CN111428936A - 一种基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法，包括建立分布式水文模型，进行子流域划分，确定流域分布式水节点；对水节点流域进行天然径流还原计算，选择典型节点，基于熵权法改进Fisher最优分割法，划定汛期雨洪时段；开展水节点河段最小下泄水量计算；定义雨洪可利用性指标，构建基于水节点的流域雨洪可利用性指标测算原理及方法；对分布式水节点流域计算雨洪可利用性指标，绘制雨洪可利用性指标分布图等步骤。本发明考虑了各子流域间的水系连通关系，协调了下游河道汛期必要的生产、生活、生态环境需水，在合理安全的约束阈值条件下开展雨洪可利用性指标计算，获得的测算结果可充分反映流域现状雨洪利用水平及未来可挖掘空间。

Description

一种基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法

技术领域

本发明属于水文水资源分析研究领域，涉及流域水资源评价，尤其涉及一种基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法，适用于流域雨洪资源可利用量、雨洪资源利用潜力的测算和评估。

背景技术

自20世纪末以来，伴随人口、社会经济的快速增长，加之降水径流的时空分布差异，水资源供需矛盾日益激烈。为缓解水资源供需矛盾，世界各国在雨洪资源利用若干方面进行了探索和实践。我国亦对雨洪的认识开始从“防御”向“管理”转变，经历了理论开发、工程实践及效应评价三个研究阶段，旨在采取技术措施对雨洪进行有效调控和决策管理。由于我国国土面积辽阔，受区域气候条件差异限制及挖掘水资源潜力的需求驱动，雨洪资源利用模式与手段日益多样化。如以陕西、山西为代表的西部干旱半干旱区，常以雨水集流、节水灌溉等传统雨洪利用技术为主；以淮河流域为代表的华北湿润半湿润区，不仅利用水库、行蓄洪区，开展了“蓄、泄、补、灌、调、配”等雨洪利用模式，还将多余洪水回灌引蓄地下，提出雨洪资源与地下水联合调度技术，比如专利号为CN107916708A，专利名称为“雨洪资源利用方法”的发明专利就是对城市开发建设区域内的下切绿地、渗透性地面增深设施、地下集水设施降水所产生的径流采取集、蓄、渗后，用于家庭、绿地、洗车、生态非饮用水利用；南方湿润区则广泛结合水库、湖泊、坑塘等地表蓄水工程，通过洪水实时预报、动态汛限水位、水库群联合调度、水库预泄与河网联调等技术手段，最大限度的将汛期洪水转化为非汛期供水，从而实现洪水资源化。

在雨洪资源利用实践中，我国雨洪开发利用模式正日趋成熟，但其相应的可利用性评价理论还处于探索阶段。虽然不少学者提出雨洪可利用性分析方法，囊括洪水资源量、可利用量、利用潜力等相关概念，以指导区域雨洪资源有效利用。但由于研究目的、角度和研究区的差异，不仅概念有所不同，分析手段不系统，且分析对象多为单一流域，尚未协调考虑分布式子流域间的关联性，雨洪可利用量及潜力的评估体系还不够完整。如何对流域雨洪可利用量及潜力等可利用性指标进行系统化和有效性的测算，并绘制雨洪可利用性指标分布图，是流域雨洪资源利用实践的基础，也是有效指导并制定水资源管理适应性对策的基本依据。

发明内容

本发明针对传统雨洪资源可利用性评价分析对象多为单一流域，尚未协调考虑分布式子流域间的关联性，雨洪可利用量及潜力的评估体系还不够完整的问题，提出一种基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法。

