CN109887241A - 一种山洪灾害气象预警计算方法及系统 - Google Patents

一种山洪灾害气象预警计算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种山洪灾害气象预警计算方法及系统，属于山洪灾害研究技术领域，所述山洪气象预警计算方法包括步骤：步骤1，收集研究区域内雨量站点的前期降雨数据；步骤2，判断研究区域内的土壤含水量情况，将土层湿润程度分为干旱、一般、较湿，三个级别；步骤3，采用综合因子确定法计算研究区域内的降雨扣损值；步骤4，收集预报降雨数据；步骤5，根据降雨扣损值及预报降雨数据，计算研究区域内的净雨量值；步骤6，构建山洪灾害气象预警模型；步骤7，利用山洪灾害气象预警模型估算预警区域。

Description

一种山洪灾害气象预警计算方法及系统
技术领域
本发明属于山洪灾害研究技术领域，具体涉及一种山洪灾害气象预警计算方法及系统。
背景技术
我国山区山洪现象十分普遍，常造成人民生命财产的重大损失。目前，我国在山洪灾害重点防治区内初步建立以监测、通信、预报设施等非工程措施，与工程措施相结合的防灾减灾体系，从而保护山丘区的城镇和重要经济建设工程，保障资源开发及人民生命财产安全，减轻山洪灾害。而中国大部分山区主要以暴雨型山洪为主，其具有突发性强，影响范围大，可能造成的受灾人数多等特点。因此山洪灾害的预警措施对于提前转移可能受灾的人员，减少人民生命财产损失具有重要作用。
针对不同地域条件，国际上已经开发和建立了不同的经验或数学模型，对山洪形成和演化过程进行模拟和预测，确定山洪的影响范围和规模。
常用的预警方法包括经验性的统计方法(如历史山洪事件统计分析法；暴雨临界曲线法等)、分布式流域水文模型法、水动力模型法等。一般是采用历史洪水资料或历史山洪事件，建立山洪模型，根据实测降雨资料与历史山洪的符合程度，估计山洪的规模和影响范围。模型多采用历史成果构建，具有静态性，不满足降雨过程的随机性和不确定性，易与实际降雨过程产生较大出入。
发明内容
本发明目的是利用气象模型大尺度降雨模拟精度较高，误差较小的特点，将大尺度气象模型与山洪灾害预警模型集成。根据气象模型模拟降水的成果，考虑雨量站点前期降水影响，结合山洪的形成过程，估算山洪灾害发生的可能性及范围，从而提供一种山洪灾害气象预警计算方法及系统。
本发明目的之一是提供一种山洪气象预警计算方法，其技术方案包括以下步骤：
步骤1，收集研究区域内雨量站点的前期降雨数据；
步骤2，判断研究区域内的土壤含水量情况，将土层湿润程度分为干旱、一般、较湿，三个级别；
步骤3，采用综合因子确定法计算研究区域内的降雨扣损值；
步骤4，收集预报降雨数据；
步骤5，根据降雨扣损值及预报降雨数据，计算研究区域内的净雨量值；
步骤6，构建山洪灾害气象预警模型；
步骤7，利用山洪灾害气象预警模型估算预警区域。
前述的一种山洪灾害气象预警计算方法，其特征在于，所述步骤1中收集研究区域内雨量站点的前期降雨数据，具体包括以下步骤：
步骤1.1，收集研究区域内雨量站点信息；
步骤1.2，采用连续24小时有无降雨的原则，计算前期雨量。即根据雨量站监测信息，在预警时段前如有降雨则计入该站点的前期降雨量，直到站点连续24小时无降雨量值；从而确定前期降雨过程，计算前期降雨雨量Pa。
前述的一种山洪灾害气象预警计算方法，其特征在于，所述步骤2中判断研究区域内的土壤含水量情况，将土层湿润程度分为干旱、一般、较湿，三个级别，具体包括以下步骤：
步骤2.1，根据研究区域内的各流域实际情况，采用流域最大蓄水量估算法确定各流域的最大蓄水量Wm；其中Wm＝P-R-E，式中，P为流域平均降雨量(mm)，R为P产生的总径流深(mm)；E为雨期蒸发量(mm)；
