CN110847112A - 一种基于水力学模拟的河道泄洪预警方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水力学模拟的河道泄洪预警方法，涉及河道洪水演算及预警领域，由于水库泄水与河道天然流量过程存在明显差异，本发明在对河道构建一维水力学模型的基础上，根据模型模拟所得到的各断面水位序列，自动辨识提取水库泄水导致的洪水起涨时间、洪峰到达时间及对应的起涨水位、峰值水位。本发明适用于河道的水力学模拟和洪水传播时间、量级预测，具有通用性且操作简单易行，可以根据水工建筑的泄水计划或天然河道的水文预报演算洪水传播过程，为下游区域的防灾减灾提供预警信息。

Description

一种基于水力学模拟的河道泄洪预警方法

技术领域

本发明涉及河道洪水演算及预警领域，尤其涉及一种基于水力学模拟的河道泄洪预警方法。

背景技术

河道洪水演算是指通过构建河道水力学模型，输入洪水来临时河段的上下游流量(或水位)作为边界条件，对其中各个断面的流量、水位、水深等水力要素进行模拟。洪水预警是指根据计算模拟或以往经验，预估洪水的来临时间和量级，对保障沿河人类活动、生产生活极为重要。洪水演算和预警技术在水资源管理、水库调度、水利工程规划运行、防洪减灾等领域应用广泛。

对洪水预警而言，最重要的依据是待预警位置(即某一河道断面)的水位(或流量)随时间的变化过程，由于水位测量相对于流量测量更加直观、精确，下文中仅以水位为例说明预警方法。无论是由数值模拟还是实际测量得到的断面水位变化过程，都是“时间”与“水位”一一对应构成的二元序列。从这样的二元序列中通过合理方法提取洪水起涨和洪峰到达等特征时刻，进而读取对应的水位数值，就能够为下游防洪预警提供关于“洪水何时到达，涨到多高”的有效且量化的信息。

现有的洪水过程特征时间判定方法主要经验性的，往往采用将模拟等方法得出的“水位-时间”关系绘制为曲线，根据人工目测曲线转折点的方法判断洪水起涨、洪峰到达时刻。

现行方法存在的主要问题在于，一般情况下水位序列曲线是连续、光滑的，并不具有绝对的转折点，而只是在洪水起涨时水位上升速度较快，洪峰到达时水位上升速度趋缓。因此，基于人工经验判断的洪水起涨、洪峰到达时刻存在主观偏差，不同的人、甚至同一人不同次判断得出的结论可能不一致，缺乏精确、量化的判断标准，给判断结果带来了较大的偶然误差，使其可靠性降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于水力学模拟的河道泄洪预警方法，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：

