CN109816154A - 一种小流域山洪预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种小流域山洪预报方法，为了解决现有技术中小流域洪水预报精度低的问题，提出了一种技术方案为：一种小流域山洪预报方法，包括设置模型参数；输入实时数据；进行产流计算、水源划分计算和汇流计算；输出地上径流的流量数据和全流域出口处的总流量数据；判断输出的全流域出口处的总流量是否大于洪水预警阈值；若不大于洪水预警阈值，则不操作；若大于洪水预警阈值，则启动洪水预警方案。本发明中模型参数的来源为5‑10年间该流域的降水数据，实时数据的来源是遥测系统的监测数据，此外，输入实时数据前还运用抗差算法对遥测系统的检测数据进行处理。本发明适用于小流域的模拟径流计算，适合短期的径流预报，并且预报精度较高。

Description

一种小流域山洪预报方法

技术领域

本发明涉及一种山洪预报方法，具体涉及一种小流域山洪预报方法。

背景技术

小流域通常是指二、三级支流以下以分水岭和下游河道出口断面为界集水面积在100km²以下的相对独立和封闭的自然汇水区域，由于小流域的山区监测站点少甚至没有站点，导致了水文资料匮乏，多采用人工预报。目前小流域洪水的人工预报主要是采用间接法推求，该方法首先是假定雨洪同频，由设计暴雨推求设计洪水，此种方法人为因素较大，缺乏理论基础，因而导致对洪水的预报精度也比较低，不能满足对洪水预报的要求。

此外，在实时洪水预报过程中，一般是利用遥测系统来实时监测水情资料，但由于遥测系统自身的原因以及水文要素测量的具体要求，数据常常携带异常误差。为了保证预测系统遇非正常因素也能正常作业和洪水预报的精度，传统的处理方法都是用实测流量和模型计算流量之差作为实时修正的信息依据，来实时修正估计结果、模型参数或模型输入，由于资料误差的存在，常使实际的残差不能满足上述假设条件，污染了修正方法，严重影响着实时修正的效果。如公开日为2016年7月6日，公开号为CN105740969A的中国专利中公布了一种基于数据驱动的小流域洪水实时预报方法，该发明并未对实时数据进行抗差分析，预报精度较低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种设计合理，误差小，能够准确预报山洪的小流域山洪预报方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：该小流域山洪预报方法包括如下步骤：

S1：设置模型参数；包括初始蓄水容量W₀、流域平均蓄水容量WM、蓄水容量面积曲线指数B、流域自由水蓄水容量面积分配曲线指数EX、壤中流出流系数KSS、地下径流出流系数KG；

S2：输入实时数据；包括流域时段蒸发量E、流域时段降雨量P；

S3：进行产流计算、水源划分计算和汇流计算；产流计算步骤中的输入为所述S3中产流计算实时的输入为流域时段蒸发量E、流域时段降雨量P、初始蓄水容量W₀、流域平均蓄水容量WM和蓄水容量面积曲线指数B，输出为产流量R；水源划分计算步骤中的输入为产流量R、流域自由水蓄水容量面积分配曲线指数EX、壤中流出流系数KSS和地下径流出流系数KG，输出为计算地面径流RS、壤中流RSS和地下径流RG及产流面积f上的平均自由水蓄水容量S；汇流计算步骤中的输入为单元上的地面径流RS、壤中流RSS和地下径流RG，输出为全流域出口处的总流量；

S4：输出地上径流的流量数据和全流域出口处的总流量数据；判断输出的全流域出口处的总流量是否大于洪水预警阈值；若不大于洪水预警阈值，则不操作；若大于洪水预警阈值，则启动洪水预警方案。