为了达到目的，本发明提供的技术方案为：

本发明涉及一种基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法，包括以下步骤：

1)建立研究区分布式水文模型，进行子流域划分，根据流域水系格局并考虑雨洪利用的调控工程，确定流域分布式水节点；

2)利用分布式水文模型对研究区水节点流域进行天然径流还原计算，选择典型节点，基于熵权法改进Fisher最优分割法，并划定汛期雨洪时段；

3)以划定的汛期雨洪时段为基础，开展水节点河段最小下泄水量计算；

4)定义雨洪可利用性指标，构建基于水节点的流域雨洪可利用性指标测算原理及方法；

5)制定分布式协调计算原则，对分布式水节点流域计算雨洪可利用性指标，并结合ArcGIS绘图平台，绘制雨洪可利用性指标分布图。

优选地，所述步骤1)中建立研究区分布式水文模型的具体步骤包括：

1.1)依据研究区域地形地貌数据生成水系、划分子流域；

1.2)基于地形地貌、土地利用及土壤类型数据生成水文响应单元，从而建立具有物理机制的分布式SWAT水文模型结构；

1.3)采用LH-OAT敏感性分析技术进行重要敏感参数筛选；

1.4)通过SUFI-2算法进行敏感参数率定，从而获得满足计算要求的分布式水文模型。

优选地，所述步骤1)中确定流域分布式水节点的具体方法是：以流域分布式水文模型划分的子流域出口节点为基础，根据流域雨洪利用的调控工程及水文测站分布，筛选出即受调控工程影响，又具有历史实测水文资料的子流域出口断面，记为Gi，作为待测算的流域分布式水节点。

优选地，所述步骤2)中基于熵权法改进Fisher最优分割法，并划定汛期雨洪时段的具体步骤为：

2.1)设定已知水节点径流样本序列(X₁，X₂，…，X_i，…，X_n)，每个样本设m项指标，即Xi＝{x_i1，x_i2，…，x_ij，…，x_im}；

2.2)对样本进行归一化处理，并得到标准化举证X’，

2.3)计算各个指标所占比重大小，并进行加权平均后得到向量Y，

式中，ω_i为第j个指标的权重。以尽量消除人为干扰影响，采用耦合熵权法对权重ω_i进行改进；

2.4)根据信息熵定义和标准化矩阵X'，计算指标j的熵值H_j，

时，令

2.5)根据熵值H_j计算熵权ω'_j，

式中：

即可由熵权ω'_j计算得到向量Y；

2.6)根据最优分割原则，将n个样本划分k类，即{P₁,P₂,…,P_t,…,P_k}，k表示分类数，k≤n；其中

i₁,i₂,…,i_k表示分割点，则某一类均值

及P_t的类直径分别为：

式中，y_t为第t个分类中的样本值；i为第t个分类起点；s为t个分类终点；

2.7)定义目标函数B及非负斜率f(k):

当f(k)取最大时，目标函数最小，得到的k值为最优分类数，由分类数即可确定汛期雨洪时段。

优选地，所述步骤3)中开展水节点河段最小下泄水量计算包括生产生活、生态环境需水计算。

优选地，开展水节点河段最小下泄水量计算包括以下步骤：

3.1)采用统计调查法计算生产生活需水量，即统计调查水节点G_i至下一水节点G_i+1区间河段，汛期向流域外调水Q₁₁、农业灌溉需水Q₁₂、城镇居民需水Q₁₃、水产养殖需水Q₁₄、水力发电需水Q₁₅、航运需水Q₁₆，对各项生产、生活需水项分别统计求和，作为节点G_i在汛期的生产、生活必要需水量，记为Q₁；

3.2)采用Tennant法计算生态需水Q₂₁，即通过建立流量和栖息地质量之间的经验公式计算：

式中：Q₂₁为水节点生态需水量，m³/s；q_i为节点河段一年内第i月多年平均流量，m³/s；N_i为节点河段一年内第i月推荐生态基流百分比，取20％；

3.3)采用枯水频率法计算环境需水，即取90％保证率最枯连续7d的平均水量作为河流最小环境需水量；

3.4)采用生态需水Q₂₁与环境需水Q₂₂的外包取值确定生态环境需水量Q₂；

3.5)综合生产生活、生态环境需水量，得到水节点汛期最小下泄水量Q_b计算公式，

Q_b＝Q₁+max(Q₂₁，Q₂₂) (10)，

优选地，所述步骤4)中的雨洪可利用性指标包括雨洪资源量、雨洪利用量、雨洪可利用量、雨洪利用潜力及雨洪利用率。

优选地，所述步骤4)中的定义雨洪可利用性指标的步骤包括：

4.1)将全流域共划分为n个子流域，设定每个子流域对应的出口水节点为G_j(j＝1,2,…,n)，设定研究期为汛期T，共包含m个时段，每个时段代表一次雨洪过程，设定