一种基于水力学模拟的河道泄洪预警方法，主要包括如下步骤：

S1，收集河道的河床地形数据，根据人工泄水规划或水文预报确定洪水来临时河道上下游两端的边界条件；

S2，构建数值模型，开展模型计算，得到河道内洪水流量和水位的演进过程；

S3，对于需要研究的断面，基于上一步骤中计算的洪水演进过程信息，根据其位置插值得到其流量随时间的变化过程；

S4，根据断面流量的时间序列，自动判断洪水来临时该位置洪水起涨和洪峰到达的时间和量级，为下游防灾措施提供依据。

优选地，步骤S1中所述河床地形数据包括DEM高程数据，无人机高程数字影像和河床断面地形数据。

优选地，步骤S2中构建数值模型采用一维圣维南方程，计算圣维南方程数值的方法采用Pressiman四点差分隐格式进行圣维南方程数值计算；

以上各式中，M代表插值点的空间位置，f代表被插值的物理量，x代表空间坐标，θ代表插值系数，上标n代表时间步序号，下标j代表空间网格序号，Δx代表空间步长。

优选地，步骤S4中起涨时间判定规则是：连续若干个数据点上涨，且涨幅大于一定值，即视为洪水起涨。

优选地，步骤S4中，洪峰到达和离开时间判定规则是：

①首先确定水位最高值Z_max和起涨时水位Z_a，两者之差为涨幅A；

②涨幅乘以阈值比例μ得到最高水位下浮区间δ＝μA，从而得到浮动区间下限Z_pb＝Z_max-δ；

③当水位首次超过Z_pb，即视为洪峰到达。

优选地，步骤②中阈值比例μ为0.05～0.15。

优选地，所述方法还包括：

S5，收集被研究断面的历史实测水位数据序列，从数值模拟序列中与实测序列中分别提取起涨时间、洪峰到达时间，以二者差异最小为目标调整糙率参数，提高数值模型精确度。

本发明的有益效果是：

1)本发明采用计算机程序自动模拟并分析洪水演进趋势，并量化输出洪水起涨时刻、洪峰到达时刻。与人工判断方法比较，采用了确定的、量化的分析评判方法，避免了认为偶然因素，使得判断结果更加确定、可靠；

2)计算机程序运算具有自动高效的特点，分析单次洪水过程并绘制图像仅需数秒(因计算机性能而异)，大大提高了洪水分析的工作效率。

3)在水动力模型中，河道糙率参数往往并非定值，而是根据河段位置及洪峰量级有所变化。本发明为数值模拟的结果提供了简洁明确的量化指标，可以在数值模拟的基础上，将实测序列中提取出的起涨时间、洪峰到达时间等作为参照，进行河道糙率参数率定。

附图说明

图1是本发明提供的基于水力学模拟的河道泄洪预警方法流程图；

图2是本发明实施例1中的模拟泄水过程中洪水起涨图；

图3是本发明实施例1中的模拟泄水过程中洪峰到达图；

图4是本发明实施例1中的模拟泄水过程中洪峰离开图。

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。

实施例

本实施例提供了一种基于水力学模拟的河道泄洪预警方法，如图1所示，具体步骤如下：

步骤1，收集河道的河床地形数据，包括DEM高程数据，无人机高程数字影像，河床断面地形数据，根据人工泄水规划(例如根据上游水库闸门操作计划推求来流流量)或水文预报确定洪水来临时河道上下游两端的边界条件，构建河道水力学模型；

步骤2，利用现行方法——Pressiman四点差分隐格式进行圣维南方程数值计算，得到河道内洪水流量和水位的演进过程，Pressiman格式计算方程如下：

步骤3，对于需要研究的断面，基于步骤2中计算的洪水演进过程信息，根据其位置线性插值得到其流量(或水位)随时间的变化过程；

步骤4，根据断面流量(或水位)的时间序列，自动判断洪水来临时，该位置洪水起涨和洪峰到达的时间和量级，为下游防灾措施提供依据。起涨时间判定规则是：连续若干个数据点上涨，且涨幅大于一定值，即视为洪水起涨。洪峰到达和离开时间判定规则是：

①首先确定水位最高值Z_max和起涨时水位Z_a，两者之差为涨幅A。

②涨幅乘以阈值比例μ(一般取0.05～0.15)得到最高水位下浮区间δ＝μA，从而得到浮动区间下限Z_pb＝Z_max-δ。

③当水位首次超过Z_pb，即视为洪峰到达。

步骤5，从数值模拟序列中与实测序列中分别提取起涨时间、洪峰到达时间，以二者差异最小为目标调整糙率参数，提高数值模型精确度。

实施例1

本实施例中以A河流上的X水库下游120km河段(称为B河段)为实施例，按照图1所示方法进行河道洪水演进的水力学模拟和分析预警，以表现本发明达到的效果。

A河流流经中国青海省、四川省，最终汇入长江上游。全长1571千米，四川境内1357千米，流域面积13.6万平方千米，河口多年平均流量为1860立方米每秒。X水库位于A河流中下游，包括两级水电站，总装机容量840万kW，水库库容77.6亿立方米，坝址处多年平均流量约1220立方米每秒。建坝后，坝址下游B河段河水绝大部分来自人工泄水，需要通过水力学计算分析水库泄洪对下游人类生产生活的影响情况。基于本发明的模拟预警实施步骤如下：

步骤1，收集B河段的河床地形数据(包括DEM高程数据，无人机高程数字影像，河床断面地形数据等)，根据上游水库闸门操作计划推求来流流量，并选取三次典型泄水过程作为边界条件，构建河道水力学模型；

