CN116805113A - 基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法 - Google Patents

基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法 Download PDF

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CN116805113A CN202310679392.8A CN202310679392A CN116805113A CN 116805113 A CN116805113 A CN 116805113A CN 202310679392 A CN202310679392 A CN 202310679392A CN 116805113 A CN116805113 A CN 116805113A
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Abstract

本发明公开了一种基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法，包括以下步骤：流域拓扑关系的建立与数据融合；进行主河道洪峰轨迹的预测模拟和数据筛选；进行有支流汇入河段洪峰轨迹的预测模拟与数据筛选；实现河段任意两点间的洪峰演进轨迹查询。上述技术方案借助大数据技术，实现对大量水文数据的并行分析计算与洪水过程模拟，对不合理的洪峰轨迹数据进行剔除，提高了数据处理效率和精度，满足了河道洪峰轨迹演进模拟的需要。

Description

基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法
技术领域
本发明涉及水文监测数据处理技术领域，尤其涉及基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法。
背景技术
洪水灾害除了会对农业造成重大损失外，还会造成严重的工业以及生命财产损失，所以如何准确预警洪水灾害以防止或者降低洪水灾害所造成的损失，是洪水灾害处理中需解决的重要问题。
有资料显示，
河道洪水演进模型，对河道洪水演进进行模拟的水文学方法为马斯京根法，水动力法通常采用建立一二维水动力模型，一二维水动力模型是可描述水流受力与运动相互关系的数学模型，它依据流体力学基本方程，对流动水的动力过程进行数值模拟，根据微分方程建立数学模型，采用数值方法对微分方程进行求解得出结果，模型基于水体流动过程中的动量守恒和能量守恒关系，用以表达水体流动过程中质量与能量的运移转化过程。其中一维水动力模型包括用于模拟河网的水流和涉水建筑物情况的一维河网模型；二维水动力模型是对待分析的编制范围及控制线内的区域进行网格剖分，根据该区域的地形进行网格插值,并进行网格属性赋值。
中国专利文献CN115014299A公开了一种“基于物联网和大数据的洪峰预警方法”。以提取数据关系的方法额外构建了三方面约束，第一约束为考虑历史数据中流域河段各个水位计的预警等级与流域河段整体预警等级的偏差程度后所构建的当前实时数据下发生各种预警等级的可能性，第二约束为根据历史数据中各月份发生预警的次数多少而得到的流域河段在各月出现预警的可能性，第三约束为确定降雨情况与当前待预警流域河段降雨情况相似的其它区域后，其它区域与待预警流域河段之间的降雨量差值，由三方面约束加快神经网络收敛速度，从而能够以较少的水文数据完成神经网络训练，上述技术方案未能全面考虑洪水演进的预测数据与实测数据，不能全面直观展示洪峰轨迹的演进过程。
发明内容
本发明主要解决原有的技术方案未能全面考虑洪水演进的预测数据与实测数据，不能全面直观展示洪峰轨迹的演进过程的技术问题，提供基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法，借助大数据技术，实现对大量水文数据的并行分析计算与洪水过程模拟，对不合理的洪峰轨迹数据进行剔除，提高了数据处理效率和精度，满足了河道洪峰轨迹演进模拟的需要，把水文预报、洪峰演进轨迹等模型进行无缝对接集成，用大数据技术辅助，实现了水文学算法与及机器算法相结合，充分融合水文站实测与预报水文数据，优化了水文模型结构，实现了在不同量级洪水条件下由点洪峰轨迹演进模拟到线洪峰轨迹演进模拟。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明包括以下步骤：
S1流域拓扑关系的建立与数据融合；
S2进行主河道洪峰轨迹的预测模拟和数据筛选；
S3进行有支流汇入河段洪峰轨迹的预测模拟与数据筛选；
S4实现河段任意两点间的洪峰演进轨迹查询。
借助大数据技术，实现对大量水文数据的并行分析计算与洪水过程模拟，对不合理的洪峰轨迹数据进行剔除，提高了数据处理效率和精度，满足了河道洪峰轨迹演进模拟的需要，把水文预报、洪峰演进轨迹等模型进行无缝对接集成，实现了在不同量级洪水条件下由点洪峰轨迹演进模拟到线洪峰轨迹演进模拟。
