CN104392111A - 基于水位样本的洪水预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于水位样本的洪水预报方法，其特征在于包括以下步骤：步骤S01：采用水箱模式，模拟径流形成过程，将降雨转化为径流的过程抽象为流域的蓄水与出流量之间的关系；步骤S02：建立流量与水位间的函数关系，采用过原点幂函数先对水位与断面平均流速进行函数拟合，进而建立断面水位与流量关系；步骤S03：获得降雨量与出流水位之间的关系；步骤S04：针对得到的出流水位过程，将其与实测水位值进行比对，并通过对水文模型参数的调整；步骤S05：针对率定后的水文模型，输入上游流域降雨量、水面蒸发量，得到下游出口水位过程，根据水位峰值判断预测地区是否发生洪水，并根据已有的水位雨量资料分析雨峰与洪峰间的滞后时间确定峰现时间。

Description

基于水位样本的洪水预报方法

技术领域

本发明涉及水利防灾减灾领域，特别是一种基于水位样本的洪水预报方法。

背景技术

 洪水预测一直是水利防灾减灾领域难以攻克的问题之一，对于大型河流，往往有丰富的水文水利数据，同时有大量的水利专家对当地这些水文水利数据进行研究，进而对河流的洪水进行预报，为当地防洪措施提供一定数据支持，而面对分布于全国各地山区中的中小河流，往往没有足够的人力与物力和有效方法来支持其洪水预报。

山洪，指的是山区溪沟中发生的暴涨性洪水。全球气侯变化，极端天气增多，进而导致各地山洪频发，山洪属骤发性洪水，暴涨暴落、预见期短、成灾快、破坏力大，每年因山洪都造成大量人员伤亡。溪源溪是福州城区南面，直接汇入闽江，集水面积仅200km2的一条小支流。2005年由“龙王”强台风引发的一场山洪，造成了一次性80余人重大伤亡。有关部门统计全国每年因山洪造成的伤亡人数占全部洪涝灾害伤亡总数的80%。可见，山洪已成为广大山区百姓安全的一大危害。目前山洪呈多发常发的态势，局部地区集中强降水是山洪发生的根本原因。

为避免山洪灾害对人民生命财产造成破坏性影响，往往需要通过对山洪灾害进行预测，进而根据当地实际情况作出相应的防灾预案，及时疏导民众。但现有的情况是有限的人力物力无法对广大地区的山洪进行预测，其中，流量数据的缺失是阻碍各地进行山洪预测的最重要原因之一。

目前洪水预报成果基于水文模型进行计算获得，相应水文模型建立过程对流量数据的依赖度大，具体的，通过以下几个步骤实现对洪水的预测：

1、产汇流计算，采用水箱模型，模拟径流形成过程，将降雨转化为径流的过程抽象为流域的蓄水与出流量之间的关系。通过水箱模型，可以获得降雨量与出流量之间的关系。其中水箱的基本结构如图1所示，图中：P:降水量、 E:水面蒸发量、z:下渗量、α：边孔出流系数  X :水箱蓄水深度、h：边孔高度；

2、定线，图2是传统水文模型框架图，为了验证水文模型的可行性，需要用实测流量资料为样本，对模型参数进行率定和验证，而目前流量的实测仅仅能获得断面有限个流量测次数据，要获得更多的流量信息就需要对断面水流规律进行分析，通过对有限个流量测次数据进行拟合，并建立该断面水位流量关系。

3、推流，对获得的水位流量关系曲线推求任意时刻流量值，获得实测流量样本数据。

4、模型率定与验证，请参见图3，图3是传统水文模型参数率定框图。该参数的率定是一个反复试错的过程，通过调试出一套参数值，使模型用这套参数值计算出的结果与作为样本的实测流量过程拟合达到最优，具体的，针对水箱模型得到的流量值，将其与通过定线、推流得到的实测流量值进行比对，并通过对水箱模型参数的调整，不断提高模型准确性，满足实测值与通过水位流量关系曲线推求的流量值之间的匹配率达到要求水平。

5、洪水预测，针对率定后的水文模型，输入上游流域降雨过程、水面蒸发量，得到下游出口断面流量过程。由图3可以清楚看出现有模型输出是流量，其值要与作为样本的实测流量比较，所以流量资料是模型率定（建模）和具体流域应用的必备条件。

