CN106033480A - 一种基于改进的新安江模型对山洪预报的方法 - Google Patents

一种基于改进的新安江模型对山洪预报的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于改进的新安江模型对山洪预报的方法,其解决了现有利用新安江模型的山洪预报方法预报不准确、不及时技术问题。其首先使用ARCGIS软件对所要预报流域进行前期处理,改变原新安江模型中对汇流时间的计算,其次将超渗产流引进改进的新安江模型,并采用傅抱璞法进行蒸散发计算。本发明广泛应用于洪水预报和水资源管理方面以及水情预报和遥测自动化的实时洪水预报系统中。

Description

一种基于改进的新安江模型对山洪预报的方法
技术领域
本发明涉及一种对山洪预报的方法,特别是涉及一种基于改进的新安江模型对山洪预报的方法。
背景技术
山洪灾害是指由于强降雨在山丘区引发的洪水灾害及由山洪诱发的泥石流、滑坡等对国民经济和人民生命财产造成严重损失的灾害,其具有明显的突发性、并发性、多发性和破坏性等特征,灾害发生时人员得不到及时的安置和转移,加上对山丘区生态环境破坏又非常严重,灾害过后重建家园的难度之大、损失之重,严重制约经济社会的发展。
因此,国家在山洪的预报和采取防治措施方面,投入了大量人力和物力。近年来,山丘区山洪灾害的预报预警非常薄弱,局部地区降水的预报精度不高,对山洪灾害的预测预报不够准确,无法满足报讯需要。
目前,山洪灾害模型的研究已成为防灾减灾领域内全世界所关注的焦点,在临界雨量、防洪系统建设及流域水文模型的研究方面取得了许多成果。
新安江模型是由原华东水利学院(现为河海大学)赵人俊教授等(赵人俊,1984)在20世纪80年代初提出来的,新安江模型属于蓄满产流模型,它把全流域分成若干单元流域,对各单元流域分别进行产汇流计算,得出各单元流域的出口流量过程,再分别将出口以下的河道洪水演算至流域出口断面,把同时刻的流量相加即得到流域出口断面流量过程。
新安江模型也由原来的二水源结构发展为现在的三水源新安江模型。
二水源新安江模型包括直接径流和地下径流,产流计算用蓄满产流方法,流域蒸发采用二层或三层蒸发,水源划分用的是稳定下渗法,直接径流坡面汇流用单位线法,地下径流坡面汇流用线性水库,河道汇流采用马斯京根分河段演算法。
二水源新安江模型在应用中的主要缺点是降雨空间分布不均匀和稳定下渗率参数随洪水变化而变化。其主要原因是由于降雨和稳定下渗的时空变化而引起的。由此引进了三水源新安江模型,三水源新安江模型与二水源的不同之处就是把具有显著不同特征的水源成份概化为地面径流、壤中流和地下径流。
在三水源新安江模型中以雨量站控制面积为单元,把流域划分为与雨量站个数相同的子流域(或单元),在划分好的每个子流域中,把雨量站的点雨量作为每个子流域的平均雨量,再计算相应的产流。三水源新安江模型结构主要特点是考虑了三个不均匀性和两个差异,即考虑降雨空间分布的不均匀性,所以采用划分子流域的方法计算产流,考虑土壤蓄水量和自由水蓄量的空间变化,所以分别采用了蓄水容量和自由水容量分布曲线,考虑流域调蓄对坡面不同水源汇流作用和坡面汇流与河网汇流的差异,分别采用分水源和分阶段汇流。
然而,利用新安江模型的山洪预报方法依然存在预报不准确、不及时的技术缺陷。
发明内容
本发明为了解决现有利用新安江模型的山洪预报方法预报不准确、不及时的技术问题,提供一种预报准确及时的基于改进的新安江模型对山洪预报的方法。
本基于改进的新安江模型对山洪预报的方法,包括以下步骤:
(1)使用ARCGIS软件对所要预报流域进行前期处理,改变原新安江模型中对汇流时间的计算,利用数字高程模型在ARCGIS软件中划分子流域,首先提取各单元流域的流向和汇流累积量,在这个基础上提取出子流域的平均坡度和最大汇流路径长度,利用最大汇流长度算出流域形状系数,将形状系数和平均坡度引入改进的新安江模型结构中,建立其与汇流参数之间的相关关系,建立新的汇流计算的公式;
(2)将超渗产流引进改进的新安江模型,并采用傅抱璞法进行蒸散发计算。
优选地,步骤(1)的具体过程是:
1)获取所要预报区域的DEM数据,将此DEM数据加载到ARCGIS软件中;然后使用空间分析工具下的Hydrology模块中的Fill对DEM进行填洼;
2)利用Hydrology模块中的Flow Direction、Flow Accumulation和Flow Length功能得到该区域的流向、汇流累积量和最大汇流长度L;利用ARCGIS软件中的Surface模块下的Slope功能得到研究区域的平均坡度J;
计算该区域的形状系数K,K=F/L2,F为流域集水面积;
