CN112287536A - 一种基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法，包括收集目标研究流域的一场复式洪水过程的径流资料和降雨数据，结合目标研究流域的土地利用类型数据，计算获取目标研究流域的初始不透水率；在目标研究流域面文件中添加水文单元，生成目标研究流域的流域模型，为各水文单元选择相应的计算方法；固定流域模型的初始条件和边界条件，初步估算各水文单元计算方法的参数初值，将峰值误差百分比函数作为目标函数，使用优化算法推求目标函数的最小值，确定参数的最优值；检验模拟洪峰与实测洪峰的关系；根据检验结果，校正目标研究流域的不透水率。优点是：在掌握资料较少的情况下通过较简单的操作，仍旧可以得到较高精度的不透水率。

Description

一种基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法

技术领域

本发明涉及水文预报领域，尤其涉及一种基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法。

背景技术

当前为研究水文预报，水资源管理等问题，流域不透水率的计算是必不可少的步骤之一。现在广泛采用的不透水率的计算方法是通过GIS软件对研究流域的土地利用类型数据进行分析，将研究流域划分为透水地面和不透水地面两类，计算不透水率。这种计算方法物理意义明确，但对资料的要求较高。一方面，目前的土地利用数据大多是从中国科学院资源环境科学数据中心下载的，而该中心发布的土地利用数据并不是每年发布一次，而是每隔5年或者3年发布一次，研究年份的不透水率必须采用近几年的土地利用数据计算，存在误差。另一方面，中国科学院资源环境科学数据中心发布的土地利用数据中的不透水地面主要是其第5类土地即城乡、工矿、居民用地。而该分类的土地利用中，农村居民点以及油田、盐场、交通道路机场等等土地中既包含了不透水地面同时还包含了透水地面，无法精确的计算这类土地中的不透水地面面积，也使得计算的不透水率偏大。第三方面，这种方法计算的不透水率的精度还很大程度上受土地利用数据分辨率的影响。免费的数据是1公里分辨率的栅格数据，另外两种100米和30米分辨率的栅格数据均需要有偿使用，需要发费一定的费用，不便于推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法，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：

一种基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法，包括如下步骤，

S1、收集目标研究流域的一场复式洪水过程的径流资料和降雨数据，并结合目标研究流域的土地利用类型数据，计算获取目标研究流域的初始不透水率；

S2、在目标研究流域面文件中添加水文单元，生成目标研究流域的流域模型，并为各水文单元选择相应的计算方法；

S3、固定流域模型的初始条件和边界条件，初步估算各水文单元计算方法的参数初值，将峰值误差百分比函数作为目标函数，使用优化算法推求目标函数的最小值，以确定参数的最优值；

S4、检验模拟洪峰与实测洪峰的关系；

S5、根据模拟洪峰与实测洪峰的关系，校正目标研究流域的不透水率。

优选的，步骤S1包括如下内容，

S11、收集目标研究流域出口断面的一场第一洪峰小、第二洪峰大的复式洪水过程的径流资料，通过插值的方法将其整编为逐小时的流量系列数据；收集与该复式洪水过程对应的森林多边形影响雨量站的降水数据，通过插值的方法将其整编为逐小时的降雨量系列数据；

S12、收集包含目标研究流域范围的土地利用类型数据，并通过GIS软件将其剪切呈只包含目标研究流域的土地利用类型数据；

S13、结合目标研究流域的流量系列数据、降雨量系列数据和土地利用类型数据，计算目标研究流域的初始不透水率。

优选的，所述第一洪峰是由不透水地面产流导致的洪峰；所述第二洪峰是由透水地面和不透水地面共同产流导致的洪峰。

优选的，步骤S2具体为，在目标研究流域的流域面文件中添加水文单元生成流域模型，为各自的水文单元选择相应的计算方法，并确定目标研究流域的流域面雨量计算方法；所述水文单元包括水库单元、河道单元和汇流点单元。

优选的，选择产流计算方法为初始常速率法，地面径流汇流方法为斯奈德单位线法，基流计算方法选择退水曲线法；流域面雨量计算方法为泰森多边形法。

优选的，步骤S3具体为，固定流域模型的初始条件和边界条件，根据参数的物理意义，初步估算水文单元计算方法的参数初值，并根据目标研究流域出口断面的流量过程建立峰值误差百分比函数作为目标函数，选取优化算法推求目标函数的最小值，以确定参数的最优值；峰值误差百分比函数表示为