作为优选，本发明中所述S1中模型参数的来源为5-10年间该流域的降水数据，所述S2中实时数据的来源是遥测系统的实时监测数据。

作为优选，本发明中所述S2中输入实时数据前，还对该实时数据运用抗差算法进行处理。

作为优选，本发明中所述抗差算法包括如下步骤：

a.输入样本数据集，集合中的元素相互独立；

b.取权函数ω_i ⁽⁰⁾＝1用最小二乘法求系数，然后计算各点残差e_i ⁽⁰⁾；

c.根据残差的取值范围，赋予各元素不同的权，然后按式重新计算系数，再重新计算各点残差e_i ⁽¹⁾；

d.选取精度控制指标ε，当|e_i ^(j+1)-e_i ^(j)|≤ε对所有的i均成立时，迭代结束，输出模型参数的取值，取值为集合中各元素与其权的乘积之和；否则，重复步骤c。

作为优选，本发明中所述抗差算法中的权函数ω_i ⁽⁰⁾＝1的极值函数ρ满足以下条件：所述极值函数ρ为偶函数；所述极值函数ρ在(-∞,0)区间非增，在(0,∞)区间非降；所述极值函数ρ在(-∞，+∞)区间处处连续。

作为优选，本发明中所述S3中产流计算包括如下步骤：

a.根据蓄满产流理论判断该流域是否产流；

b.产流降水量PE＝P-E；当PE＝P-E≤0时，不产流；

c.当PE＝P-E＞0时，判断土壤含水量是否达到饱和；若土壤含水量未达到饱和，则不产流；若土壤含水量达到饱和，则产流，计算产流量R。

作为优选，本发明中所述产流量R计算过程如下：

流域单点的蓄水量由曲线表征；

式中f为产流面积；F为全流域面积；W'为流域单点的蓄水量；WMM为流域单点最大蓄水量；B为蓄水容量面积曲线指数；

据此得到流域蓄水容量WM为：

流域初始蓄水容量为W₀，相对应的纵坐标

当PE+A<WMM时，则产流量R为：

当PE+A≥WMM时，则产流量R为：R＝PE-WM+W₀。

作为优选，本发明中所述S3中水源划分计算包括如下步骤：

将产流计算得出的产流量R，先设置模拟的自由水蓄水库S，产流量R先进入自由水蓄水库S再进行划分；该自由水蓄水库S中有两个出口，一个出口形成壤中流RSS，另一个出口形成地下径流RG，壤中流RSS和地下径流RG按线性水库规律出流；当自由水蓄水量S超过最大值SM时，超过部分成为地面径流RS；根据产流量R，计算地面径流RS、壤中流RSS、地下径流RG、产流面积f及产流面积f上的平均自由水蓄水容量S。

作为优选，本发明中所述根据产流量R，计算地面径流RS、壤中流RSS、地下径流RG、产流面积f及产流面积f上的平均自由水蓄水容量S的计算过程如下：

由于流域自由水蓄水容量在产流面积f上分配满足曲线：

式中S'为流域单点自由水蓄水容量；MS为流域单点最大的自由水蓄水容量；EX为流域自由水蓄水容量面积分配曲线指数；

故产流面积上的平均自由水蓄水容量为：

S相应的纵坐标AU为

式中S为流域自由水蓄水容量在产流面积上的平均蓄水容量；AU为对应的纵坐标；

计算地面径流RS、壤中流RSS、地下径流RG、产流面积f及产流面积f上的平均自由水蓄水容量S的公式如下：

f＝R/PE；

当PE+AU≥MS时，则

RS＝f(PE+S-S')；

RSS＝S'×KSS×f；

RG＝S'×KG×f；

S＝S'-(RSS+RG)/f；

当0＜PE+AU＜MS时，则

RSS＝KSS×f×(PE+S-RS/f)；

RG＝KG×f×(PE+S-RS/f)；

S＝S+PE-(RS+RSS+RG)/f；

式中KSS和KG分别为壤中流与地下径流的出流系数；地面径流RS、壤中流RSS和地下径流RG及产流面积f上的平均自由水蓄水容量S的单位均为毫米。

作为优选，本发明中所述S3中汇流计算包括如下步骤：

a.将流域划分为若干块大小适当的单元流域，划分的单元流域数不小于1，每块单元流域上的降雨均匀分布；

b.对划分好的每块单元流域分别进行产流计算、水源划分计算，得到每块单元流域的流量过程；

c.将每块单元流域的流量过程在全流域出口处进行线性叠加，即为全流域出口处的总流量。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明适用于小流域的模拟径流计算，计算结果比较精确，适合短期的径流预报，并且预报精度较高。本发明对实时数据进行抗差处理，使许多严重的不正常因素误差影响，不能进入到小流域山洪预报模型中，降低了不正常因素的影响，同时也大大提高了数据的稳定性和洪水预报的精度。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

