CN113269376B - 一种河流洪峰流量范围计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种河流洪峰流量范围计算方法，包括获取研究区的多年降雨监测数据和气象预报，还包括以下步骤：计算研究区的降雨中心平均移动速度；构建多个不同移动方向的降雨过程；利用洪涝模型计算河流断面的洪峰流量范围。本发明提出的一种河流洪峰流量范围计算方法，主要是解决在获知研究区降雨预报数据时，降雨中心移动的不确定性可能造成的洪峰流量计算结果不准确的问题。本申请通过设计各种可能的降雨中心移动方向，并计算各种移动方向下的洪峰流量，进而提取计算结果中洪峰流量的最大值和最小值，即为可能的洪峰流量范围，可为河流风险评价提供更为科学的参考依据。

Description

一种河流洪峰流量范围计算方法

技术领域

本发明涉及洪水检测的技术领域，特别是一种河流洪峰流量范围计算方法。

背景技术

城市暴雨洪涝加剧，城市洪涝风险不断上升。实测资料显示，城市强降雨的时空不均匀性越发明显，降雨空间差异不断增加，时程分布更为集中。降雨过程的时空不均匀特征，是影响城市河道洪水预报不准确的主要因素之一。当气象部门发布暴雨预警或降雨预报时，一般会给出雨量和雨强，如：“某城市某区域未来3小时降雨100毫米”，或者“未来6小时全市会有一次暴雨过程”等。然后，预报人员会根据气象预报情况，以分区或全区的形式，按照芝加哥雨型、均匀雨型或其他雨型构建降雨过程，并将降雨过程输入到城市洪涝模型，计算得到各河流断面的洪峰流量。

但是，城市地区的降雨存在不确定性，降雨中心存在明显的移动过程。尤其是在沿海城市，经常发生“飑线气候”，暴雨以条带状快速扫过城市区域，在这种情况下，城市内部不同区域的降雨是有先后的。另外，相关研究表明，降雨移动方向和速度对河流洪峰是有明显影响的。因此，采用芝加哥雨型或均匀雨型等方式构建的降雨过程，难以反映一场降雨的降雨中心移动特征，而且预报结果给出的是一个确定的洪峰流量，而不是一个范围。

搜狐网于2017年9月15日公开了渝北水利的题目为《城市内河洪峰流量计算方法》的文章，文章中提出了一种基于降雨过程理论的城市内河洪峰流量的计算方法，该方法符合短历时暴雨计算公式理论，能够真实体现河道汇流区降雨过程及河道汇流过程，计算结果能准确反映设计标准下城市内河的实际流量。该方法虽然考虑了降雨过程的不确定性，但还是将降雨作为一种确定性的输入条件来计算洪峰流量，而没有体现出降雨移动方向不确定性对洪峰流量的影响。

2015年第16期的《河南水利与南水北调》杂志上公开了陈恺的题目为《平原区中小河流洪峰流量计算方法研究》的文章，文章选取了广东省综合单位线法、推理公式法和广东省红枫流量经验公式法等是那种常用计算方法作为研究对象，通过对佛山平原区河道的实例计算分析，比较三种方法的优缺点，对其适用性等做出论证比较。研究结果表明，广东省洪峰流量经验公式的适用范围较小，计算结果只能作为参考；推理公式法不能应用于平原河流和平原河网区的排涝计算；广东省综合单位线法更适用于平原区中小河流的洪峰流量计算。该方法虽然对比了不同计算方法对洪峰流量的计算方法，但还是采用了单一的降雨条件：从广东省暴雨参数等值线图中查阅，没有考虑降雨移动方向变化对洪峰流量的影响。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提出的一种河流洪峰流量范围计算方法，主要是解决在获知研究区降雨预报数据时，降雨中心移动的不确定性可能造成的洪峰流量计算结果不准确的问题。本申请通过设计各种可能的降雨中心移动方向，并计算各种移动方向下的洪峰流量，进而提取计算结果中洪峰流量的最大值和最小值，即为可能的洪峰流量范围，可为河流风险评价提供更为科学的参考依据。

本发明的目的是提供一种河流洪峰流量范围计算方法，包括获取研究区的多年降雨监测数据和气象预报，还包括以下步骤：

步骤1：计算研究区的降雨中心平均移动速度；

步骤2：构建多个不同移动方向的降雨过程；

步骤3：利用洪涝模型计算河流断面的洪峰流量范围。

优选的是，所述多年降雨监测数据包括至少M年的N场达到筛选条件的降雨数据，其中，N≧100，所述筛选条件为降雨量超过2.6毫米/小时和/或至少造成河流水位上涨5厘米。

在上述任一方案中优选的是，当所述研究区位于年降水量大于800毫米的地区时，M≧5；当所述研究区位于年降水量小于800毫米的地区时，M≧10。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤1包括以下子步骤：

步骤11：统计每场降雨每个时刻的降雨中心；

步骤12：计算降雨中心移动距离和降雨时间，两者相除得到降雨移动速度；

步骤13：将各场降雨的所述降雨移动速度取平均，得到所述研究区的平均移动速度s。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤2包括以下子步骤：