其中，f₁为峰值误差百分比函数；q_s(peak)为计算的峰值；q₀(peak)为实测的峰值。

优选的，步骤S4包括如下内容，

S41、设置洪峰流量模拟相对误差阈值，分别为第一阈值和第二阈值，所述第一阈值小于所述第二阈值；

S42、设置参数敏感性分析阈值，所述参数敏感性分析阈值小于50％；

S43、检验模拟的目标研究流域出口断面的第一洪峰和实测第一洪峰的大小关系，以及模拟的目标研究流域出口断面的第二洪峰和实测第二洪峰的大小关系；如果模拟的第二洪峰与实测第二洪峰的相对误差绝对值小于第一阈值，且模拟的第一洪峰与实测第一洪峰的相对误差绝对值大于第二阈值，则将表示雨量损失的参数调节至100％；若模拟的第一洪峰的大小变化率小于参数敏感性分析阈值，则表示目标研究流域的不透水率需要调节；洪峰大小变化率的计算公式如下，

其中，f₂为洪峰大小变化率；q_s1(peak)为第一次模拟的洪峰流量；q_s2(peak)为第二次模拟的洪峰流量。

优选的，步骤S5具体为，

当将表示雨量损失的参数增大为100％，若模拟的第一洪峰减小的变化率小于参数敏感性分析阈值，则需要降低不透水率进行模拟计算，直至模拟的第一洪峰与实测第一洪峰的相对误差小于第二阈值，模拟的第二洪峰与实测第二洪峰的相对误差小于第一阈值，此时不透水率即为校正后的目标研究流域的不透水率；

当将表示雨量损失的参数降低为100％，若模拟的第一洪峰增大的变化率小于参数敏感性分析阈值，则需要增加不透水率进行模拟计算，直至模拟的第一洪峰与实测第一洪峰的相对误差小于第二阈值，模拟的第二洪峰与实测第二洪峰的相对误差小于第一阈值，此时的不透水率即为校正后的目标研究流域的不透水率。

本发明的有益效果是：本发明提供的方法，利用峰值误差百分比函数率定模型参数的初值，通过比较反应降雨损失的参数的变化率与第一洪峰的变化率的关系，调整流域不透水率，使得复式洪水的两个洪峰模拟误差最小。能够在掌握资料较少的情况下通过较简单的操作，仍旧可以得到较高精度的不透水率。

附图说明

图1是本发明实施例中方法的流程示意图；

图2是本发明实施例中高里以上流域图；

图3是本发明实施例中高里以上流域土地利用类型图；

图4是本发明实施例中高里以上流域模型图；

图5是本发明实施例中模拟的水文过程线和实测水文过程线的对比图；

图6是本发明实施例中改变常损失速率后第一洪峰的对比图；

图7是本发明实施例中校正不透水率后流量过程线对比图。

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。

实施例一

如图1所示，本实施例中，提供了一种基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法，包括如下步骤，

S1、收集目标研究流域的一场复式洪水过程的径流资料和降雨数据，并结合目标研究流域的土地利用类型数据，计算获取目标研究流域的初始不透水率；

S2、在目标研究流域面文件中添加水文单元，生成目标研究流域的流域模型，并为各水文单元选择相应的计算方法；

S3、固定流域模型的初始条件和边界条件，初步估算各水文单元计算方法的参数初值，将峰值误差百分比函数作为目标函数，使用优化算法推求目标函数的最小值，以确定参数的最优值；

S4、检验模拟洪峰与实测洪峰的关系；

S5、根据模拟洪峰与实测洪峰的关系，校正目标研究流域的不透水率。

本实施例中，步骤S1包括如下内容，

S11、收集目标研究流域出口断面的一场第一洪峰小、第二洪峰大的复式洪水过程的径流资料，通过插值的方法将其整编为逐小时的流量系列数据；收集与该复式洪水过程对应的森林多边形影响雨量站的降水数据，通过插值的方法将其整编为逐小时的降雨量系列数据；