将形状系数K和平均坡度J引入到改进的新安江模型结构中,建立其与汇流参数之间的相关关系,形成新的汇流计算的公式,使新安江模型能同时考虑降雨、流域形状以及地形分布不均的问题;
所述步骤(2)的具体过程是:
1)对蒸散发计算采用的是傅抱璞公式,已知所要预报区域的一定的蒸发能力Em和降水量P;根据傅抱璞法,在一定地区和一定蒸发能力的条件下,陆面蒸发量E对降水量的变率随着Em-E的增加而增加,随P的增加而减小,在一定降水量的条件下,陆面蒸发量对蒸发能力的变率随P-E的增加而增加,随Em的增加而减小,于是有下面两个公式:
∂ E ∂ P = f ( E m - E , P )
∂ E ∂ E m = h ( P - E , E m )
上两个公式中:f,h为待定函数,根据量纲分析的c定理,并利用边界条件,可得下面两个公式:
∂ E ∂ P = 1 - ( P E m + P - E ) n
∂ E ∂ E m = 1 - ( E m E m + P - E ) n
求解上面两个微分方程,得出:
公式一: E = E m { 1 + P E m - [ 1 + ( P E m ) m ] } · 1 m
公式二: E = P { 1 + E m P - [ 1 + ( E m P ) m ] 1 m }
如将Em≈Rn/L代入公式二,则得出:
LE R n = { 1 + LR R n - [ 1 + ( LP R n ) m ] 1 / m }
如果在湿润的气候条件下,因Em/P<<1,则公式二可近似写为:
E = P &CenterDot; [ E m P - 1 m &CenterDot; ( E m P ) m ]
上面公式中m是实测资料求得的经验值,
如果在干燥的气候条件下,因P/Em<<1,则公式一可近似写为:
E = P &CenterDot; [ P E m - 1 m &CenterDot; ( P E m ) m ]
面公式中m是实测资料求得的经验值;
2)对产流计算采用的是霍顿下渗曲线法,利用改进的新安江模型结构中加入的超渗产流模块,具体步骤如下:
将不产流面积上超渗产流的一部分比例因子设为β,这一部分超渗产流与饱和地带的蓄满产流都经过自由水蓄水库的调节出流,剩余部分1-β作为超渗坡面流直接汇入河网,增加一个超渗产流发生的面积比例系数σ作为参数,这样在改进的新安江模型中的产流按照如下所述公式进 行计算:
已知了该研究区域的降水P和蒸发E,
当PE=P-E>0,则产流,否则不产流,产流时,对于蓄满面积上的产流用蓄满产流模型,假设用蓄满产流模型计算出的径流量是R,那么产流面积是FR=R/PE,不产流面积为1-FR;对于不蓄满面积上的产流用超渗产流模型,假定在不蓄满面积上的产流下渗能力的空间分布为λ次方的抛物线,得出以下公式:
&psi; = 1 - ( f f mm ) &lambda;
上面的公式中,ψ为下渗能力小于f的面积,fmm=(1+λ)f为f的最大值,f可由霍顿下渗公式计算得到;
超渗产流ε的计算公式为:
当PE≥fmm时,由下面公式得出:
ε=(PE-fmm)·(1-FR)·σ
当PE<fmm时,由下面公式得出:
&epsiv; = PE - f mm 1 + &lambda; [ 1 - ( PE f mm ) &lambda; + 1 ] &CenterDot; ( 1 - FR ) &CenterDot; &sigma;
超渗产流的一部分ε·β和饱和地带的蓄满产流一起经由自由水蓄水库划分水源和调节出流;
PE + AU + &epsiv; 2 FR &CenterDot; &beta; < SSM 时,得出下面的公式:
RS = PE + &epsiv; FR &CenterDot; &beta; - SM + S + SM [ 1 - ( PE + &epsiv; FR &CenterDot; &beta; + AU ) / SMM ] 1 + &lambda; &CenterDot; FR
PE + AU + &epsiv; 2 FR &CenterDot; &beta; &GreaterEqual; SSM , 得出下面的公式:
RS = ( PE + &epsiv; FR &CenterDot; &beta; - SM + S ) &CenterDot; FR
自由水蓄水库的蓄水量为:
S = S + PE + &epsiv; FR &CenterDot; &beta; - RS FR
超渗产流的剩余其他部分ε·(1-β)作为超渗坡面流直接汇入河网。
本发明的有益效果是,方法比较简单,引入的参数较少,有理论依据,模型模拟结果效果较好。本发明可以较好的解决降雨时空分布的问题,也考虑到了有关河流的地貌分布不均的影响,由于河流的地貌特征会对河流的汇流参数等产生极大的影响,流域汇流特征在很大程度上取决于流域形状特征和地形分布。
