CN111913239B - 基于气象水文观测数据的水库有效面雨量计算方法及系统 - Google Patents
基于气象水文观测数据的水库有效面雨量计算方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于气象水文观测数据的水库有效面雨量计算方法及系统，该方法包括如下步骤：水库流域Gis信息收集步骤；气象、水文观测资料收集步骤；利用泰森多边形法计算面雨量；利用泰森多边形法计算流域面蒸发量；利用泰森多边形法计算流域面土壤含水量的日变化量；有效面雨量计算步骤。本发明充分利用气象、水文观测资料，提出一种基于“气象+水文”观测数据的水库有效面雨量计算方法，不但能客观量化降雨对产流的贡献，在没有降雨的情况下，也能客观量化流域内蒸发及土壤含水量变化导致水分的耗损。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于气象水文观测数据的水库有效面雨量计算方法及系统，属于水文气象技术领域。
背景技术
目前大多数水库生产调度所用的面雨量是基于本部门降雨测站所计算，而有效面雨量是水库流量预报和洪水预报的一个重要因子，本发明中有效面雨量是指考虑了蒸发量及土壤含水量变化导致的水分耗损后的流域面雨量，与一般面雨量相比，一定程度上考虑了降水的耗损，一般面雨量没有负值，有效面雨量有负值，有效面雨量为正值时，能量化反映降雨对产流的贡献程度，有效面雨量为负值时，表示没有降雨或降雨的贡献小于蒸发及土壤含水量的变化导致的水分耗损。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，充分利用气象、水文观测资料，提供一种基于气象水文观测数据的水库有效面雨量计算方法及系统，不但能客观量化降雨对产流的贡献，在没有降雨的情况下，也能客观量化流域内蒸发及土壤含水量变化导致水分的耗损。
为解决上述技术问题，本发明提供基于气象水文观测数据的水库有效面雨量计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
水库流域Gis信息收集步骤；气象、水文观测资料收集步骤；利用泰森多边形法计算面雨量；利用泰森多边形法计算流域面蒸发量；利用泰森多边形法计算流域面土壤含水量的日变化量；有效面雨量计算步骤。
作为一种较佳的实施例，所述水库流域Gis信息收集步骤包括：收集流域范围信息、气象及水文部门雨量站经纬度信息、蒸发量测站经纬度信息和土壤水分测站经纬度信息。
作为一种较佳的实施例，所述气象、水文观测资料收集步骤包括：
收集流域范围内所有雨量站的雨量P＝{P1，P2，P3……Pk}其中k为有数据的雨量站的个数；
收集蒸发量测站的蒸发量E＝{E1，E2，E3……EK}其中k为有数据的蒸发量测站的个数；
收集土壤湿度站土壤含水量日值W＝{W1，W2，W3……WK}其中k为有数据的土壤湿度站的个数；
收集水库入库流量V。
作为一种较佳的实施例，所述利用泰森多边形法计算面雨量包括：在图上把各测站就近用直线连接成三角形，构成互相毗邻的三角形网，然后对每个三角形的各边作垂直平分线，将这些垂直平分线连接成若干个多边形，但要使每个多边形内只含有一个测站，再用流域边界对所有多边形进行切割；假定每个测站的控制面积等于此多边形的面积。
作为一种较佳的实施例，所述利用泰森多边形法计算面雨量还包括：流域的面雨量为各个雨量测站的雨量乘以各自的控制面积的总和除以流域的总面积，用数学关系式表示为：
式中：
为面平均降雨量(mm)；P1,P2,Λ,Pn为该多边形测站同期的降水量；ω1,ω2,Λ,ωn为各雨量测站控制面积与总面积的比值，即各雨量测站的权重系数。
作为一种较佳的实施例，所述利用泰森多边形法计算流域面蒸发量包括：
用数学关系式表示为：
式中：
为流域面平均蒸发量(mm)；E1,E2,Λ,En为蒸发量测站同期的蒸发量；ω1,ω2,Λ,ωn为各蒸发量测站控制面积与总面积的比值，即各多边形测站的权重系数。
作为一种较佳的实施例，所述利用泰森多边形法计算流域面土壤含水量的日变化量包括：
用数学关系式表示为：
式中：
为流域面平均土壤含水量的日变化量(mm)；ΔW1,ΔW2,Λ,ΔWn为土壤湿度测站当日土壤含水量与前一日土壤含水量的差值；ω1,ω2,Λ,ωn为各土壤湿度测站控制面积与总面积的比值，即各土壤湿度测站的权重系数。
