專利名稱：基于降雨-徑流-洪水演進計算的洪水預報方法
技術領域：
本發明涉及洪水預報與計算機結合的技術領域，具體涉及一種利用降雨-徑流-洪水演進計算的多個模型綜合進行流域洪水預報的方法。
背景技術：
長期以來，洪水作為一種自然災害受到了人類的廣泛關注，人們采取了大量措施來減小洪水災害可能造成的損失。而要進行有效的洪水管理和調度，根本上需要依靠準確的洪水預報作為技術支持。洪水預報是根據洪水形成的客觀規律，利用現時已經掌握的水文、氣象資料(稱水文信息或水文數據)，預報河流某一斷面在未來一定時期內(稱預見期)將要出現的流量、水位過程。根據發布預報時所依據的資料不同，洪水預報可以分為水文氣象法、降雨徑流法及河段洪水演進法三類。其中水文氣象法主要是利用前期的氣象要素作為預報因子，根據氣壓場、濕度場、風場等變化預報降雨，進而得出洪水預報的結果；降雨徑流法則是根據流域產匯流基本原理，由暴雨預報某一河道斷面洪水過程的方法；洪水演進法主要是根據河段上游斷面的徑流過程通過洪水演進算法預報下游斷面的洪水過程。 洪水預報通常關心兩個主要問題，一個是預報的預見期，另一個是預報精度。上述三種方法中，預報的預見期依次遞減縮短，但預報精度往往是依次提高的。目前在洪水預報中應用較為廣泛的是降雨徑流法和河段洪水演進法兩種，但兩種方法各有其不足之處。降雨徑流法能夠由降雨數據預報洪水過程，目前應用較多的是水文數值模型，這些模型在特定的時間或地域條件下，適用于對過程細節、內部機理沒有要求的科學研究及工程實踐。但這些模型的缺點是缺少堅實的物理基礎，在很多細節過程上使用經驗公式，無法描述自然現象的內在機理，也就不可能完全重現流域的真實水文過程，在模擬預測中的誤差也就不可避免，使得其應用范圍受到限制。另外在應用時，該類模型中的參數雖有一定物理意義，但是難以直接推算，需要根據流域出口流量資料率定，整體而言比較依賴于歷史水文數據和經驗公式。這一不足也使得該方法在缺乏歷史水文數據的流域的應用受到限制。整體而言，這一方法有較長的預見期，但對產匯流期間的模擬精度略為不足。河段洪水演進法是由上游河道流量、水位數據預報下游的洪水過程，其預報的預見期較短，在某些情況下不足以滿足洪水預報的要求，但其預報精度較降雨徑流法更高些。 這一方法的基本依據是圣維南方程組，目前比較常用的方法是先對圣維南方程組進行簡化，然后再進行求解。這種方法的最大優點是簡單地把經驗和實時信息結合進來，另外對河道地形資料要求較少。但是這同時也帶來其不足，在人類活動影響越來越顯著的現在，尤其是河道上水庫、大壩等水利工程的實施，河道地形很難能夠保持不變，而河道特征一旦變化，改變了通過各種水文要素的觀測探求到的水文自然規律，破壞了原有水文資料的一致性和代表性，使水文現象發生變化。這種方法對歷史水文資料的質量和代表性的依賴，限制了其預報結果的精度。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，克服在模擬流域內降雨-產流-河道內洪水演進過程中存在的人為誤差、對自然現象過于簡化、對歷史水文資料過于依賴性等問題。本發明的目的是提供一種利用多個模型綜合進行洪水預報的方法，從而能夠根據流域降雨和初始、 邊界條件，預先模擬洪水運動情況，對洪災做出事先的估計。本發明提供的基于降雨-徑流-洪水演進計算的洪水預報方法，包括以下步驟(1)數據集成根據分布式水文模型和水動力模型的規范和要求，對洪水預報計算流域的地形數據、土壤數據和水文數據進行集成處理，以提供給參數確定；其中，地形數據包括數字高程地圖以及河網與河道幾何尺寸，土壤數據包括土壤類別及其分布、土地利用數據，水文數據包括降雨和徑流的時間序列數據；⑵參數確定對步驟(1)中的數據進行模擬歷時、初始條件、邊界條件以及降雨情況的確定，并根據模型參數的規范和要求，對相應參數值進行設定；其中，模擬歷時是指洪水預報計算的總時長；初始條件的確定包括針對不同土壤類別的區域分別進行土體性質的定義；邊界條件的確定包括設定計算流域的出口位置坐標，具體為流域內河流最下游， 