作为优选，所述的步骤S1具体包括，用图表形式直观展示整个流域内的拓扑关系，把各个河段的洪水传播时间、洪水演进参数进行存储、有效融合，并把上述水文数据作为洪峰轨迹模拟建模时的输入参数。
作为优选，所述的步骤S2进行主河道洪峰轨迹的预测模拟只计算主河道洪峰轨迹的演进过程，不考虑各支流河段洪水的传播时间，以河道上D断面，即水文站为预报断面，基于分布式降雨径流模型或新安江模型预报出D预报断面的洪水过程线Ht(t＝1,2,...,T)，在洪水过程线Ht上识别洪峰流量数据H1，其识别公式如下：
H1＝max(Ht)(t＝1,2,...,T)。
作为优选，保存预测洪峰轨迹数据H1，若在预见期内水文站有实测洪峰数据HSt(t＝1,2,...,T)，则利用实测的洪峰轨迹数据替换预测的洪峰轨迹数据，其替换公式如下：
H1＝max(HSt)(t＝1,2,...,T)
同时将不合理的洪峰轨迹数据剔除。如上游站洪峰出现时间TS晚于下游站洪峰出现时间TX,即TS＞TX等。
作为优选，以D断面为预报断面，通过提取历史洪水过程中D预报断面所在流域的降雨总量HY、降雨历时T、洪水起始库水位ZWn(n＝1,2,...,N)，N为水库数量、出库流量总量Sn(n＝1,2,...,N)、各水文站的洪水过程SHt(t＝1,2,...,T)，T为时段总数，来区分相似雨洪，分析相邻断面历史上相似雨洪条件下的洪水传播时间TC，推演当前水文预报相邻断面之间洪水的传播速度V，相邻断面之间的洪水传播速度计算公式为：
式中，S1为相邻水文断面之间的实际距离。
作为优选，所述的步骤S3计算有支流汇入河段的洪峰轨迹演进过程，则需要考虑各支流河段洪水的传播时间，以河道上某一水文站为预报断面，基于分布式降雨径流模型或新安江模型预报出某一水文站点的洪水过程线Ht(t＝1,2,...,T)，在洪水过程线Ht上识别洪峰流量数据H1，形成预测洪峰演进轨迹HL，若所在水文站预见期内有实测的洪峰轨迹数据HSt(t＝1,2,...,T)，则利用实测的洪峰轨迹数据替换预测的洪峰轨迹数据，其替换公式如下：
H1＝max(HSt)(t＝1,2,...,T)
同时将不合理的洪峰轨迹数据HL删除。
作为优选，根据支流洪峰HZ1到达交汇断面D的时间T1与主河道洪峰HZ2到达交汇断面D的时间T2是否一致，具体分为两种情况：
当支流洪峰HZ1到达交汇断面的时间T1与主河道洪峰HZ2到达交汇断面D的时间T2一致时，在交汇断面D处洪峰会产生叠加，此时在交汇断面D处会形成一个洪峰HF；
当支流洪峰HZ1到达交汇断面的时间T1与主河道的洪峰HZ2到达交汇断面的时间T2不一致时，根据T1与T2区别形成不同洪峰。
作为优选，所述的如果主流洪峰HZ2先到达交汇断面，即T1＞T2，主河道洪峰HZ2在交汇断面处先形成第一个洪水峰值HF1，此后支流河段的洪水在交汇断面形成第二个洪峰HF2；若主流洪峰HZ2已经过去，支流洪峰HZ1到达时很小，并不能形成第二个洪峰HF2，那么显示的还是一个洪峰HF1，第二个支流达到交汇断面的洪水只是延迟了第一个洪峰HF1的消退过程，反之亦然。
作为优选，从C预报断面传播到D预报断面的洪水传播时间TCD以及A预报断面到D预报断面的洪水传播时间TAD，根据上述得出的洪水传播时间TCD、TAD判断干支流洪峰是否一起到主流支流交汇断面D，若TCD＜TAD则支流CD段的洪水先到达交汇断面D，若TCD＝TAD则支流CD段的洪水与干流洪水同时到达交汇断面D，若TCD＞TAD则干流洪水先到达交汇断面D，计算得出干支流洪水到达D预报断面过程中的洪峰演进轨迹H2；由于河道的纵剖面、河段上任意两点间的实际距离已知，运用线性插值方法，依据河道纵剖面的形状对有支流汇入的河段上任意一点的洪峰轨迹演进情况进行实时模拟和展示。
作为优选，所述的步骤S4具体包括，河道纵断面剖面线，河段任意两点间的实际距离已知，而后以两点附近的水文站洪峰轨迹和河道纵断面形状曲线进行线性插值可得到任意两点的洪峰轨迹，由两点间的实测距离S1和两点的洪峰轨迹演进数据HL1、HL2得到这两点间任意一点的洪峰轨迹演进速率VF，已知河段上(x1,y1)、(x2,y2)两点，河段两点(x1,y1)、(x2,y2)中间一点(x3,y3)的高程值x3已知，则此点的洪峰值可根据线性插值公式得出：
从而实现了由洪峰轨迹的点预报到线预报过程。
本发明的有益效果是：借助大数据技术，实现对大量水文数据的并行分析计算与洪水过程模拟，对不合理的洪峰轨迹数据进行剔除，提高了数据处理效率和精度，满足了河道洪峰轨迹演进模拟的需要，把水文预报、洪峰演进轨迹等模型进行无缝对接集成，用大数据技术辅助，实现了水文学算法与及机器算法相结合，充分融合水文站实测与预报水文数据，优化了水文模型结构，实现了在不同量级洪水条件下由点洪峰轨迹演进模拟到线洪峰轨迹演进模拟。
附图说明
图1是本发明的一种流程图。
图2是本发明的一种预报断面分布图。
图3是本发明的一种单峰洪水过程图。
图4是本发明的一种复峰洪水过程图。
图5是本发明的一种洪峰轨迹河道断面线性插值示意图.
