CN109633790A - 自然流域划分法中确定子流域降雨量时空分布的方法 - Google Patents

自然流域划分法中确定子流域降雨量时空分布的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自然流域划分法中确定子流域降雨量时空分布的方法，涉及水文预报技术领域。该方法首先按照自然流域的划分方法将流域划分为若干个自然子流域，然后将全流域的泰森多边形特征数据直接叠加在子流域上，获得子流域的代表雨量站及其时空权重，进而确定自然子流域的综合雨型，并计算自然子流域降雨量时空分布过程，可见，本发明的上述方法中，同时考虑了全流域降雨分布的不均匀性和下垫面分布的不均匀性，所以，能够提高模型计算精度，进而有效的提高水文预报的精度。

Description

自然流域划分法中确定子流域降雨量时空分布的方法
技术领域
本发明涉及水文预报技术领域，尤其涉及一种自然流域划分法中确定子流域降雨量时空分布的方法。
背景技术
当前为进行分布式水文预报，考虑降雨量时空分布的不均匀性，确定子流域降雨量的时空分布是必不可少的步骤之一。
现在广泛使用的划分子流域的方法是泰森多边形法，划分后每个子流域有一个雨量站，子流域上降雨量的时空分布直接采用该雨量站降雨量的时空分布过程。
这种方法虽然能够很好的考虑降雨量的时空分布特征，计算简便，然而由于这种方法划分的子流域并不是天然子流域，所以在进行流域模型概化计算子流域的产流量的时候会有误差，进而影响预报精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自然流域划分法中确定子流域降雨量时空分布的方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种在自然流域划分法中确定流域降雨量时空分布的方法，包括如下步骤：
S1，获取目标流域范围的DEM图，以及目标流域内的所有雨量站站点以及出口位置信息；
S2，将目标流域内的所有雨量站站点以及出口位置信息采用GIS软件点绘在图层中，生成站点位置面；将目标流域范围的DEM图剪切为目标流域DEM图，将目标流域划分为多个子流域，得到划分后的目标流域的流域面；
S3，在所述站点位置面上创建泰森多边形，得到泰森多边形面；
S4，为所述流域面中的各个子域流赋予水文编码，将所述流域面分割成各个指定水文编码的子流域面；
S5，将泰森多边形面的特征覆盖到某水文编码的子流域面上，完成对水文编码子流域面的泰森多边形划分，生成该水文编码子流域的泰森多边形图；
S6，获取所述水文编码子流域的泰森多边形图中包含的各雨量站的面积属性，采用如下公式计算各雨量站在水文编码子流域中的空间权重：
其中，∑iwi＝1，i表示雨量站的编号；m表示用于计算子流域面雨量的雨量站数；wi表示编号为i的雨量站的空间权重；Ai表示编号为i的雨量站计算雨量的范围在子流域中所占的面积；
S7，判断子流域的影响雨量站在次洪过程中的降雨监测系列雨型是否相近，如果是，则影响雨量站的时间权重与空间权重wi的数值相等，否则，具有代表性雨型的雨量站的时间权重为1，其他影响雨量站的时间权重为0；且
S8，按照如下公式计算子流域面平均雨量：
MAP＝∑i(wi∑tpi(t)) (2)
其中，MAP表示子流域面平均雨量；
MAP(t)表示子流域t时段内的降雨量；
Pattern(t)表示子流域代表性雨型在t时段内的降雨量；
表示子流域影响雨量站i在代表性雨型中时段t内的时间权重；
wi表示编号为i的雨量站的空间权重；
pi(t)表示子流域影响雨量站i在时段t内的降雨量。
优选地，S2中，所述将目标流域范围的DEM图剪切为目标流域DEM图，具体为：
将目标流域范围的DEM图的类型转化为栅格文件类型，在GIS软件中利用水文分析工具对该栅格文件进行水文分析，经过填洼、生成流向、计算累积流、定义河流、河流分段、集水区划分、集水区多边形处理、排水线处理、流域聚合、提取目标流域的操作，得到目标流域的按照自然流域划分的流域面。
优选地，S4具体为：在GIS中，利用水文分析工具赋予流域面中各个子流域水文编码，然后将该图层的所有特征数据输出到另一个图层，启动该图层编辑功能，删除除了指定编码的子流域以外的其他的子流域，重复该操作，至将所述流域面分割成各个指定水文编码的子流域面。