一种小流域山洪预报方法包括如下步骤：

S1：设置模型参数；包括初始蓄水容量W₀、流域平均蓄水容量WM、蓄水容量面积曲线指数B、流域自由水蓄水容量面积分配曲线指数EX、壤中流出流系数KSS、地下径流出流系数KG；

S2：输入实时数据；包括流域时段蒸发量E、流域时段降雨量P；

S3：进行产流计算、水源划分计算和汇流计算；产流计算步骤中的输入为S3中产流计算实时的输入为流域时段蒸发量E、流域时段降雨量P、初始蓄水容量W₀、流域平均蓄水容量WM和蓄水容量面积曲线指数B，输出为产流量R；水源划分计算步骤中的输入为产流量R、流域自由水蓄水容量面积分配曲线指数EX、壤中流出流系数KSS和地下径流出流系数KG，输出为计算地面径流RS、壤中流RSS和地下径流RG及产流面积f上的平均自由水蓄水容量S；汇流计算步骤中的输入为单元上的地面径流RS、壤中流RSS和地下径流RG，输出为全流域出口处的总流量；

S4：输出地上径流的流量数据和全流域出口处的总流量数据；判断输出的全流域出口处的总流量是否大于洪水预警阈值；若不大于洪水预警阈值，则不操作；若大于洪水预警阈值，则启动洪水预警方案。

本实施例中的产流计算包括如下步骤：

a.根据蓄满产流理论判断该流域是否产流；

b.产流降水量PE＝P-E；当PE＝P-E≤0时，不产流；

c.当PE＝P-E＞0时，判断土壤含水量是否达到饱和；若土壤含水量未达到饱和，则不产流；若土壤含水量达到饱和，则产流，计算产流量R。

流域单点的蓄水量由曲线表征；

式中f为产流面积；F为全流域面积；W'为流域单点的蓄水量；WMM为流域单点最大蓄水量；B为蓄水容量面积曲线指数；

据此得到流域蓄水容量WM为：

流域初始蓄水容量为W₀，相对应的纵坐标

当PE+A<WMM时，则产流量R为：

当PE+A≥WMM时，则产流量R为：R＝PE-WM+W₀。

本实施例中的水源划分计算包括如下步骤：

将产流计算得出的产流量R，先设置模拟的自由水蓄水库S，产流量R先进入自由水蓄水库S再进行划分；该自由水蓄水库S中有两个出口，一个出口形成壤中流RSS，另一个出口形成地下径流RG，壤中流RSS和地下径流RG按线性水库规律出流；当自由水蓄水量S超过最大值SM时，超过部分成为地面径流RS；根据产流量R，计算地面径流RS、壤中流RSS、地下径流RG、产流面积f及产流面积f上的平均自由水蓄水容量S。

