CN113779814B - 一种大尺度台风洪涝模拟计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺度台风洪涝模拟计算方法,首先基于网格的分布式水文模拟方法，利用地形地貌、土壤质地、土地利用等空间数据集作为模型计算的依据，将网格概化为上层和下层两层土壤含水层，并在每个网格上考虑降雨、蒸发、超渗产流、蓄满产流、土壤侧向流和向地下含水层的排水水流，其中侧向流包括上游网格流入该网格的侧向流与该网格流向下游网格的侧向流和地下水径流；在产流计算的基础上，采用改进的运动波回流计算方法，对坡面及河道的回流进行模拟计算。本发明在大尺度台风洪涝模拟计算中，显示出高效的计算效率与一定的精确度，解决了准确性与时效性的平衡问题。
Description
技术领域
本发明属于水文模拟预测技术领域，涉及一种大尺度台风洪涝模拟计算方法。
背景技术
分布式水文模型是研究水循环过程和机理的有效手段，也是解决许多水文实际问题的有效工具。
时空变源混合产流模型首先基于小流域多源时空数据（数据源）划分地貌水文响应单元，构建不同响应单元的对应产流机制；然后建立对应不同产流机制的超渗/蓄满混合产流模型（方法源），采用组合概念水库的方法模拟包气带与饱和带的土壤水量交换（分水源）；从超渗/蓄满的平面混合、垂向混合和时段混合三个方面构建时空变源混合产流模型，实现小流域非线性产流模拟。
时空变源体现在三个方面，一是降雨时空变化，即来水水源时空变化，二是下渗参数和土壞含量时空变化造成不同产流组分（即分水源）和产流过程时空变化，表现为超渗蓄满过程时间组合，需要采用不同方法进行组合模拟（即方法源）三是不同尺度数据来源不同精度不同，也是时空变化（即数据源）。总的来说，时空变源混合产流模型通过不同数据源对地貌响应单元进行划分，构建不同响应单元产流机制，实现超渗蓄满机制平面混合；基于垂向分水源并结合非饱和下渗算法，实现垂向和时段混合产流。
运动波汇流模型是一种汇流计算方法,为改善模拟效果，有报道公开了基于动力网络的分布式运动波汇流模型。该模型将分布式水文模型中的产流单元与河网组合建立成无尺度网络模型,汇流计算分成节点汇流与网络汇流两阶段完成,根据积水面积的不同分成坡面汇流与河道汇流。
目前的台风洪涝模拟预报计算方法，主要针对中小流域尺度水循环过程进行数值模拟分析，既有基于经验的集总式概念方法，又有基于物理意义的分布式模拟方法，但是在针对大尺度的台风洪涝模拟上，由于建模所需信息种类繁多且数据量大，无法在模拟精度与模拟时间上取得平衡，往往需要很长计算时间才能得到可接受的模拟结果，无法满足台风洪涝模拟预报的时效性要求。
发明内容
为了解决大尺度的台风洪涝模拟上无法做到准确性与时效性的优化平衡的问题，本发明提供了一种大尺度台风洪涝模拟计算方法，首先基于改进的分布式时空变源混合产流计算方法，在每个计算网格上进行产流模拟，然后利用改进的运动波计算方法对网格之间的水流运动进行模拟计算，求得台风洪涝事件中每个模拟网格的流量。
一种大尺度台风洪涝模拟计算方法,包括如下步骤：
步骤一、首先基于网格的分布式水文模拟方法，利用地形地貌、土壤质地、土地利用等空间数据集作为模型计算的依据，将网格概化为上层和下层两层土壤含水层，并在每个网格上考虑降雨、蒸发、超渗产流、蓄满产流、土壤侧向流和向地下含水层的排水水流，其中侧向流包括上游网格流入该网格的侧向流与该网格流向下游网格的侧向流和地下水径流；
步骤二、在产流计算的基础上，采用改进的运动波回流计算方法，对坡面及河道的回流进行模拟计算。
