CN105976103B - 一种基于动态蓄水容量的洪水预报方法 - Google Patents

一种基于动态蓄水容量的洪水预报方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于动态蓄水容量的洪水预报方法，包括以下步骤：1)率定天然期TOPMODEL模型参数；2)确定考虑水利工程影响的非饱和层土壤的蓄水能力；3)在天然状态下模型参数的基础上，根据实测场次洪水率定出考虑水利工程影响的非饱和层土壤蓄水能力的TOPMODEL模型参数A1、A2、B；4)采用率定好的参数进行该流域的洪水预报。该洪水预报方法将水利工程蓄、放水的影响通过改变非饱和层土壤的蓄水能力进行考虑，改进用于洪水预报的TOPMODEL模型。采用该发明进行洪水预报有助于更好地模拟水利工程影响下的洪水，提高洪水预报的时效性和准确度，为各级防汛指挥部门提供决策依据，有利于降低洪水风险，减少洪灾损失。

Description

一种基于动态蓄水容量的洪水预报方法
技术领域
本发明属于洪水预报技术领域，涉及一种基于动态蓄水容量的洪水预报方法。
背景技术
近年来随着人类活动的加剧，农田的开垦，大量湿地出现退化，为了提高水资源的利用率，缓解地区水资源紧张的问题，诸多流域兴建了大量的中、小型水利和水土保持工程。这些水利工程迅速改变着流域的自然面貌，进而改变了洪水洪量和过程的原有规律，使得流域原有洪水预报模型精度下降。已有研究指出受水利工程影响流域径流有明显的下降趋势，然而水利工程对洪水的影响量和影响过程仍然不是十分清楚。当前，水利工程影响下的洪水预报研究尚存在一些局限性，具体表现为集总式模型大都通过人为调整模型参数或者增加人类活动影响参数来修正模型，物理意义尚不明确；分布式模型对数据精度要求过高，流域资料难以满足。为此，亟需一种新的洪水预报方法来更好地模拟水利工程影响下的洪水以提高洪水预报的时效性和准确度。
TOPMODEL模型是一个以地形为基础的半分布式流域水文模型，采用该模型进行洪水预报方法简单，计算方便，并具有较少的“有效”参数，同时对土壤中的蓄水分布具有准物理意义的解释。自TOPMODEL提出以来，被广泛地应用到大量的流域之中，得到不断的改进和完善。故而，可以考虑对该模型进行改进，将水利工程对洪水的影响量和影响过程计入到改进模型中，以便提高洪水预报的时效性和准确度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于动态蓄水容量的洪水预报方法。
本发明的技术方案具体如下：
一种基于动态蓄水容量的洪水预报方法，具体包括以下步骤：
第一步，利用天然期场次洪水信息率定TOPMODEL模型参数；所述的天然期为未建水利工程或水利工程很少的时期。
第二步，计算流域内大、中小型水库及塘坝等水利工程的最大影响量Vmax，并建立基于水利工程蓄水状态的动态蓄水容量曲线，考虑水利工程的影响，确定洪水发生前非饱和层土壤的蓄水能力；
2.1)计算水利工程的最大影响量Vmax
2.1.1)统计分析流域中的大、中小型水库及塘坝等水利工程，采用下述规则计算流域中各大、中小型水库及塘坝等水利工程的最大影响量：
(1)大型水库：以大型水库的兴利库容作为最大影响量。
(2)中小型水库：根据水库现有运行资料分析得出实际运行中库容占总库容的比例，并以该比例与中小型水库总库容的乘积作为最大影响量。
(3)塘坝：以塘坝的总库容作为最大影响量。
所述的大型水库有明确的调度规则，在低水位时会对洪水有明显拦蓄作用，在主汛期水位可能会高于汛限水位，但洪水结束时水位基本维持在汛限水位的水利工程；所述的中小型水库没有明确的调度规则，可根据水库现有运行资料分析得出实际运行中库容；所述的塘坝不存在调度规则，在洪水过程中基本上属于有多大库容就蓄多少，人工控制能力较差。
2.1.2)以上述计算所得的各水利工程最大影响量之和作为水利工程的最大影响量Vmax。
2.2)建立动态蓄水容量曲线，由动态蓄水容量曲线确定受水利工程影响的非饱和层土壤的蓄水能力；
为了考虑大中小型水库及塘坝等水利工程的拦蓄、放流作用的影响，将流域对洪水产汇流的影响通过改变TOPMODEL模型非饱和层土壤的蓄水能力SD(见附图1TOPMODEL模型单元栅格水分运动示意图)来实现。洪水发生前受水利工程影响的非饱和层土壤的蓄水能力可由基于水利工程蓄水状态的动态蓄水容量曲线(见附图2(a)，图中横轴x表示非饱和层土壤的蓄水容量，纵轴y表示土壤蓄满率χ0)来确定；考虑水利工程蓄、放水影响的非饱和层土壤的蓄水能力按下述规则确定：
①当χ0<A1，水利工程对洪水产流量的影响表现为拦蓄作用，对应的非饱和层土壤的最大蓄水容量SD1增大(见附图2(b))，随着χ0逼近A1，拦蓄程度变小，则SD1＝SD+Vmax(1-χ0)B；
②当χ0>A2，水利工程对洪水产流量的影响表现为放流作用，对应的土壤非饱和层土壤的最大蓄水容量SD2减小(见附图2(c))，随着χ0逼近A2，放流程度变小，则SD2＝SD-Vmaxχ0 B；
其中，χ0为土壤蓄满率Suz为非饱和区含水量；A1和A2为水利工程库容由蓄流到放流过程中倾向稳定区域的控制点，为(0，1)区间的参数；B为抛物线指数；SD是原始TOPMODEL模型非饱和层土壤的蓄水能力，其计算公式为公式(1)：