作为一种较佳的实施例，所述有效面雨量计算步骤包括：
有效面雨量等于面雨量减蒸发量和土壤含水量的变化量，用数学关系式表示为：
式中：
为流域有效面雨量(mm)；
为流域面雨量，
为流域面蒸发量，
为流域面土壤含水量与前一日土壤含水量的差值。
本发明还提出基于气象水文观测数据的水库有效面雨量计算系统，其特征在于，包括：
水库流域Gis信息收集模块，用于执行：收集流域范围信息、气象及水文部门雨量站经纬度信息、蒸发量测站经纬度信息和土壤水分测站经纬度信息；
气象、水文观测资料收集模块，用于执行：收集流域范围内所有雨量站的雨量P＝{P1，P2，P3……Pk}其中k为有数据的雨量站的个数；
收集蒸发量测站的蒸发量E＝{E1，E2，E3……EK}其中k为有数据的蒸发量测站的个数；
收集土壤湿度站土壤含水量日值W＝{W1，W2，W3……WK}其中k为有数据的土壤湿度站的个数；
收集水库入库流量V；
面雨量计算模块，用于执行：利用泰森多边形法计算面雨量；
流域面蒸发量计算模块，用于执行：利用泰森多边形法计算流域面蒸发量；
日变化量计算模块，用于执行：利用泰森多边形法计算流域面土壤含水量的日变化量；
有效面雨量计算模块，用于执行：有效面雨量计算。
作为一种较佳的实施例，所述面雨量计算模块包括：在图上把各雨量测站就近用直线连接成三角形，构成互相毗邻的三角形网，然后对每个三角形的各边作垂直平分线，将这些垂直平分线连接成若干个多边形，但要使每个多边形内只含有一个测站，再用流域边界对所有多边形进行切割；假定每个雨量站的控制面积等于此多边形的面积，则该流域的面雨量为各个测站的雨量乘以各自的控制面积的总和除以流域的总面积，用数学关系式表示为：
式中：
为面平均降雨量(mm)；P1,P2,Λ,Pn为该多边形测站同期的降水量；ω1,ω2,Λ,ωn为各测站控制面积与总面积的比值，即各测站的权重系数。
本发明所达到的有益效果：本发明中有效面雨量计算充分利用气象部门、水文部门的观测资料，基础资料更丰富，观测站网密度更高，通过分析普通面雨量、有效面雨量与入库流量的相关性分析，有效面雨量的相关性更高，有效面雨量的负值也反映了降雨对产流的贡献小于耗损或者在没有降雨的情况下流域内水分的透支程度，为水库的生产调度提供更为科学的决策依据。本发明的有效面雨量是水库生产调度的一个重要决策依据，气象水文部门实现数据共享，加密了测站密度，为“气象+水文”交叉学科领域发展提供有利的环境，为实现有效面雨量计算提供基础数据支撑。
附图说明
图1是本发明的基于气象水文观测数据的水库有效面雨量计算方法的流程图；
图2是实施例1中所有雨量站的泰森多边形划分示意图；
图3是实施例1中所有土壤水分站的泰森多边形划分示意图；
图4是实施例1中所有蒸发站的泰森多边形划分示意图；
图5是一般面雨量与有效面雨量与流量关系对比分析图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1：有效面雨量是计算产流量的一个重要因子，本发明中有效面雨量是考虑了降雨量、蒸发量及土壤含水量对产流的贡献。本实施例中提供了一种考虑了蒸发量及土壤含水量的面雨量计算方法，不但能反映降雨对产流的贡献度，在没有降雨时也量化反映了水分的耗损。如图1、图2、图3和图4所示，包含以下步骤：
S1、获取流域内77个雨量站(气象部门雨量站及水利部门的雨量站)站点信息、获取流域及邻近5个蒸发量站站点信息、获取流域及邻近5个土壤水分站站点经纬度信息；
S2、利用泰森多边形法确定流域内77个雨量站的权重系数、确定流域5个蒸发量站的权重系数、确定流域5个土壤水分站的权重系数，如下表1、表2和表3所示；
表1流域内各雨量站的权重系数
表2流域土壤水分站的权重系数
| 序号 | 站号 | 权重 |
| 1 | W1 | 14.14％ |
| 2 | W2 | 13.47％ |
| 3 | W3 | 29.98％ |
| 4 | W4 | 2.26％ |
| 5 | W5 | 40.15％ |
表3流域蒸发量站的权重系数
| 序号 | 站号 | 权重 |
| 1 | E1 | 11.61％ |
| 2 | E2 | 46.03％ |
| 3 | E3 | 30.31％ |
| 4 | E4 | 8.87％ |
| 5 | E5 | 3.18％ |