步骤21：根据所述气象预报的降雨情况，利用芝加哥雨型构建降雨过程；

步骤22：设立降雨移动方向；

步骤23：使用所述平均移动速度s和所述降雨移动方向得到降雨过程。

在上述任一方案中优选的是，所述降雨移动方向的设立方法为取所述研究区的外接圆，以所述外接圆的圆心为起点，建立夹角相等的X个不同移动方向，作为降雨移动方向，X≧72。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤23为按照所述平均移动速度s，降雨中心分别按X个方向移动，得到X个降雨过程，加上各区同时降雨的过程，一共包括X+1个降雨过程。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤3包括以下子步骤：

步骤31：计算一条河流的所有河流断面的多个洪峰流量；

步骤32：根据所述多个洪峰流量，得到该河流的河流断面的洪峰流量范围。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤31为将X+1个所述降雨过程，分别作为输入条件输入到所述洪涝模型中，计算得到所有河流断面的洪峰流量。

在上述任一方案中优选的是，每个所述河流断面会得到X+1个值。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤32为选择各河流断面洪峰流量的最大值和最小值，作为该河流断面的洪峰流量范围。

本发明提出了一种河流洪峰流量范围计算方法及系统，本方法考虑了降雨移动移动方向的各种可能性，从而得到河道的洪峰流量的范围，而不是一个确定的值（因为降雨移动方向不确定会造成该值不确定），对于决策者更具有参考价值。

附图说明

图1为按照本发明的河流洪峰流量范围计算方法的一优选实施例的流程图。

图2为按照本发明的河流洪峰流量范围计算方法的另一优选实施例的流程图。

图3为按照本发明的河流洪峰流量范围计算方法的研究区选取位置的一实施例的示意图。

图4为按照本发明的河流洪峰流量范围计算方法的70mm/h降雨过程的一实施例的示意图。

图5为按照本发明的河流洪峰流量范围计算方法的降雨移动方向的一实施例的示意图。

图6为按照本发明的河流洪峰流量范围计算方法的移动方向编号为15的降水过程的一实施例的不同时刻累计雨量分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例一

如图1所示，一种河流洪峰流量范围计算方法，执行步骤100，获取研究区的多年降雨监测数据和气象预报。多年降雨监测数据包括至少M年的N场达到筛选条件的降雨数据，其中，N≧100，筛选条件为降雨量超过2.6毫米/小时和/或造成河流水位上涨5厘米。当所述研究区位于年降水量大于800毫米的地区时，M≧5；当所述研究区位于年降水量小于800毫米的地区时，M≧10。

执行步骤110，计算研究区的降雨中心平均移动速度。本步骤包括以下子步骤：

步骤111，统计每场降雨每个时刻的降雨中心。

步骤112，计算降雨中心移动距离和降雨时间，两者相除得到降雨移动速度。

步骤113，将各场降雨的移动速度取平均，得到研究区的平均移动速度s。

执行步骤120，构建多个不同移动方向的降雨过程。本步骤包括以下子步骤：

步骤21，根据所述气象预报的降雨情况，利用芝加哥雨型构建降雨过程。

步骤22，设立降雨移动方向。降雨移动方向的设立方法为取所述研究区的外接圆，以所述外接圆的圆心为起点，建立夹角相等的X个不同移动方向，作为降雨移动方向，其中，X≧72。

步骤23，使用所述平均移动速度s和所述降雨移动方向得到降雨过程。本子步骤为按照所述平均移动速度s，降雨中心分别按X个方向移动，得到X个降雨过程，加上各区同时降雨的过程，一共包括X+1个降雨过程。

执行步骤130，利用洪涝模型计算河流断面的洪峰流量范围。本步骤包括以下子步骤：

步骤31：计算一条河流的所有河流断面的多个洪峰流量。本子步骤为将X+1个所述降雨过程，分别作为输入条件输入到研究区洪涝模型中，计算得到所有河流断面的洪峰流量，每个所述河流断面会得到X+1个值。

步骤32：根据所述多个洪峰流量，得到该河流的河流断面的洪峰流量范围。本子步骤为选择各河流断面洪峰流量的最大值和最小值，作为该河流断面的洪峰流量范围。

实施例二

本文构建了一种考虑降雨移动方向的河流洪峰计算方法，得到一个洪峰范围，能更准确的表现河流的洪水风险，方法流程如图2所示。

（1）计算研究区的降雨中心平均移动速度

要收集研究区多年的历史降雨监测数据（5分钟间隔），至少包括M年的N场以上较大降雨（在本实施例中，N=100）（南方地区至少需要连续的M=5年数据、北方地方至少M=10年数据）。统计每场降雨每个时刻的降雨中心，计算降雨中心移动距离和降雨时间，利用两者相除得到降雨移动速度。将各场降雨的移动速度取平均，得到研究区的平均移动速度s。