S12、收集包含目标研究流域范围的土地利用类型数据，并通过GIS软件将其剪切呈只包含目标研究流域的土地利用类型数据；

S13、结合目标研究流域的流量系列数据、降雨量系列数据和土地利用类型数据，计算目标研究流域的初始不透水率。

本实施例中，所述第一洪峰是由不透水地面产流导致的洪峰；所述第二洪峰是由透水地面和不透水地面共同产流导致的洪峰。

本实施例中，步骤S1中通过土地利用数据计算出的目标研究流域的不透水率是个初始值，需要在此初始值的基础上进行校正，获取校正后的不透水率。

本实施例中，步骤S2具体为，在目标研究流域面文件中添加水文单元生成流域模型，为各自的水文单元选择相应的计算方法，并确定目标研究流域的流域面雨量计算方法；所述水文单元包括水库单元、河道单元和汇流点单元等等。

本实施例中，面文件指的是.shp格式的文件，.shp文件是GIS软件中的一种文件类型。本发明中的目标研究流域面文件，指的是包括目标研究流域边界以及目标研究流域内水系的.shp格式的文件。

本实施例中，选择产流计算方法为初始常速率法，地面径流汇流方法为斯奈德单位线法，基流计算方法选择退水曲线法；流域面雨量计算方法为泰森多边形法。

本实施例中，步骤S3具体为，固定流域模型的初始条件和边界条件，根据参数的物理意义，初步估算水文单元计算方法的参数初值，并根据目标研究流域出口断面的流量过程建立峰值误差百分比函数作为目标函数，选取优化算法推求目标函数的最小值，以确定参数的最优值；峰值误差百分比函数表示为

其中，f₁为峰值误差百分比函数；q_s(peak)为计算的峰值；q₀(peak)为实测的峰值。

本实施例中，步骤S4包括如下内容，

S41、设置洪峰流量模拟相对误差阈值，分别为第一阈值θ1和第二阈值θ2，所述第一阈值小于所述第二阈值(θ1＜θ2)；

S42、设置参数敏感性分析阈值θ3，所述参数敏感性分析阈值小于50％；

S43、检验模拟的目标研究流域出口断面的第一洪峰和实测第一洪峰的大小关系，以及模拟的目标研究流域出口断面的第二洪峰和实测第二洪峰的大小关系；如果模拟的第二洪峰与实测第二洪峰的相对误差绝对值小于第一阈值θ1，且模拟的第一洪峰与实测第一洪峰的相对误差绝对值大于第二阈值θ2，则将表示雨量损失的参数调节至100％；若模拟的第一洪峰的大小变化率小于参数敏感性分析阈值θ3，则表示目标研究流域的不透水率需要调节；洪峰大小变化率的计算公式如下，

其中，f₂为洪峰大小变化率；q_s1(peak)为第一次模拟的洪峰流量；q_s2(peak)为第二次模拟的洪峰流量。

本实施例中，步骤S4中比较了表示雨量损失的参数的变化率与第一洪峰变化率之间的关系。

本实施例中，步骤S5具体为，

当将表示雨量损失的参数增大为100％，若模拟的第一洪峰减小的变化率小于参数敏感性分析阈值θ3，则需要降低不透水率进行模拟计算，直至模拟的第一洪峰与实测第一洪峰的相对误差小于第二阈值θ2，模拟的第二洪峰与实测第二洪峰的相对误差小于第一阈值θ1，此时不透水率即为校正后的目标研究流域的不透水率；

当将表示雨量损失的参数降低为100％，若模拟的第一洪峰增大的变化率小于参数敏感性分析阈值θ3，则需要增加不透水率进行模拟计算，直至模拟的第一洪峰与实测第一洪峰的相对误差小于第二阈值θ2，模拟的第二洪峰与实测第二洪峰的相对误差小于第一阈值θ1，此时的不透水率即为校正后的目标研究流域的不透水率。