以及對河道尺寸的定義；降雨情況的確定包括降雨強度、降雨歷時、降雨區域，具體由實測降雨數據得到；(3)模型計算模型計算部分接收參數確定部分輸出參數值后，首先使用分布式水文模型得到計算流域內各河流源頭及交匯點的流量、水位數據；然后利用基于圣維南方程組的水動力模型計算河道內的洪水演進過程，輸出計算流域的河道內各點的水位、流量隨時間變化數據；(4)結果發布比較計算流域內各河道關鍵節點的水位預報數據以及警戒水位數據，若預報水位大于警戒水位，認為該節點發生洪水；若預報水位小于等于警戒水位，則認為該節點不會發生洪水。本發明的有益效果是相對于現有技術，采用本發明方法，可以方便的根據實測雨、水情進行各點的洪水預報。在計算過程中不受地形規模和復雜程度限制，并運用基本物理定律(質量守恒、動量守恒、能量守恒等)來描述自然現象，相比較而言不必依賴于歷史水文數據和經驗公式，有效地避免了人為誤差，并可適用于缺少歷史數據的流域。
圖1是本發明基于降雨-徑流-洪水演進計算的洪水預報方法的結構示意圖；圖2是本發明實施案例的區域示意圖；圖3是本發明實施案例的區域內上埠河上游監測站水位沿時間變化過程圖；圖4是本發明實施案例的區域內上埠河下游監測站水位沿時間變化過程圖。
具體實施例方式本發明所采用的技術方案是利用一個耦合了分布式模型αηΗΜ)和水動力模型的計算方法進行洪水預報，該方法包括降雨徑流過程和洪水演進計算兩個模塊，實現由降雨數據模擬流域內徑流產生，進而對下游河道進行洪水演進計算，得到計算區域內相應點發生洪水險情的可能性及可能時段的計算過程。按照以下步驟實施(1)數據集成對獲取的各種數據資料進行處理，使其符合模型使用的規范和要求，其中各種數據資料包括流域地形地貌數據、土地利用數據、土壤質地數據、降雨數據、徑流數據等流域的基本資料。(2)參數確定接收數據集成輸出的資料數據，確定模型所需的各項參數。(3)模型計算基于步驟二所輸出的各項參數值，利用分布式水文模型αηΗΜ模型)，進行降雨-徑流模擬預測，輸出降雨過程中各水文變量(流量、水深、流速等)的時空分布信息。再基于各水文變量，利用水動力模型，進行河道內洪水演進計算，輸出洪水預報結果。(4)結果評價接收上一步驟所得的洪水預報結果，進行評價驗證，若滿足精度要求，進入下一步驟；若不滿足精度要求，返回步驟O)。(5)結果發布對預報區域的水位預報結果與相應警戒水位進行比較，判斷是否有發生洪水險情的可能性。如圖1，本發明包括數據集成、參數確定、模型計算、結果驗證、結果發布這五個步驟。下面對這五個步驟進行詳細說明。(1)數據集成數據集成主要是，根據分布式水文模型αηΗΜ)和水動力模型的規范和要求，對洪水預報計算流域的地形數據、土壤數據和水文數據進行處理，以提供給參數確定。其中，地形數據包括數字高程地圖(DEM)以及河網與河道幾何尺寸。根據這些數據，生成勾出河網分布的流域3D網格，以及河道河槽矩形網格。土壤數據主要包括土壤類別及其分布、土地利用數據。水文數據包括降雨和徑流的時間序列數據。(2)參數確定參數確定主要是，對步驟(1)中的數據，進行模擬歷時、初始條件、邊界條件以及降雨情況的確定，并根據模型參數設定所需對相應參數值進行確定。其中，模擬歷時是指洪水預報計算的總時長。初始條件的確定包括針對不同土壤類別的區域分別進行土體性質的定義。具體有地表曼寧系數、土壤特征曲線參數、土壤孔隙度、土壤飽和導水度、初始含水量以及河道幾何尺寸和河道糙率等參數。其中土壤孔隙度、土壤飽和導水度、初始含水量以及河道幾何尺寸由實測數據得到。地表曼寧系數通過下式計算(該公式來源于Gabet E J and Dunne Τ,2003)fl = 0.053e27Q(O式(1)中a為地表曼寧系數；Cv為地表植被覆蓋率，以小數形式表示，e為自然對數的底，其使用數值為2.718;土壤特征曲線由Van Genuchten方法獲得，其計算公式如下(該公式來源于Van
權利要求