分别代表每次雨洪过程的起止时刻，将第j个水节点在i时段(i＝1,2,…,m)的雨洪资源量记为

在i+1时段内的雨洪资源量记为

则定义汛期雨洪资源量

为：

式中：

为水节点流域j的汛期雨洪资源量，

为汛期i时段内t时刻流域天然产水量，

为汛期i时段内t时刻流域入境水量；

4.2)将雨洪利用量定义为在雨洪调控能力x下，通过雨洪调控作用，引起流域汛期水资源的蓄变量，包括水节点以上流域汛期用水量及向流域外调水量

式中：

表示调控能力x下水节点汛期下泄或出境水量；

若调控能力x取现状调控能力x₀，则

表示现状雨洪利用量，亦称现状雨洪利用能力。若

取水节点汛期实际下泄或出境水量

则

表示实际雨洪利用量，

4.3)将雨洪可利用量定义为在水节点流域雨洪调控能力x下，满足河道必要需水(即生产生活、生态环境用水)可被利用的雨洪量

式中：

为水节点流域汛期受调控能力x限制“不能够被利用”的雨洪量，

为水节点汛期最小下泄水量；

若x表示现状调控能力x₀，则流域雨洪现状可利用量：

若对x→+∞取极限，即随调控能力x→+∞，不能被利用的雨洪量

将成立，那么

此时为雨洪可利用极值量

4.4)将雨洪利用潜力定义为雨洪调控利用能力提高到x，满足河道必要需水条件下相比实际利用所增加的雨洪利用量

若

表明水节点以上流域存在过度开发现象，此时雨洪利用潜力为0；

若已知流域在现状调控能力x₀条件下“不能够被利用”的雨洪量，则定义现状雨洪利用潜力为

若流域雨洪调控工程趋于完善，即对x→+∞取极限，即“不能够被利用”水量

为0，则即

此时为雨洪利用极值潜力

4.5)定义雨洪利用率r_x为雨洪利用量与雨洪可利用极值量的比值，表征雨洪利用程度，如下式：

式中，

表示雨洪利用量；

表示雨洪可利用极值量。

优选地，所述步骤5)中计算雨洪可利用性指标的具体步骤为：

5.1)制定分布式协调计算原则，并根据水节点分布将全流域共划分n个子流域，自上游至下游依次编号为1,2,…,n，相应每个子流域对应的出口水节点为G_j(j＝1,2,…,n)，自上而下、逐片区、逐级协调计算各分区雨洪可利用性指标。

分布式协调计算原则包括：安全性原则：雨洪资源化利用是以保障防洪安全为前提条件，需协调考虑流域洪水特性和工程调控能力；系统性准则：综合考虑流域分布式水节点间的水力联系，从研究区出发，立足自上而下的系统性测算原则；协调性准则：充分考虑子流域雨洪利用方式、能力和目标差异，合理协调上下游河道内生产生活、生态环境基本用水需求，避免雨洪资源过度开发。

5.2)流域雨洪可利用性指标分布图绘制，根据流域分布式水节点所划分的子流域矢量图，利用ArcGIS绘图平台，根据计算的各分区雨洪可利用性指标值为代表，利用矢量属性绘图功能，绘制流域雨洪可利用性指标空间分布图。

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明建立基于物理机理的分布式水文模型，耦合流域分布式水系及雨洪利用工程，划分了研究分布式水节点，开展了研究区域节点天然径流还原计算；以此为基础，综合利用基于熵权法改进的Fisher最优分割法，研究划定了汛期雨洪过程起涨点，协同考虑了研究区各子流域间的水系连通关系。

(2)本发明系统全面的考虑了研究区水系河段汛期雨洪时段必要的生产、生活、生态环境需水要求，通过方法集成计算，提出分布式水节点最小下泄水量计算方法；同时基于研究区实际雨洪利用量，提出了现状雨洪利用能力计算手段，为雨洪资源可利用性指标测算提供阈值约束条件。

(3)本发明全面化的定义了雨洪资源量、雨洪利用量、雨洪可利用量及雨洪利用潜力等雨洪可利用性指标的概念、内涵，并系统构建了基于分布式水节点流域的雨洪资源可利用性指标测算原理、方法和计算流程；首次提出研究区各区间流域自上而下、逐片区、逐级计算的分布式协调计算原则，率先利用ArcGIS绘图平台，绘制流域雨洪可利用性指标空间分布图。