本发明的有益效果是：本发明提供的在自然流域划分法中确定流域降雨量时空分布的方法，首先按照自然流域的划分方法将流域划分为若干个自然子流域，然后将全流域的泰森多边形特征数据直接叠加在子流域上，获得子流域的代表雨量站及其时空权重，进而确定自然子流域的综合雨型，并计算自然子流域降雨量时空分布过程，可见，本发明的上述方法中，同时考虑了全流域降雨分布的不均匀性和下垫面分布的不均匀性，所以，能够提高模型计算精度，进而有效的提高水文预报的精度。
附图说明
图1为雨量站点位置点绘在图层中生成的站点位置面图；
图2为全流域图；
图3为全流域泰森多边形；
图4为编码w110的自然子流域图；
图5为自然子流域泰森多边形划分图；
图6为编码w110的自然子流域各雨量站代表面积数据；
图7为19890507号洪水过程中G雨量站的降雨量数据截图；
图8为19890507号洪水过程中B雨量站的降雨量数据截图；
图9为19890507号洪水过程中D雨量站的降雨量数据截图；
图10为19890507号洪水过程中E雨量站的降雨量数据截图；
图11为19890507号洪水过程中F雨量站的降雨量数据截图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种在自然流域划分法中确定流域降雨量时空分布的方法，包括如下步骤：
S1，获取目标流域范围的DEM图，以及目标流域内的所有雨量站站点以及出口位置信息；
S2，将目标流域内的所有雨量站站点以及出口位置信息采用GIS软件点绘在图层中，生成站点位置面；将目标流域范围的DEM图剪切为目标流域DEM图，将目标流域划分为多个子流域，得到划分后的目标流域的流域面；
S3，在所述站点位置面上创建泰森多边形，得到泰森多边形面；
S4，为所述流域面中的各个子域流赋予水文编码，将所述流域面分割成各个指定水文编码的子流域面；
S5，将泰森多边形面的特征覆盖到某水文编码的子流域面上，完成对水文编码子流域面的泰森多边形划分，生成该水文编码子流域的泰森多边形图；
S6，获取所述水文编码子流域的泰森多边形图中包含的各雨量站的面积属性，采用如下公式计算各雨量站在水文编码子流域中的空间权重：
其中，∑iwi＝1，i表示雨量站的编号；m表示用于计算子流域面雨量的雨量站数；wi表示编号为i的雨量站的空间权重；Ai表示编号为i的雨量站计算雨量的范围在子流域中所占的面积；
S7，判断子流域的影响雨量站在次洪过程中的降雨监测系列雨型是否相近，如果是，则影响雨量站的时间权重与空间权重wi的数值相等，否则，具有代表性雨型的雨量站的时间权重为1，其他影响雨量站的时间权重为0；且
其中，代表性雨型指的是在流域某场降雨过程中能够反映研究流域暴雨特征的雨型，比如一个流域有两个雨量站A和B，流域的某场降雨过程持续了4个小时，但是A雨量站的降雨过程持续了两个小时(第1-2小时)，B雨量站的雨量过程持续了两个小时(第3-4小时)，相当于暴雨从雨量站A转移到了雨量站B所在的位置，那么这种情况下代表性雨型就是A站的降雨过程，此时A雨量站的时间权重为1，B雨量站的时间权重为0；若是A、B两个雨量站的降雨过程均持续了4个小时，且雨型接近，则各雨量站的时间权重与空间权重相等，可以利用S8中的公式(4)来计算得到时间权重与空间权重的数值。
S8，按照如下公式计算子流域面平均雨量：
MAP＝∑i(wi∑tpi(t)) (2)
其中，MAP表示子流域面平均雨量；
MAP(t)表示子流域t时段内的降雨量；
Pattern(t)表示子流域代表性雨型在t时段内的降雨量；
表示子流域影响雨量站i在代表性雨型中时段t内的时间权重；
wi表示编号为i的雨量站的空间权重；
pi(t)表示子流域影响雨量站i在时段t内的降雨量。
其中，降雨量是雨量站的监测数据，是已知的、监测到的值。该数据从《水文年鉴》各雨量站的降水量摘录表中可以获取。
上述方法中，利用GIS和水文分析工具(GEOHMS工具)对流域进行自然流域划分并计算各雨量站的时空权重；对研究流域进行子流域划分时，按照自然流域的划分方法进行划分；自然子流域中的代表雨量站各自在自然子流域中所占有的面积之和为自然子流域所占的面积。
上述方法中，首先获取全流域的泰森多边形，并采用自然流域的划分方法对目标流域进行划分，得到各自然子流域，然后将全流域的泰森多边形特征数据直接叠加在子流域上，获得子流域的泰森多边形，根据子流域的泰森多边形，确定自然子流域中的代表雨量站，及各代表雨量站在自然子流域中所占有的面积，进而确定各代表雨量站的时空权重；最后根据各代表雨量站的时空权重计算子流域降雨量的时空分布，遍历所有的子流域，确定目标全流域降雨量的时空分布。所以，本发明提供的方法能够同时考虑全流域降雨分布的不均匀性和下垫面分布的不均匀性，能够有效的提高水文预报的精度
