CN107730151A - 一种基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法，包括以下几个步骤：步骤1、典型雨洪过程资料收集与处理；步骤2、选择和率定概念性水文模型；步骤3、判断水文模型在研究流域的适用性；步骤4、代入设计暴雨求得设计洪水；步骤5、对比瞬时单位线法及工程原有设计结果进行参证。本发明改进了原有设计洪水计算中的经验性概化，从流域降雨产流理论出发，分析流域的产汇流特性，基于水文模型的适用性从物理机制上对设计洪水进行推求。该方法完善了设计洪水理论体系，是一种可用于推广应用的计算设计洪水的新方法。

Description

一种基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法
技术领域
本发明涉及洪水风险管理技术领域，具体涉及一种基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法。
背景技术
除较大流域或典型水文站，我国在一般的流域及水文站点的洪水预报过程仍停留在构建降雨径流相关关系方法上，与之相应的在设计洪水方面理论成果相对较少，主要表现为针对小流域的推理公式法以及普适性较好的瞬时单位线法。然而这两种方法都只是基于历史降雨—径流数据的统计关系，在设计洪水的推求过程中具有一定的主观性。随着水利现代化进程的加快，水情信息的获取逐渐完善，对设计洪水的计算也需要更加客观与精确的方法。
水文模型是人们对流域水循环过程、流域产汇流理念不断加深的产物，而概念性水文模型则是其中的重要分支。概念性水文模型，不同于黑箱模型，其特征是可以对整个降雨—径流的转化过程进行描述，并且在模型结构上更加注重参数的物理含义。区别于处于探索尝试阶段的分布式、半分布式模型，概念性水文模型的理论基础已经比较成熟，并且在世界范围内的洪水风险管理和预报作业中得到了广泛应用。
发明内容
本发明设计了一种基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法，其解决的技术问题是当前设计洪水推求方法中基于主观经验导致计算结果失真，无法反映洪水真实情况的局限性。
为了解决上述存在的技术问题，本发明采用了以下方案：
一种基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法，包括以下几个步骤：
步骤1、典型雨洪过程资料收集与处理；
步骤2、选择和率定概念性水文模型；
步骤3、判断水文模型在研究流域的适用性；
步骤4、代入设计暴雨求得设计洪水；
步骤5、对比瞬时单位线法及工程原有设计结果进行参证。
进一步，所述步骤1收集的典型雨洪过程资料包括流域内雨量站的日降雨资料和时段降雨资料、洪水流量资料以及蒸发资料，依据降雨流量之间的滞后与相关关系对所选流域典型次洪的降雨资料、蒸发资料以及洪水流量资料的合理性进行分析，删除不符合的雨洪过程；
其中，所述日降雨资料用来计算前期影响雨量以及前五日雨量；
所述时段降雨资料作为水文模型的主要输入项；
所述洪水流量资料选择峰高量大的洪水过程，可适当地选择峰型较好的小洪水过程，所选小洪水场次控制在20%以内，在资料允许下应尽量增加用于模拟的洪水场次；对洪水量级的划分可根据洪水重现期或洪峰在流域的量级划分；其中等级为1的洪水称为小洪水，2级称为一般洪水，3级称为较大洪水，4级称为大洪水，5级称为特大洪水，6级以上称为非常洪水；
对于缺资料的流域，所述蒸发资料使用临近蒸发站资料或依据上级流域平均蒸发情况。
进一步，所述步骤1中收集的流量资料优先采用入库前参证水文站的流量资料，若参证站在水库下游，则需对参证站的流量做还原计算处理。
进一步，所述还原计算采用水量平衡法，水量平衡方法是通过查已建水库的水位库容蓄泄关系来推求入库流量，还原后的流量为计算时段平均入库流量；入库流量按照以下公式1和公式2计算：
公式1；
公式2；
式中：Δt为计算时段长，单位为s；
为时段平均出库流量，单位为m3/s；