产流计算可分为超渗产流和蓄满产流两种,超渗产流主要只用于干旱地区,蓄满产流则主要适用于湿润地区。在有些地区,既非干旱也非湿润,被称为干旱半干旱地区,在这些地区的流域产生的洪水有些是超渗产流,有些是蓄满产流,亦或是一场洪水,前期是超渗产流而后期则是蓄满产流。如果一个流域蓄满产流和超渗产流两者并存,称为混合产流。
本发明中的新安江模型的蓄满产流的计算中,不仅考虑了变动产流面积上的饱和坡面流、壤中流、地下径流,还考虑了不产流面积上的产流情况,实际上对于半干旱半湿润地区以及湿润地区久旱之后的第一场洪水,往往会发生超渗产流,如果在模型中不考虑这部分的产流量就会造成系统的偏差。
本发明进一步的特征,将在以下具体实施方式的描述中,得以清楚地记载。
附图说明
图1是汇流计算的流程图;
图2是本发明中基于改进的新安江模型的结构图。
具体实施方式
如图1所示,本发明是通过以下步骤完成的。
步骤一,如图1所示,采用ARCGIS软件进行汇流计算,汇流计算是前期准备工作,此过程包括以下步骤:
A:获取所要预报区域的DEM数据(数字高程图),将此DEM数据加载到ARCGIS软件中;然后使用ARCGIS软件中空间分析工具下的Hydrology模块中的Fill对DEM进行填洼,进行填洼的目的是为了填充表面栅格中的汇流移除数据中的小缺陷,弥补会造成的径流损失项。
B:利用Hydrology模块中的Flow Direction、Flow Accumulation和Flow Length功能得到该区域的流向、汇流累积量和最大汇流长度L;利用ARCGIS软件中的Surface模块下的Slope功能得到该区域的平均坡度J;
计算该区域的形状系数K,K=F/L2,F为流域集水面积。
将形状系数K和平均坡度J引入到改进的新安江模型结构中,建立其与汇流参数之间的相关关系,形成新的汇流计算的公式,使新安江模型能同时考虑降雨、流域形状以及地形分布不均的问题。
步骤二,建立改进的新安江模型,如图2所示,在该模型结构总进行产流计算、汇流计算和蒸散发计算。
A:对蒸散发计算采用的是傅抱璞公式,已知所要预报区域的一定的蒸发能力Em和降水量P;流域蒸散发的能力是无法预测的,新安江模型对于蒸散发能力的计算采用蒸发器(皿)实测值乘以经验系数,即:Ep=Kp·Em进行折算,但是根据经验证明:水面与陆面的蒸发能力还是有差别的,主要是植被的影响与热力条件的差异。
根据傅抱璞法,在一定地区和一定蒸发能力的条件下,陆面蒸发量E对降水量的变率随着Em-E的增加而增加,随P的增加而减小。在一定降水量的条件下,陆面蒸发量对蒸发能力的变率随P-E的增加而增加,随Em的增加而减小,于是有:
&PartialD; E &PartialD; P = f ( E m - E , P ) - - - ( 1 )
&PartialD; E &PartialD; E m = h ( P - E , E m ) - - - ( 2 )
上式中:f,h为待定函数。根据量纲分析的c定理,并利用边界条件,可得:
&PartialD; E &PartialD; P = 1 - ( P E m + P - E ) n - - - ( 3 )
&PartialD; E &PartialD; E m = 1 - ( E m E m + P - E ) n - - - ( 4 )
求解以上(3)和(4)两个微分方程,得:
E = E m { 1 + P E m - [ 1 + ( P E m ) m ] } &CenterDot; 1 m - - - ( 5 )
E = P { 1 + E m P - [ 1 + ( E m P ) m ] 1 m } - - - ( 6 )
如将Em≈Rn/L代入公式(6),则:
LE R n = { 1 + LR R n - [ 1 + ( LP R n ) m ] 1 / m } - - - ( 7 )
如果在湿润的气候条件下,因Em/P<<1,则公式(6)可近似写为:
E = P &CenterDot; [ E m P - 1 m &CenterDot; ( E m P ) m ] - - - ( 8 )
如果在干燥的气候条件下,因P/Em<<1,则公式(5)可近似写为:
E = P &CenterDot; [ P E m - 1 m &CenterDot; ( P E m ) m ] - - - ( 9 )
公式(8)和公式(9)m中的是实测资料求得的经验值。
将上述改进的模型应用于半湿润半干旱地区的山洪预报,模拟精度将会有很大的提高。