（2）构建多个不同移动方向的降雨过程

1）根据气象预报的降雨情况，利用芝加哥雨型构建降雨过程；2）取研究区的外接圆，以外接圆的圆心为起点，建立夹角相等的100个不同移动方向，作为降雨移动方向；3）按照前面计算得到平均移动速度s，降雨中心分别按X个方向移动，得到X个降雨过程。加上各区同时降雨的过程，一共包括X+1个降雨过程，在本实施例中，X=100。

（3）利用洪涝模型计算河流断面的洪峰流量范围

将X+1个降雨过程，分别作为输入条件输入到研究区洪涝模型中，计算得到所有河流断面的洪峰流量，每个断面会得到X+1个值。选择各断面洪峰流量的最大值和最小值，作为该断面的洪峰流量范围，在本实施例中，X=100。

实施例三

以深圳河湾流域作为研究区，如气象部门预报“未来气象预报会发生1小时70mm的降雨”为例，计算河流断面洪峰范围。

（1）计算研究区的降雨中心平均移动速度

如图3所示，选择深圳市中心区的河湾流域作为研究区。河湾片区位于珠江口东侧，包括南山、福田、罗湖三个城市中心区和龙岗区的布吉、南湾街道，总面积293km²，是深圳市建设得最早，最成熟的地区。

根据深圳市2008-2018年63个气象站点逐5分钟降雨监测数据统计，所有场次降雨的降雨中心移动速度平均约为10km/h。

（2）构建多个不同移动方向的降雨过程

1）如图4所示，建立1小时70mm降雨的芝加哥雨型降雨过程。

2）如图5所示，取研究区的外接圆，以外接圆的圆心为起点，建立夹角相等的100个不同移动方向，作为降雨移动方向。

3）按照10km/h的平均移动速度，降雨中心按100个方向分别先后降雨，得到100个降雨过程。加上各区同时降雨的过程，一共101个降雨过程。如图6所示，以图5中编号为15的移动方向所构建的降雨过程分布图为例。

（3）利用洪涝模型得到河流断面的洪峰流量范围

河湾流域洪涝模型可以计算1284个河流断面的洪水过程。将101个降雨过程，分别作为输入条件输入到研究区洪涝模型中，计算得到所有河流断面的洪峰流量，每个断面会得到101个值。提取其中最大、最小值作为可能的洪峰流量范围。

以研究区西部的大沙河为例，大沙河包括158个断面（断面序号从上游到下游），各断面洪峰范围如表1所示。从表中可看出，不同移动方向对断面洪峰流量的影响很明显，本文的计算方法得到的洪峰范围，可为风险分析提供更为可靠的依据。

表1 大沙河158个断面各断面洪峰范围

为了更好地理解本发明，以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。本说明书中每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

Claims (5)

1.一种河流洪峰流量范围计算方法，包括获取研究区的多年降雨监测数据和气象预报，其特征在于，还包括以下步骤：

步骤1：计算研究区的降雨中心平均移动速度，所述研究区为城市建成区；

步骤2：构建多个不同移动方向的降雨过程，包括以下子步骤：

步骤21：根据所述气象预报的降雨情况，利用芝加哥雨型构建降雨过程；

步骤22：设立降雨移动方向，降雨移动方向的设立方法为取所述研究区的外接圆，以所述外接圆的圆心为起点，建立夹角相等的X个不同移动方向，作为降雨移动方向，其中，X≧72；

步骤23：使用所述平均移动速度s和所述降雨移动方向得到降雨过程，按照所述平均移动速度s，降雨中心分别按X个方向移动，得到X个降雨过程，加上各区同时降雨的过程，一共包括X+1个降雨过程；

步骤3：利用洪涝模型计算河流断面的洪峰流量范围，包括以下子步骤：

步骤31：计算一条河流的所有河流断面的多个洪峰流量，将X+1个所述降雨过程，分别作为输入条件输入到所述洪涝模型中，计算得到所有河流断面的洪峰流量，每个所述河流断面会得到X+1个值；

步骤32：根据所述多个洪峰流量，得到该河流的河流断面的洪峰流量范围。

2.如权利要求1所述的河流洪峰流量范围计算方法，其特征在于，所述多年降雨监测数据包括至少M年的N场达到筛选条件的降雨数据，其中，N≧100，所述筛选条件为降雨量超过2.6毫米/小时和/或至少造成河流水位上涨5厘米。

3.如权利要求2所述的河流洪峰流量范围计算方法，其特征在于，当所述研究区位于年降水量大于800毫米的地区时，M≧5；当所述研究区位于年降水量小于800毫米的地区时，M≧10。

4.如权利要求3所述的河流洪峰流量范围计算方法，其特征在于，所述步骤1包括以下子步骤：

步骤11：统计每场降雨每个时刻的降雨中心；

步骤12：计算所述降雨中心的移动距离和降雨时间，两者相除得到降雨移动速度；

步骤13：将各场降雨的所述降雨移动速度取平均，得到所述研究区的平均移动速度s。

5.如权利要求4所述的河流洪峰流量范围计算方法，其特征在于，所述步骤32为选择各河流断面洪峰流量的最大值和最小值，作为该河流断面的洪峰流量范围。

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