(4)本发明成果耦合了分布式水文模型、汛期洪水划分、最小下泄水量计算以及基本概念定义，首次系统化、详细化的构建了基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标的测算体系，协同兼顾了研究区各子流域间水系统关系，其理论方法进一步丰富了水资源可利用性评价体系。

附图说明

图1是基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法的流程图；

图2是子流域划分示意图；

图3是水文响应单元示意图；

图4是水文模型参数敏感性分析结果示意图；

图5是水文模型径流模拟验证结果示意图；

图6是流域雨洪资源量示意图；

图7是流域实际雨洪利用量示意图；

图8是流域现状雨洪利用能力示意图；

图9是流域现状雨洪可利用量示意图；

图10是流域雨洪可利用极值量示意图；

图11是流域现状雨洪利用潜力示意图；

图12是流域雨洪利用极值潜力示意图；

图13是流域雨洪利用率示意图。

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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明，本实施例以汉江流域为例。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

结合附图1所示，本发明涉及一种基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法，包括以下步骤：

1)建立研究区分布式水文模型，进行子流域划分，并根据流域水系格及考虑雨洪利用的调控工程，确定流域分布式水节点，其中，建立研究区分布式水文模型的具体步骤包括：

1.1)依据研究区域地形地貌数据，利用DEM数据，生成水系、划分子流域，依据地形数据生成研究区河网结构，包括河网水系、连接点、出水口、入水口等，根据实际情况调整河网水系、连接点，添加可能需要的另外出入水口或删除不需要的出入水口。在SWAT模型中设定子流域面积阈值，根据水力联系划分子流域，计算子流域相关的面积、比降、河长等几何参数，坡度、坡向等地形参数和水流路径，生成子流域报告，如图2所示；

1.2)载入水利工程数据、土地利用数据、土壤类型数据和坡度数据，设定归类阈值，将阈值内的坡度、土地利用覆被、土壤认定为同一类，同时具有相同类坡度、土地利用及土壤的单元为水文响应单元，是模型水文平衡计算的参照单元，基于地形地貌、土地利用及土壤类型数据生成水文响应单元，如图3所示，从而建立具有物理机制的分布式SWAT水文模型结构，输入数据后进行模型调试，创建模型数据库，包括模型配置文件、土壤数据、天气发生器数据、子流域数据、水文响应单元数据、河道数据、地下水数据、取用水数据、水库数据、流域数据，试运行模型；

1.3)采用LH-OAT(Latin Hypercube One-factor-at-a-time)敏感性分析技术，在众多模型参数中选出重要敏感参数，进行重要敏感参数筛选，首先将P个参数的原始范围分成N_par段，对其进行N_par次拉丁超立方抽样，通过扰动抽样点P次，计算敏感度，通过敏感度均值排序选取最敏感参数，为了反映研究区模型参数的空间异质性，对每个水系节点以上的子流域采用一套敏感性参数集，整个大区域采用多套敏感性参数集，敏感参数示例见图4；

1.4)选取满足

为目标函数，及即模拟结果和实测数据误差最小，通过SUFI-2算法进行敏感参数率定，模型参数，SUFI-2算法采用拉丁超立方随机采样方法取得参数值，带入模型运行模拟，再计算目标函数值，并用P因子和R因子表示模型的不确定性程度。P因子用95PPU表示，表示模拟的数据包括95％的不确定性，剔除了5％的极坏模拟情况；R因子表示95PPU的上下限的平均距离与标准偏差的取值；P因子的范围为0～1，R因子的范围为0～∞，当P因子和R因子分别为1和0时表示模拟结果和实测数据一致；最后采用确定性系数

和相对误差Re_j(％)评价模拟精度，用确定性系数

和相对误差Re_j(％)评价模拟径流和实测径流的拟合程度，拟合示例如图5所示，从而获得满足计算要求的分布式水文模型；

确定流域分布式水节点的具体方法是：以流域分布式水文模型划分的子流域出口节点为基础，根据流域雨洪利用的调控工程及水文测站分布，筛选出即受调控工程影响，又具有历史实测水文资料的子流域出口断面，汉江流域主要考虑调蓄功能较大的水库工程(如石泉、安康、潘口、黄龙潭、丹江口、鸭河口、三里坪、兴隆枢纽等)和水文测站，筛选具有代表性的子流域出口断面，记为Gi，作为待测算的流域分布式水节点，每个待研究的子流域原则上确定一个出口水节点，共划分12个子流域；