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法，如图1所示，包括
(1)流域拓扑关系的建立与数据融合
系统平台用图表形式直观展示整个流域内的拓扑关系，把各个河段的洪水传播时间、洪水演进参数等进行存储、有效融合，以上展示的水文数据作为洪峰轨迹模拟建模时的输入参数。
(2)实现主河道洪峰轨迹的预测模拟和数据筛选
针对不同量级洪水，在进行洪水预报的过程中会产生预报数据，水文站有各类水文信息的实测数据，若只计算主河道洪峰轨迹的演进过程，则不需要考虑各支流河段洪水的传播时间。如下图2所示，以河道上D断面(水文站)为预报断面，基于分布式降雨径流模型或新安江模型预报出D预报断面的洪水过程线Ht(t＝1,2,...,T)，在洪水过程线Ht上识别洪峰流量数据H1，其识别公式如下：
H1＝max(Ht)(t＝1,2,...,T) (1)
保存预测洪峰轨迹数据H1，若在预见期内水文站有实测洪峰数据HSt(t＝1,2,...,T)，则利用实测的洪峰轨迹数据替换预测的洪峰轨迹数据，其替换公式如下：
H1＝max(HSt)(t＝1,2,...,T) (2)
同时将不合理的洪峰轨迹数据剔除(如上游站洪峰出现时间TS晚于下游站洪峰出现时间TX,即TS＞TX等)，最终将洪峰轨迹过程线呈现在系统界面上，支持用户对洪峰轨迹过程线数据进行实时查看，界面上用颜色的深浅来反映洪峰大小(颜色越深表示洪峰量级越大)，展示河段的横剖面、纵剖面等信息。
系统平台通过分析对比历史的同等级的洪水场次，利用大数据技术，如下图2所示，若以D断面为预报断面，通过提取历史洪水过程中D预报断面所在流域的降雨总量HY、降雨历时T、洪水起始库水位ZWn(n＝1,2,...,N)(其中N为水库数量)、出库流量总量Sn(n＝1,2,...,N)、各水文站的洪水过程SHt(t＝1,2,...,T)(其中T为时段总数)等来区分相似雨洪，分析相邻断面历史上相似雨洪条件下的洪水传播时间TC，随着对一定数量不同量级洪水场次的分析学习，能够快速推演当前水文预报相邻断面之间洪水的传播速度V，相邻断面之间的洪水传播速度计算公式为：
式中，S1为相邻水文断面之间的实际距离。
(3)实现有支流汇入河段洪峰轨迹的预测模拟与数据筛选
针对不同量级洪水，若计算有支流汇入河段的洪峰轨迹演进过程，则需要考虑各支流河段洪水的传播时间。以河道上某一水文站为预报断面，基于分布式降雨径流模型或新安江模型可预报出某一水文站点的洪水过程线Ht(t＝1,2,...,T)，在洪水过程线Ht上识别洪峰流量数据H1，形成预测洪峰演进轨迹HL，若所在水文站预见期内有实测的洪峰轨迹数据HSt(t＝1,2,...,T)，则利用实测的洪峰轨迹数据替换预测的洪峰轨迹数据，其替换公式如下：
H1＝max(HSt)(t＝1,2,...,T) (4)
同时将不合理的洪峰轨迹数据HL删除(如上游站洪峰出现时间TS晚于下游站洪峰出现时间TX,即TS＞TX等)，最终将洪峰轨迹过程线呈现在系统界面上，支持用户对洪峰轨迹过程线数据进行实时查看，界面上用颜色的深浅来反映洪峰流量数值大小，同时展示河段的横剖面、纵剖面等信息。
根据支流洪峰HZ1到达交汇断面D的时间T1与主河道洪峰HZ2到达交汇断面D的时间T2是否一致，具体分为两种情况：
当支流洪峰HZ1到达交汇断面的时间T1与主河道洪峰HZ2到达交汇断面D的时间T2一致时(T1＝T2)，在交汇断面D处洪峰会产生叠加，此时在交汇断面D处会形成一个洪峰HF，如下图3所示，可结合水文算法计算洪峰大小；