本实施例中，步骤S5具体是，根据表示雨量损失的参数变化率为100％的情况下，第一洪峰的变化率的情况，调节目标研究流域的不透水率。

实施例二

本实施例以山东省高里水文站以上流域不透水率的校正为实例，具体说明本发明提供的方法的实施过程。

高里水文站以上流域属于山东沂河流域的一部分，沂河发源于鲁山南麓，是鲁南地区跨省的最大山洪河道。高里水文站以上流域流域面积为551.64km²，地势西北高，东南低。高里以上流域图见附图2。流域内无大型水库，该流域属于温带季风性大陆气候，流域多年平均年降雨量813mm，汛期降雨量600mm，约占年降雨量的73.9％。该流域的泰森多边形影响雨量站有6个。本实施例以起止时间为2012年7月7日16点至2012年7月13日12点高里站以上流域6个泰森多边形影响雨量站的降雨量资料，以及高里水文站的流量资料为基础，对高里站以上流域的不透水率进行校正。

本实施例中，基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法的步骤如下：

步骤一、资料的收集与处理

1)收集高里水文站的复式洪水过程为20120710号洪水的洪水过程，径流过程起止时间为2012年7月7日16点至2012年7月13日12点。通过插值方法将其整编为逐小时的流量系列；收集与该场复式洪水对应的泰森多边形影响雨量站垛庄、高里、刘庄、石岚、双后、杨庄等的降雨数据，通过插值的方法将其整编为逐小时的降雨量系列。

2)由于中国科学院资源环境科学数据中心提供的土地利用类型数据中距离2012年最近的是2010的数据，所以下载研究流域范围的2010年的土地利用类型数据，因为通过GIS软件将其剪切成只包含研究流域的土地利用类型数据，研究流域的土地利用类型图见图3；并计算研究流域的初始不透水率为6.11％。

步骤二、生成流域模型

在高里以上流域的面文件中添加水文单元，生成流域模型，构建的流域模型见图4，选择流域单位，选择产流计算方法为初始常速率法，地面径流汇流方法为斯奈德单位线法，基流计算方法选择退水曲线法。流域面雨量的计算采用泰森多边形法。

步骤三、目标函数选择以及最优参数确定

计算20120710号洪水的初始雨量损失为7.93mm，不透水率为GIS软件计算的初始值6.11％，初始基流为0.0128m³/s/km²。根据参数的物理意义，初步估算水文单元计算方法的参数初值，然后根据研究流域出口断面的流量过程建立峰值误差百分比函数作为目标函数，选用优化算法推求目标函数的最小值，确定参数的最优值。参数最优时，模拟的水文过程线和实测水文过程线的对比图见附图5。

步骤四、检验模拟洪峰与实测洪峰的关系

1)设置洪峰流量模拟相对误差阈值分别为第一阈值和第二阈值，其中，第一阈值为θ1＝10％，第二阈值为θ2＝20％；

2)设置参数敏感性分析阈值，即θ3＝30％(θ3＜50％)；

3)模拟的第二洪峰与实测第二洪峰的相对误差绝对值小于阈值θ1，而模拟的第一洪峰与实测第一洪峰的相对误差绝对值大于阈值θ2，并且调节表示雨量损失的参数常损失速率为步骤三估计的最优值21.5mm/h的2倍即21.5×2＝43mm/h，保持其他参数不变的情况下，模拟的第一洪峰的大小变化率为0，小于θ3。将常损失速率调整到43mm/h，保持其他参数不变的情况下，模拟的第一洪峰与实测第一洪峰的对比图见附图6，即表明流域的不透水需要进行调节。

步骤五，校正流域的不透水率

校正研究流域的不透水率为1.85％，20120710号洪水模拟过程线与实测过程线的对比图见附图7。

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：

本发明提供了一种基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法，利用峰值误差百分比函数率定模型参数的初值，通过比较反应降雨损失的参数的变化率与第一洪峰的变化率的关系，调整流域不透水率，使得复式洪水的两个洪峰模拟误差最小。本发明所述的方法，在掌握资料较少的情况下通过较简单的操作，仍旧可以得到较高精度的不透水率。

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 (8)

1.一种基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法，其特征在于：包括如下步骤，

S1、收集目标研究流域的一场复式洪水过程的径流资料和降雨数据，并结合目标研究流域的土地利用类型数据，计算获取目标研究流域的初始不透水率；

S2、在目标研究流域面文件中添加水文单元，生成目标研究流域的流域模型，并为各水文单元选择相应的计算方法；

S3、固定流域模型的初始条件和边界条件，初步估算各水文单元计算方法的参数初值，将峰值误差百分比函数作为目标函数，使用优化算法推求目标函数的最小值，以确定参数的最优值；

