CN109711095B - 一种基于水文模型获取河段区间入流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水文模型获取河段区间入流的方法，涉及水文资料整理技术领域。该方法首先通过自然流域分割的方法，将河段区间分割成一个单独的子流域，然后根据各子流域的降雨过程和流量过程，得到流域模型子流域的河段区间的水文模型参数，再根据河段区间的水文模型参数单独建立河段区间流域水文模型，由模型直接计算河段区间的汇流过程，即河段区间入流过程。所以，采用本发明的方法，在掌握资料较少的情况下通过简单操作可以得到任意河段区间的较高精度的区间入流过程。

Description

一种基于水文模型获取河段区间入流的方法

技术领域

本发明涉及水文资料整理技术领域，尤其涉及一种基于水文模型获取河段区间入流的方法。

背景技术

当前为研究水库调度、水资源管理、水文预报等问题，收集/获取河道演进及河段区间入流资料是必不可少的步骤之一。

目前，广泛使用的河道洪水演进的方法可分为水动力学方法和水文学方法。水动力学方法物理意义明确，但所需资料较多，计算复杂，操作性较差，且求解时间较长。而水文学方法主要为马斯京根法，该方法计算过程简便，所需资料较少，且精度能够满足一般科研工程需求。但是马斯京根法建立的基础是水量平衡方程，没有考虑到区间入流的影响，对有支流汇入的情况，通常采用“先合后演”或“先演后合”的方法，但是这两种方法的使用需要支流的流量过程资料。

然而在一些小流域，水文站点的建设并不完善，一些支流往往缺乏观测资料；或者在山区流域，山洪暴发时区间入流量可能等于或大于河道径流流量。此时直接应用马斯京根法得到的结果准确性低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于水文模型获取河段区间入流的方法，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：

一种基于水文模型获取河段区间入流的方法，包括如下步骤：

S1，在GIS图层中，将河段上下断面所在的区间划分为一个单独的子流域；

获取河段下断面下游水文站以上流域各雨量站场次洪水的降水过程，以及该水文站所在断面相应场次洪水的流量过程，并把降水过程和流量过程由不等间隔时间序列转化为等间隔时间序列；

S2，在河段下断面下游水文站以上流域面文件中添加各水文单元，并生成相应的流域模型，确定对应的计算方法；

S3，根据S1中得到的各雨量站的等间隔的降水数据，采用空间插值方法确定各子流域的降雨过程，将S1中得到的等间隔的流量过程作为水文站所在断面的场次洪水的流量过程。

S4，根据S3中得到的降雨过程以及场次洪水的流量过程，估算出河段下断面下游水文站以上流域的水文模型参数，并根据该参数得到该流域模型子流域的河段区间的水文模型参数；

S5，根据河段区间的水文模型参数建立河段区间流域的水文模型；

S6，将河段区间流域场次洪水的等间隔降雨量数据以及率定好的河段区间模型最终参数代入到河段区间流域的水文模型中，得到场次洪水的区间入流过程。

优选地，S1中，所述在GIS图层中，将河段上下断面所在的区间划分为一个单独的子流域，具体为：获取所研究河段下断面下游水文站以上流域的雨量站以及该水文站的经纬度信息，并将这些点通过GIS软件点绘在图层中将其制成面文件；获取河段下断面下游水文站以上流域范围的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，得到按照自然流域划分的河段下断面下游水文站以上流域图面文件，其中，通过子流域分割和合并的方法将河段上下断面所在的区间作为一个单独的子流域划分出来。

优选地，S1中，所述水文分析包括：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。

优选地，S1中，所述等间隔时间序列的时段长度根据降雨径流特性确定，湿润半湿润地区，时段长度为1小时。

优选地，S2中，所述在河段下断面下游水文站以上流域面文件中添加的各水文单元包括水源、河段、汇流点、水库，对于水源单元确定的计算方法包括产流计算的方法、汇流计算的方法；对于河段单元确定的计算方法为洪水演进的方法；对于水库单元确定的计算方法为水库的蓄泄关系；对于汇流点确定的计算方法为其上下相连接的水文单元。

