CN110428586A - 基于前期降雨和上下游拓扑关系的农村基层洪涝预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于农村基层防汛预报预警技术领域，提供一种基于前期降雨和上下游拓扑关系的农村基层洪涝预警方法。本方法重点考虑每场降雨过后流域抵御洪灾能力的变化，并分析流域内上下游间的灾害传递关系及累积效应；进而动态分析研究区域的危险情况，实现考虑多因素的雨量预警。本发明首先，根据地理位置建立雨量站与乡镇间的关联关系，乡镇根据所关联的雨量站降雨值进行洪涝预警，其次，虑前期降雨的影响对实测降雨进行一次校正，最后，考虑上下游拓扑关系的影响，对实测降雨进行二次校正。本发明综合考虑了前期影响雨量和上下游拓扑关系的影响，提高了农村基层洪涝预警精确度，极大地减轻了预警不准确问题，为基层防汛提供了兼具科学性和实用性的预警信息，以辅佐基层防汛机构决策。

Description

基于前期降雨和上下游拓扑关系的农村基层洪涝预警方法

技术领域

本发明属于农村基层防汛预报预警技术领域，涉及一种基于前期降雨和上下游拓扑关系 的农村洪涝分级预警方法。

背景技术

近年来，通过国家防汛抗旱指挥系统、山洪灾害防治、中小河流水文监测等项目建设， 我国大江大河、中小河流部分地区防汛预报预警能力显著提高。防汛预报预警措施主要集中 在山洪灾害频繁发生的山丘区，使得项目建设区的防汛预报预警能力显著增强。与此相对， 位于平原区的农村基层地区存在自动监测站点少、历史和实时数据获取与共享受限；监测预 警平台不完善、监测预警能力不足；预警及群测群防设施设备短缺、主动预警及防御能力低 下的问题，成为防汛预报预警建设的薄弱地区。因此对于普遍缺乏长系列历史实测资料的农 村地区，如何基于现有监测站点与资料进行洪水预报预警是基层防汛中面临的一个突出问题。

由于能够被大众普遍理解和接受且较为实用化，更重要的则是出于延长预见期的考虑， 临界雨量法已成为国内基层预警运用的最为广泛的一种预警方法。一般通过比较预报降雨量 与临界雨量，预测灾害发生与否及其严重程度，并据此发布警报信息。目前国内相关研究成 果和文献大多针对临界雨量阈值的理论推求，而由于受资料限制，实际中往往是通过统计归 纳法推求针对整个流域的静态临界雨量的阈值。判别方法是当流域内的某雨量站累计实测降 雨大于该阈值时，即对该雨量站关联的区域进行预警。由于此阈值的计算基于流域基本蓄满 状态，未考虑前期降雨影响，也未能体现出区域特征，导致空报漏报情况较为严重。本发明 成果着眼于农村基层防汛问题，依托辽宁省2018年度农村基层防汛预报预警体系二期工程建 设项目支持，在预警技术中综合考虑了前期降雨和上下游拓扑关系的影响，兼顾实用化与精 细化。本成果为我国农村基层防汛预警预报提供了重要借鉴。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于前期降雨和上下游拓扑关系的农村洪涝 预警方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于前期降雨和上下游拓扑关系的农村基层洪涝预警方法，该方法所需的数据为： 实时降雨信息、历史降雨信息、水文局所提供的两级预警指标——危险雨量T₁和警戒雨量T₂ (其对应的预警等级分别为立即转移和准备转移)、雨量站上下游拓扑关系。本方法重点考虑 每场降雨过后流域抵御洪灾能力的变化，并分析流域内上下游间的灾害传递关系及累积效应。 进而动态分析研究区域的危险情况，实现考虑多因素的雨量预警。具体包括以下步骤：

第一步，雨量站与预警对象关联分析

在实际防洪过程中，雨量站实测降雨是判断是否预警的根本。雨量站的预警对象为控制 范围内的乡镇，因此需根据两者的地理位置建立雨量站与乡镇间的关联关系。即乡镇根据所 关联的雨量站降雨值进行洪涝预警。以下第二、三步进一步阐述如何进行实测降雨校正。

第二步，考虑前期降雨的影响，对实测降雨进行一次校正

为考虑前期降雨对流域地域洪灾能力的影响，采用前期影响雨量指数P_a代表流域的土壤 含水量指标，反映流域的干湿程度。本步骤将基于P_a值大小对实测降雨进行第一次校正。

2.1)基于历史日降雨信息计算P_a值

前期影响雨量是反映一场雨之前流域土壤蓄水量饱和程度的一个指标，前期影响雨量越 大，流域土壤饱和度越高，则产生洪灾的临界雨量就会越小，反之则越大。前期影响雨量指 数P_a与前期降雨量大小和前次降雨与本次降雨的时间间隔相关，为反映上述两个因素的影响， 采用下式(1)～(6)日模型经验递推公式计算。