具体地，步骤一具体为：
假定每个网格最大的蓄水能力为 受网格内的平均地形坡度 的影响，其
计算公式如下:
(1)；
式中，，参数 和 是产流区的区域参数，分别为该区域坡度和
蓄水能力的最大值；
蒸发 可通过以下潜在蒸发 和蓄水量 之间的关系进行计算：
(2)；
式中，， 为含水量， 是蒸发发生在潜在蒸发时的阈值赤字； 为
潜在蒸发率；
潜在下渗率 的描述如下：
(3)；
式中， 为最大下渗能力，因此实际下渗率 的计算如下：
(4)；
式中， 为降水强度，超渗产流 的计算如下：
(5)；
侧向流 的计算如下：
(6)；
式中，，, 和 为上下游网
格的蓄水量， 和 为上下游网格的高程；
向地下含水层的排水计算如下：
(7)；
式中， 为垂直方向的饱和水力传导度， 为渗漏函数中的指数；
网格土壤含水量的计算如下：
(8)；
式中， 为该时段上层土壤含水层的初始含水量， 为流出网格的侧向流，
为流入网格的侧向流；
因此，网格的总地表产流 的计算如下：
(9)；
对于地下水含水层的含水量 有：
(10)；
式中， 为该时段的地下水含水层初始含水量，地下水出流为：
(11)；
式中， 为地下水出流系数。
具体地，步骤二具体为：
由于网格地形控制，水流可以被明确地从一个网格传输到另一个网格，但是坡面和河道采用的运动波速不同，而且需要考虑回流（地表和地下径流之间产生的水量交换）的影响，因此，考虑回流的一维坡面汇流计算公式为：
(12)；
式中， 为坡面地上径流， 为坡面地上运动波速度， 为坡面地上入流， 为
坡面回流， 为坡面径流地下基流， 为坡面地下运动波速度， 为坡面地下入流；
考虑回流的一维河道汇流计算公式为：
（13）；
式中， 为河道地上径流， 为河道地上运动波速度， 为河道地上入流， 为
河道回流， 为河道径流地下基流， 为河道地下运动波速度， 为河道地下入流；
采用有限差分法对以上四个偏微分方程进行离散化处理：
(14)；
式中，， 为第 个网格在时间 时的出流量， 为第
个网格在时间 时的出流量， 第 个网格的上游网格 在时间 时
的出流量， 为第 个网格在时间 时的侧向流量， 为第 个网格在时间 时的
回流流量。
本发明首先基于改进的分布式时空变源混合产流计算方法，在每个计算网格上进行产流模拟，然后利用改进的运动波计算方法对网格之间的水流运动进行模拟计算，求得台风洪涝事件中每个模拟网格的流量。本发明在大尺度台风洪涝模拟计算中，显示出高效的计算效率与一定的精确度， 实现了准确性与时效性的优化平衡，可用于模拟历史和万年时间尺度的中国台风暴雨洪涝灾害事件集，具有较高的适用性和广泛的应用潜力。
附图说明
图1为本发明的计算结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细说明。
参照图1，一种大尺度台风洪涝模拟计算方法,包括如下步骤：
步骤一、利用地形地貌、土壤质地、土地利用等空间数据集作为模型计算的依据，将网格概化为上层和下层两层土壤含水层，并在每个网格上考虑降雨、蒸发、超渗产流、蓄满产流、土壤侧向流和向地下含水层的排水水流，其中侧向流包括上游网格流入该网格的侧向流与该网格流向下游网格的侧向流和地下水径流。
假定每个网格最大的蓄水能力为 受网格内的平均地形坡度 的影响，其
计算公式如下:
(1)；
式中，，参数 和 是产流区的区域参数，分别为该区域坡度和
蓄水能力的最大值。
蒸发 可通过以下潜在蒸发 和蓄水量 之间的关系进行计算：
(2)；