优选地，S3中，所述空间插值方法包括泰森多边形法、距离倒数平方法。

优选地，S4具体为：

S401，根据参数的物理意义及经验确定一个参数的初始值；

S402，确定定量描述模型计算结果与实测流量拟合优度的目标函数；

S403，通过优化方法确定目标函数的最小值，通过优化计算得到单场降雨径流过程的水文模型最优参数，再通过多场降雨径流资料对模型进行率定，得到多组最优的水文模型参数，取每个参数的多组平均值，作为模型的综合最优参数；在构建好的河段下断面下游水文站以上流域的水文模型中找出河段区间子流域的综合最优模型参数；

优选地，S402中，所述目标函数选择峰值加权均方根误差函数、残差平方和函数、残差绝对值函数或峰值流量百分比误差函数，S403中，优化方法选择遗传算法或粒子群算法。

本发明的有益效果是：本发明提供的基于水文模型获取河段区间入流的方法，首先通过自然流域分割的方法，将河段区间分割成一个单独的子流域，然后根据各子流域的降雨过程和流量过程，得到流域模型子流域的河段区间的水文模型参数，再根据河段区间的水文模型参数单独建立河段区间流域水文模型，由模型直接计算河段区间的汇流过程，即河段区间入流过程。所以，采用本发明的方法，在掌握资料较少的情况下通过简单操作可以得到任意河段区间的较高精度的区间入流过程。

附图说明

图1是本发明提供的基于水文模型获取河段区间入流的方法流程示意图；

图2是河段区间流域示意图；

图3是河段区间流域在花园水文站以上流域的位置示意图；

图4是A站以上流域1989年5月6号20时至1989年5月21日8时时间步长为1小时的降雨径流过程示意图；

图5是河段区间流域模型示意图；

图6是河段区间19890506号洪水入流过程示意图。

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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于水文模型获取河段区间入流的方法，包括如下步骤：

步骤一，资料收集与处理

收集所研究河段下断面下游水文站以上流域的雨量站以及该水文站的经纬度信息，并将这些点通过GIS软件点绘在图层中将其制成面文件，文件名记为GageStation.shap；收集河段下断面下游水文站以上流域范围的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，得到按照自然流域划分的河段下断面下游水文站以上流域图面文件，通过子流域分割和合并的方法将河段上下断面所在的区间作为一个单独的子流域划分出来，记为河段区间流域Subbasin.shape。

收集河段下断面下游水文站以上流域流域各雨量站场次洪水的降水过程以及该水文站所在断面相应场次洪水的流量过程，并把降水过程和流量过程由不等间隔时间序列转化为等间隔时间序列，时段长度根据降雨径流特性而定，一般湿润半湿润地区，时段长度取1小时。

步骤二，生成流域模型

在河段下断面下游水文站以上流域面文件中添加水源、河段、汇流点、水库等水文单元，生成流域模型，并且为不同的水文单元选择不同的计算方法。如对于子流域水源单元需要确定产流计算的方法、汇流计算的方法；对于河段单元需要确定洪水演进的方法；对于水库单元需要确定水库的蓄泄关系；对于汇流点需要确定其上下相连接的水文单元。所研究的河段区间流域有两种水文单元，分别是子流域水源单元和河段单元，在子流域水源单元中需要设定产汇流计算方法，子流域水源直接汇到河段中，记为研究所要推求的区间入流。在河段单元中需要设定洪水演进的方法。

步骤三，确定各子流域的降雨过程以及水文站所在断面的流量过程

各子流域的降雨过程需根据S1中得到的各雨量站的等间隔的降水数据选择一定的空间插值方法确定，比如泰森多边形法、距离倒数平方法等。场次洪水的流量过程取S1中等到的等间隔的流量过程。

步骤四，确定河段区间流域水文模型参数

首先估算河段下断面下游水文站以上流域的水文模型参数然后在在其中找出作为该流域模型子流域的河段区间的水文模型参数，进而构建出河段区间流域水文模型。具体做法是：在确定河段下断面水文站以上流域水文模型参数时，先根据参数的物理意义及经验确定一个参数的初始值，然后确定定量描述模型计算结果与实测流量拟合优度的目标函数，可以选择峰值加权均方根误差函数、残差平方和函数、残差绝对值函数、峰值流量百分比误差函数等，然后通过遗传算法或粒子群算法等优化方法确定目标函数的最小值，通过优化试算得到单场降雨径流过程的水文模型最优参数，再通过多场降雨径流资料对模型进行率定，得到多组最优的水文模型参数，取每个参数的多组平均值，作为模型的综合最优参数。在构建好的河段下断面下游水文站以上流域的水文模型中找出河段区间子流域的综合最优模型参数以及产汇流方案，构建河段区间流域水文模型。