2)利用分布式水文模型对研究区水节点流域进行天然径流还原计算，即通过已建立研究区分布式SWAT水文模型，不考虑取用水及水利工程运行影响，对测算的流域分布式水节点Gi，进行天然径流计算；然后选择典型节点，确定雨洪过程的起止时刻，考虑到汉江流域雨洪利用的水利工程多分布在中上游，且丹江口水库为核心工程，故根据黄家港站1956～2018年逐日径流系列(由步骤1模拟计算得到)，以旬为时间单位，选取能体现汉江流域汛期雨洪特性的5个指标：旬多年平均流量、旬多年最大日流量、旬多年最大3日洪量、旬多年最大7日洪量，旬多年年最大洪峰出现次数；然后，基于熵权法改进Fisher最优分割法，划定汛期雨洪时段，具体步骤为：

2.1)设定已知水节点径流样本序列(X₁，X₂，…，X_i，…，X_n)，每个样本设m项指标，即Xi＝{x_i1，x_i2，…，x_ij，…，x_im}；

2.2)以旬为尺度，将整个年度划分为36个旬。再由黄家港站1956～2018年逐日径流系列，统计每个旬序列样本中的5项指标，采用最大最小标准化方法对样本进行归一化处理，并得到标准化举证X’，

2.3)计算各个指标所占比重大小，并进行加权平均后得到向量Y，

式中，ω_i为第j个指标的权重，以尽量消除人为干扰影响，采用耦合熵权法对权重ω_i进行改进；

2.4)根据信息熵定义和标准化矩阵X'，计算指标j的熵值H_j，

当

时，令

2.5)根据熵值H_j计算熵权ω'_j，

式中：

即可由熵权ω'_j计算得到向量Y；

2.6)根据最优分割原则，将n个样本划分k类，即{P₁,P₂,…,P_t,…,P_k}，k表示分类数，k≤n；其中

i₁,i₂,…,i_k表示分割点，由于本次系列为36旬，所有i_t＝{1,2，…,35}，i_t+1-1＝{2,3，…,36}，则某一类均值

及P_t的类直径D(i_t,i_t+1-1)分别为：

式中，y_t为第t个分类中的样本值；i为第t个分类起点；s为t个分类终点；

2.7)计算最优k分割点的最优值B(n,k)(其中n＝36，k＝2，…，35)，进一步定义目标函数B及非负斜率f(k):

当f(k)取最大时，目标函数最小，得到的k值为最优分类数，由分类数即可确定汛期雨洪时段，本次计算最优分类数为3，即汛期洪水期为6月中旬～10月上旬；

3)以划定的汛期雨洪时段为基础，开展水节点河段最小下泄水量计算，开展水节点河段最小下泄水量计算包括生产生活、生态环境需水计算，其步骤为：

3.1)采用统计调查法计算生产生活需水量，即统计调查水节点G_i至下一水节点G_i+1区间河段，汛期向流域外调水Q₁₁、农业灌溉需水Q₁₂、城镇居民需水Q₁₃、水产养殖需水Q₁₄、水力发电需水Q₁₅、航运需水Q₁₆，对各项生产、生活需水项分别统计求和，作为节点G_i在汛期的生产、生活必要需水量，记为Q₁；

3.2)采用Tennant法计算生态需水Q₂₁，即通过建立流量和栖息地质量之间的经验公式计算：

式中：Q₂₁为水节点生态需水量，m³/s；q_i为节点河段一年内第i月多年平均流量，m³/s；N_i为节点河段一年内第i月推荐生态基流百分比，取20％；

3.3)采用枯水频率法计算环境需水，即取90％保证率最枯连续7d的平均水量作为河流最小环境需水量；

3.4)采用生态需水Q₂₁与环境需水Q₂₂的外包取值确定生态环境需水量Q₂；

3.5)综合生产生活、生态环境需水量，得到水节点汛期最小下泄水量Q_b计算公式，

Q_b＝Q₁+max(Q₂₁，Q₂₂) (10)，

对于汉江流域河段水节点而言，汛期必要的生产、生活、生态环境需水即为节点断面汛期最小下泄水量或最低控制水位。本示例中汉江流域主要水节点，满足其汛期必要的生产、生活、生态环境最小下泄指标见表1。

