CN114840989B - 一种栅格尺度考虑水利工程拦蓄的河道汇流演算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种栅格尺度考虑水利工程拦蓄的河道汇流演算方法，包括：获取流域的DEM数据和遥感影像数据，并以DEM的每个栅格单元作为计算单元，根据计算单元上是否有河道将计算单元划分为河道栅格单元和非河道栅格单元；基于DEM数据和遥感影像数据，提取拦河水利工程的空间信息；根据拦河水利工程的空间信息，获取各个拦河水利工程的防洪库容、所处位置及控制范围；计算流域内每个河道栅格单元的河道拦蓄库容，估算每个河道栅格单元的初始河道拦蓄量；构建考虑河道拦蓄库容的逐网格汇流演算方法进行河网汇流演算。本发明实现了对受水利工程拦蓄作用影响的河道汇流过程在时间、空间两个层面上的精细化模拟，提高了河道汇流演算的精度。

Description

一种栅格尺度考虑水利工程拦蓄的河道汇流演算方法

技术领域

本发明属于水文预报领域，具体涉及一种考虑拦河水利工程对河道径流拦蓄作用的河道汇流演算方法。

背景技术

防洪减灾是我国水利工作的重点，而对中小河流洪水进行精确预报是掌握洪水规律、弥补防洪“短板”的重要途径。在中国，新安江模型是最为通用的水文模型，其分布式版本(分布式新安江模型)能够更加精细、全面地考虑流域内的空间变异性，在理论上具有更好的模拟能力和应用前景，目前正在被广泛推广应用于各地区的中小河流洪水预报，逐步替代原有的新安江模型。然而，目前的分布式新安江模型主要通过调整参数的方法以一种粗糙的、集总式的方式来模拟拦河水利工程对汇流过程的影响，无法在空间上精细化模拟拦河水利工程对汇流过程的影响，这极大的影响了分布式新安江模型的洪水预报能力。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种有效地提高洪水预报精度的汇流演算方法。

为了实现上述目的，本发明具体采用以下技术方案：

本发明首先提供一种栅格尺度考虑水利工程拦蓄的河道汇流演算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取流域的DEM数据和遥感影像数据，并以DEM的每个栅格单元作为计算单元，根据计算单元上是否有河道将计算单元划分为河道栅格单元和非河道栅格单元；

步骤2，基于DEM数据和遥感影像数据，提取拦河水利工程的空间信息，结合水利普查信息，获取各个拦河水利工程的防洪库容、所处位置、控制范围；

步骤3，计算流域内每个河道栅格单元的河道拦蓄库容，估算每个河道栅格单元的初始河道拦蓄量；

步骤4，使用考虑河道拦蓄库容的逐网格汇流演算方法进行河网汇流演算。

河道拦蓄库容：任意拦河水利工程所在地以上河段的河道栅格共有一个河道拦蓄库容，其数值等于该拦河水利工程的洪水拦蓄能力；当拦河水利工程所在地以上河段的所有河道栅格的累计入流量之和大于河道拦蓄库容时，多出的部分将会形成河道径流参与河网汇流过程；在河道拦蓄库容内的河道栅格入流量，将不会形成河道径流。

步骤3中，计算流域内每个栅格计算单元的河道拦蓄库容的具体算法为：

I_chm＝V_f (1)

式中，I_chm为河道拦蓄库容(m³)，V_f为拦河水利工程的防洪库容(m³)；

步骤2中，若有拦河水利工程防洪库容的资料，可直接使用；若无拦河水利工程防洪库容的资料，可以通过比较一场大洪水前后的卫星遥感影像估测河道内因为拦蓄作用而增加的水域面积，结合面积-库容经验曲线估算拦河水利工程的防洪库容，具体算法为：