如前一时段无雨，即P＝0，则：

P_a,t＝kP_a,t-1 (1)

如前一时段有雨，即P_t-1＞0时，但未产流，则：

P_a,t＝k(P_a,t-1+P_t-1) (2)

如前一时段有雨且产流R_t-1，则：

P_a,t＝k(P_a,t-1+P_t-1-R_t-1) (3)

式中：P_a，t-1、P_a，t分别为前一个时段和本时段的前期影响雨量；P_t-1为前一个时段降雨量； k为土壤含水量衰减系数，计算公式如下：

式中：为月平均蒸发能力；I_m为流域最大蓄水量(或最大初损值)，可看做流域十分干 旱情况下降雨产流过程中的最大损失。由于前期降雨量的产流量相对较小，对前期影响雨量 的计算影响不大，当忽略其产流量时，P_a按公式(5)连续计算式计算，即：

将公式(5)各行逐一代入得到：

P_a,t＝KP_t-1+K²P_t-2+...+Kⁿ(P_a,t-n+P_t-n) (6)

其中，公式(6)为向前倒数n天的一次计算式，一般从久旱无雨(P_a初始值＝0)开始。计 算中需要以I_m对P_a计算值进行控制。当计算的P_a＜I_m时，P_a即为所求的前期影响雨量指数； 但当计算的P_a≥I_m时，则以I_m作为P_a值，即认为，此后的降雨量P不再补充损失量，全部形 成径流R。通常情况I_m≈60～120mm。

2.2)基于P_a对实测降雨进行一次校正

根据前期影响雨量指数P_a和流域最大蓄水量I_m，可对实测降雨量P进行校正，得到考虑 前期影响雨量的降雨P₁，原则如下式(7)-(8)所示：

P₁＝K₁P (7)

式中：I_m为流域最大蓄水量，通过选择久旱不雨后一场降雨量大且达到全流域产流的资料进 行水量平衡计算得到；P为实测降雨；K₁为小于等于1的降雨折减系数，根据(8)确定其值 的大小；a为小于1的流域蓄满程度系数；b，c为不同前期影响雨量指数P_a下的降雨折减系 数区间值，参数由流域暴雨径流特性决定：选取近年来的典型洪水和采取静态降雨阈值后的 预警效果，分析空报情况下P_a和该流域I_m的关系，参数的设置应能使所确定的降雨折减系数 最大限度减少空报。

第三步，考虑上下游拓扑关系的影响，对实测降雨进行二次校正

为考虑上游灾情对研究区域的影响，本发明利用DEM提取区域河网信息、进行子流域 划分，在此基础上建立能完整反映流域水文地貌要素拓扑关系。通过考虑上游降雨对研究雨 量站及其预警对象的灾害传递效应，对第二步得到的P₁进行二次校正。

实际计算中，根据上下游拓扑结构和雨量站所处子流域位置先对雨量站进行分级，1代 表该站上游无雨量站，2代表该站上游有一级雨量站，3代表该站上游有2级雨量站(根据实 际情况仅考虑2级上游雨量站影响)。当上游无雨量站或上游实测降雨低于警戒雨量，将不进 行二次校正，直接基于P₁与临界雨量阈值大小进行预警。反之，当上游雨量站超过临界雨量 阈值时，通过公式(9)对P₁进行二次校正，得到综合考虑前期降雨和上下游拓扑关系的校 正雨量P₂，最终基于P₂与临界雨量阈值大小进行预警：超过危险雨量发布立即转移预警，超 过警戒雨量低于危险雨量发布准备转移预警，反之安全。

P₂＝K₂P₁ (9)

式中：K₂为大于等于1的降雨校正系数。K₂值的大小取决于上游超过雨量阈值雨量站的级数、 数目、程度，按照公式(10)和表1进行取值计算。

式中：N代表上游超过阈值雨量站的数目，S代表上游超过阈值的雨量站的级数，E代表上游 超过阈值雨量站的程度。

表1降雨校正系数K₂计算取值表

与现有技术相比，本发明的有益效果为：由于原有的静态预警指标的计算基于汛期连续 降雨后流域基本蓄满状态，即此时流域蓄水容量可能基本达到饱和、河道流量基本达到行洪 能力、蓄水工程基本蓄满，与部分洪水实际的前期情况不符。此外于河道产汇流及演进作用， 上游发生强降雨，下游虽然降雨强度未达预警指标，也有可能产生洪涝灾害，现有预警没有 考虑这一点。经分析上述两个问题易导致实际中出现空报漏报问题。本发明综合考虑了前期 影响雨量和上下游拓扑关系的影响，提高了农村基层洪涝预警精确度，极大地减轻了预警不 准确问题，为基层防汛提供了兼具科学性和实用性的预警信息，以辅佐基层防汛机构决策。

