CN113128067A - 一种基于分布式时变地貌单位线的山丘区小流域洪水预报方法 - Google Patents
一种基于分布式时变地貌单位线的山丘区小流域洪水预报方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于分布式时变地貌单位线的山丘区小流域洪水预报方法，步骤：1)对流域数字高程模型(DEM)进行填洼处理；2)提取考虑降雨强度和下垫面分布特征的分布式时变地貌单位线；3)将分布式时变地貌单位线与新安江模型相结合建立洪水预报模型，选取典型山丘区小流域进行应用，检验分布式时变地貌单位线的实用性。该方法考虑流域异质性对山丘区小流域暴雨洪水产汇流非线性的影响，提出考虑降雨强度和下垫面分布特征的流速公式推求空间分布流速场，提取出不同降雨强度的分布式地貌单位线，改进用于洪水预报模型。本发明成功应用于山丘区小流域场次洪水模拟预报，有效提高场次洪水预报精度，为山丘区小流域山洪灾害预警预报提供新的支撑。
Description
技术领域
本发明属于山区流域洪水预报技术领域，涉及一种基于分布式时变地貌单位线的河网汇流方法。
背景技术
山丘区小流域地形和植被覆盖等下垫面条件空间差异性以及降雨强度时空分布不均匀性是造成流域内暴雨洪水过程产汇流非线性的重要因素。传统集总式模拟难以考虑下垫面空间异质性和降雨强度变化对产汇流的影响，研发考虑产汇流非线性的模拟技术是提高暴雨山洪精准模拟分析的关键。为此，本发明从提高山丘区小流域洪水预报精度的角度出发，首先采用考虑降雨强度和下垫面空间分布特征的流速公式推求空间分布流速场，提取不同雨强对应的分布式地貌单位线，然后将分布式时变地貌单位线汇流方法引入新安江模型，作为其河网汇流的计算模块，从而实现基于分布式时变地貌单位线的山丘区小流域洪水预报，以提高山丘区小流域洪水预报精度。
发明内容
本发明针对现有技术存在的问题，提供了一种适用于山丘区小流域洪水预报的基于分布式时变地貌单位线的计算方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于分布式时变地貌单位线的山丘区小流域洪水预报方法，包括以下步骤：
第一步，收集流域数字高程模型DEM，基于ArcGIS平台对研究区DEM进行填洼处理。
第二步，提取考虑降雨强度和下垫面分布特征的分布式时变地貌单位线。主要步骤如下：
2.1)计算流向及汇流路径
采用数字高程模型DEM将流域空间划分为紧密相邻、规则的网格单元，流域内各网格单元都有一条独立的汇流路径，也即网格单元内水质点到达流域出口断面的水流路径。本发明采用D8算法(传统的流向计算方法)确定流域各网格单元的流向，以网格与其周围相邻网格的最大坡度方向作为流向，从而得到流域各网格单元内水质点至流域出口的汇流路径。
2.2)计算考虑流域异质性的空间分布流速场
水流的汇流速度受流域内地形地貌、植被覆盖以及降雨条件等多因素的综合影响，故流域内存在一个空间分布变化的流速场。汇流速度一般采用SCS流速公式(式(1))计算，但该公式未考虑流域内下垫面地形坡度、水流状态等的空间变化，且已有研究表明降雨强度大小对水流汇集速度有不可忽视的影响。为综合考虑流域内下垫面的空间分布特征与降雨强度对流速的影响，对SCS公式进行改进处理得到公式(2)，与传统公式(1)不同，改进的公式(2)能考虑流域内地形、植被等下垫面条件的空间变化与降雨强度等因素。采用公式(2)计算流域内各网格单元水流的汇流速度，则每个网格单元的汇流速度构成了流域内空间分布流速场，以用于计算水流流经各网格单元的滞留时间。
v＝kS0.5 (1)
式中：v为流速，m/s；k为流速系数，m/s；S为下垫面坡度，m/m；i为净雨强度，mm/h；i0为参考净雨强度，mm/h。其中，流速系数k基于网格单元内水流状态确定，距离流域分水岭小于100m的网格为坡面流，k＝0.5m/s；主河道内的网格单元为河道流，k＝5.0m/s；其余网格单元为漫滩流，k＝3.5m/s。
2.3)计算网格单元水流汇流时间
根据流域内各网格尺寸及网格水质点的流速，采用式(3)、式(4)计算各网格中水质点的滞留时间Δt：当网格单元的流向平行于网格边缘时采用式(3)；当网格单元的流向沿网格对角线时采用式(4)。在此基础上，统计水质点汇流路径上各网格单元滞留时间总和T，即为该网格单元水质点汇流时间(式(5))。
Δt＝L/V (3)
式中，L为网格单元长度，m；V为网格单元内水流汇流流速，m/s；N为水质点沿汇流路径上网格总数。
2.4)提取时变分布式地貌单位线