S4、检验模拟洪峰与实测洪峰的关系；

S5、根据模拟洪峰与实测洪峰的关系，校正目标研究流域的不透水率。

2.根据权利要求1所述的基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法，其特征在于：步骤S1包括如下内容，

S11、收集目标研究流域出口断面的一场第一洪峰小、第二洪峰大的复式洪水过程的径流资料，通过插值的方法将其整编为逐小时的流量系列数据；收集与该复式洪水过程对应的森林多边形影响雨量站的降水数据，通过插值的方法将其整编为逐小时的降雨量系列数据；

S12、收集包含目标研究流域范围的土地利用类型数据，并通过GIS软件将其剪切呈只包含目标研究流域的土地利用类型数据；

S13、结合目标研究流域的流量系列数据、降雨量系列数据和土地利用类型数据，计算目标研究流域的初始不透水率。

3.根据权利要求2所述的基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法，其特征在于：所述第一洪峰是由不透水地面产流导致的洪峰；所述第二洪峰是由透水地面和不透水地面共同产流导致的洪峰。

4.根据权利要求1所述的基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法，其特征在于：步骤S2具体为，在目标研究流域的流域面文件中添加水文单元生成流域模型，为各自的水文单元选择相应的计算方法，并确定目标研究流域的流域面雨量计算方法；所述水文单元包括水库单元、河道单元和汇流点单元。

5.根据权利要求4所述的基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法，其特征在于：选择产流计算方法为初始常速率法，地面径流汇流方法为斯奈德单位线法，基流计算方法选择退水曲线法；流域面雨量计算方法为泰森多边形法。

6.根据权利要求1所述的基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法，其特征在于：步骤S3具体为，固定流域模型的初始条件和边界条件，根据参数的物理意义，初步估算水文单元计算方法的参数初值，并根据目标研究流域出口断面的流量过程建立峰值误差百分比函数作为目标函数，选取优化算法推求目标函数的最小值，以确定参数的最优值；峰值误差百分比函数表示为

其中，f₁为峰值误差百分比函数；q_s(peak)为计算的峰值；q₀(peak)为实测的峰值。

7.根据权利要求1所述的基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法，其特征在于：步骤S4包括如下内容，

S41、设置洪峰流量模拟相对误差阈值，分别为第一阈值和第二阈值，所述第一阈值小于所述第二阈值；

S42、设置参数敏感性分析阈值，所述参数敏感性分析阈值小于50％；

S43、检验模拟的目标研究流域出口断面的第一洪峰和实测第一洪峰的大小关系，以及模拟的目标研究流域出口断面的第二洪峰和实测第二洪峰的大小关系；如果模拟的第二洪峰与实测第二洪峰的相对误差绝对值小于第一阈值，且模拟的第一洪峰与实测第一洪峰的相对误差绝对值大于第二阈值，则将表示雨量损失的参数调节至100％；若模拟的第一洪峰的大小变化率小于参数敏感性分析阈值，则表示目标研究流域的不透水率需要调节；洪峰大小变化率的计算公式如下，

其中，f₂为洪峰大小变化率；q_s1(peak)为第一次模拟的洪峰流量；q_s2(peak)为第二次模拟的洪峰流量。

8.根据权利要求7所述的基于复式洪水过程校正流域不透水率的方法，其特征在于：步骤S5具体为，

当将表示雨量损失的参数增大为100％，若模拟的第一洪峰减小的变化率小于参数敏感性分析阈值，则需要降低不透水率进行模拟计算，直至模拟的第一洪峰与实测第一洪峰的相对误差小于第二阈值，模拟的第二洪峰与实测第二洪峰的相对误差小于第一阈值，此时不透水率即为校正后的目标研究流域的不透水率；

当将表示雨量损失的参数降低为100％，若模拟的第一洪峰增大的变化率小于参数敏感性分析阈值，则需要增加不透水率进行模拟计算，直至模拟的第一洪峰与实测第一洪峰的相对误差小于第二阈值，模拟的第二洪峰与实测第二洪峰的相对误差小于第一阈值，此时的不透水率即为校正后的目标研究流域的不透水率。

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