式中，， 为含水量， 是蒸发发生在潜在蒸发时的阈值赤字； 为
潜在蒸发率。
潜在下渗率 的描述如下：
(3)；
式中， 为最大下渗能力，因此实际下渗率 的计算如下：
(4)；
式中， 为降水强度，超渗产流 的计算如下：
(5)；
侧向流 的计算如下：
(6)；
式中，，, 和 为上下游网
格的蓄水量， 和 为上下游网格的高程。
向地下含水层的排水计算如下：
(7)；
式中， 为垂直方向的饱和水力传导度， 为渗漏函数中的指数。
网格土壤含水量的计算如下：
(8)；
式中， 为该时段上层土壤含水层的初始含水量， 为流出网格的侧向流，
为流入网格的侧向流。
因此，网格的总地表产流 的计算如下：
(9)；
对于地下水含水层的含水量 有：
(10)；
式中， 为该时段的地下水含水层初始含水量，地下水出流为：
(11)；
式中， 为地下水出流系数。
步骤二、在产流计算的基础上，采用改进的运动波回流计算方法，对坡面及河道的回流进行模拟计算。由于本模型网格地形控制，水流可以被明确地从一个网格传输到另一个网格，但是坡面和河道采用的运动波速不同，而且需要考虑回流（地表和地下径流之间产生的水量交换）的影响，因此，考虑回流的一维坡面汇流计算公式为：
(12)；
式中， 为坡面地上径流， 为坡面地上运动波速度， 为坡面地上入流， 为
坡面回流， 为坡面径流地下基流， 为坡面地下运动波速度， 为坡面地下入流。
考虑回流的一维河道汇流计算公式为：
（13）；
式中， 为河道地上径流， 为河道地上运动波速度， 为河道地上入流， 为
河道回流， 为河道径流地下基流， 为河道地下运动波速度， 为河道地下入流。
采用有限差分法对以上四个偏微分方程进行离散化处理：
(14)；
式中，， 为第 个网格在时间 时的出流量， 为第
个网格在时间 时的出流量， 第 个网格的上游网格 在时间 时
的出流量， 为第 个网格在时间 时的侧向流量， 为第 个网格在时间 时的
回流流量。
中国洪涝模型采用具有代表性的流域出口断面流量数据进行验证，验证后重点模拟台风洪涝事件中，淹没范围、最大淹没水深、淹没历时和流速的相对时空分布状况。而模型中针对城市排水对洪涝淹没的影响，采用落地净雨减去预估排水量的方式，将城市排水纳入洪涝计算。而对于沿海地区由台风引发的风暴潮，则直接将风暴潮水量加载至网格上进行汇流计算。
针对台风暴雨洪水形成的物理过程，本发明基础上的中国台风洪涝模型可用于模拟历史和万年时间尺度的中国台风暴雨洪涝灾害事件集。
1.与国内外其他模型的对比验证
选取我国不同水文分区（半干旱、半湿润、湿润）中的15个小流域总共200余场洪水进行9模型模拟结果对比分析： API模型（API）、大伙房模型（DHF）、初损后损法（HEC1）、SCS模型（HEC2），TOPMODEL模型（TOPMODEL）、新安江模型（XAJ）、CNFF模型（CNFF）、时空变源混合产流模型（SKBY）、PRMS模型（PRMS）。
时空变源混合产流模型对15个小流域202场洪水模拟平均纳什确定性系数为0.78，明显高于其它8个模型（0.32至0.60之间）。除甘肃马街流域纳什确定性系数较低（0.34）外，时空变源混合产流模型对其它14个小流域洪水场次模拟确定性系数均高于0.65。而就甘肃马街而言，本发明模型模拟精度仍高于其余对比模型（均低于0.3）。进一步分析模型和对于洪峰流量的模拟，时空变源混合产流模型平均洪峰误差百分比仅为7%，精度远高于其他8个模型（16%至148%）。在针对甘肃马街流域洪水模拟中，时空变源混合产流模型模拟洪峰误差百分比仅为1%，说明相比于其他水文模型，本发明提出的混合产流模型在针对小流域短历时、高强度暴雨洪水模拟中适用性较高。