当支流洪峰HZ1到达交汇断面的时间T1与主河道的洪峰HZ2到达交汇断面的时间T2不一致时(即T1＜T2或T1＞T2)，此时如果主流洪峰HZ2先到达交汇断面，即T1＞T2，主河道洪峰HZ2在交汇断面处先形成第一个洪水峰值HF1，此后支流河段的洪水可能会在交汇断面形成第二个洪峰HF2，第一个洪峰HF1与第二个洪峰HF2的大小可能不同，如上图4所示，可在汇合断面处结合水文算法计算洪峰大小，系统再根据颜色的深浅表示洪峰的大小，如果主流洪峰HZ2已经过去，支流洪峰HZ1到达时很小，并不能形成第二个洪峰HF2，那么显示的还是一个洪峰HF1，第二个支流达到交汇断面的洪水只是延迟了第一个洪峰HF1的消退过程。若支流洪峰HZ1先到达交汇断面，即T1＜T2，则支流洪水在交汇断面处先形成第一个洪水峰值HF1，此后干流河段的洪水可能会在交汇断面形成第二个洪峰HF2，第一个洪峰HF1与第二个洪峰HF2的大小可能不同，可在汇合断面处结合水文算法计算洪峰大小，系统再根据颜色的深浅表示洪峰的大小，如果支流洪峰HZ1已经过去，干流洪峰HZ2到达时很小，并不能形成第二个洪峰HF2，那么显示的还是一个洪峰HF1，干流到达交汇断面的洪水只是延迟了第一个洪峰HF1的消退过程。
如上图2所示，基于以上两种情况，需要结合大数据分析技术，分析相邻断面历史上同量级洪水场次洪水传播时间，例如可用大数据分析技术分析得出从C预报断面传播到D预报断面的洪水传播时间TCD以及A预报断面到D预报断面的洪水传播时间TAD，根据上述得出的洪水传播时间TCD、TAD判断干支流洪峰是否一起到主流支流交汇断面D，即若TCD＜TAD则支流CD段的洪水先到达交汇断面D，若TCD=TAD则支流CD段的洪水与干流洪水同时到达交汇断面D，若TCD>TAD则干流洪水先到达交汇断面D，再结合水文算法，可计算得出干支流洪水到达D预报断面过程中的洪峰演进轨迹H2。由于河道的纵剖面、河段上任意两点间的实际距离已知，运用线性插值方法，依据河道纵剖面的形状可对有支流汇入的河段上任意一点的洪峰轨迹演进情况进行实时模拟和展示。
(4)实现河段任意两点间的洪峰演进轨迹查询
针对不同量级的洪水，系统支持对河段任意两点之间洪峰轨迹的模拟：如上图5所示，横坐标表示河段上某点高程(单位：m)，纵坐标表示河段上某点的洪峰流量(单位：m3/s)，图中曲线为河道纵断面剖面线，河段任意两点间的实际距离已知，而后以两点附近的水文站洪峰轨迹和河道纵断面形状曲线进行线性插值可得到任意两点的洪峰轨迹，由两点间的实测距离S1和两点的洪峰轨迹演进数据HL1、HL2即可得到这两点间任意一点的洪峰轨迹演进速率VF 5例如已知河段上(x1,y1)、(x2,y2)两点，河段两点(x1,y1)、(x2,y2)中间一点(x3,y3)的高程值x3已知，则此点的洪峰值可根据线性插值公式得出：
从而实现了由洪峰轨迹的点预报到线预报过程。实现了在不同量级洪水条件下由点洪峰轨迹演进模拟到线洪峰轨迹演进模拟，为相关水利管理部门提供了多元化的水文信息数据，保证了决策的科学性。

Claims (10)

1.基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1流域拓扑关系的建立与数据融合；
S2进行主河道洪峰轨迹的预测模拟和数据筛选；
S3进行有支流汇入河段洪峰轨迹的预测模拟与数据筛选；
S4实现河段任意两点间的洪峰演进轨迹查询。
2.根据权利要求1所述的基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括，用图表形式直观展示整个流域内的拓扑关系，把各个河段的洪水传播时间、洪水演进参数进行存储、有效融合，并把上述水文数据作为洪峰轨迹模拟建模时的输入参数。
3.根据权利要求1所述的基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法，其特征在于，所述步骤S2进行主河道洪峰轨迹的预测模拟只计算主河道洪峰轨迹的演进过程，不考虑各支流河段洪水的传播时间，以河道上D断面，即水文站为预报断面，基于分布式降雨径流模型或新安江模型预报出D预报断面的洪水过程线Ht(t＝1,2,...,T)，在洪水过程线Ht上识别洪峰流量数据H1，其识别公式如下：