步骤2.2，根据前期降雨量Pa与各流域的最大蓄水量Wm之间的关系，判断研究区域内的土壤含水量情况，分为干旱(Pa≤0.5Wm)、一般(0.5Wm＜Pa≤0.8Wm)、较湿(Pa＞0.8Wm)三个级别。
前述的一种山洪灾害气象预警计算方法，其特征在于，所述步骤3中采用综合因子确定法计算研究区域内的降雨扣损值，具体包括以下步骤：
步骤3.1，确定研究区域内的土壤类型特征、植被覆盖状况、前期土壤干湿情况以及降雨强度等信息；
步骤3.2，采用综合因子确定法，按公式μ＝L×I r计算各流域山洪过程中的降雨扣损值，得到降雨扣损栅格。式中字母含义如下：
μ—入渗率(mm/h)；
I—降雨强度(mm/h)；
L—损失系数(—)；
r—地区特性指数(—)；
参数的取值可参考下表。
表1土壤损失参数值表
前述的一种山洪灾害气象预警计算方法，其特征在于，所述步骤4中收集预报降雨数据，具体包括以下步骤：
步骤4.1，收集气象部门提供的预报降水成果；
步骤4.2，提取预报降水时段信息，得到预报降雨栅格。
前述的一种山洪灾害气象预警计算方法，其特征在于，所述步骤5中根据降雨扣损值及预报降雨数据，计算研究区域内的净雨量值，具体包括以下步骤：
步骤5.1，将预报降雨栅格与降雨扣损栅格，逐栅格做减法，得到净雨量栅格；
步骤5.2，对净雨量栅格进行后处理：对于净雨量小于零的栅格，定义为零，即不产生净雨。
前述的一种山洪灾害气象预警计算方法，其特征在于，所述步骤6中构建山洪灾害气象预警模型，具体包括以下步骤：
步骤6.1，计算研究区域内防灾对象的临界雨量值，作为山洪灾害气象预警模型中的雨量预警指标模块；
步骤6.2，确定预警等级标准。根据净雨量与预警指标的差值，可划分为“可能发生、可能性较大、可能性很大”三个山洪灾害气象预警等级。
前述的一种山洪灾害气象预警计算方法，其特征在于，所述步骤7中利用山洪灾害气象预警模型估算预警区域，具体包括以下步骤：
步骤7.1，利用山洪灾害气象预警模型，得到研究区域内各栅格的净雨量与预警指标的差值；
步骤7.2，根据山洪灾害气象预警等级标准，估算“可能发生、可能性较大、可能性很大”三个山洪灾害气象预警等级预警区域；
步骤7.3，根据预警区域成果，绘制山洪灾害气象预警区域分布图。
本发明目的之二是提供一种山洪气象预警计算系统，包括：
数据收集模块，收集研究区域内雨量站点的前期降雨数据；
判断分级模块，判断研究区域内的土壤含水量情况，将土层湿润程度分为干旱、一般、较湿，三个级别；
模块A，采用综合因子确定法计算研究区域内的降雨扣损值；
模块B，收集预报降雨数据；
模块C，根据降雨扣损值及预报降雨数据，计算研究区域内的净雨量值；
模块D，构建山洪灾害气象预警模型；
模块E，利用山洪灾害气象预警模型估算预警区域。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种山洪灾害气象预警计算方法。其将大尺度气象模型模拟的未来降水成果与山洪灾害预警模型集成，通考虑预报降雨强度、地形条件、前期土壤干湿状况等因素，构建山洪灾害气象预警模型，可以根据气象预报的动态降水成果及前期降雨成果，快速判断研究区域内山洪灾害发生的可能性及预警范围，通过提前发布预警信息，可以预先转移可能的受灾人口，减少洪灾造成的人员财产损失。
附图说明
图1为本发明的计算流程示意图。
图2为实例中所计算的净雨量分布图。