步骤2，利用Pressiman四点差分隐格式编制计算机程序，进行圣维南方程数值计算，得到河道内洪水流量和水位的演进过程。

步骤3，对于河段中某一断面，基于步骤2中计算的洪水演进过程信息，根据其位置线性插值得到其水位随时间的变化过程；

步骤4，根据断面水位的时间序列，结合前述判别规则编制计算机程序(连续3个数据点上涨，且涨幅大于10cm/h即视为洪水起涨；阈值比例μ＝0.05)，自动判断洪水来临时，该位置洪水起涨和洪峰到达的时间和量级，为下游防灾措施提供依据。

水力学模拟所得水位序列及分析所得的洪水起涨(Flood Arrival)，洪峰到达(Peak Arrival)及洪峰离开(Peak Leaving)时刻如图2、图3、图4所示。可见对于不同曲线形状的洪水过程，本发明提出的分析方法均能快速判别洪水起涨、洪峰到达和洪峰离开时间，判别结果符合水利工程常识和经验，具有高效性，易用性和可靠性。

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：

1)本发明采用计算机程序自动模拟并分析洪水演进趋势，并量化输出洪水起涨时刻、洪峰到达时刻。与人工判断方法比较，采用了确定的、量化的分析评判方法，避免了认为偶然因素，使得判断结果更加确定、可靠；

2)计算机程序运算具有自动高效的特点，分析单次洪水过程并绘制图像仅需数秒(因计算机性能而异)，大大提高了洪水分析的工作效率。

3)在水动力模型中，河道糙率参数往往并非定值，而是根据河段位置及洪峰量级有所变化。本发明为数值模拟的结果提供了简洁明确的量化指标，可以在数值模拟的基础上，将实测序列中提取出的起涨时间、洪峰到达时间等作为参照，进行河道糙率参数率定。

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 (7)

1.一种基于水力学模拟的河道泄洪预警方法，其特征在于，主要包括如下步骤：

S1，收集河道的河床地形数据，根据人工泄水规划或水文预报确定洪水来临时河道上下游两端的边界条件；

S2，构建数值模型，开展模型计算，得到河道内洪水流量和水位的演进过程；

S3，对于需要研究的断面，基于上一步骤中计算的洪水演进过程信息，根据其位置插值得到其流量随时间的变化过程；

S4，根据断面流量的时间序列，自动判断洪水来临时该位置洪水起涨和洪峰到达的时间和量级，为下游防灾措施提供依据。

2.根据权利要求1所述的基于水力学模拟的河道泄洪预警方法，其特征在于，步骤S1中所述河床地形数据包括DEM高程数据，无人机高程数字影像和河床断面地形数据。

3.根据权利要求1所述的基于水力学模拟的河道泄洪预警方法，其特征在于，步骤S2中构建数值模型采用一维圣维南方程，计算圣维南方程数值的方法采用Pressiman四点差分隐格式进行圣维南方程数值计算；

以上各式中，M代表插值点的空间位置，f代表被插值的物理量，x代表空间坐标，θ代表插值系数，上标n代表时间步序号，下标j代表空间网格序号，Δx代表空间步长。

4.根据权利要求1所述的基于水力学模拟的河道泄洪预警方法，其特征在于，步骤S4中起涨时间判定规则是：连续若干个数据点上涨，且涨幅大于一定值，即视为洪水起涨。

5.根据权利要求4所述的基于水力学模拟的河道泄洪预警方法，其特征在于，步骤S4中，洪峰到达和离开时间判定规则是：

①首先确定水位最高值Z_max和起涨时水位Z_a，两者之差为涨幅A；

②涨幅乘以阈值比例μ得到最高水位下浮区间δ＝μA，从而得到浮动区间下限Z_pb＝Z_max-δ；

③当水位首次超过Z_pb，即视为洪峰到达。

6.根据权利要求5所述的基于水力学模拟的河道泄洪预警方法，其特征在于，步骤②中阈值比例μ为0.05～0.15。

7.根据权利要求1所述的基于水力学模拟的河道泄洪预警方法，其特征在于，所述方法还包括：

S5，收集被研究断面的历史实测水位数据序列，从数值模拟序列中与实测序列中分别提取起涨时间、洪峰到达时间，以二者差异最小为目标调整糙率参数，提高数值模型精确度。

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