1.基于降雨-徑流-洪水演進計算的洪水預報方法，包括以下步驟(1)數據集成根據分布式水文模型和水動力模型的規范和要求，對洪水預報計算流域的地形數據、 土壤數據和水文數據進行集成處理，以提供給參數確定；其中，地形數據包括數字高程地圖以及河網與河道幾何尺寸，土壤數據包括土壤類別及其分布、土地利用數據，水文數據包括降雨和徑流的時間序列數據；(2)參數確定對步驟(1)中的數據進行模擬歷時、初始條件、邊界條件以及降雨情況的確定，并根據模型參數的規范和要求，對相應參數值進行設定；其中，模擬歷時是指洪水預報計算的總時長；初始條件的確定包括針對不同土壤類別的區域分別進行土體性質的定義；邊界條件的確定包括設定計算流域的出口位置坐標，具體為流域內河流最下游，以及對河道尺寸的定義；降雨情況的確定包括降雨強度、降雨歷時、降雨區域，具體由實測降雨數據得到；(3)模型計算模型計算部分接收參數確定部分輸出參數值后，首先使用分布式水文模型得到計算流域內各河流源頭及交匯點的流量、水位數據；然后利用基于圣維南方程組的水動力模型計算河道內的洪水演進過程，輸出計算流域的河道內各點的水位、流量隨時間變化數據；(4)結果發布比較計算流域內各河道關鍵節點的水位預報數據以及警戒水位數據，若預報水位大于警戒水位，認為該節點發生洪水；若預報水位小于等于警戒水位，則認為該節點不會發生洪水。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟(3)之后，還包括結果驗證的步驟 接收模型計算所得水位數據以及現有的實測水位數據，進行模擬結果精度評價驗證；所述精度評價驗證分為洪水預報誤差指標和洪水預報合格率兩部分用洪水預報誤差指標進行單場預報結果精度的評價，而用洪水預報合格率對所有場次進行整體評價。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述洪水預報誤差指標系絕對誤差，其計算方法為水位的模型計算值減去實測值，并取絕對值；該絕對誤差小于水位實測變幅的 20%時，認為本次預報為合格預報。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述洪水預報合格率的計算中令合格預報的次數與預報場次總次數之比的百分數為合格率，它表示多次預報總體的精度水平，其表達式如下
5.根據權利要求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不同土壤類別的區域分別進行土體性質的定義；具體有地表曼寧系數、土壤特征曲線參數、土壤孔隙度、土壤飽和導水度、初始含水量以及河道幾何尺寸和河道糙率等參數；其中土壤孔隙度、土壤飽和導水度、初始含水量以及河道幾何尺寸由實測數據得到；此外，地表曼寧系數通過下式計算β = 0.053嚴(1)式(1)中a為地表曼寧系數；Cv為地表植被覆蓋率，以小數形式表示，e為自然對數的底，其使用數值為2.718;土壤特征曲線由Van Genuchten方法獲得，其計算公式如下
全文摘要
本發明涉及洪水預報與計算機結合的技術領域，旨在提供一種利用降雨-徑流-洪水演進計算的多個模型綜合進行流域洪水預報的方法。該方法包括根據分布式水文模型和水動力模型的規范和要求進行水文數據集成；根據模型參數的規范和要求，對相應參數值進行設定；利用模型進行洪水演進過程；比較計算流域內各河道關鍵節點的水位預報數據以及警戒水位數據，并進行結果發布。本發明可以方便的根據實測雨、水情進行各點的洪水預報。在計算過程中不受地形規模和復雜程度限制，并運用基本物理定律(質量守恒、動量守恒、能量守恒等)來描述自然現象，相比較而言不必依賴于歷史水文數據和經驗公式，有效地避免了人為誤差，并可適用于缺少歷史數據的流域。
文檔編號G06F19/00GK102289570SQ201110207840
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月23日 優先權日2011年7月23日
發明者冉啟華, 王振宇, 賀治國 申請人:浙江大學