步骤五，区间入流推求

将河段区间流域的等间隔降雨量数据代入到在S4中得到的河段区间流域水文模型中，推求场次洪水的区间入流过程。

具体实施例

本实施例以湖北孝感地区太平镇水文站所在子流域河段R50水量演进为实例，以表现本发明达到的效果。

所研究的R50河段位于湖北省孝感地区，河段干流长15.551km，河段下断面下游最近的水文站为花园水文站，有实测降雨径流资料，花园水文站以上流域有7个雨量站分别为太平镇站、应山站、广水站、草店站、姚家店站、三里城站、广水站和花园水文站；流域出口断面所在的水文站为花园站。R50区间总面积为158.76km²，占A水文站以上流域面积的6.1％。实施例以起止时间为1989年5月6日20时至1989年5月21日8时，时间步长为1小时的A水文站以上流域雨量站A、B、C、D、E、F、G降雨量系列和A水文站的流量系列作为基础降雨径流数据，计算R50河段区间入流过程。本实施例基于水文模型获取河段区间入流的方法的步骤如下：

步骤一：收集花园水文站以上流域7个雨量站经纬度信息，并将这些点通过GIS软件点绘在图层中将其制成面文件，文件名记为GageStation.shap；收集河段下断面下游水文站以上流域范围的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，得到按照自然流域划分的花园水文站以上流域图面文件，通过子流域分割和合并的方法将R50河段所在区间作为一个单独的子流域划分出来，记为河段区间流域，见图2。R50河段区间流域在花园水文站以上流域的位置图见图3。

收集花园水文站以上流域各雨量站1989年5月6日20时至1989年5月21日8时的降水过程以及流域出口断面相应场次洪水的流量过程，并把降水过程和流量过程由不等间隔时间序列转化为时间步长为1小时的降水过程和流量过程，见图4。

步骤二：在花园水文站以上流域面文件中添加水源、河段、汇流点、水库等水文单元，生成流域模型，并且为不同的水文单元选择不同的计算方法。子流域单元的产流计算方法为初始常速率法、汇流计算的方法为斯奈德单位线法；河段单元洪水演进的方法为马斯京根法。

步骤三，确定各子流域的降雨过程以及花园水文站所在断面的流量过程

各子流域的降雨过程需根据步骤一中得到的各雨量站的等间隔的降水数据通过泰森多边形法确定。场次洪水的流量过程取步骤一中等到的等间隔的流量过程。

步骤四，确定河段区间流域水文模型参数

首先估算花园水文站以上流域的水文模型参数然后在在其中找出作为该流域模型子流域的R50河段区间的水文模型参数，进而构建出河段区间流域水文模型。具体做法是：在确定花园水文站以上流域水文模型参数时，先根据参数的物理意义及经验确定一个参数的初始值，然后选择残差平方和函数作为定量描述模型计算结果与实测流量拟合优度的目标函数，通过遗传算法确定目标函数的最小值，通过优化试算得到单场降雨径流过程的水文模型最优参数，再通过多场降雨径流资料对模型进行率定，得到多组最优的水文模型参数，取每个参数的多组平均值，作为模型的综合最优参数。在构建好的花园水文站以上流域的水文模型中找出河段区间子流域的综合最优模型参数以及产汇流方案，构建河段区间流域水文模型，见图5。

步骤五：区间入流推求

将河段区间流域要预报的19890506号洪水(1989年5月6日20时至1989年5月21日8时)的等间隔降雨量数据代入到在步骤四中得到的河段区间流域水文模型中，推求该场洪水的区间入流过程。19890506号洪水的区间入流过程见图6。

