況的確定包括降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、降雨區(qū)域，具體由實(shí)測(cè)降雨數(shù)據(jù)得到；(3)模型計(jì)算模型計(jì)算部分接收參數(shù)確定部分輸出參數(shù)值后，首先使用分布式水文模型得到計(jì)算流域內(nèi)各河流源頭及交匯點(diǎn)的流量、水位數(shù)據(jù)；然后利用基于圣維南方程組的水動(dòng)力模型計(jì)算河道內(nèi)的洪水演進(jìn)過(guò)程，輸出計(jì)算流域的河道內(nèi)各點(diǎn)的水位、流量隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)；(4)結(jié)果發(fā)布比較計(jì)算流域內(nèi)各河道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的水位預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)以及警戒水位數(shù)據(jù)，若預(yù)報(bào)水位大于警戒水位，認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)發(fā)生洪水；若預(yù)報(bào)水位小于等于警戒水位，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)不會(huì)發(fā)生洪水。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(3)之后，還包括結(jié)果驗(yàn)證的步驟 接收模型計(jì)算所得水位數(shù)據(jù)以及現(xiàn)有的實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)，進(jìn)行模擬結(jié)果精度評(píng)價(jià)驗(yàn)證；所述精度評(píng)價(jià)驗(yàn)證分為洪水預(yù)報(bào)誤差指標(biāo)和洪水預(yù)報(bào)合格率兩部分用洪水預(yù)報(bào)誤差指標(biāo)進(jìn)行單場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果精度的評(píng)價(jià)，而用洪水預(yù)報(bào)合格率對(duì)所有場(chǎng)次進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述洪水預(yù)報(bào)誤差指標(biāo)系絕對(duì)誤差，其計(jì)算方法為水位的模型計(jì)算值減去實(shí)測(cè)值，并取絕對(duì)值；該絕對(duì)誤差小于水位實(shí)測(cè)變幅的 20%時(shí)，認(rèn)為本次預(yù)報(bào)為合格預(yù)報(bào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述洪水預(yù)報(bào)合格率的計(jì)算中令合格預(yù)報(bào)的次數(shù)與預(yù)報(bào)場(chǎng)次總次數(shù)之比的百分?jǐn)?shù)為合格率，它表示多次預(yù)報(bào)總體的精度水平，其表達(dá)式如下
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟O)中，初始條件的確定包括針對(duì)不同土壤類別的區(qū)域分別進(jìn)行土體性質(zhì)的定義；具體有地表曼寧系數(shù)、土壤特征曲線參數(shù)、土壤孔隙度、土壤飽和導(dǎo)水度、初始含水量以及河道幾何尺寸和河道糙率等參數(shù)；其中土壤孔隙度、土壤飽和導(dǎo)水度、初始含水量以及河道幾何尺寸由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到；此外，地表曼寧系數(shù)通過(guò)下式計(jì)算β = 0.053嚴(yán)(1)式(1)中a為地表曼寧系數(shù)；Cv為地表植被覆蓋率，以小數(shù)形式表示，e為自然對(duì)數(shù)的底，其使用數(shù)值為2.718;土壤特征曲線由Van Genuchten方法獲得，其計(jì)算公式如下
全文摘要
本發(fā)明涉及洪水預(yù)報(bào)與計(jì)算機(jī)結(jié)合的技術(shù)領(lǐng)域，旨在提供一種利用降雨-徑流-洪水演進(jìn)計(jì)算的多個(gè)模型綜合進(jìn)行流域洪水預(yù)報(bào)的方法。該方法包括根據(jù)分布式水文模型和水動(dòng)力模型的規(guī)范和要求進(jìn)行水文數(shù)據(jù)集成；根據(jù)模型參數(shù)的規(guī)范和要求，對(duì)相應(yīng)參數(shù)值進(jìn)行設(shè)定；利用模型進(jìn)行洪水演進(jìn)過(guò)程；比較計(jì)算流域內(nèi)各河道關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的水位預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)以及警戒水位數(shù)據(jù)，并進(jìn)行結(jié)果發(fā)布。本發(fā)明可以方便的根據(jù)實(shí)測(cè)雨、水情進(jìn)行各點(diǎn)的洪水預(yù)報(bào)。在計(jì)算過(guò)程中不受地形規(guī)模和復(fù)雜程度限制，并運(yùn)用基本物理定律(質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等)來(lái)描述自然現(xiàn)象，相比較而言不必依賴于歷史水文數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式，有效地避免了人為誤差，并可適用于缺少歷史數(shù)據(jù)的流域。
文檔編號(hào)G06F19/00GK102289570SQ201110207840
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2011年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月23日
發(fā)明者冉啟華, 王振宇, 賀治國(guó) 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)