由于流域自由水蓄水容量在产流面积f上分配满足曲线：

式中S'为流域单点自由水蓄水容量；MS为流域单点最大的自由水蓄水容量；EX为流域自由水蓄水容量面积分配曲线指数；

故产流面积上的平均自由水蓄水容量为：

S相应的纵坐标AU为

式中S为流域在产流面积上的平均自由水蓄水容量；AU为对应的纵坐标；

计算地面径流RS、壤中流RSS、地下径流RG、产流面积f及产流面积f上的平均自由水蓄水容量S的公式如下：

f＝R/PE；

当PE+AU≥MS时，则

RS＝f(PE+S-S')；

RSS＝S'×KSS×f；

RG＝S'×KG×f；

S＝S'-(RSS+RG)/f；

当0＜PE+AU＜MS时，则

RSS＝KSS×f×(PE+S-RS/f)；

RG＝KG×f×(PE+S-RS/f)；

S＝S+PE-(RS+RSS+RG)/f；

式中KSS和KG分别为壤中流与地下径流的出流系数；地面径流RS、壤中流RSS和地下径流RG及产流面积f上的平均自由水蓄水容量S的单位均为毫米。

本实施例中的汇流计算包括如下步骤：

a.将流域划分为若干块大小适当的单元流域，划分的单元流域数不小于1，每块单元流域上的降雨均匀分布；

b.对划分好的每块单元流域分别进行产流计算、水源划分计算，得到每块单元流域的流量过程；

c.将每块单元流域的流量过程在全流域出口处进行线性叠加，即为全流域出口处的总流量。

本实施例中的模型参数的来源为5-10年间该流域的降水数据，实时数据的来源是遥测系统的监测数据，此外，输入实时数据前还运用抗差算法对遥测系统的检测数据进行处理。

本实施例中的抗差算法包括如下步骤：

a.输入降水数据样本数据集，集合中的元素相互独立；

_b.取权函数ω_i ⁽⁰⁾＝1用最小二乘法求系数，然后计算各点残差e_i ⁽⁰⁾；抗差算法中的权函数ω_i ⁽⁰⁾＝1的极值函数ρ满足以下条件：极值函数ρ为偶函数；极值函数ρ在(-∞,0)区间非增，在(0,∞)区间非降；极值函数ρ在(-∞，+∞)区间处处连续；

c.根据残差的取值范围，赋予各元素不同的权，然后按式重新计算系数，再重新计算各点残差e_i ⁽¹⁾；

d.选取精度控制指标ε，当|e_i ^(j+1)-e_i ^(j)|≤ε对所有的i均成立时，迭代结束，输出模型参数的取值，取值为集合中各元素与其权的乘积之和；否则，重复步骤c。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例说明。凡依据本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种小流域山洪预报方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：设置模型参数；包括初始蓄水容量W₀、流域平均蓄水容量WM、蓄水容量面积曲线指数B、流域自由水蓄水容量面积分配曲线指数EX、壤中流出流系数KSS、地下径流出流系数KG；

S2：输入实时数据；包括流域时段蒸发量E、流域时段降雨量P；

S3：进行产流计算、水源划分计算和汇流计算；产流计算步骤中的输入为所述S3中产流计算实时的输入为流域时段蒸发量E、流域时段降雨量P、初始蓄水容量W₀、流域平均蓄水容量WM和蓄水容量面积曲线指数B，输出为产流量R；水源划分计算步骤中的输入为产流量R、流域自由水蓄水容量面积分配曲线指数EX、壤中流出流系数KSS和地下径流出流系数KG，输出为计算地面径流RS、壤中流RSS和地下径流RG及产流面积f上的平均自由水蓄水容量S；汇流计算步骤中的输入为单元上的地面径流RS、壤中流RSS和地下径流RG，输出为全流域出口处的总流量；

S4：输出地上径流的流量数据和全流域出口处的总流量数据；判断输出的全流域出口处的总流量是否大于洪水预警阈值；若不大于洪水预警阈值，则不操作；若大于洪水预警阈值，则启动洪水预警方案。

2.根据权利要求1所述的小流域山洪预报方法，其特征在于，所述S1中模型参数的来源为5-10年间该流域的降水数据，所述S2中实时数据的来源是遥测系统的监测数据。

3.根据权利要求2所述的小流域山洪预报方法，其特征在于，所述S2中输入实时数据前，还对该实时数据运用抗差算法进行处理。

4.根据权利要求3所述的小流域山洪预报方法，其特征在于，所述抗差算法包括如下步骤：

a.输入样本数据集，集合中的元素相互独立；

b.取权函数ω_i ⁽⁰⁾＝1用最小二乘法求系数，然后计算各点残差e_i ⁽0⁾；

c.根据残差的取值范围，赋予各元素不同的权，然后按式重新计算系数，再重新计算各点残差e_i ⁽¹⁾；

d.选取精度控制指标ε，当|e_i ^(j+1)-e_i ^(j)|≤ε对所有的i均成立时，迭代结束，输出模型参数的取值，取值为集合中各元素与其权的乘积之和；否则，重复步骤c。