S3、获取流域内某一时段各雨量站点观测值P＝{P1，P2，P3……Pk}、各蒸发量站点观测值E＝{E1，E2，E3……EK}、各土壤水分站点观测值W＝{W1，W2，W3……WK}、其中k为有数据的雨量(蒸发、土壤水分)站的个数。
若某一测站缺值，利用反距离加权平均插值法(IDW)补齐，缺测值站点插值结果
其中k为有观测值站点数，Dk为缺值站点到k站点的水平距离，Pk为k站点的观测值。
S4、运用各测站的观测值及权重系数，利用泰森多边形法分别计算出流域面雨量
流域面蒸发量
及流域面土壤含水量的日变化量
S5、将计算出的面雨量
面蒸发量
及面土壤含水量的日变化量
代入有效面雨量计算公式：
即可计算出有效面雨量
如图5所示，因流域所在地降雨主要集中在6到9月，选取2016年至2019年同时段降雨资料，通过对比分析一般面雨量、有效面雨量与流量的相关性，有效面雨量与流量的相关性比一般面雨量与流量的相关性稳定提高4％左右。
表4流域2016至2019年6至9月有效面雨量比一般面雨量和流量相关系数提升情况：
| 年份 | 相关性提高 |
| 2016年 | 3.4％ |
| 2017年 | 3.1％ |
| 2018年 | 3.5％ |
| 2019年 | 4.9％ |
实施例2：本发明还提出基于气象水文观测数据的水库有效面雨量计算系统，包括：
水库流域Gis信息收集模块，用于执行：收集流域范围信息、气象及水文部门雨量站经纬度信息、蒸发量测站经纬度信息和土壤水分测站经纬度信息；
气象、水文观测资料收集模块，用于执行：收集流域范围内所有雨量站的雨量P＝{P1，P2，P3……Pk}其中k为有数据的雨量站的个数；
收集蒸发量测站的蒸发量E＝{E1，E2，E3……EK}其中k为有数据的蒸发量测站的个数；
收集土壤湿度站土壤含水量日值W＝{W1，W2，W3……WK}其中k为有数据的土壤湿度站的个数；
收集水库入库流量V；
面雨量计算模块，用于执行：利用泰森多边形法计算面雨量；
流域面蒸发量计算模块，用于执行：利用泰森多边形法计算流域面蒸发量；
日变化量计算模块，用于执行：利用泰森多边形法计算流域面土壤含水量的日变化量；
有效面雨量计算模块，用于执行：有效面雨量计算。
可选的，所述面雨量计算模块包括：在图上把各雨量测站就近用直线连接成三角形，构成互相毗邻的三角形网，然后对每个三角形的各边作垂直平分线，将这些垂直平分线连接成若干个多边形，但要使每个多边形内只含有一个测站，再用流域边界对所有多边形进行切割；假定每个雨量站的控制面积等于此多边形的面积，则该流域的面雨量为各个测站的雨量乘以各自的控制面积的总和除以流域的总面积，用数学关系式表示为：
式中：
为面平均降雨量(mm)；P1,P2,Λ,Pn为该多边形测站同期的降水量；ω1,ω2,Λ,ωn为各测站控制面积与总面积的比值，即各测站的权重系数。
本发明中有效面雨量计算充分利用气象部门、水文部门的观测资料，基础资料更丰富，观测站网密度更高，通过分析普通面雨量、有效面雨量与入库流量的相关性分析，有效面雨量的相关性更高，有效面雨量的负值也反映了降雨对产流的贡献小于耗损或者在没有降雨的情况下流域内水分的透支程度，为水库的生产调度提供更为科学的决策依据。本发明的有效面雨量是水库生产调度的一个重要决策依据，气象水文部门实现数据共享，加密了测站密度，为“气象+水文”交叉学科领域发展提供有利的环境，为实现有效面雨量计算提供基础数据支撑。
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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.基于气象水文观测数据的水库有效面雨量计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
水库流域Gis信息收集步骤；气象、水文观测资料收集步骤；利用泰森多边形法计算面雨量；利用泰森多边形法计算流域面蒸发量；利用泰森多边形法计算流域面土壤含水量的日变化量；有效面雨量计算步骤；所述水库流域Gis信息收集步骤包括：收集流域范围信息、气象及水文部门雨量站经纬度信息、蒸发量测站经纬度信息和土壤水分测站经纬度信息；
所述气象、水文观测资料收集步骤包括：
收集流域范围内所有雨量测站的雨量P＝{P1，P2，P3……Pk}其中k为有数据的雨量测站的个数；
收集蒸发量测站的蒸发量E＝{E1，E2，E3……EK}其中k为有数据的蒸发量测站的个数；