现有可用于山洪预报的水箱模型，其技术主要缺点是，模型计算结果是流量,参数率定与验证仅能以实测流量资料为样本，建模与应用“流量资料”是一必备条件。没有实测流量资料的江河，就无法建模，也就无法应用现有水箱等模型开展洪水预报。

流量资料要通过江河断面流量测验取得。流量测验（施测流量）需由专业人员采用流速仪等专业仪器和专业设备（测船、跨江河架设的水文揽道）施测，还要经后续的定线、推流等诸多环节与工序才能完成。“流量”投入的经费、人力、物力、时间比“水位”、“雨量”要大的多。加至近年来人类活动对江河影响加剧及对天然水流认识的局限，流量测验与推求出现了不少至今还难应对的新问题，准确流量测验和完整资料收集变得愈加困难。这也是山区江河普遍缺乏流量资料的主要原因。

而且流量仅能表明江河断面水量大小，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、直观、民众容易理解的洪水量级指标和决策依据。准确的洪峰水位预报不但可预知洪水大小、量级，结合地形资料可明确洪水可能影响、淹没范围和撤离的安全高程。因此，洪水预报最关注的是洪水水位过程与洪峰水位。现有水箱模型输出计算的流量结果又要通过“根据实测流量数据建立的水位流量关系”换算成相应的水位过程,实现最终的洪水位预报。

发明内容

基于以上不足，本发明提供一种基于水位样本的洪水预报方法，事实上是一种新的水文模型的建立过程，具体过程如下：

步骤S01：采用水箱模式，模拟径流形成过程，将降雨转化为径流的过程抽象为流域的蓄水与出流量之间的关系；

步骤S02：建立流量与水位间的函数关系，通过过原点幂函数先对水位与断面平均流速关系的函数拟合实现。

其中h为断流水位以上水深，其中h=H+H0、H:水位、H0:断流水位，即断面流量为0时相应水位，V为断面平均流速，基于对a，b参数的确定即可实现对当地h与V的关系，进而实现h与Q关系的确定；

步骤S03：给a、b进行初始赋值，基于h与Q的关系的关系，进而获得降雨量与出流水位之间的关系；

步骤S04：针对得到的任意时刻出流水位，将其与实测水位值进行比对，并通过对水文模型参数的调整，不断提高模型准确性，满足实测值与通过基于模型得到的水位之值之间的匹配率达到允许水平；

步骤S05：针对率定后的水文模型，输入上游流域降雨量、水面蒸发量，得到下游出口断面水位过程（过程预报含洪峰水位及峰现时间）。根据已有的水位雨量资料分析雨峰与洪峰间的滞后时间（称“雨洪滞时”、洪水传播时间、预见期），确定峰现时间。

在本发明一实施例中，所述的水箱模式中采用的水箱模型采用三层直立串联结构：第一层水箱的出流模拟“地面径流”，第二层水箱出流模拟“壤中流”，底层水箱出流模拟“地下径流”；其中第一、二层水箱旁侧设有出流孔、底部设有下渗孔，底层水箱仅有出流孔而无下渗孔；第一层设有三个侧孔出流，以体现大、中、小不同特性洪水的非线性影响。

在本发明一实施例中，所述步骤S02中，以幂函数：h=a*V∧b（a、b为待定参数）先对水位与断面平均流速关系进行拟合，进而建立流量与水位相关关系。

本发明实现由“雨量”直接计算模拟出“水位”和可用“水位”为率定样本，改变现有预报模型建模、应用需以“流量资料为必备条件”的限制。

1．应用本发明，流域只需具备雨量、水位资料，即可建模。应用条件变“普及”，使无流量资料的山区的中小流域应用水文模型方法开展洪水预报成为可能。

2.采用雨量、水位数据进行模型建立，其精度更高，雨量可达0.1mm，水位可达1cm，其可以使洪水预报结果更加精确。

3. 本发明建立具体流域预报方案投资省。其弱化了流量在山洪预报模型建立过程中的作用，避免了水文模型建立过程中对流量数据的依赖，模型的率定与验证通过水位数据即可实现，由于水位数据在各地山洪灾害监测系统中都有相应的数据积累，因此让各地山洪预测成为可能。4、建立流量与断流水位间幂函数关系，水文模型实现由“雨量直接模拟断面水位”，简化流量测验、定线、推流等复杂测量与计算过程，减少了“现有模型得出的流量计算结果，还要再通过实测的水位流量关系换算成预报水位”这一环节产生的相应误差。