5.根据权利要求4所述的小流域山洪预报方法，其特征在于，所述抗差算法中的权函数ω_i ⁽⁰⁾＝1的极值函数ρ满足以下条件：所述极值函数ρ为偶函数；所述极值函数ρ在(-∞,0)区间非增，在(0,+∞)区间非降；所述极值函数ρ在(-∞，+∞)上处处连续。

6.根据权利要求1所述的小流域山洪预报方法，其特征在于，所述S3中产流计算包括如下步骤：

a.根据蓄满产流理论判断该流域是否产流；

b.产流降水量PE＝P-E；当PE＝P-E≤0时，不产流；

c.当PE＝P-E＞0时，判断土壤含水量是否达到饱和；若土壤含水量未达到饱和，则不产流；若土壤含水量达到饱和，则产流，计算产流量R。

7.根据权利要求6所述的小流域山洪预报方法，其特征在于，所述产流量R计算过程如下：

流域单点的蓄水量由曲线表征；

式中f为产流面积；F为全流域面积；W'为流域单点的蓄水量；WMM为流域单点最大蓄水量；B为蓄水容量面积曲线指数；

据此得到流域蓄水容量WM为：

流域初始蓄水容量为W₀，相对应的纵坐标

当PE+A<WMM时，则产流量R为：

当PE+A≥WMM时，则产流量R为：R＝PE-WM+W₀。

8.根据权利要求1所述的小流域山洪预报方法，其特征在于，所述S3中水源划分计算包括如下步骤：

将产流计算得出的产流量R，先设置模拟的自由水蓄水库S，产流量R先进入自由水蓄水库S再进行划分；该自由水蓄水库S中有两个出口，一个出口形成壤中流RSS，另一个出口形成地下径流RG，壤中流RSS和地下径流RG按线性水库规律出流；当自由水蓄水量S超过最大值SM时，超过部分成为地面径流RS；根据产流量R，计算地面径流RS、壤中流RSS、地下径流RG、产流面积f及产流面积f上的平均自由水蓄水容量S。

9.根据权利要求8所述的小流域山洪预报方法，其特征在于，所述根据产流量R，计算地面径流RS、壤中流RSS、地下径流RG、产流面积f及产流面积f上的平均自由水蓄水容量S的计算过程如下：

由于流域自由水蓄水容量在产流面积f上分配满足曲线：式中S'为流域单点自由水蓄水容量；MS为流域单点最大的自由水蓄水容量；

EX为流域自由水蓄水容量面积分配曲线指数；

故产流面积上的平均自由水蓄水容量为：

S相应的纵坐标AU为

式中S为流域自由水在产流面积上的平均自由水蓄水容量；AU为对应的纵坐标；

计算地面径流RS、壤中流RSS、地下径流RG、产流面积f及产流面积f上的平均自由水蓄水容量S的公式如下：

f＝R/PE；

当PE+AU≥MS时，则

RS＝f(PE+S-S')；

RSS＝S'×KSS×f；

RG＝S'×KG×f；

S＝S'-(RSS+RG)/f；

当0＜PE+AU＜MS时，则

RSS＝KSS×f×(PE+S-RS/f)；

RG＝KG×f×(PE+S-RS/f)；

S＝S+PE-(RS+RSS+RG)/f；

式中KSS和KG分别为壤中流与地下径流的出流系数；地面径流RS、壤中流RSS和地下径流RG及产流面积f上的平均自由水蓄水容量S的单位均为毫米。

10.根据权利要求1所述的小流域山洪预报方法，其特征在于，所述S3中汇流计算包括如下步骤：

a.将流域划分为若干块大小适当的单元流域，划分的单元流域数不小于1，每块单元流域上的降雨均匀分布；

b.对划分好的每块单元流域分别进行产流计算、水源划分计算，得到每块单元流域的流量过程；

c.将每块单元流域的流量过程在全流域出口处进行线性叠加，即为全流域出口处的总流量。