Q t 为时段平均入库流量，单位为m3/s；
V t ，V t+1 为时段始末水库库容，单位为m3；
q t ，q t+1 为时段始末出库流量，单位为m3/s。
进一步，所述步骤2综合考虑了流域的不同降雨产流特性，选取了新安江模型、水箱模型或SCS模型任何之一作为应用最广泛且参数简单的概念性水文模型作为备选。
进一步，所述步骤3中将步骤1收集并处理好的降雨资料、洪水流量资料以及蒸发资料代入步骤2选择和率定概念性水文模型进行模拟，将模拟结果与实测的流量过程资料相比较，并以模拟洪峰、洪量相对误差及确定性系数作为模型在应用流域适用性的评判标准。
进一步，所述步骤3中相对误差按以下公式3和公式4计算：
公式3；
式中：ε 1 ——相对误差，%；Q 实 ——实际洪峰流量，m3/s；Q 模 ——模拟洪峰流量，m3/s；
公式4；
式中：ε 2 为相对误差，%；R 实 为实际洪量，mm；R 模 为模拟洪量，mm；
所述步骤3中确定性系数按公式5计算：
公式5；
式中：DC为确定性系数(取2位小数)；y 0(i) 为实测值；y c(i) 为预报值；为实测值的均值；n为资料序列长度；以相对误差30%内，确定性系数50%以上计算合格率并选择模拟效果最佳的模型作为流域设计洪水计算最优模型。
进一步，步骤4中设计暴雨的选择移用所在地区水文图集中给出的地区雨型或选取历史典型场次洪水（例如有流量记录的流域历史最大洪水），用时段雨量占次洪比值作为分配雨型，将得到的时段设计暴雨值作为步骤3中筛选出的最优模型的输入项，蒸发资料采用汛期平均时段蒸发数值带入步骤3中筛选出的最优模型中模拟。
进一步，步骤5旨在对步骤3典型洪水模拟得出的结论做进一步的验证，工程设计时可将水文模型算法与工程传统算法求得的设计洪水值互相参照印证。
进一步，步骤5中选择在中小流域设计洪水常用的瞬时单位线法，瞬时单位线法所需查算资料从相应地区水文图集中查得，工程设计时将水文模型算法与瞬时单位线算法及工程原有设计洪水值互相参照印证。
该基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法具有以下有益效果：
本发明涉及的推求方法选择理论完善、应用广泛的概念性水文模型，应用于具有不同降雨产流特性的流域进行设计洪水的模拟，改变了原有设计洪水计算中的经验性概化，从降雨产流理论的角度出发，分析流域产汇流机制，从物理过程上来推求设计洪水，提高了设计洪水精度，有利于完善设计洪水理论体系，是一种可以推广的用于推求设计洪水的新方法。
附图说明
图1：本发明基于概念性水文模型的中小流域设计洪水推求方法流程图；
图2：本发明依据洪水重现期划分洪水图；
图3：本发明依据洪峰划分洪水图；
图4：本发明中使用的二水源新安江模型结构；
图5：本发明中使用的水箱模型结构；
图6：本发明中使用的SCS模型结构；
图7：本发明中验证期3种模型典型洪水模拟结果图；
图8：本发明中流域设计洪水模拟成果；
图9：本发明中某流域百年一遇设计洪水洪峰、径流量比对表格示意图。
具体实施方式
下面结合图1至图9，对本发明做进一步说明：
本发明改进了原有设计洪水计算方法的经验性概化，从流域降雨产流理论出发，分析流域的产汇流特性，基于模型的适用性从物理机制上对设计洪水进行推求。该方法完善了设计洪水理论体系，是一种可用于推广应用的计算设计洪水的新方法。
如图1所示，一种基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法，包括以下几个步骤：步骤1、典型雨洪过程资料收集与处理；步骤2、选择和率定概念性水文模型；步骤3、判断水文模型在研究流域的适用性；步骤4、代入设计暴雨求得设计洪水；步骤5、对比瞬时单位线法及工程原有设计结果进行参证。
实施例：选择某流域，采用本发明提供的方法模拟百年一遇设计洪水过程，具体来说包括以下步骤：