附图说明

图1是本发明上下游拓扑关系意图；

图2是本发明预警模型总体计算思路框架；

图3是本发明实施方案康平县雨量站拓扑结构图；

具体实施方式

本发明在现有静态临界雨量的基础上，提出了一种基于前期降雨和上下游拓扑关系。

下面通过实施例，并结合附图，对本发明做进一步说明。

康平县隶属辽宁省沈阳市，地处辽河流域，北纬42°31ˊ至43°02′，东经122°45′至123°37′ 之间，区域面积2175km²，户籍人口34.91万人，辖12个乡镇、1个新城区、1个开发区。 康平县地处辽河流域，属北温带大陆气候，年平均气温6.9℃。康平县有辽河，在康平境内长 度为527km，流域面积89.2km²。除辽河外，有另外7条属辽河水系，7条河流为公河、蚂螂河、东马莲河、八家子河、西马莲河、李家河、利民河。以该区为实例进行农村基层洪涝 预警研究，具体步骤如下：

(1)雨量站与预警对象关联分析

根据康平县各雨量站地理位置，建立了各雨量站与控制乡镇的关联关系，结果如下：

表2雨量站与乡镇关联表

第二步，考虑前期降雨的影响对实测降雨进行一次校正

由于康平县历史长系列资料较为充足，考虑汛期集中在7-8月，可基于当年4月1日起 始的实测降雨计算前期影响雨量指数P_a。康平县流域最大蓄水量I_m为流域最大蓄水量(或最 大初损值)，可看做流域十分干旱情况下降雨产流过程中的最大损失，基于历史实测降雨径流 数据判断出I_m＝93mm。基于此可对实测累计降雨量P进行校正，校正原则如上式(7)-(8) 所示，根据前期预警效果，流域蓄满程度系数a取0.75，降雨折减系数区间值b取0.85，c 取0.80，根据基层防汛工作者决策对风险的把握，对于公式(8)中的参数降雨折减系数K₁分别取1.0、0.90、0.80。

第三步，考虑上下游拓扑关系的影响对实测降雨进行二次校正

实际预警分析中，根据上下游拓扑结构和雨量站所处子流域位置先对雨量站进行分级。 如表3所示，其中东关街道站、方家屯镇政府站、沙金台蒙古族满族乡政府站、郝官屯镇政 府站、东升满族蒙古族乡政府站、张强镇政府站、二牛所口镇政府站、二牛所口镇政府站、 小城子镇九年一贯制小学这个8个站上游无雨量站，无需进行拓扑关系校正，直接根据第一 步前期影响雨量影响校正后的降雨量进行预警分析即可。西关屯蒙古族满族乡政府站和柳树 屯蒙古族满族乡政府站上游有一级雨量站，需要根据上游雨量站超过危险雨量或警戒雨量情 况来调整下游是否需要进行预警。对于西关屯蒙古族满族乡政府站，上游有方家屯镇政府站 和东升满族蒙古族乡政府站两个站，且两个站处于同一级别。如果这两个站中任一个站的实 测雨量值超过预警雨量，得到校正后降雨为P₂＝K₂P₁，K₂＝SE＝1.05E，E值大小与实测降雨超 阈值程度相关，按照表1确定；如果这两个站的实测雨量值都超过预警雨量，得到校正后降 雨为P₂＝K₂P₁，K₂＝S²E²≈1.1E²，E值大小与实测降雨超阈值程度相关，按照表1确定；否则不 进行校正。

表3康平县雨量站拓扑结构关系

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围 的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做 出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于前期降雨和上下游拓扑关系的农村基层洪涝预警方法，该方法所需的数据为：实时降雨信息、历史降雨信息、水文局所提供的两级预警指标——危险雨量T₁和警戒雨量T₂、雨量站上下游拓扑关系；该方法重点考虑每场降雨过后流域抵御洪灾能力的变化，并分析流域内上下游间的灾害传递关系及累积效应,进而动态分析研究区域的危险情况，实现考虑多因素的雨量预警；其特征在于，所述的农村基层洪涝预警方法包括以下步骤：