从图6可以看出：通过上述方法，可以详尽地得出19890506号洪水在所研究的河段区间的完整的径流过程。

所以，采用本发明提供的方法，在掌握资料较少的情况下通过简单操作就可以得到任意河段区间的较高精度的区间入流过程。

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：本发明提供的基于水文模型获取河段区间入流的方法，首先通过自然流域分割的方法，将河段区间分割成一个单独的子流域，然后根据各子流域的降雨过程和流量过程，得到流域模型子流域的河段区间的水文模型参数，再根据河段区间的水文模型参数单独建立河段区间流域水文模型，由模型直接计算河段区间的汇流过程，即河段区间入流过程。所以，采用本发明的方法，在掌握资料较少的情况下通过简单操作可以得到任意河段区间的较高精度的区间入流过程。

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 (8)

1.一种基于水文模型获取河段区间入流的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，在GIS图层中，将河段上下断面所在的区间划分为一个单独的子流域；

获取河段下断面下游水文站以上流域各雨量站场次洪水的降水过程，以及该水文站所在断面相应场次洪水的流量过程，并把降水过程和流量过程由不等间隔时间序列转化为等间隔时间序列；

S2，在河段下断面下游水文站以上流域面文件中添加各水文单元，并生成相应的流域模型，确定对应的计算方法；

S3，根据S1中得到的各雨量站的等间隔的降水数据，采用空间插值方法确定各子流域的降雨过程，将S1中得到的等间隔的流量过程作为水文站所在断面的场次洪水的流量过程；

S4，根据S3中得到的降雨过程以及场次洪水的流量过程，估算出河段下断面下游水文站以上流域的水文模型参数，并根据该参数得到该流域模型子流域的河段区间的水文模型参数；

S5，根据河段区间的水文模型参数建立河段区间流域的水文模型；

S6，将河段区间流域场次洪水的等间隔降雨量数据以及率定好的河段区间模型最终参数代入到河段区间流域的水文模型中，得到场次洪水的区间入流过程。

2.根据权利要求1所述的基于水文模型获取河段区间入流的方法，其特征在于，S1中，所述在GIS图层中，将河段上下断面所在的区间划分为一个单独的子流域，具体为：获取所研究河段下断面下游水文站以上流域的雨量站以及该水文站的经纬度信息，并将这些点通过GIS软件点绘在图层中将其制成面文件；获取河段下断面下游水文站以上流域范围的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，得到按照自然流域划分的河段下断面下游水文站以上流域图面文件，其中，通过子流域分割和合并的方法将河段上下断面所在的区间作为一个单独的子流域划分出来。

3.根据权利要求2所述的基于水文模型获取河段区间入流的方法，其特征在于，S1中，所述水文分析包括：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。

4.根据权利要求1所述的基于水文模型获取河段区间入流的方法，其特征在于，S1中，所述等间隔时间序列的时段长度根据降雨径流特性确定，湿润半湿润地区，时段长度为1小时。

5.根据权利要求1所述的基于水文模型获取河段区间入流的方法，其特征在于，S2中，所述在河段下断面下游水文站以上流域面文件中添加的各水文单元包括水源、河段、汇流点、水库，对于水源单元确定的计算方法包括产流计算的方法、汇流计算的方法；对于河段单元确定的计算方法为洪水演进的方法；对于水库单元确定的计算方法为水库的蓄泄关系；对于汇流点确定的计算方法为其上下相连接的水文单元。

6.根据权利要求1所述的基于水文模型获取河段区间入流的方法，其特征在于，S3中，所述空间插值方法包括泰森多边形法、距离倒数平方法。

7.根据权利要求1所述的基于水文模型获取河段区间入流的方法，其特征在于，S4具体为：

S401，根据参数的物理意义及经验确定一个参数的初始值；

S402，确定定量描述模型计算结果与实测流量拟合优度的目标函数；

S403，通过优化方法确定目标函数的最小值，通过优化计算得到单场降雨径流过程的水文模型最优参数，再通过多场降雨径流资料对模型进行率定，得到多组最优的水文模型参数，取每个参数的多组平均值，作为模型的综合最优参数；在构建好的河段下断面下游水文站以上流域的水文模型中找出河段区间子流域的综合最优模型参数。

8.根据权利要求7所述的基于水文模型获取河段区间入流的方法，其特征在于，S402中，所述目标函数选择峰值加权均方根误差函数、残差平方和函数、残差绝对值函数或峰值流量百分比误差函数，S403中，优化方法选择遗传算法或粒子群算法。