B:对产流计算采用的是霍顿下渗曲线法,利用改进的新安江模型结构中加入的超渗产流模块,具体步骤如下:
将不产流面积上超渗产流的一部分比例因子设为β,这一部分超渗产流与饱和地带的蓄满产流都经过自由水蓄水库的调节出流,剩余部分1-β作为超渗坡面流直接汇入河网,由于不是所有的不蓄满面积上都会发生超渗产流,基于这个影响,需增加一个超渗产流发生的面积比例系数σ作为参数,这样在改进的新安江模型中的产流按照如下所述公式进行计算:
已知了该研究区域的降水P和蒸发E,
当PE=P-E>0,则产流,否则不产流。产流时,对于蓄满面积上的产流用蓄满产流模型,假设用蓄满产流模型计算出的径流量是R,那么产流面积是FR=R/PE,不产流面积(不蓄满)为1-FR。对于不蓄满面积上的产流用超渗产流模型,假定在不蓄满面积上的产流下渗能力的空间分布为λ次方的抛物线,得出以下公式:
&psi; = 1 - ( f f mm ) &lambda; - - - ( 10 )
公式(10)中,ψ为下渗能力小于f的面积,fmm=(1+λ)f为f的最大值,f可由霍顿下渗公式计算得到。
超渗产流ε的计算公式为:
当PE≥fmm时,由以下公式得出:
ε=(PE-fmm)·(1-FR)·σ (11)
当PE<fmm时,由以下公式得出:
&epsiv; = PE - f mm 1 + &lambda; [ 1 - ( PE f mm ) &lambda; + 1 ] &CenterDot; ( 1 - FR ) &CenterDot; &sigma; - - - ( 12 )
超渗产流的一部分ε·β和饱和地带的蓄满产流一起经由自由水蓄水库划分水源和调节出流。
PE + AU + &epsiv; 2 FR &CenterDot; &beta; < SSM 时,得出以下公式:
RS = PE + &epsiv; FR &CenterDot; &beta; - SM + S + SM [ 1 - ( PE + &epsiv; FR &CenterDot; &beta; + AU ) / SMM ] 1 + &lambda; &CenterDot; FR - - - ( 13 )
PE + AU + &epsiv; 2 FR &CenterDot; &beta; &GreaterEqual; SSM , 得出以下公式:
RS = ( PE + &epsiv; FR &CenterDot; &beta; - SM + S ) &CenterDot; FR - - - ( 14 )
自由水蓄水库的蓄水量为:
S = S + PE + &epsiv; FR &CenterDot; &beta; - RS FR - - - ( 15 )
超渗产流的剩余其他部分ε·(1-β)作为超渗坡面流直接汇入河网。
地下径流和壤中流的计算仍按照原新安江模型计算。
将计算出的数据都输入模型以后就可以进行模拟,该模型比较适用于半湿润半干旱地区,模型模拟效果较好。
以上所述仅对本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡是在本发明的权利要求限定范围内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于改进的新安江模型对山洪预报的方法,其特征是包括以下步骤:
(1)使用ARCGIS软件对所要预报流域进行前期处理,改变原新安江模型中对汇流时间的计算,利用数字高程模型在ARCGIS软件中划分子流域,首先提取各单元流域的流向和汇流累积量,在这个基础上提取出子流域的平均坡度和最大汇流路径长度,利用最大汇流长度算出流域形状系数,将形状系数和平均坡度引入改进的新安江模型结构中,建立其与汇流参数之间的相关关系,建立新的汇流计算的公式;
(2)将超渗产流引进改进的新安江模型,并采用傅抱璞法进行蒸散发计算。
2.根据权利要求1所述的基于改进的新安江模型对山洪预报的方法,其特征在于,所述步骤(1)的具体过程是:
1)获取所要预报区域的DEM数据,将此DEM数据加载到ARCGIS软件中;然后使用空间分析工具下的Hydrology模块中的Fill对DEM进行填洼;
2)利用Hydrology模块中的Flow Direction、Flow Accumulation和Flow Length功能得到该区域的流向、汇流累积量和最大汇流长度L;利用ARCGIS软件中的Surface模块下的Slope功能得到研究区域的平均坡度J;
计算该区域的形状系数K,K=FL2,F为流域集水面积;
将形状系数K和平均坡度J引入到改进的新安江模型结构中,建立其与汇流参数之间的相关关系,形成新的汇流计算的公式,使新安江模型能同时考虑降雨、流域形状以及地形分布不均的问题;