利用式(3)、式(4)计算得到流域内所有网格单元的汇流时间，经统计分析可得到汇流时间-面积直方图，横轴表示汇流时间(时段长取1h)，纵轴表示每个时间段内流至流域出口的网格数量，网格数量与网格单元面积相乘即得网格总面积。
在此基础上，根据每个网格单元的净雨量(1mm)，采用公式(6)将汇流时间-面积直方图转换为汇流时间-流量直方图。根据Clark单位线原理，将时间-流量直方图经线性水库调蓄计算
(式(7))，最终推求得流域分布式时变地貌单位线。
Q(t)＝C1I(t)+C2Q(t-1) (7)
式中，Q(t)为第t个时段的输出流量，m3/s；At为第t个时段的网格总面积，km2；C1、C2为无量纲计算系数；I(t)为第t个时段的输入流量，m3/s；K为流域调蓄系数，反映流域平均汇流时间(h)，取流域内所有网格单元汇流时间的平均值。
第三步，在第二步的基础上将分布式时变地貌单位线与新安江模型相结合建立洪水预报模型，选取典型山丘区小流域进行应用，用于山丘区小流域洪水预报，检验分布式时变地貌单位线的实用性。其中，流域坡地产汇流计算采用新安江模型中的蓄满产流、三水源划分及线性水库调蓄方法；河网汇流计算采用本发明提取的分布式时变地貌单位线，最终得到流域出口流量过程。
上述基于分布式时变地貌单位线的山丘区小流域洪水预报方法应用于山丘区小流域洪水预报。
本发明充分考虑流域异质性对山丘区小流域暴雨洪水产汇流非线性的影响，提出一种考虑降雨强度和下垫面分布特征的流速计算公式推求空间分布流速场，从而提取出不同降雨强度的分布式地貌单位线，并将其用作新安江模型的河网汇流计算方法，按照实际净雨强度大小选取相应单位线，体现“时变”特性，以提高山丘区小流域洪水预报精度。
本发明的效果和益处为：本发明基于传统的Clark单位线原理与方法，将降雨强度和流域下垫面分布特征对单位线的影响融合至山丘区小流域单位线的提取过程，能够实现流域内网格单元流速计算的分布式、标准化处理；同时构建了基于分布式时变地貌单位线的山丘区小流域洪水预报模型，有效提高了山丘区小流域洪水预报精度，为山丘区小流域山洪灾害预报预警工作提供了新的技术支撑。
附图说明
图1是本发明实例应用所采用的裴河山丘区小流域图；
图2是本发明洪水预报模型构建流程图；
图3是本发明分布式时变地貌单位线提取示意图；
图4是本发明提取的6条不同雨强对应的分布式时变地貌单位线；
图5是本发明典型山丘区小流域场次洪水模拟、预报结果图，其中图(a)为洪号19840808场次洪水模拟结果，图(b)为洪号19860717次洪水模拟结果，图(c)为洪号19870705场次洪水模拟结果，图(d)为洪号19900718场次洪水模拟结果，图(e)为洪号20020619场次洪水预报结果；图(f)为洪号20030708场次洪水预报结果；图(g)为洪号20040717场次洪水预报结果；图(h)为洪号20070701场次洪水预报结果。
具体实施方式
本发明在现有数据预处理技术的基础上，提出了一种基于分布式时变地貌单位线的山丘区小流域洪水预报方法。
后续实例应用中训练集、验证集分别代表了模型的模拟、预报性能
下面通过实施案例，并结合附图，对本发明做进一步说明。
裴河小流域位于河南省新县中部，流域面积21.6km2，地处大别山腹地，河床坡降陡，比降普遍在0.4％以上，最大可达3.0％，其岭谷高差大，坡度大多在30°以上。这种地势对湿润气流、台风天气系统有显著的阻挡和抬升作用，容易形成局地暴雨中心，加之流域地表植被覆盖率较低，导致该地区强降雨事件发生，受山洪灾害影响严重。裴河流域如图1所示。选取该山丘区小流域作为实例进行洪水预报，洪水预报模型构建流程见图2。主要步骤如下：
第一步，基于国家地理空间数据云平台下载裴河流域30m◇30m的数字高程模型数据(DEM)，利用ArcGIS对研究区流域进行填洼处理。
第二步，提取考虑降雨强度和下垫面分布特征的分布式时变地貌单位线，提取示意图见图3。采用式(2)计算流域内网格单元汇流速度，得到空间分布流速场。式(2)中净雨强度i选取为10、20、30、40、50、60mm/h，提取得到裴河流域共计6条分布式地貌单位线，见图4。式(2)中参考净雨强度i0取值为40mm/h，经率定得到。实际洪水预报时，各降雨时段根据表1的范围按照实际净雨(产流)强度选取相应单位线进行河网汇流计算。
表1分布式地貌单位线对应选取范围
第三步，结合三水源新安江模型，建立基于分布式时变地貌单位线的流域洪水预报模型，并进行场次洪水模拟与预报。选取裴河流域8场实测洪水过程，其中4场洪水过程用于模型参数率定，4场用于验证。山丘区小流域暴雨洪水洪量(径流量)相对较小，洪水过程陡涨陡落，洪水预报时应更关注洪峰流量和峰现时间，实际山洪预报预警当中也主要以控制断面的水位或流量作为预警指标。因此，采用洪峰流量误差、峰现时间误差和洪水过程确定性系数来评定模型预报精度。其中，洪峰流量相对误差计算见式(10)，峰现时间误差计算见式(11)，确定性系数计算见式(12)。