附图说明

图1是单一水箱结构图。

图2是传统水文模型框架图。

图3是传统水文模型参数率定框图。

图4是水箱模型三层直立串联结构示意图。

图5是本发明水文模型参数率定框图。

图6是本发明水文模型框架图。

图7是浦城小安下h-v和实测流速成果示意图。

图8是闽清潭口h-v和实测流速成果示意图。

图9长汀观音桥h-v和实测流速成果示意图。

图10是汀江观音桥站水位-流量关系曲线图。

图11是汀江观音桥站2012年水位过程线图。

图12是汀江观音桥站2012年6月1日～8月31日水位过程线。

图13是观音桥站2013年6月1日～8月31日水位过程线图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

本实施例事实上是提供一种新的水文模型的建立过程，请参见图5和图6，其具体过程如下：

1、产汇流计算，采用水箱模式，模拟径流形成过程，将降雨转化为径流的过程抽象为流域的蓄水与出流量之间的关系。通过水箱模型，可以获得降雨量与出流量之间的关系。

2、函数拟合，建立出流量与水位间的函数关系，采用过原点幂函数先对水位与断面平均流速关系的函数拟合实现。

其中h为断流水位以上水深(h=H+H0、H:水位、H0:断流水位，即断面流量为0时相应水位），V为流速，基于对a，b参数的确定即可确定h与V的关系，进而实现对h与Q关系的确定。

3、关系变换，给a、b进行初始赋值，基于h与Q的关系或h与V的关系，进而获得降雨量与出流水位之间的关系。

4、模型率定与验证，针对得到的任意时刻出流水位，将其与实测水位值进行比对，并通过对水文模型参数的调整，不断提高模型准确性，满足实测值与通过基于模型得到的水位之值之间的匹配率达到允许水平。

5、洪水预测，针对率定后的水文模型，输入上游流域降雨量、水面蒸发量，得到下游出口断面洪水位过程（含洪峰水位和出现时间）。根据已有的水位雨量资料分析雨峰与洪峰间的滞后时间（称“雨洪滞时”、洪水传播时间、预见期），确定峰现时间。

本实施例中预报模型产汇流计算采用三层串联结构的直立式水箱。请参见图4，图中，α：边孔出流系数  X :水箱蓄水深度、h：边孔高度、β：下渗系数；一、二层水箱旁侧设有出流孔、底部设有下渗孔，底层水箱仅有出流孔而无下渗孔。第一层水箱的出流模拟地面径流，第二层水箱的出流模拟壤中流，底层水箱的出流模拟地下径流。由于山洪多发生于小流域，故将整体流域划归同一分区，不另分单元水箱。每层水箱的出流过程线性叠加，即为预报断面出口总的流量过程。

采用水箱模式，模拟径流形成过程，将降雨转化为径流的过程抽象为流域的蓄水与出流量之间的关系。通过水箱模型，可以获得降雨量与出流量之间的关系。建立出流量与断面水位间的函数关系，采用过原点幂函数对水位与流速两者关系进行函数拟合的方法实现，

其中h为断流水位以上水深、Q为流量，V为流速，基于对a，b参数的确定即可实现对当地h与Q关系或h与V的关系的确定。基于a、b的初始赋值，可以建立h与Q的关系，通过降雨量与出流量的关系以及出流量与水位（即h+断流水位)间的关系，进而获得降雨量与水位数据之间的关系。通过反复试错的方式，对模型进行率定与验证，针对得到的任意时刻出流水位，将其与实测水位值进行比对，并通过对模型参数的调整，不断提高模型准确性，满足实测值与通过基于模型得到的水位之值之间的匹配率达到允许水平。利用计算机进行率定操作，得到长汀观音桥站a、b值分别为1.41和1.26时，h和V的关系与实测值的关系拟合的效果较好。

 本发明方法改变模型的输出，同时要改变模型率定的样本。其实质是如何在无实测流量资料的江河，寻求和建立断面水位流量关系的问题。众所周知，流量Q(指断面流量，下同)，面积A（指河道横断面面积,下同），流速V（指断面平均流速，下同）三要素有如下关系:

         Q=A*V

上式面积A可由断面实测成果中取得，因此，只需知道流速即可求得对应流量。流量研究即可简化为研究流速问题，解决水位与流量关系也变成解决水位与流速关系问题。

根据福建省山区溪源宫等多站断面实测流速数据。分别点绘分析各站h～V关系(h:断流水位以上水深，h=H-H0，H：水位、H0：断流水位)，它们有着共同的特点，其流速关系线都是过原点的单一曲线。以幂函数（h=a*V∧b,a、b:待定参数）、二次多项式（H=a*v∧2+b*v+c，a、b、c:待定参数）等线型分别对它们进行拟合。结果表明，幂函数模拟效果较好 ，见图7-图9。

 综合考虑拟合效果和预报模型整体参数配置及优化的需求，本发明以幂函数作为流速与水位关系的转换函数。它具有参数少，取值稳定，便于优化的优点。

    由幂函数表达式h=a*V∧b可知，只需确定a、b两参数，即可推求不同水位的相应流速，将其与同水位的断面积相乘即可求得相应水位的断面流量。图10 、表1是以幂函数模拟流速建立的汀江观音桥站断面H～Q关系线及以此推求的流量成果。模拟H～Q线与实测H～Q关系拟合效果比较理想、流量模拟值与实测值相对误差总体能满足模型计算需求。说明采用数学方法建立断面水位～流量相关关系的设想是可行的。由此，水位与流量的相互转换技术问题也就解决了。

表1   汀江观音桥站模拟H~Q成果表

以龙岩山区观音桥站为例进行验证。该站预报断面以上集水面积377㎞∧2，上游流域共设有4个雨量站（含本站）。实例选用该站2010、2012、2013三年水位及4个配套雨量站资料；流域面雨量计算采用4站算术均值；水面蒸发量区域变化不大，一般是就近套用水文部门分区设立的代表站资料，本实例水面蒸发直接采用同处汀江流域的龙岩上杭站蒸发资料；计算时段长取3小时。根据上述系列配套资料，对山洪预报模型进行参数率定、验证与年水位过程模拟。成果见图11-图13、表2-表3。

表2 汀江观音桥站洪峰水位模拟成果表

表3汀江观音桥站峰值模拟误差统计表

由上述图表可以看出，水位过程模拟与实测过程总体吻合，峰值误差≦0.3m的合格率达89.3%、≦0.2m的合格率为82.1%。现有技术（输出流量，以实测水位流量关系反推水位）与本案方法分别计算三年的水位过程进行相互比较：过程基本相符，峰值误差≦0.1m洪次占82.1%；最大误差为0.13m。用现有技术模拟结果与实测水位过程也做比较，峰值误差≦0.3m的合格率达85.7%、≦0.2m的合格率78.6%。拟合结果与本案结果也大体相近。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。 

Claims (2)

1.一种基于水位样本的洪水预报方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤S01：采用水箱模式，模拟径流形成过程，将降雨转化为径流的过程抽象为流域的蓄水与出流量之间的关系；

步骤S02：建立出流量与水位间的函数关系，通过采用过原点幂函数先对水位与断面平均流速的关系进行函数拟合：

其中h为断流水位以上水深，其中h=H+H0、H:水位、H0:断流水位，即断面流量为0时相应水位，V为断面平均流速，进而建立出流量Q与水位的相关关系，基于对a，b参数的确定即可实现对当地h与Q关系的确定；

步骤S03：给a、b进行初始赋值，基于h与Q的关系，进而获得降雨量与出流水位之间的关系；

步骤S04：针对得到的出流水位过程，将其与实测水位值进行比对，并通过对水文模型参数的调整，不断提高模型准确性，满足实测值与通过基于模型得到的水位之值之间的匹配率达到允许水平；

步骤S05：针对率定后的水文模型，输入上游流域降雨量、水面蒸发量，得到下游出口水位过程，根据水位峰值预测地区是否发生洪水，并根据雨洪滞时确定峰值出现时间。

2.根据权利要求1所述的基于水位样本的洪水预报方法，其特征在于：所述的水箱模式中采用的水箱模型采用三层直立串联结构：第一层水箱的出流模拟“地面径流”，第二层水箱出流模拟“壤中流”，底层水箱出流模拟“地下径流”；其中第一、二层水箱旁侧设有出流孔、底部设有下渗孔，底层水箱仅有出流孔而无下渗孔；第一层设有三个侧孔出流，以体现大、中、小不同特性洪水的非线性影响。