式中，V_f为拦河水利工程的防洪库容(m³)，Data_wcp＝1表示该拦河水利工程有防洪库容资料，V_fc为有库容资料的拦河水利工程防洪库容值(m³)，Data_wcp＝0表示该拦河水利工程无防洪库容资料，ΔW为无库容资料的拦河水利工程防洪库容估算值(m³)，是通过比较一场大洪水前后的卫星遥感影像估测河道内因为拦蓄作用而增加的水域面积，结合面积-库容经验曲线估算得到。

初始河道拦蓄量：任意拦河水利工程所在地以上河段的河道栅格共有一个初始河道拦蓄量，其定义为在一场洪水发生前，河道内被拦河水利工程所拦蓄的水量。

步骤3中，估算每个河道栅格单元的初始河道拦蓄量的具体算法为：

式中，I_ch0为初始河道拦蓄量(m³)，

为拦河水利工程控制范围内的所有栅格单元(包括河道栅格单元和非河道栅格单元)的累积初始张力水量(mm)，

为拦河水利工程控制范围内的所有栅格单元(包括河道栅格单元和非河道栅格单元)的累积张力水蓄水容量(mm)。初始张力水量和张力水蓄水容量均可通过新安江模型求出。

步骤4中，考虑河道拦蓄库容的逐网格汇流演算方法为：

式中，

代表第t时刻第i个河道栅格的河道径流量(m³/s)，为流入该河道栅格的地表径流、壤中流、地下径流及河道径流之和；

为第t时刻第i个河道栅格对应的出口断面流量(m³/s)；

为第i个河道栅格在t对应时刻的Δt时段内的河道拦蓄量(m³)；β为单位换算系数，将河道拦蓄量(m³)换算为单位时间Δt内的平均拦蓄流量(m³/s)；C₀、C₁，C₂为逐网格河道汇流演算系数：

式中，Δt为单位时段，k_ch和x_ch为逐网格河道演算参数，可先按照经验进行估算后结合实测洪水过程进行参数率定求得。

河道拦蓄量

的计算方法为：

式中，I_cha为累计河道拦蓄量(m³)，计算方法为：

式中，

为受当前拦河水利工程控制的所有河道栅格在k时刻对应的Δt时段内的总河道拦蓄量(m³)。

本发明还提供一种河道汇流演算装置，其特征在于，包括处理器和存储器；所述存储器中存储有程序或指令，所述程序或指令由所述处理器加载并执行以实现所述河道汇流演算方法的步骤。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现所述河道汇流演算方法的步骤。

本发明的有益效果：本发明考虑受拦河水利工程影响的汇流演算方法，首先获取流域的DEM数据和遥感影像数据，并以DEM的每个栅格单元作为计算单元，根据计算单元上是否有河道将计算单元划分为河道栅格单元和非河道栅格单元；然后基于DEM数据和遥感影像数据，运用地理信息软件提取拦河水利工程的空间信息，结合水利普查信息，获取各个拦河水利工程的防洪库容、所处位置、控制范围；之后计算流域内每个河道栅格单元的河道拦蓄库容，估算每个河道栅格单元的初始河道拦蓄量；最后构建考虑河道拦蓄库容的逐网格汇流演算方法进行河网汇流演算。本发明提出了基于河道拦蓄量的栅格单元次洪汇流演算方法，考虑了水利工程拦蓄对河网汇流的影响，解决了目前已有的汇流演算方法无法较好地反映水利工程拦蓄作用的问题，能够有效地提高分布式新安江模型的洪水预报精度。

附图说明

图1是本发明提供的分布式新安江模型中考虑水利工程拦蓄的汇流演算方法流程示意图；

图2是具体实施例中流域内降雨空间分布及水库控制范围图；

图3是具体实施例中流域内各栅格的河道拦蓄库容；

图4是具体实施例中流域内考虑水利工程拦蓄的河道流量模拟结果；

图5是具体实施例中流域内未考虑水利工程拦蓄的河道流量模拟结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