峰现时间误差＝Tm,sim-Tm,obs (11)
上式中，Qm,sim、Qm,obs分别为场次洪水洪峰流量计算值、实测值；Tm,sim、Tm,obs分别为场次洪水峰现时间计算值、实测值；DC为确定性系数，n表示场次洪水时段数；Qi,sim、Qi,obs分别为场次洪水第i个时段流量计算值与实测值；
为场次洪水实测流量均值。
裴河流域率定集、验证集场次洪水模拟、预报统计结果见表2，实测洪水过程与模拟、预报洪水过程对比见图5。由表2、图5可知，裴河流域率定集、验证集共计8场洪水的洪峰流量相对误差绝对值均小于20％，峰现时间误差均小于1h，确定性系数均在0.75以上。由此可见，基于分布式时变地貌单位线的洪水预报模型在裴河流域的应用效果较好。
表2裴河流域率定、验证集洪水预报统计结果
以上结果表明本发明提取的山丘区小流域分布式时变地貌单位线能够有效应用于山区流域洪水预报，整体预报精度能达到乙级以上。
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)
1.一种基于分布式时变地貌单位线的山丘区小流域洪水预报方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，收集流域数字高程模型DEM，并对研究区DEM进行填洼处理；
第二步，提取考虑降雨强度和下垫面分布特征的分布式时变地貌单位线；
2.1)计算流向及汇流路径
采用数字高程模型DEM将流域空间划分为紧密相邻、规则的网格单元，流域内各网格单元都有一条独立的汇流路径；确定流域各网格单元的流向，以网格与其周围相邻网格的最大坡度方向作为流向，得到流域各网格单元内水质点至流域出口的汇流路径；
2.2)计算考虑流域异质性的空间分布流速场
采用公式(2)计算流域内各网格单元水流的汇流速度，则每个网格单元的汇流速度构成流域内的空间分布流速场，空间分布流速场用于计算水流流经各网格单元的滞留时间；
式中：v为流速，m/s；k为流速系数，m/s；S为下垫面坡度，m/m；i为净雨强度，mm/h；i0为参考净雨强度，mm/h；
2.3)计算网格单元水流汇流时间
根据流域内各网格尺寸及网格水质点的流速，采用式(3)、式(4)计算各网格中水质点的滞留时间Δt：当网格单元的流向平行于网格边缘时采用式(3)；当网格单元的流向沿网格对角线时采用式(4)；在此基础上，统计水质点汇流路径上各网格单元滞留时间总和T，即为该网格单元水质点汇流时间；
Δt＝L/V (3)
式中，L为网格单元长度，m；V为网格单元内水流汇流流速，m/s；N为水质点沿汇流路径上网格总数；
2.4)提取时变分布式地貌单位线
利用式(3)、式(4)计算得到流域内所有网格单元的汇流时间，经统计分析可得到汇流时间-面积直方图，横轴表示汇流时间，纵轴表示每个时间段内流至流域出口的网格数量，网格数量与网格单元面积相乘即得网格总面积；
在此基础上，根据每个网格单元的净雨量，采用公式(6)将汇流时间-面积直方图转换为汇流时间-流量直方图；根据Clark单位线原理，将时间-流量直方图线性水库调蓄计算，最终推求得流域分布式时变地貌单位线；
Q(t)＝C1I(t)+C2Q(t-1) (7)
式中，Q(t)为第t个时段的输出流量，m3/s；At为第t个时段的网格总面积，km2；C1、C2为无量纲计算系数；I(t)为第t个时段的输入流量，m3/s；K为流域调蓄系数，反映流域平均汇流时间(h)，取流域内所有网格单元汇流时间的平均值；
第三步，在第二步的基础上将分布式时变地貌单位线与新安江模型相结合建立洪水预报模型，选取典型山丘区小流域进行应用，用于山丘区小流域洪水预报，检验分布式时变地貌单位线的实用性。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式时变地貌单位线的山丘区小流域洪水预报方法，其特征在于，所述步骤2.2)公式(2)中，流速系数k基于网格单元内水流状态确定，距离流域分水岭小于100m的网格为坡面流，k＝0.5m/s；主河道内的网格单元为河道流，k＝5.0m/s；其余网格单元为漫滩流，k＝3.5m/s。
3.一种权利要求1或2所述的山丘区小流域洪水预报方法的应用，其特征在于，提取考虑降雨强度和下垫面分布特征的分布式时变地貌单位线，应用于山区流域洪水预报中。
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