步骤1，选取某流域1980～2012年间日降雨及时段降雨数据与1980～2012年流量资料，蒸发资料采用流域内蒸发站1980～2012年蒸发数据，时段长取为2h；由于参证站在水库下游，在进行实际洪水模拟前按公式1、公式2对初始流量进行了水库的还原演算，选择洪量较大，连续性较好的洪水场次共16场，作为水文模型的率定和验证资料。由于流域面积较小且历史资料有限，流域内测站洪水按重现期分级误差较大，采用图3按洪峰分级，按流域面积折算后选择了3级较大洪水3场，2级一般洪水10场，1级小洪水3场。
如图2所示，对洪水量级的划分还可根据洪水重现期划分；其中等级为1的洪水称为小洪水，2级称为一般洪水，3级称为较大洪水，4级称为大洪水，5级称为特大洪水，6级以上称为非常洪水。
步骤2，针对流域的降雨产流特性，选择二水源新安江模型、水箱模型、SCS模型3种水文模型。采用步骤1中的13场洪水，分别对水文模型的参数进行率定。其中，新安江模型采用二水源结构，结构可见图4，水箱模型采用2层水箱串联，结构可见图5，SCS模型结构见图6。
具体来说，本发明所选新安江模型水源部分通过稳定下渗率将其分为地表、地下两水源，产流部分采用蓄满产流模式，汇流部分采用单位线计算地表、线性水库计算地下洪水过程。WU、WL、WD分别表示流域初始上层张力水蓄量、流域初始下层张力水蓄量、流域初始深层张力水蓄量；EU、EL、ED分别表示上层蒸散发量、下层蒸散发量、深层蒸散发量；IMP为不透水面积占全流域面积之比；Ew为流域时段蒸发量。
水箱模型采用2层水箱串联结构，上层水箱中：上边孔模拟地面径流，下边孔模拟壤中流，底孔用于模拟下渗的水量；下层水箱中：边孔模拟地下径流，底孔用于模拟下渗的水量（对于大型闭合流域下层水箱的底孔可闭合）。模型中P为时段雨量，E为时段蒸发量，x为水箱蓄水深度，y为时段径流量，z为时段下渗量，α、β为对应的出流系数。
SCS模型中S为流域当时的可能滞留量，mm；I a 为初损，CN为曲线指数，F为流域面积。
步骤3，对步骤1中收集处理好的降雨、蒸发资料分别代入步骤2中率定好的3个水文模型进行模拟。选择步骤1中的其余3场洪水对模型的模拟效果进行验证，模拟效果较好的两场洪水验证结果见图5。根据公式3、4和5计算相对误差与确定性系数，以峰量误差30%内，确定性系数50%以上计算合格率并选择模拟效果最佳的模型作为流域设计洪水计算最优模型。模拟所得新安江模型合格率92.3%，水箱模型合格率64.2%，SCS模型合格率50%，因而选择新安江模型作为流域设计洪水计算最优模型。
步骤4，选择水文图集中给出的百年一遇雨型，将得到的时段设计暴雨值作为步骤4中筛选出的最优模型的输入，蒸发资料采用汛期平均时段蒸发数值，对流域的百年一遇的设计洪水进行推求，结果见图6。
从图7可以看出，在模拟流域百年一遇的洪水过程时，以工程原设计值为标准，评价新安江模型的设计洪水计算结果，其洪峰误差与洪量误差分别为-5.3%和-5.4%，误差控制在了10%以内，均小于瞬时单位线法的计算结果-13.4%和14.3%。
上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法，包括以下几个步骤：
步骤1、典型雨洪过程资料收集与处理；
步骤2、选择和率定概念性水文模型；
步骤3、判断水文模型在研究流域的适用性；
步骤4、代入设计暴雨求得设计洪水；
步骤5、对比瞬时单位线法及工程原有设计结果进行参证。
2.根据权利要求1所述基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法，其特征在于：所述步骤1收集的典型雨洪过程资料包括流域内雨量站的日降雨资料和时段降雨资料、洪水流量资料以及蒸发资料，依据降雨流量之间的滞后与相关关系对所选流域典型次洪的降雨资料、蒸发资料以及洪水流量资料的合理性进行分析，删除不符合的雨洪过程；
其中，所述日降雨资料用来计算前期影响雨量以及前五日雨量；
所述时段降雨资料作为水文模型的主要输入项；
所述洪水流量资料选择峰高量大的洪水过程，可适当地选择峰型较好的小洪水过程，所选小洪水场次控制在20%以内，在资料允许下应尽量增加用于模拟的洪水场次；对洪水量级的划分可根据洪水重现期或洪峰在流域的量级划分；其中等级为1的洪水称为小洪水，2级称为一般洪水，3级称为较大洪水，4级称为大洪水，5级称为特大洪水，6级以上称为非常洪水；