应当理解的是，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1

如图1所示，本发明提供了一种基于物理机制的栅格尺度考虑水利工程拦蓄的汇流演算方法，包括以下步骤：

步骤1，获取流域的DEM数据和遥感影像数据，并以DEM的每个栅格单元作为计算单元，根据计算单元上是否有河道将计算单元划分为河道栅格单元和非河道栅格单元，具体步骤包括：

步骤11，获取流域的DEM数据和卫星遥感影像数据，以DEM的每个栅格单元作为计算单元；

步骤12，根据计算单元上是否有河道将计算单元划分为河道栅格单元和非河道栅格单元：

式中，DRM_i为第i个DEM栅格计算单元，Cha为河道栅格，0代表非河道栅格单元，1代表河道栅格单元。

下载海河流域子流域北辛店流域的DEM数据和卫星遥感数据，将DEM的每个栅格单元作为计算单元，利用GIS空间分析工具将计算单元划分为河道栅格单元与非河道栅格单元。

步骤2，基于DEM数据和遥感影像数据，运用地理信息软件提取拦河水利工程的空间信息，结合水利普查信息，获取各个拦河水利工程的防洪库容、所处位置、控制范围，具体步骤包括：

步骤21，根据DEM数据生成流域面文件，通过辐射定标、大气校正、正射校正、几何配准等步骤校正遥感影像数据；

步骤22，将校正后的遥感影像导入地理信息软件，并将投影转换后的面文件裁剪遥感影像，得到包含拦河水利工程空间信息的遥感影像图；

步骤23，采用归一化差分水体指数法提取遥感影像图中各个拦河水利工程的空间分布信息，将提取的初始阈值设置为0，并结合遥感影像的实际云量微调阈值，得到各个拦河水利工程的所处位置、控制范围：

式中，I_NDWI为归一化差分水体指数，λ₂与λ₄分别为GF-1卫星的绿光波段和近红外波段。

步骤24，结合水利普查信息，对于有防洪库容资料的拦河水利工程直接移用库容数据；对于无防洪库容资料的拦河水利工程，可通过比较一场大洪水前后的卫星遥感估测河道内因拦蓄作用而增加的水域面积，并结合面积-库容经验曲线估算防洪库容，由此得到各个拦河水利工程的防洪库容：

式中，V_f为拦河水利工程的防洪库容(m³)，Data_wcp＝1表示该拦河水利工程有防洪库容资料，V_fc为有库容资料的拦河水利工程防洪库容值(m³)，Data_wcp＝0表示该拦河水利工程无防洪库容资料，ΔW为无库容资料的拦河水利工程防洪库容估算值(m³)，是通过比较一场大洪水前后的卫星遥感影像估测河道内因为拦蓄作用而增加的水域面积，结合面积-库容经验曲线估算得到。

分析处理北辛店流域的DEM数据和卫星遥感数据，得到流域内拦河水利工程的空间分布信息，并结合水利普查信息，获取各个拦河水利工程的防洪库容、所处位置、控制范围，如图2所示。

步骤3，计算流域内每个河道栅格单元的河道拦蓄库容，估算每个河道栅格单元的初始河道拦蓄量：

步骤31，根据各个拦河水利工程的防洪库容值，计算流域内每个河道栅格单元的河道拦蓄库容，对于非河道栅格单元，河道拦蓄库容为0；在任意拦河水利工程所在地以上河段的河道栅格都共有一个河道拦蓄库容，其数值等于该拦河水利工程的洪水拦蓄能力：

I_chm＝V_f (4)

式中，I_chm为河道拦蓄库容(m³)，V_f为拦河水利工程的防洪库容(m³)；

步骤32，根据栅格的土壤湿度资料，建立河道初始拦蓄量与土壤初始湿度的数学关系，估算每个河道栅格单元的初始河道拦蓄量，在任意拦河水利工程所在地以上河段的河道栅格都共有一个初始河道拦蓄量，其定义为在一场洪水发生前，河道内被拦河水利工程所拦蓄的水量：