表1汉江干流主要水节点控制断面汛期最小流量或水位指标

断面名称	最小流量指标(m<sup>3</sup>/s)	最低控制水位(m)
			汉中	22.4	502.31
安康	80(120)	238.2
			白河	120	172.18
黄家港	490(400)	86.84
			襄阳	500	-
皇庄	500	40.57
			仙桃	500	-

4)定义雨洪可利用性指标，雨洪可利用性指标包括雨洪资源量、雨洪利用量、雨洪可利用量、雨洪利用潜力及雨洪利用率，构建基于水节点的流域雨洪可利用性指标测算原理及方法，具体步骤包括：

4.1)将全流域共划分为n个子流域，设定每个子流域对应的出口水节点为G_j(j＝1,2,…,n)，设定研究期为汛期T，共包含m个时段，每个时段代表一次雨洪过程，设定

分别代表每次雨洪过程的起止时刻，将第j个水节点在i时段(i＝1,2,…,m)的雨洪资源量记为

在i+1时段内的雨洪资源量记为

则定义汛期雨洪资源量

采用下式计算汛期T内的雨洪资源量

式中：

为水节点流域j的汛期雨洪资源量，

为汛期i时段内t时刻流域天然产水量，

为汛期i时段内t时刻流域入境水量；

4.2)将雨洪利用量定义为在雨洪调控能力x下，通过雨洪调控作用，引起流域汛期水资源的蓄变量，包括水节点以上流域汛期用水量及向流域外调水量

采用下式计算水节点流域实际雨洪资源利用量：

式中：

表示调控能力x下水节点汛期下泄或出境水量；

若调控能力x取现状调控能力x₀，则

表示现状雨洪利用量，亦称现状雨洪利用能力；若

取水节点汛期实际下泄或出境水量

则

表示实际雨洪利用量，

由于水利工程实际运行中，存在行政干预、水雨情判断偏差等不确定因素，水利工程调控运行很难保证按照给定调度规则不偏不倚地运行，况且历年雨洪量也存在丰枯变化，因此在现状调控能力x₀条件下实际利用的雨洪量是不一致的；

因此，为尽量真实反映流域现状雨洪利用水平，采用下式计算水节点以上流域现状雨洪利用能力，近似认为现状雨洪利用能力为近10年来最大的实际雨洪利用量。

式中：

表示水节点汛期第k年实际雨洪利用量；

4.3)将雨洪可利用量定义为在水节点流域雨洪调控能力x下，满足河道必要需水可被利用的雨洪量

式中：

为水节点流域汛期受调控能力x限制“不能够被利用”的雨洪量，

为水节点汛期最小下泄水量；

若x表示现状调控能力x₀，则流域雨洪现状可利用量：

即采用下式计算水节点流域现状雨洪可利用量，

若对x→+∞取极限，即随调控能力x→+∞，不能被利用的雨洪量

将成立，那么

此时为雨洪可利用极值量

即采用下式计算雨洪可利用极值量，

4.4)将雨洪利用潜力定义为雨洪调控利用能力提高到x，满足河道必要需水条件下相比实际利用所增加的雨洪利用量

若

表明水节点以上流域存在过度开发现象，此时雨洪利用潜力为0；

若已知流域在现状调控能力x₀条件下“不能够被利用”的雨洪量，则定义现状雨洪利用潜力为

若流域雨洪调控工程趋于完善，即对x→+∞取极限，即“不能够被利用”水量

为0，则即

此时为雨洪利用极值潜力

4.5)定义雨洪利用率r_x为雨洪利用量与雨洪可利用极值量的比值，表征雨洪利用程度，如下式：

式中，

表示雨洪利用量；

表示雨洪可利用极值量。

5)根据制定的分布式协调计算原则，对分布式水节点流域进行自上而下、逐片区、逐级计算雨洪可利用性指标；再结合ArcGIS绘图平台，绘制雨洪可利用性指标分布图。具体进一步细分以下几个子步骤：