其中，S2中，所述将目标流域范围的DEM图剪切为目标流域DEM图，具体为：
将目标流域范围的DEM图的类型转化为栅格文件类型，在GIS软件中利用水文分析工具对该栅格文件进行水文分析，经过填洼、生成流向、计算累积流、定义河流、河流分段、集水区划分、集水区多边形处理、排水线处理、流域聚合、提取目标流域的操作，得到目标流域的按照自然流域划分的流域面。
S4具体为：在GIS中，利用水文分析工具赋予流域面中各个子流域水文编码，然后将该图层的所有特征数据输出到另一个图层，启动该图层编辑功能，删除除了指定编码的子流域以外的其他的子流域，重复该操作，至将所述流域面分割成各个指定水文编码的子流域面。
具体实施例：
本实施例以澴河孝昌县花园镇站以上流域子流域划分及其时空权重确定为实例，以表现本发明达到的效果。
澴河流域位于湖北省长江以北,大别山南麓,江汉平原北部的孝感市地区，流域界于东经113°72＇～114°33＇，北纬30°86＇～31°89＇之间。干流全长8km，流域面积2590.88km2。流域地势东北高西南低，溶蚀低山与切割丘陵互为穿插。地貌以丘陵山地为主，东北部为低山区，海拔500～1000米，相对高度在100～300米，西南部低矮缓丘，海拔在100～500米。流域有7个雨量站记为A站、B站、C站、D站、E站、F站、和G站；流域出口断面所在的水文站为A站。本实例基于GIS和GEOHMS工具对流域进行自然流域划分并计算各雨量站的时空权重。
步骤一：收集目标流域的出口断面以及雨量站的位置信息，并将这些点通过GIS软件点绘在图层中将其制成面文件，见图1。收集目标流域范围的DEM图，并将该文件类型转化为栅格文件类型，在GIS软件中加载GeoHMS工具条，将该栅格文件通过GeoHMS工具进行水文分析，经过填洼、生成流向、计算累积流、定义河流、河流分段、集水区划分、集水区多边形处理、排水线处理、流域聚合、提取目标流域等操作，得到目标流域的按照自然流域划分的流域图面文件，见图2。
步骤二：通过GIS分析工具创建泰森多边形，得到泰森多边形面文件，见图3。
步骤三：通过GeoHMS工具赋予流域面文件中的各个子流域水文编码，然后将该图层的所有特征数据输出到另一个图层，启动该图层编辑功能，删除除了指定编码的子流域以外的其他的子流域，以目标子流域的编码为文件名保存该子流域面文件，如W110.shape，见图4。以相同的方法逐一提取各水文编码的子流域。
步骤四：通过GIS分析工具条中的覆盖特征工具直接将泰森多边形的特征覆盖到某水文编码的子流域上，即完成了对水文编码子流域的泰森多边形划分，该划分好的图层保存成面文件，例如子流域W110各雨量站的泰森多边形划分见图5。
步骤五：计算泰森多边形的时空权重
打开某个水文编号的子流域泰森多边形图，查看属性表，计算各占有部分流域面积的雨量站的占有面积，用该面积除以子流域的总面积得到该雨量站在该子流域的面积权重，计算公式为公式(1)：
式(1)中i表示雨量站的编号；m表示用于计算子流域面雨量的雨量站数；wi表示编号为i的雨量站的面积权重；Ai表示编号为i的雨量站计算雨量的范围在子流域中所占的面积。例如对子流域W110，查看属性表见图6，统计代表性雨量站在该子流域的面积。对子流域W110，G雨量站所占空间权重为WB＝0.054991；WD＝0.060174；WE＝0.675652；WF＝0.010219；同理可得其他子流域各雨量站的空间权重。
若某子流域各代表雨量站在次洪过程中的降雨监测系列雨型相近，那么影响雨量站的时间权重取和空间权重相等的数值，即时空同权。以W110子流域为例该子流域在19890507号洪水过程中，G,B,D,E,F雨量站的降雨雨型相近，则预报该场洪水过程时，各雨量站的时间权重等于其空间权重，即WtG＝0.198964；WtB＝0.054991；WtD＝0.060174；WtE＝.675652；WtF＝0.010219。
步骤六：子流域降雨量时空分布计算
通过时空权重计算的子流域面平均雨量的计算公式为公式(2)-公式(4)：
MAP＝∑i(wi∑tpi(t)) (2)