将15个模拟小流域按照其所在水文分区进行分类，根据不同模型多场次洪水模拟平均纳什确定性系数和平均洪峰误差百分比将模拟结果分为：较好（GOOD），可接受（ACCEPT）和较差（BAD）三挡。
表1：模拟结果评价标准
时空变源混合产流模型在全部所选小流域洪水模拟中模拟合格率近95%（模拟较好占比约60%，可接受占比约35%），在湿润区流域洪水模拟中无较差模拟场次，模拟较好率约占全部模拟80%。因此，时空变源混合产流模型在我国不同水文分区小流域产流模拟中具有明显优势，尤其针对半湿润半干旱山丘区洪水模拟精度明显优于其他水文模型（模拟较差率小于10%），具有较高的适用性和广泛的应用潜力。
1.1 海南省威尔玛台风模拟验证
选取海南南渡江流域，威尔玛（2014/07/17-2014/07/20）和海鸥（2014/09/13-2014/09/16）两场台风事件进行模拟。降雨数据采用0.1°分辨率逐小时融合降雨数据。海南南渡江流域共有5个测站，选取该流域，主要验证中国台风洪涝模型在实际台风事件中的模拟效果。
经验证，中国洪涝模型在海南南渡江流域三个站点两场台风过程模拟纳什确定性系数范围为0.84-0.97，模拟效果优秀，模型在由台风引发的暴雨洪涝事件中模拟效果较好。
1.2 山东省暴雨模拟验证
选取山东省田庄、沂河朱家庄两个流域2007年至2020年间多场次暴雨洪水事件进行模型校准。其中，田庄流域面积419.1km2,沂河朱家庄流域面积31.4km2。田庄流域主要土地利用类型为耕地、草地，另有部分建筑用地（房屋），沂河朱家庄流域主要土地利用为耕地与草地。选取田庄、沂河朱家庄两个流域主要验证模型在多场次暴雨洪水事件上的连续模拟效果。
基于中国洪涝模型对两个不同尺度流域进行多场次暴雨洪水连续模拟，所得模拟流量与实测结果基本项目，田庄流域多场次连续模拟确定性系数为0.82，沂河流域多场次连续模拟确定性系数为0.7，均到达较好标准。验证了该模型在多场次洪水事件中连续模拟的能力。
1.3 福建省暴雨模拟验证
福建作为我国东南临海省份，常受台风暴雨袭击，多发台风洪涝灾害。因此，选取福建省诏安、龙山、司前、七步4个面积在100-1000km2范围内的流域进行多场次洪水模拟。
表2：福建省验证流域、降雨场次及模拟结果
对比山东省模型验证，福建省模型验证选择流域面积尺度跨度更大，受台风影响更深。模型结果诏安、龙山、司前、七步多场次洪水连续模拟纳什确定性系数在0.74-0.89之间，验证了中国洪涝模型在受台风影响的沿海省份不同尺度流域多场次暴雨洪水连续模拟的效果。证明本研究研发的中国洪涝模型适用于东南沿海由台风引发的暴雨洪涝事件模拟。
另外针对福建省台风事件，选择闽清县2016年7月9日“尼伯特”台风洪涝灾害进行模拟验证。受台风影响，闽清县遭受特大暴雨袭击，引发历史最大洪水，洪峰流量4730m3/s，超100年一遇，历史排名第1，造成城区和12个乡镇受淹，灾害严重。
收集了该场台风降雨过程数据，利用台风洪涝模型进行模拟，得到了全部闽清流域河道及坡面洪峰过程及流量。其中，模拟闽清站最大洪峰流量4810m3/s，洪峰误差1.7%，峰现时间提前2个小时。
1.4 广西暴雨模拟验证
在广西壮族自治区，选择灵渠（1965-1975）、那坡（1980-1981）及南义（1980-1983）三个流域多场次洪水进行该模型的模拟验证。模拟结果如下：