收集土壤湿度站土壤含水量日值W＝{W1，W2，W3……WK}其中k为有数据的土壤湿度站的个数；
收集水库入库流量V；
所述利用泰森多边形法计算面雨量包括：在图上把各雨量测站就近用直线连接成三角形，构成互相毗邻的三角形网，然后对每个三角形的各边作垂直平分线，将这些垂直平分线连接成若干个多边形，但要使每个多边形内只含有一个雨量测站，再用流域边界对所有多边形进行切割；假定每个雨量测站的控制面积等于此多边形的面积；
所述利用泰森多边形法计算面雨量还包括：流域的面雨量为各个雨量测站的雨量乘以各自的控制面积的总和除以流域的总面积，用数学关系式表示为：
式中：
为面平均降雨量(mm)；P1,P2,…,Pn为各雨量测站同期的降水量；ω1,ω2,…,ωn为各雨量测站控制面积与总面积的比值，即各雨量测站的权重系数；
所述利用泰森多边形法计算流域面蒸发量包括：
用数学关系式表示为：
式中：
为流域面平均蒸发量(mm)；E1,E2,…,En为蒸发量测站同期的蒸发量；ω1,ω2,…,ωn为各蒸发量测站控制面积与总面积的比值，即各蒸发量测站的权重系数；
所述利用泰森多边形法计算流域面土壤含水量的日变化量包括：
用数学关系式表示为：
式中：
为流域面平均土壤含水量的日变化量(mm)；ΔW1,ΔW2,…,ΔWn为土壤湿度测站当日土壤含水量与前一日土壤含水量的差值；ω1,ω2,…,ωn为各土壤湿度测站控制面积与总面积的比值，即各土壤湿度测站的权重系数；
所述有效面雨量计算步骤包括：
有效面雨量等于面雨量减蒸发量和土壤含水量的变化量，用数学关系式表示为：
式中：
为流域有效面雨量(mm)；
为流域面雨量，
为流域面蒸发量，
为流域面土壤含水量与前一日土壤含水量的差值。
2.基于气象水文观测数据的水库有效面雨量计算系统，其特征在于，包括：
水库流域Gis信息收集模块，用于执行：收集流域范围信息、气象及水文部门雨量测站经纬度信息、蒸发量测站经纬度信息和土壤水分测站经纬度信息；
气象、水文观测资料收集模块，用于执行：收集流域范围内所有雨量测站的雨量P＝{P1，P2，P3……Pk}其中k为有数据的雨量测站的个数；
收集蒸发量测站的蒸发量E＝{E1，E2，E3……EK}其中k为有数据的蒸发量测站的个数；
收集土壤湿度站土壤含水量日值W＝{W1，W2，W3……WK}其中k为有数据的土壤湿度站的个数；
收集水库入库流量V；
面雨量计算模块，用于执行：利用泰森多边形法计算面雨量；流域面蒸发量计算模块，用于执行：利用泰森多边形法计算流域面蒸发量；
所述利用泰森多边形法计算流域面蒸发量包括：
用数学关系式表示为：
式中：
为流域面平均蒸发量(mm)；E1,E2,…,En为蒸发量测站同期的蒸发量；ω1,ω2,…,ωn为各蒸发量测站控制面积与总面积的比值，即各蒸发量测站的权重系数；
日变化量计算模块，用于执行：利用泰森多边形法计算流域面土壤含水量的日变化量；
所述利用泰森多边形法计算流域面土壤含水量的日变化量包括：
用数学关系式表示为：
式中：
为流域面平均土壤含水量的日变化量(mm)；ΔW1,ΔW2,…,ΔWn为土壤湿度测站当日土壤含水量与前一日土壤含水量的差值；ω1,ω2,…,ωn为各土壤湿度测站控制面积与总面积的比值，即各土壤湿度测站的权重系数；
有效面雨量计算模块，用于执行：有效面雨量计算；
所述有效面雨量计算步骤包括：
有效面雨量等于面雨量减蒸发量和土壤含水量的变化量，用数学关系式表示为：
式中：
为流域有效面雨量(mm)；
为流域面雨量，
为流域面蒸发量，
为流域面土壤含水量与前一日土壤含水量的差值；
所述面雨量计算模块包括：在图上把各雨量测站就近用直线连接成三角形，构成互相毗邻的三角形网，然后对每个三角形的各边作垂直平分线，将这些垂直平分线连接成若干个多边形，但要使每个多边形内只含有一个雨量测站，再用流域边界对所有多边形进行切割；假定每个雨量测站的控制面积等于此多边形的面积，则该流域的面雨量为各个雨量测站的雨量乘以各自的控制面积的总和除以流域的总面积，用数学关系式表示为：
式中：
为面平均降雨量(mm)；P1,P2,…,Pn为各雨量测站同期的降水量；ω1,ω2,…,ωn为各雨量测站控制面积与总面积的比值，即各雨量测站的权重系数。
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