所述步骤(2)的具体过程是:
1)对蒸散发计算采用的是傅抱璞公式,已知所要预报区域的一定的蒸发能力Em和降水量P;根据傅抱璞法,在一定地区和一定蒸发能力的条件下,陆面蒸发量E对降水量的变率随着Em-E的增加而增加,随P的增加而减小,在一定降水量的条件下,陆面蒸发量对蒸发能力的变率随P-E的增加而增加,随Em的增加而减小,于是有下面两个公式:
&PartialD; E &PartialD; P = f ( E m - E , P )
&PartialD; E &PartialD; E m = h ( P - E , E m )
上两个公式中:f,h为待定函数,根据量纲分析的c定理,并利用边界条件,可得下面两个公式:
&PartialD; E &PartialD; P = 1 - ( P E m + P - E ) n
&PartialD; E &PartialD; E m = 1 - ( E m E m + P - E ) n
求解上面两个微分方程,得出:
公式一: E = E m { 1+ P E m - [ 1 + ( P E m ) m ] } &CenterDot; 1 m
公式二: E = P { 1+ E m P - [ 1 + ( E m P ) m ] 1 m }
如将Em≈Rn/L代入公式二,则得出:
LE R n = { 1 + LR R n - [ 1 + ( LP R n ) m ] l / m }
如果在湿润的气候条件下,因Em/P<<1,则公式二可近似写为:
E = P &CenterDot; [ E m P - 1 m &CenterDot; ( E m P ) m ]
上面公式中m是实测资料求得的经验值,
如果在干燥的气候条件下,因P/Em<<1,则公式一可近似写为:
E = P &CenterDot; [ P E m - 1 m &CenterDot; ( P E m ) m ]
面公式中m是实测资料求得的经验值;
2)对产流计算采用的是霍顿下渗曲线法,利用改进的新安江模型结构中加入的超渗产流模块,具体步骤如下:
将不产流面积上超渗产流的一部分比例因子设为β,这一部分超渗产流与饱和地带的蓄满产流都经过自由水蓄水库的调节出流,剩余部分1-β作为超渗坡面流直接汇入河网,增加一个超渗产流发生的面积比例系数σ作为参数,这样在改进的新安江模型中的产流按照如下所述公式进行计算:
已知了该研究区域的降水P和蒸发E,
当PE=P-E>0,则产流,否则不产流,产流时,对于蓄满面积上的产流用蓄满产流模型,假设用蓄满产流模型计算出的径流量是R,那么产流面积是FR=R/PE,不产流面积为1-FR;对于不蓄满面积上的产流用超渗产流模型,假定在不蓄满面积上的产流下渗能力的空间分布为λ次方的抛物线,得出以下公式:
&psi; = 1 - ( f f mm ) &lambda;
上面的公式中,ψ为下渗能力小于f的面积,fmm=(1+λ)f为f的最大值,f可由霍顿下渗公式计算得到;
超渗产流ε的计算公式为:
当PE≥fmm时,由下面公式得出:
ε=(PE-fmm)·(1-FR)·σ
当PE<fmm时,由下面公式得出:
&epsiv; = PE - f mm 1 + &lambda; [ 1 - ( PE f mm ) &lambda; + 1 ] &CenterDot; ( 1 - FR ) &CenterDot; &sigma;
超渗产流的一部分ε·β和饱和地带的蓄满产流一起经由自由水蓄水库划分水源和调节出流;
PE + AU + &epsiv; 2 FR &CenterDot; &beta; < SSM 时,得出下面的公式:
RS = PE + &epsiv; FR &CenterDot; &beta; - SM + S + SM [ 1- ( PE + &epsiv; FR &CenterDot; &beta; + AU ) / SMM ] 1 + &lambda; &CenterDot; FR
PE + AU + &epsiv; 2 FR &CenterDot; &beta; &GreaterEqual; SSM , 得出下面的公式:
RS = ( PE + &epsiv; FR &CenterDot; &beta; - SM + S ) &CenterDot; FR
自由水蓄水库的蓄水量为:
S = S + PE + &epsiv; FR &CenterDot; &beta; - RS FR
超渗产流的剩余其他部分ε·(1-β)作为超渗坡面流直接汇入河网。
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