5.1)制定分布式协调计算原则，具体包括以下3个主要原则：

①安全性原则：雨洪资源化利用是以保障防洪安全为前提条件，需协调考虑流域洪水特性和工程调控能力；

②系统性准则：综合考虑流域分布式水节点间的水力联系，从研究区出发，立足自上而下的系统性测算原则；

③协调性准则：充分考虑子流域雨洪利用方式、能力和目标差异，合理协调上下游河道内生产、生活、生态环境基本用水需求，避免雨洪资源过度开发；

并且自上而下、逐片区、逐级计算雨洪可利用性指标。根据水节点分布将全流域共划分n个子流域，自上游至下游依次编号为1,2,…,n，相应每个子流域对应的出口水节点为G_j(j＝1,2,…,n)，如G₁节点以上流域雨洪利用潜力记为

G₂节点以上流域雨洪利用潜力记为

则G₁至G₂区间流域雨洪利用潜力为

以此类推，自上而下、逐片区、逐级计算各分区雨洪可利用性指标。

5.2)流域雨洪可利用性指标分布图绘制，根据流域分布式水节点所划分的子流域矢量图，利用ArcGIS绘图平台，绘制雨洪可利用性指标分布图，包括雨洪资源量、雨洪可利用量、雨洪利用潜力等分布图，本实施例中雨洪可利用性指标空间分布见图6～图13。

以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法，其特征在于：其包括以下步骤：

1)建立研究区分布式水文模型，进行子流域划分，根据流域水系格局并考虑雨洪利用的调控工程，确定流域分布式水节点；

2)利用分布式水文模型对研究区水节点流域进行天然径流还原计算，选择典型节点，基于熵权法改进Fisher最优分割法，并划定汛期雨洪时段；

3)以划定的汛期雨洪时段为基础，开展水节点河段最小下泄水量计算；

4)定义雨洪可利用性指标，构建基于水节点的流域雨洪可利用性指标测算原理及方法；

5)制定分布式协调计算原则，对分布式水节点流域计算雨洪可利用性指标，并结合ArcGIS绘图平台，绘制雨洪可利用性指标分布图。

2.根据权利要求1所述的基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法，其特征在于：所述步骤1)中建立研究区分布式水文模型的具体步骤包括：

1.1)依据研究区域地形地貌数据生成水系、划分子流域；

1.2)基于地形地貌、土地利用及土壤类型数据生成水文响应单元，从而建立具有物理机制的分布式SWAT水文模型结构；

1.3)采用LH-OAT敏感性分析技术进行重要敏感参数筛选；

1.4)通过SUFI-2算法进行敏感参数率定，从而获得满足计算要求的分布式水文模型。

3.根据权利要求1所述的基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法，其特征在于：所述步骤1)中确定流域分布式水节点的具体方法是：以流域分布式水文模型划分的子流域出口节点为基础，根据流域雨洪利用的调控工程及水文测站分布，筛选出即受调控工程影响，又具有历史实测水文资料的子流域出口断面，记为Gi，作为待测算的流域分布式水节点。

4.根据权利要求1所述的基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法，其特征在于：所述步骤2)中基于熵权法改进Fisher最优分割法，并划定汛期雨洪时段的具体步骤为：

2.1)设定已知水节点径流样本序列(X₁，X₂，…，X_i，…，X_n)，每个样本设m项指标，即Xi＝{x_i1，x_i2，…，x_ij，…，x_im}；

2.2)对样本进行归一化处理，并得到标准化举证X’，

2.3)计算各个指标所占比重大小，并进行加权平均后得到向量Y，

式中，ω_i为第j个指标的权重，以尽量消除人为干扰影响，采用耦合熵权法对权重ω_i进行改进；

2.4)根据信息熵定义和标准化矩阵X'，计算指标j的熵值H_j，

当

时，令

2.5)根据熵值H_j计算熵权ω'_j，

式中：

即可由熵权ω'_j计算得到向量Y；

2.6)根据最优分割原则，将n个样本划分k类，即{P₁,P₂,…,P_t,…,P_k}，k表示分类数，k≤n；其中

i₁,i₂,…,i_k表示分割点，则某一类均值

及P_t的类直径分别为：

式中，y_t为第t个分类中的样本值；i为第t个分类起点；s为t个分类终点；

2.7)定义目标函数B及非负斜率f(k):

当f(k)取最大时，目标函数最小，得到的k值为最优分类数，由分类数即可确定汛期雨洪时段。

5.根据权利要求1所述的基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法，其特征在于：所述步骤3)中开展水节点河段最小下泄水量计算包括生产生活、生态环境需水计算。