图3为实例中所绘制的山洪灾害气象预警区域分布图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的一种山洪灾害气象预警计算方法，收集研究区域内雨量站点的前期降雨资料；根据前期降雨、蓄水量等情况判断研究区域内的土壤含水量情况；采用综合因子确定法计算降雨扣损值；收集气象预报降雨数据；根据降雨扣损值和预报降雨数据计算净雨量值；根据净雨量值和预警指标构建山洪气象预警模型；利用模型估算山洪气象预警区域。通过集成气象预报成果与山洪预报模型，考虑了前期影响雨量，土壤含水量等因素。
包括以下步骤：
步骤1，收集研究区域内雨量站点的前期降雨数据；
步骤1.1，收集研究区域内雨量站点信息；
步骤1.2，采用连续24小时有无降雨的原则，计算前期雨量。即根据雨量站监测信息，在预警时段前如有降雨则计入该站点的前期降雨量，直到站点连续24小时无降雨量值；从而确定前期降雨过程，计算前期降雨雨量Pa。
步骤2，判断研究区域内的土壤含水量情况，分为干旱、一般、较湿，三个级别；
步骤2.1，根据研究区域内的各流域实际情况，采用流域最大蓄水量估算法确定各流域的最大蓄水量Wm；其中Wm＝P-R-E，式中，P为流域平均降雨量(mm)，R为P产生的总径流深(mm)；E为雨期蒸发量(mm)；
步骤2.2，根据前期降雨量Pa与各流域的最大蓄水量Wm之间的关系，判断研究区域内的土壤含水量情况，分为干旱(Pa≤0.5Wm)、一般(0.5Wm＜Pa≤0.8Wm)、较湿(Pa＞0.8Wm)三个级别。
步骤3，采用综合因子确定法计算研究区域内的降雨扣损值；
步骤3.1，确定研究区域内的土壤类型特征、植被覆盖状况、前期土壤干湿情况以及降雨强度等信息；
步骤3.2，采用综合因子确定法，按公式μ＝L×I r计算各流域山洪过程中的降雨扣损值，得到降雨扣损栅格。式中字母含义如下：
μ—入渗率(mm/h)；
I—降雨强度(mm/h)；
L—损失系数(—)；
r—地区特性指数(—)；
参数的取值可参考表1。
步骤4，收集预报降雨数据；
步骤4.1，收集气象部门提供的预报降水成果；
步骤4.2，提取预报降水时段信息，得到预报降雨栅格。
步骤5，根据降雨扣损值及预报降雨数据，计算研究区域内的净雨量值；
步骤5.1，将预报降雨栅格与降雨扣损栅格，逐栅格做减法，得到净雨量栅格；
步骤5.2，对净雨量栅格进行后处理：对于净雨量小于零的栅格，定义为零，即不产生净雨。
步骤6，构建山洪灾害气象预警模型；
步骤6.1，根据防灾对象的成灾水位及附近沟道的水位流量关系，计算研究区域内防灾对象的临界雨量值，作为山洪灾害气象预警模型中的雨量预警指标模块；
步骤6.2，确定预警等级标准。根据净雨量与预警指标的差值，可划分为“可能发生、可能性较大、可能性很大”三个山洪灾害气象预警等级。
步骤7，利用山洪灾害气象预警模型估算预警区域。
步骤7.1，利用山洪灾害气象预警模型，得到研究区域内各栅格的净雨量与预警指标的差值；
步骤7.2，根据山洪灾害气象预警等级标准，估算“可能发生、可能性较大、可能性很大”三个山洪灾害气象预警等级预警区域；
步骤7.3，根据预警区域成果，绘制山洪灾害气象预警区域分布图。
下面结合实施例对本发明做出进一步的详细说明。
以河北省山丘区为研究区，采用本发明中的方法步骤，估算某日的山丘区内山洪灾害发生的可能性及预警区域。本例的气象预报雨量数据和实测站点数据来源于河北省气象部门，具体包括如下步骤：
步骤1，收集研究区域内雨量站点的前期降雨数据；
步骤1.1，收集河北省山洪灾害防治区内的雨量站点前期降雨信息；
步骤1.2，采用连续24小时有无降雨的原则，计算前期雨量。即根据雨量站监测信息，在预警时段前如有降雨则计入该站点的前期降雨量，直到站点连续24小时无降雨量值；从而确定前期降雨过程，得到前期降雨雨量Pa。