其中MAP表示子流域的总面平均雨量。MAP(t)表示子流域t时段内的降雨量；Pattern(t)表示子流域代表性雨型在t时段内的降雨量；表示子流域影响雨量站i在代表性雨型中时段t内的时间权重。pi(t)表示子流域影响雨量站在时段t内的降雨量。以天然子流域W110为例，19890507号洪水过程中G站的降雨量系列可参见图7，B站的降雨量系列可参见图8，D站的降雨量系列可参见图9，E站的降雨量系列可参见图10，F站的降雨量系列可参见图11。通过对比各雨量站的降雨过程图查看，可以判断各代表站的雨型是否相近。比如一个流域有两个雨量站B和C，可以将一场洪水的降雨过程用过程线的方式画出来，然后通过目估的方法大体上判断这两个过程的雨型是否相似。如果各代表站点雨型相近，则计算该场洪水的降雨过程时，各雨量站采用时空同权计算方法，首先将各雨量站的降雨系列插值成等时段数据(一般取1小时)，然后根据步骤五得到的时空权重，按照公式(2)-(4)计算各个时段的降雨量，即为W110子流域的降雨过程。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明提供的在自然流域划分法中确定流域降雨量时空分布的方法，首先按照自然流域的划分方法将流域划分为若干个自然子流域，然后将全流域的泰森多边形特征数据直接叠加在子流域上，获得子流域的代表雨量站及其时空权重，进而确定自然子流域的综合雨型，并计算自然子流域降雨量时空分布过程，可见，本发明的上述方法中，同时考虑了全流域降雨分布的不均匀性和下垫面分布的不均匀性，所以，能够提高模型计算精度，进而有效的提高水文预报的精度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种在自然流域划分法中确定流域降雨量时空分布的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，获取目标流域范围的DEM图，以及目标流域内的所有雨量站站点以及出口位置信息；
S2，将目标流域内的所有雨量站站点以及出口位置信息采用GIS软件点绘在图层中，生成站点位置面；将目标流域范围的DEM图剪切为目标流域DEM图，将目标流域划分为多个子流域，得到划分后的目标流域的流域面；
S3，在所述站点位置面上创建泰森多边形，得到泰森多边形面；
S4，为所述流域面中的各个子域流赋予水文编码，将所述流域面分割成各个指定水文编码的子流域面；
S5，将泰森多边形面的特征覆盖到某水文编码的子流域面上，完成对水文编码子流域面的泰森多边形划分，生成该水文编码子流域的泰森多边形图；
S6，获取所述水文编码子流域的泰森多边形图中包含的各雨量站的面积属性，采用如下公式计算各雨量站在水文编码子流域中的空间权重：
其中，∑iwi＝1，i表示雨量站的编号；m表示用于计算子流域面雨量的雨量站数；wi表示编号为i的雨量站的空间权重；Ai表示编号为i的雨量站计算雨量的范围在子流域中所占的面积；
S7，判断子流域的影响雨量站在次洪过程中的降雨监测系列雨型是否相近，如果是，则影响雨量站的时间权重与空间权重wi的数值相等，否则，具有代表性雨型的雨量站的时间权重为1，其他影响雨量站的时间权重为0；且
S8，按照如下公式计算子流域面平均雨量：
MAP＝∑i(wi∑tpi(t)) (2)
其中，MAP表示子流域面平均雨量；
MAP(t)表示子流域t时段内的降雨量；
Pattern(t)表示子流域代表性雨型在t时段内的降雨量；
表示子流域影响雨量站i在代表性雨型中时段t内的时间权重；
wi表示编号为i的雨量站的空间权重；
pi(t)表示子流域影响雨量站i在时段t内的降雨量。
2.根据权利要求1所述的在自然流域划分法中确定流域降雨量时空分布的方法，其特征在于，S2中，所述将目标流域范围的DEM图剪切为目标流域DEM图，具体为：
将目标流域范围的DEM图的类型转化为栅格文件类型，在GIS软件中利用水文分析工具对该栅格文件进行水文分析，经过填洼、生成流向、计算累积流、定义河流、河流分段、集水区划分、集水区多边形处理、排水线处理、流域聚合、提取目标流域的操作，得到目标流域的按照自然流域划分的流域面。
3.根据权利要求1所述的在自然流域划分法中确定流域降雨量时空分布的方法，其特征在于，S4具体为：在GIS中，利用水文分析工具赋予流域面中各个子流域水文编码，然后将该图层的所有特征数据输出到另一个图层，启动该图层编辑功能，删除除了指定编码的子流域以外的其他的子流域，重复该操作，至将所述流域面分割成各个指定水文编码的子流域面。
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