对于缺资料的流域，所述蒸发资料使用临近蒸发站资料或依据上级流域平均蒸发情况。
3.根据权利要求2所述基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法，其特征在于：所述步骤1中收集的流量资料优先采用入库前参证水文站的流量资料，若参证站在水库下游，则需对参证站的流量做还原计算处理。
4.根据权利要求3所述基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法，其特征在于：所述还原计算采用水量平衡法，水量平衡方法是通过查已建水库的水位库容蓄泄关系来推求入库流量，还原后的流量为计算时段平均入库流量；入库流量按照以下公式1和公式2计算：
公式1；
公式2；
式中：Δt为计算时段长，单位为s；
为时段平均出库流量，单位为m3/s；
Q t 为时段平均入库流量，单位为m3/s；
V t ，V t+1 为时段始末水库库容，单位为m3；
q t ，q t+1 为时段始末出库流量，单位为m3/s。
5.根据权利要求1-4中任何一项所述基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法，其特征在于：所述步骤2综合考虑了流域的不同降雨产流特性，选取了新安江模型、水箱模型或SCS模型任何之一作为应用广泛且参数简单的概念性水文模型作为备选。
6.根据权利要求1-5中任何一项所述基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法，其特征在于：所述步骤3中将步骤1收集并处理好的降雨资料、洪水流量资料以及蒸发资料代入步骤2选择和率定好的概念性水文模型进行模拟，将模拟结果与实测的流量过程资料相比较，并以模拟洪峰、洪量相对误差及确定性系数作为模型在应用流域适用性的评判标准。
7.根据权利要求6所述基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法，其特征在于：所述步骤3中相对误差按以下公式3和公式4计算：
公式3；
式中：ε1——洪峰相对误差，%；Q实——实际洪峰流量，m3/s；Q模——模拟洪峰流量，m3/s；
公式4；
式中：ε 2 为相对误差，%；R 实 为实际洪量，mm；R 模 为模拟洪量，mm；
所述步骤3中确定性系数按公式5计算：
公式5；
式中：DC为确定性系数(取2位小数)；y 0(i) 为实测值；y c(i) 为预报值；为实测值的均值；n为资料序列长度；以相对误差30%内，确定性系数50%以上计算合格率并选择模拟效果最佳的模型作为流域设计洪水计算最优模型。
8.根据权利要求1-7中任何一项所述基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法，其特征在于：步骤4中设计暴雨的选择移用所在地区水文图集中给出的地区雨型或选取历史典型场次洪水（例如有流量记录的流域历史最大洪水），用时段雨量占次洪比值作为分配雨型，将得到的时段设计暴雨值作为步骤3中筛选出的最优模型的输入项，蒸发资料采用汛期平均时段蒸发数值带入步骤3中筛选出的最优模型中模拟。
9.根据权利要求1-8中任何一项所述基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法，其特征在于：步骤5旨在对步骤3典型洪水模拟得出的结论做进一步的验证，工程设计时可将水文模型算法与工程传统算法求得的设计洪水值互相参照印证。
10.根据权利要求1-9中任何一项所述基于概念性水文模型的流域设计洪水推求方法，其特征在于：步骤5中选择在中小流域设计洪水常用的瞬时单位线法，瞬时单位线法所需查算资料从相应地区水文图集中查得，工程设计时将水文模型算法与瞬时单位线算法及工程原有设计洪水值互相参照印证。
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