步骤2，判断研究区域内的土壤含水量情况，将土层湿润程度分为干旱、一般、较湿，三个级别；
步骤2.1，根据河北省山丘区内各流域实际情况，采用流域最大蓄水量估算法确定各流域的最大蓄水量Wm；其中Wm＝P-R-E，式中，P为流域平均降雨量(mm)，R为P产生的总径流深(mm)；E为雨期蒸发量(mm)；
步骤2.2，根据前期降雨量Pa与各流域的最大蓄水量Wm之间的关系，判断研究区域内的土壤含水量情况，分为干旱(Pa≤0.5Wm)、一般(0.5Wm＜Pa≤0.8Wm)、较湿(Pa＞0.8Wm)三个级别。
步骤3，采用综合因子确定法计算研究区域内的降雨扣损值；
步骤3.1，根据表1中所述的土壤类型特征、植被覆盖状况、前期土壤干湿情况以及降雨强度等信息，河北省山丘区为燕山、太行山区，损失参数L及地区特性指数r按表2选取；
表2河北省山丘区土壤损失参数取值表
步骤3.2，采用综合因子确定法，按公式μ＝L×I r计算河北省山丘区山洪过程中的降雨扣损值，得到降雨扣损栅格。式中字母含义如下：
μ—入渗率(mm/h)；
I—降雨强度(mm/h)；
L—损失系数(—)；
r—地区特性指数(—)；
步骤4，收集某日未来24小时预报降雨数据；
步骤4.1，收集气象部门提供的未来24小时预报降水成果；
步骤4.2，检查预报降水成果数值是否合理，并提取预报降水时段信息，得到预报降雨栅格。
步骤5，根据降雨扣损值及预报降雨数据，计算河北省山丘区的净雨量值；
步骤5.1，将预报降雨栅格与降雨扣损栅格，逐栅格做减法，得到净雨量栅格；
步骤5.2，检查净雨量栅格数值是否合理，并对净雨量栅格进行后处理：对于净雨量小于零的栅格，定义为零，即不产生净雨，如图2。
步骤6，构建山洪灾害气象预警模型；
步骤6.1，收集并整理河北省山洪灾害非工程措施项目、山洪灾害调查评价项目中所计算的防灾对象的临界雨量值，作为山洪灾害气象预警模型中的雨量预警指标模块；
步骤6.2，确定预警等级标准。根据净雨量与预警指标的差值，可划分为“可能发生、可能性较大、可能性很大”三个山洪灾害气象预警等级。
步骤7，利用山洪灾害气象预警模型估算预警区域。
步骤7.1，利用山洪灾害气象预警模型，得到河北省山丘区内各栅格的净雨量与预警指标的差值；
步骤7.2，根据山洪灾害气象预警等级标准，估算“可能发生、可能性较大、可能性很大”三个山洪灾害气象预警等级预警区域；
步骤7.3，根据预警区域成果，绘制山洪灾害气象预警区域分布图，如图3。
一种山洪灾害气象预警计算系统，包括：
数据收集模块，收集研究区域内雨量站点的前期降雨数据；
判断分级模块，判断研究区域内的土壤含水量情况，将土层湿润程度分为干旱、一般、较湿，三个级别；
模块A，采用综合因子确定法计算研究区域内的降雨扣损值；
模块B，收集预报降雨数据；
模块C，根据降雨扣损值及预报降雨数据，计算研究区域内的净雨量值；
模块D，构建山洪灾害气象预警模型；
模块E，利用山洪灾害气象预警模型估算预警区域。
本实施例并非对本发明的形状、材料、结构等作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种山洪气象预警计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，收集研究区域内雨量站点的前期降雨数据；
步骤2，判断研究区域内的土壤含水量情况，将土层湿润程度分为干旱、一般、较湿，三个级别；
步骤3，采用综合因子确定法计算研究区域内的降雨扣损值；
步骤4，收集预报降雨数据；
步骤5，根据降雨扣损值及预报降雨数据，计算研究区域内的净雨量值；
步骤6，构建山洪灾害气象预警模型；