其中，zi地下水表面距离流域地表的深度，αi为N段水流路径中第i段缺水量Di相对应的饱和面积；tanβi为N段水流路径中第i段的坡度；为地形指数；Szm为土壤下渗率呈指数衰减的速率，与非饱和层土壤的最大蓄水能力SD成正比，决定了非饱和层土壤的最大蓄水能力；为初始平均饱和地下水水面深度(Qb为基流；Q0为流域平均地下缺水量等于零时的流量)；(Ai为缺水量为Di的面积；A为全流域面积)。
第三步，将第一步率定的TOPMODEL模型参数作为模拟无水利工程影响或水利工程影响较小情况下的流域产流情况的基础参数；将考虑水利工程影响的非饱和层土壤蓄水能力的计算公式融入到原始TOPMODEL模型，根据实测场次洪水率定考虑水利工程影响的非饱和层土壤蓄水能力的TOPMODEL模型参数A1、A2、B，进行该流域的洪水预报；所述的计算公式包括SD1＝SD+Vmax(1-χ0)B和SD2＝SD-Vmaxχ0 B。
本发明的有益效果为：将水利工程蓄、放水的影响通过改变非饱和层土壤的蓄水能力进行考虑，改进了用于洪水预报的TOPMODEL模型，采用该发明进行洪水预报有助于更好地模拟水利工程影响下的洪水，提高了洪水预报的时效性和准确度，为各级防汛指挥部门提供决策依据，有助于降低洪水风险，减少洪灾损失。
附图说明
图1是TOPMODEL模型单元栅格水分运动示意图；
图2(a)是动态蓄水容量曲线；
图2(b)是水利工程拦蓄洪水时非饱和层土壤的蓄水能力SD1；
图2(c)是水利工程放流时非饱和层土壤的蓄水能力SD2；
图3(a)是考虑水利工程影响前后的典型洪水1模拟结果；
图3(b)是考虑水利工程影响前后的典型洪水2模拟结果；
图3(c)是考虑水利工程影响前后的典型洪水3模拟结果。
具体实施方式
本发明考虑了水利工程对洪水预报的影响,将该影响通过改变非饱和层土壤的蓄水能力进行考虑，提出了一种基于动态蓄水容量的洪水预报方法。
下面通过实施例，并结合附图，对本发明做进一步说明。
丰满水库位于吉林省东南部的第二松花江上，控制流域面积42500km2，该流域划分为三个区：丰满水库蓄水区(I区)、五道沟以上(II区)和白山水库以上(III区)，其中流域内II区水库与塘坝众多，控制面积占相应流域面积的比例最大，为63.98％，对产汇流的影响大，以该区为实例进行洪水预报，具体步骤如下：
第一步，利用天然期(未建水利工程或水利工程很少的时期)场次洪水信息率定TOPMODEL模型参数；TOPMODEL模型单元栅格水分运动示意图如图1.
通过统计流域水库年代分布可知流域1956年以前水利工程较少，可以认为1956年前的洪水符合天然状态下的产汇流机制，用于率定天然状态下模型参数。由于1956年以前有完整实测资料的场次洪水较少，所以仅选取1953～1955年间的4场洪水进行参数率定，2场洪水进行检验。采用粒子群优化算法(PSO)算法进行模型参数优化，参数率定期和验证期模拟结果如表1、表2所示。
表1天然状态下的模型率定结果
表2天然状态下的模型验证结果
表中6场洪水全部合格，故将这套参数作为模拟无水利工程影响或水利工程影响较小情况下的流域产流情况的基础参数。选取流域1956～2010年受水利工程影响期的26场历史暴雨洪水，用天然状态下模型参数进行模拟，根据《水文情报预报规范SL250-2000》对模拟结果精度进行评定可以得出，26场洪水中洪量模拟不合格的有7场，模拟精度仅为73％。对不合格场次洪水进行分析可以得出，水利工程对洪水的影响表现为汛初、汛末拦蓄洪水，使模拟量超过实测量；主汛期洪水当前期土壤饱和，水利工程可能出现主动放流缓解防洪压力，特别是小水库塘坝甚至出现非人为垮坝泄流情况，使模拟径流小于实测径流。
第二步，计算流域内大中小型水库及塘坝等水利工程最大影响量Vmax，并建立基于水利工程蓄水状态的动态蓄水容量曲线(见图2(a))，确定洪水发生前考虑水利工程影响的非饱和层土壤的蓄水能力；
2.1计算水利工程最大影响量Vmax
同一年代的洪水采用相同聚合水库库容，根据水利工程聚合水库库容计算模型和各年代各类型水利工程库容统计结果得到各年代聚合水库库容，各年代聚合水库库容计算结果见表3。
表3五道沟以上流域各年代水利工程最大影响量统计表
2.2由动态蓄水容量曲线确定受水利工程影响的非饱和层土壤的蓄水能力，具体步骤详见发明内容。水利工程拦蓄洪水时非饱和层土壤的蓄水能力SD1如图2(b)，水利工程放流时非饱和层土壤的蓄水能力SD2如图2(c)。
第三步，将第一步率定的TOPMODEL模型参数作为模拟无水利工程影响或水利工程影响较小情况下的流域产流情况的基础参数；将考虑水利工程影响的非饱和层土壤蓄水能力的计算公式融入到原始TOPMODEL模型，根据实测场次洪水率定考虑水利工程影响的非饱和层土壤蓄水能力的TOPMODEL模型参数A1、A2、B，进行该流域的洪水预报。
在天然状态下模型参数的基础上，根据实测洪水率定出基于动态蓄水容量的TOPMODEL模型参数优化结果为A1＝0.53，A2＝0.80，B＝0.80。
采用上述率定好的参数模拟1956～2010年受水利工程影响期的26场历史暴雨洪水，模拟精度有大幅度提高，产流模拟精度由73％提高到88％，洪水模拟过程也和实测过程更加吻合，其中3场典型洪水过程前后对比如图3(a)、图3(b)、图3(c)(图中Q“before”表示天然洪水预报模型模拟水利工程影响期洪水过程，Q“after”表示考虑水利工程影响的基于动态蓄水容量的改进TOPMODEL模型模拟洪水过程，P_obs表示实测降雨过程，Q_obs表示实测洪水过程)所示。这说明本发明能够在一定程度上模拟水利工程对洪水的作用，提高洪水预报精度。