广西流域地形地貌起伏较大，下垫面条件复杂，给模型模拟带来了很大难度。经灵渠、那坡、南义三个流域多场次洪水模拟验证，灵渠流域在1965年至1975年10年间多场次洪水连续模拟纳什确定性系数为0.67，那坡流域在1980年至1981年间多场次洪水连续模拟纳什确定性系数为0.88，南义流域在1980年至1983年间多场次洪水连续模拟纳什确定性系数为0.84，验证了中国台风洪涝模型可以模拟复杂地形地貌条件下的流域洪水。
Claims (2)
1.一种大尺度台风洪涝模拟计算方法,其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、首先基于网格的分布式水文模拟方法，利用地形地貌、土壤质地、土地利用的空间数据集作为模型计算的依据，将网格概化为上层和下层两层土壤含水层，并在每个网格上考虑降雨、蒸发、超渗产流、蓄满产流、土壤侧向流和向地下含水层的排水水流，其中侧向流包括上游网格流入该网格的侧向流与该网格流向下游网格的侧向流和地下水径流；
步骤二、在产流计算的基础上，采用改进的运动波回流计算方法，对坡面及河道的回流进行模拟计算，过程如下：
考虑回流的一维坡面汇流计算公式为：
(12)；
式中， 为坡面地上径流， 为坡面地上运动波速度， 为坡面地上入流， 为坡面回流， 为坡面径流地下基流， 为坡面地下运动波速度， 为坡面地下入流；
考虑回流的一维河道汇流计算公式为：
（13）；
式中， 为河道地上径流， 为河道地上运动波速度， 为河道地上入流， 为河道回流， 为河道径流地下基流， 为河道地下运动波速度， 为河道地下入流；
采用有限差分法对以上四个偏微分方程进行离散化处理：
(14)；
式中，， 为第 个网格在时间 时的出流量， 为第 个网格在时间 时的出流量， 第 个网格的上游网格 在时间 时的出流量， 为第 个网格在时间 时的侧向流量， 为第 个网格在时间 时的回流流量。
2.如权利要求1所述的一种大尺度台风洪涝模拟计算方法,其特征在于，步骤一具体为：
假定每个网格最大的蓄水能力为 受网格内的平均地形坡度 的影响，其计算公式如下:
(1) ；
式中，，参数 和 是产流区的区域参数，分别为该区域坡度和蓄水能力的最大值；
蒸发 可通过以下潜在蒸发 和蓄水量 之间的关系进行计算：
(2)；
式中，， 为含水量， 是蒸发发生在潜在蒸发时的阈值赤字； 为潜在蒸发率；
潜在下渗率 的描述如下：
(3)；
式中， 为最大下渗能力，因此实际下渗率 的计算如下：
(4)；
式中， 为降水强度，超渗产流 的计算如下：
(5)；
侧向流 的计算如下：
(6)；
式中，，, 和 为上下游网格的蓄水量， 和 为上下游网格的高程， 为土壤厚度，为网格大小；
向地下含水层的排水计算如下：
(7)；
式中， 为垂直方向的饱和水力传导度， 为渗漏函数中的指数；
网格土壤含水量的计算如下：
(8)；
式中， 为该时段上层土壤含水层的初始含水量， 为流出网格的侧向流， 为流入网格的侧向流，为计算时间步长；
因此，网格的总地表产流 的计算如下：
(9)；
对于地下水含水层的含水量 有：
(10)；
式中， 为该时段的地下水含水层初始含水量，地下水出流为：
(11)；
式中， 为地下水出流系数。
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2021
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