步骤7，利用山洪灾害气象预警模型估算预警区域。
2.根据权利要求1所述的山洪灾害气象预警计算方法，其特征在于，所述步骤1中收集研究区域内雨量站点的前期降雨数据，具体包括以下步骤：
步骤1.1，收集研究区域内雨量站点信息；
步骤1.2，采用连续24小时有无降雨的原则，计算前期雨量。即根据雨量站监测信息，在预警时段前如有降雨则计入该站点的前期降雨量，直到站点连续24小时无降雨量值；从而确定前期降雨过程，计算前期降雨雨量Pa。
3.根据权利要求2所述的山洪灾害气象预警计算方法，其特征在于，所述步骤2中判断研究区域内的土壤含水量情况，将土层湿润程度分为干旱、一般、较湿，三个级别，具体包括以下步骤：
步骤2.1，根据研究区域内的各流域实际情况，确定各流域的最大蓄水量Wm；
步骤2.2，根据前期降雨量Pa与各流域的最大蓄水量Wm之间的关系，判断研究区域内的土壤含水量情况，将土层湿润程度分为干旱、一般、较湿，三个级别。
4.根据权利要求3所述的山洪灾害气象预警计算方法，其特征在于，所述步骤3中采用综合因子确定法计算研究区域内的降雨扣损值，具体包括以下步骤：
步骤3.1，确定研究区域内的土壤类型特征、植被覆盖状况、前期土壤干湿情况以及降雨强度信息；
步骤3.2，采用综合因子确定法，按公式μ＝L×Ir计算各流域山洪过程中的降雨扣损值，得到降雨扣损栅格；其中：
μ为入渗率，单位是mm/h；
I为降雨强度，单位是mm/h；
L为损失系数；
r为地区特性指数。
5.根据权利要求4所述的山洪灾害气象预警计算方法，其特征在于，所述步骤4中收集预报降雨数据，具体包括以下步骤：
步骤4.1，收集气象部门提供的预报降水成果；
步骤4.2，提取预报降水时段信息，得到预报降雨栅格。
6.根据权利要求5所述的山洪灾害气象预警计算方法，其特征在于，所述步骤5中根据降雨扣损值及预报降雨数据，计算研究区域内的净雨量值，具体包括以下步骤：
步骤5.1，将预报降雨栅格与降雨扣损栅格，逐栅格做减法，得到净雨量栅格；
步骤5.2，对净雨量栅格进行后处理：对于净雨量小于零的栅格，定义为零，即不产生净雨。
7.根据权利要求6所述的山洪灾害气象预警计算方法，其特征在于，所述步骤6中构建山洪灾害气象预警模型，具体包括以下步骤：
步骤6.1，根据防灾对象的成灾水位及附近沟道的水位流量关系，计算研究区域内防灾对象的临界雨量值，作为山洪灾害气象预警模型中的雨量预警指标模块；
步骤6.2，确定预警等级标准。根据净雨量与预警指标的差值，可划分为“可能发生、可能性较大、可能性很大”三个山洪灾害气象预警等级。
8.根据权利要求7所述的山洪灾害气象预警计算方法，其特征在于，所述步骤7中利用山洪灾害气象预警模型估算预警区域，具体包括以下步骤：
步骤7.1，利用山洪灾害气象预警模型，得到研究区域内各栅格的净雨量与预警指标的差值；
步骤7.2，根据山洪灾害气象预警等级标准，估算“可能发生、可能性较大、可能性很大”三个山洪灾害气象预警等级预警区域；
步骤7.3，根据预警区域成果，绘制山洪灾害气象预警区域分布图。
9.一种山洪灾害气象预警计算系统，其特征在于：至少包括：
数据收集模块，收集研究区域内雨量站点的前期降雨数据；
判断分级模块，判断研究区域内的土壤含水量情况，将土层湿润程度分为干旱、一般、较湿，三个级别；
模块A，采用综合因子确定法计算研究区域内的降雨扣损值；
模块B，收集预报降雨数据；
模块C，根据降雨扣损值及预报降雨数据，计算研究区域内的净雨量值；
模块D，构建山洪灾害气象预警模型；
模块E，利用山洪灾害气象预警模型估算预警区域。
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