式中，I_ch0为初始河道拦蓄量(m³)，

为拦河水利工程控制范围内的所有栅格单元(包括河道栅格单元和非河道栅格单元)的累积初始张力水量(mm)，

为拦河水利工程控制范围内的所有栅格单元(包括河道栅格单元和非河道栅格单元)的累积张力水蓄水容量(mm)。初始张力水量和张力水蓄水容量均可通过新安江模型求出。

根据北辛店流域各拦河水利工程的空间位置信息和防洪库容值，计算每个河道栅格单元的河道拦蓄库容，如图3所示；根据栅格的土壤湿度资料，推求每个河道栅格单元的初始河道拦蓄量。

步骤4，构建考虑河道拦蓄库容的逐网格汇流演算方法：

步骤41，在考虑河道拦蓄库容的次洪模拟中，非河道栅格上的地表、壤中、地下径流需先按照逐网格汇流演算至河道栅格，得到虚拟河道出流量；

步骤42，当非河道栅格的地表、壤中、地下径流均汇入河道栅格后，进行河网汇流，河网汇流阶段会受到河道拦蓄库容的影响；

步骤43，比较各拦河水利工程所在地以上河段的所有河道栅格的河道拦蓄量与累计入流量之和，当累计入流量之和大于河道拦蓄库容时，多出的部分将会形成河道径流参与河网汇流过程；而在河道拦蓄库容内的河道栅格入流量，将不会形成河道径流，由此得到考虑河道拦蓄库容的逐网格汇流演算方法，模拟的流量过程如图4所示,该方法得到的洪水过程线与实际的洪水过程线较为贴近，能模拟出场次洪水过程：

式中，

代表第t时刻第i个河道栅格的河道径流量(m³/s)，为流入该河道栅格的地表径流、壤中流、地下径流及河道径流之和；

为第t时刻第i个河道栅格对应的出口断面流量(m³/s)；

为第i个河道栅格在t对应时刻的Δt时段内的河道拦蓄量(m³)；β为单位换算系数，将河道拦蓄量(m³)换算为单位时间Δt内的平均拦蓄流量(m³/s)；C₀、C₁，C₂为逐网格河道汇流演算系数：

式中，Δt为单位时段，k_ch和x_ch为逐网格河道演算参数，k_ch为河道栅格径流汇流时的蓄量常数，x_ch为河道径流汇流时的流量比重因子，可先按照经验进行估算后结合实测洪水过程进行参数率定求得；

步骤44，根据河道拦蓄库容和初始河道拦蓄量求解各栅格计算单元逐时段的河道拦蓄量：

式中，I_cha为累计河道拦蓄量(m³)；

步骤45，计算累计河道拦蓄量：

式中，

为受当前拦河水利工程控制的所有河道栅格在k时刻对应的Δt时段内的总河道拦蓄量(m³)。

步骤46，选取北辛店流域一场洪水资料，分别计算不考虑和考虑河道拦蓄库容的逐网格汇流演算的河道模拟流量，选取洪峰流量(次洪过程中瞬时流量的最大值)、峰现时间(洪水起始至洪峰流量出现的时间)及Nash-Sutcliffe效率系数(水文模型的效率评价指标)三项指标，其中Nash-Sutcliffe效率系数计算公式为：

式中，NSE为Nash-Sutcliffe效率系数；

为t时刻的观测流量值(m³/s)；

为t时刻的模拟流量值(m³/s)；

为模拟流量的均值(m³/s)；T为场次洪水历时。

计算洪峰流量相对误差、峰现时间相对误差以及Nash-Sutcliffe效率系数，并判定这三项指标的计算误差在许可误差范围内的预报为合格预报。合格预报次数占预报总次数的比例即为合格率，最终得到与实测河道流量的模拟效果比对，如图5所示。考虑水利工程拦蓄作用的河道汇流演算方法通过设立河道拦蓄库容将落在库区范围内的降水先拦蓄，而后进行逐网格汇流，该方法使得模拟的洪水过程线更接近实际的洪水过程，提高了预报精度。考虑水利工程拦蓄后，洪峰流量的模拟合格率由25％提高至75％，峰现时间的模拟合格率由58％提高至83％，Nash-Sutcliffe效率系数由25％提高至50％。