6.根据权利要求5所述的基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法，其特征在于：开展水节点河段最小下泄水量计算包括以下步骤：

3.1)采用统计调查法计算生产生活需水量，即统计调查水节点G_i至下一水节点G_i+1区间河段，汛期向流域外调水Q₁₁、农业灌溉需水Q₁₂、城镇居民需水Q₁₃、水产养殖需水Q₁₄、水力发电需水Q₁₅、航运需水Q₁₆，对各项生产、生活需水项分别统计求和，作为节点G_i在汛期的生产、生活必要需水量，记为Q₁；

3.2)采用Tennant法计算生态需水Q₂₁，即通过建立流量和栖息地质量之间的经验公式计算：

式中：Q₂₁为水节点生态需水量，m³/s；q_i为节点河段一年内第i月多年平均流量，m³/s；N_i为节点河段一年内第i月推荐生态基流百分比，取20％；

3.3)采用枯水频率法计算环境需水，即取90％保证率最枯连续7d的平均水量作为河流最小环境需水量；

3.4)采用生态需水Q₂₁与环境需水Q₂₂的外包取值确定生态环境需水量Q₂；

3.5)综合生产生活、生态环境需水量，得到水节点汛期最小下泄水量Q_b计算公式，

Q_b＝Q₁+max(Q₂₁，Q₂₂) (10)。

7.根据权利要求1所述的基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法，其特征在于：所述步骤4)中的雨洪可利用性指标包括雨洪资源量、雨洪利用量、雨洪可利用量、雨洪利用潜力及雨洪利用率。

8.根据权利要求7所述的基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法，其特征在于：所述步骤4)中的定义雨洪可利用性指标的步骤包括：

4.1)将全流域共划分为n个子流域，设定每个子流域对应的出口水节点为G_j(j＝1,2,…,n)，设定研究期为汛期T，共包含m个时段，每个时段代表一次雨洪过程，设定

分别代表每次雨洪过程的起止时刻，将第j个水节点在i时段(i＝1,2,…,m)的雨洪资源量记为

在i+1时段内的雨洪资源量记为

则定义汛期雨洪资源量

为：

式中：

为水节点流域j的汛期雨洪资源量，

为汛期i时段内t时刻流域天然产水量，

为汛期i时段内t时刻流域入境水量；

4.2)将雨洪利用量定义为在雨洪调控能力x下，通过雨洪调控作用，引起流域汛期水资源的蓄变量，包括水节点以上流域汛期用水量及向流域外调水量

式中：

表示调控能力x下水节点汛期下泄或出境水量；

4.3)将雨洪可利用量定义为在水节点流域雨洪调控能力x下，满足河道必要需水可被利用的雨洪量

式中：

为水节点流域汛期受调控能力x限制“不能够被利用”的雨洪量，

为水节点汛期最小下泄水量；

4.4)将雨洪利用潜力定义为雨洪调控利用能力提高到x，满足河道必要需水条件下相比实际利用所增加的雨洪利用量

若

表明水节点以上流域存在过度开发现象，此时雨洪利用潜力为0；

若已知流域在现状调控能力x₀条件下“不能够被利用”的雨洪量，则定义现状雨洪利用潜力为

若流域雨洪调控工程趋于完善，即对x→+∞取极限，即“不能够被利用”水量

为0，则即

此时为雨洪利用极值潜力

4.5)定义雨洪利用率r为现状雨洪实际利用量与雨洪可利用极值量的比值，表征雨洪利用程度，如下式：

式中，

表示雨洪实际利用量；

表示雨洪可利用极值量。

9.根据权利要求7所述的基于分布式水节点的流域雨洪可利用性指标测算方法，其特征在于：所述步骤5)中计算雨洪可利用性指标的具体步骤为：

5.1)制定分布式协调计算原则，并根据水节点分布将全流域共划分n个子流域，自上游至下游依次编号为1,2,…,n，相应每个子流域对应的出口水节点为G_j(j＝1,2,…,n)，自上而下、逐片区、逐级协调计算各分区雨洪可利用性指标；

5.2)流域雨洪可利用性指标分布图绘制，根据流域分布式水节点所划分的子流域矢量图，利用ArcGIS绘图平台，根据计算的各分区雨洪可利用性指标值为代表，利用矢量属性绘图功能，绘制流域雨洪可利用性指标空间分布图。

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