Claims (2)

1.一种基于动态蓄水容量的洪水预报方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，利用天然期场次洪水信息率定TOPMODEL模型参数；所述的天然期为未建水利工程或水利工程很少的时期；
第二步，计算流域内大、中小型水库及塘坝水利工程的最大影响量Vmax，并建立基于水利工程蓄水状态的动态蓄水容量曲线，确定洪水发生前非饱和层土壤的蓄水能力；
2.1)计算水利工程最大影响量Vmax
2.2)建立动态蓄水容量曲线，由动态蓄水容量曲线确定受水利工程影响的非饱和层土壤的蓄水能力，考虑水利工程蓄、放水影响的非饱和层土壤的蓄水能力按下述规则确定：
①当χ0<A1时，水利工程对洪水产流量起到拦蓄作用，对应的土壤非饱和层最大蓄水容量SD1增大，随着χ0逼近A1，拦蓄程度变小，则SD1＝SD+Vmax(1-χ0)B；
②当χ0>A2时，水利工程对洪水产流量起到放流作用，对应的土壤非饱和层最大蓄水容量SD2减小，随着χ0逼近A2，放流程度变小，则SD2＝SD-Vmaxχ0 B；
其中，土壤蓄满率Suz为非饱和区含水量；A1和A2为水利工程库容由蓄流到放流过程中倾向稳定区域的控制点，为(0,1)区间的参数；B为抛物线指数；SD是原始TOPMODEL模型非饱和层土壤的蓄水能力，等于地下水表面距离流域地表的深度；
第三步，将第一步率定的TOPMODEL模型参数作为模拟无水利工程影响或水利工程影响较小情况下的流域产流情况的基础参数；将考虑水利工程影响的非饱和层土壤蓄水能力的计算公式SD1＝SD+Vmax(1-χ0)B和SD2＝SD-Vmaxχ0 B融入原始TOPMODEL模型，根据实测场次洪水率定考虑水利工程影响的非饱和层土壤蓄水能力的TOPMODEL模型参数A1、A2、B，进行该流域的洪水预报。
2.根据权利要求1所述的一种基于动态蓄水容量的洪水预报方法，其特征在于，第二步2.1)中所述的水利工程最大影响量Vmax的计算步骤如下：
2.1.1)统计分析流域中的大、中小型水库及塘坝水利工程，计算流域中各大、中小水库及塘水利工程的最大影响量：
(1)大型水库：以大型水库的兴利库容作为最大影响量；
(2)中小型水库：分析水库现有运行资料得出实际运行中库容占总库容的比例，并以该比例与中小型水库总库容的乘积作为最大影响量；
(3)塘坝：以塘坝的总库容作为最大影响量；
2.2.2)以上述计算所得的各水利工程最大影响量之和作为水利工程最大影响量Vmax。
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