本实施例提供一种河道汇流演算装置，包括处理器和存储器；所述存储器中存储有程序或指令，所述程序或指令由所述处理器加载并执行以实现上述实施例的河道汇流演算方法的步骤。

本实施例提供一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质上存储程序或指令，所述程序或指令被处理器执行时实现上述实施例的河道汇流演算方法的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明。本领域技术人员在不脱离本发明构思的前提下做出若干改进和优化，都应当视为本发明保护的范围。

Claims (1)

1.一种栅格尺度考虑水利工程拦蓄的河道汇流演算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，获取流域的DEM数据和遥感影像数据，并以DEM的每个栅格单元作为计算单元，根据计算单元上是否有河道将计算单元划分为河道栅格单元和非河道栅格单元；

步骤2，基于DEM数据和遥感影像数据，提取拦河水利工程的空间信息；根据提取的拦河水利工程的空间信息，获取各个拦河水利工程的防洪库容、所处位置及控制范围；

步骤3，计算流域内每个河道栅格单元的河道拦蓄库容，估算每个河道栅格单元的初始河道拦蓄量；

步骤4，使用考虑河道拦蓄库容的逐网格汇流演算方法进行河网汇流演算；

步骤4中，考虑河道拦蓄库容的逐网格汇流演算方法为：

式中，

代表第t+Δt′时刻第i个河道栅格的河道出流量；

代表第t+Δt时刻第i个河道栅格的河道径流量，为流入该河道栅格的地表径流、壤中流、地下径流及河道径流之和；

代表为第i个河道栅格在t+Δt对应时刻的Δt时段内的河道拦蓄量；

代表第t时刻第i个河道栅格的河道径流量，为流入该河道栅格的地表径流、壤中流、地下径流及河道径流之和；

为第t时刻第i个河道栅格对应的出口断面流量；

为第i个河道栅格在t对应时刻的Δt时段内的河道拦蓄量；β为单位换算系数，将河道拦蓄量换算为单位时间Δt内的平均拦蓄流量；C₀、C₁，C₂为河道汇流演算系数；

河道拦蓄量

由下式求解得到：

式中，I_cha为累计河道拦蓄量，I_chm为河道拦蓄库容；

累计河道拦蓄量I_cha的计算方法为：

式中，

为受当前拦河水利工程控制的所有河道栅格在k时刻对应的Δt时段内的总河道拦蓄量，I_ch0为初始河道拦蓄量；

每个河道栅格单元的河道拦蓄库容和初始河道拦蓄量的计算方法为：

I_chm＝V_f

式中，V_f为拦河水利工程的防洪库容；n为拦河水利工程控制范围内栅格单元的数量；

为拦河水利工程控制范围内的所有栅格单元的累积初始张力水量；

为拦河水利工程控制范围内的所有栅格单元的累积张力水蓄水容量；

各个拦河水利工程的防洪库容由下式求解得到：

式中，Data_wcp＝1表示该拦河水利工程有防洪库容资料，V_fc为有库容资料的拦河水利工程防洪库容值；Data_wcp＝0表示该拦河水利工程无防洪库容资料，ΔW为无库容资料的拦河水利工程防洪库容估算值；

逐网格河道汇流演算系数C₀、C₁及C₂分别为：

式中，Δt为单位时段；k_ch和x_ch为逐网格河道演算参数，按照经验进行估算后结合实测洪水过程进行参数率定求得。

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