第一步，雨量站与预警对象关联分析

根据地理位置建立雨量站与乡镇间的关联关系，乡镇根据所关联的雨量站降雨值进行洪涝预警，并采用第二、三步进行实测降雨校正；

第二步，考虑前期降雨的影响，对实测降雨进行一次校正

为考虑前期降雨对流域地域洪灾能力的影响，采用前期影响雨量指数P_a代表流域的土壤含水量指标，反映流域的干湿程度；基于P_a值大小对实测降雨进行第一次校正；

2.1)基于历史日降雨信息计算P_a值

前期影响雨量指数P_a与前期降雨量大小和前次降雨与本次降雨的时间间隔相关，为反映上述两个因素的影响，采用下式(1)～(6)日模型经验递推公式计算P_a值；

2.2)基于P_a对实测降雨进行一次校正

根据前期影响雨量指数P_a和流域最大蓄水量I_m，对实测降雨量P进行校正，得到考虑前期影响雨量的降雨P₁，如下式(7)-(8)所示：

P₁＝K₁P (7)

式中：I_m为流域最大蓄水量，通过选择久旱不雨后一场降雨量大且达到全流域产流的资料进行水量平衡计算得到；P为实测降雨；K₁为小于等于1的降雨折减系数，根据(8)确定其值的大小；a为小于1的流域蓄满程度系数；b，c为不同前期影响雨量指数P_a下的降雨折减系数区间值，参数由流域暴雨径流特性决定：选取近年来的典型洪水和采取静态降雨阈值后的预警效果，分析空报情况下P_a和该流域I_m的关系，参数的设置应能使所确定的降雨折减系数最大限度减少空报；

第三步，考虑上下游拓扑关系的影响，对实测降雨进行二次校正

为考虑上游灾情对研究区域的影响，利用DEM提取区域河网信息、进行子流域划分，在此基础上建立能完整反映流域水文地貌要素拓扑关系；通过考虑上游降雨对研究雨量站及其预警对象的灾害传递效应，对第二步得到的P₁进行二次校正；

实际计算中，根据上下游拓扑结构和雨量站所处子流域位置先对雨量站进行分级，1代表该站上游无雨量站，2代表该站上游有一级雨量站，3代表该站上游有2级雨量站，且根据实际情况仅考虑2级上游雨量站影响；当上游无雨量站或上游实测降雨低于警戒雨量，将不进行二次校正，直接基于P₁与临界雨量阈值大小进行预警；反之，当上游雨量站超过临界雨量阈值时，通过公式(9)对P₁进行二次校正，得到综合考虑前期降雨和上下游拓扑关系的校正雨量P₂，最终基于P₂与临界雨量阈值大小进行预警：超过危险雨量发布立即转移预警，超过警戒雨量低于危险雨量发布准备转移预警，反之安全；

P₂＝K₂P₁ (9)

式中：K₂为大于等于1的降雨校正系数；K₂值的大小取决于上游超过雨量阈值雨量站的级数、数目、程度，按照公式(10)和表1进行取值计算；

式中：N代表上游超过阈值雨量站的数目，S代表上游超过阈值的雨量站的级数，E代表上游超过阈值雨量站的程度；

表1降雨校正系数K₂计算取值表

2.根据权利要求1所述的一种基于前期降雨和上下游拓扑关系的农村基层洪涝预警方法，其特征在于，所述的步骤2.1)中采用下式(1)～(6)日模型经验递推公式计算P_a值，具体为：如前一时段无雨，即P＝0，则：

P_a,t＝kP_a,t-1 (1)

如前一时段有雨，即P_t-1＞0时，但未产流，则：

P_a,t＝k(P_a,t-1+P_t-1) (2)

如前一时段有雨且产流R_t-1，则：

P_a,t＝k(P_a,t-1+P_t-1-R_t-1) (3)

式中：P_a，t-1、P_a，t分别为前一个时段和本时段的前期影响雨量；P_t-1为前一个时段降雨量；k为土壤含水量衰减系数，计算公式如下：

式中：为月平均蒸发能力；I_m为流域最大蓄水量或最大初损值；由于前期降雨量的产流量相对较小，对前期影响雨量的计算影响不大，当忽略其产流量时，P_a按公式(5)连续计算式计算，即：

由公式(5)得到：

P_a,t＝KP_t-1+K²P_t-2+...+Kⁿ(P_a,t-n+P_t-n) (6)

其中，公式(6)为向前倒数n天的一次计算式，从久旱无雨即P_a初始值＝0开始；计算中需要以I_m对P_a计算值进行控制；当计算的P_a＜I_m时，P_a即为所求的前期影响雨量指数；但当计算的P_a≥I_m时，以I_m作为P_a值，此后降雨量P不再补充损失量，全部形成径流R。

3.根据权利要求2所述的一种基于前期降雨和上下游拓扑关系的农村基层洪涝预警方法，其特征在于，所述的步骤2.1)中I_m为60～120mm。