H1＝max(Ht)(t＝1,2,...,T)。
4.根据权利要求3所述的基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法，其特征在于，保存预测洪峰轨迹数据H1，若在预见期内水文站有实测洪峰数据HSt(t＝1,2,...,T)，则利用实测的洪峰轨迹数据替换预测的洪峰轨迹数据，其替换公式如下：
H1＝max(HSt)(t＝1,2,...,T)
同时将不合理的洪峰轨迹数据剔除。
5.根据权利要求1所述的基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法，其特征在于，以D断面为预报断面，通过提取历史洪水过程中D预报断面所在流域的降雨总量HY、降雨历时T、洪水起始库水位ZWn(n＝1,2,...,N)，N为水库数量、出库流量总量Sn(n＝1,2,...,N)、各水文站的洪水过程SHt(t＝1,2,...,T)，T为时段总数，来区分相似雨洪，分析相邻断面历史上相似雨洪条件下的洪水传播时间TC，推演当前水文预报相邻断面之间洪水的传播速度V，相邻断面之间的洪水传播速度计算公式为：
式中，S1为相邻水文断面之间的实际距离。
6.根据权利要求1所述的基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法，其特征在于，所述步骤S3计算有支流汇入河段的洪峰轨迹演进过程，则需要考虑各支流河段洪水的传播时间，以河道上某一水文站为预报断面，基于分布式降雨径流模型或新安江模型预报出某一水文站点的洪水过程线Ht(t＝1,2,...,T)，在洪水过程线Ht上识别洪峰流量数据H1，形成预测洪峰演进轨迹HL，若所在水文站预见期内有实测的洪峰轨迹数据HSt(t＝1,2,...,T)，则利用实测的洪峰轨迹数据替换预测的洪峰轨迹数据，其替换公式如下：
H1＝max(HSt)(t＝1,2,...,T)
同时将不合理的洪峰轨迹数据HL删除。
7.根据权利要求1所述的基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法，其特征在于，根据支流洪峰HZ1到达交汇断面D的时间T1与主河道洪峰HZ2到达交汇断面D的时间T2是否一致，具体分为两种情况：当支流洪峰HZ1到达交汇断面的时间T1与主河道洪峰HZ2到达交汇断面D的时间T2一致时，在交汇断面D处洪峰会产生叠加，此时在交汇断面D处会形成一个洪峰HF；
当支流洪峰HZ1到达交汇断面的时间T1与主河道的洪峰HZ2到达交汇断面的时间T2不一致时，根据T1与T2区别形成不同洪峰。
8.根据权利要求7所述的基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法，其特征在于，如果主流洪峰HZ2先到达交汇断面，即T1＞T2，主河道洪峰HZ2在交汇断面处先形成第一个洪水峰值HF1，此后支流河段的洪水在交汇断面形成第二个洪峰HF2；若主流洪峰HZ2已经过去，支流洪峰HZ1到达时很小，并不能形成第二个洪峰HF2，那么显示的还是一个洪峰HF1，第二个支流达到交汇断面的洪水只是延迟了第一个洪峰HF1的消退过程，反之亦然。
9.根据权利要求1所述的基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法，其特征在于，从C预报断面传播到D预报断面的洪水传播时间TCD以及A预报断面到D预报断面的洪水传播时间TAD，根据上述得出的洪水传播时间TCD、TAD判断干支流洪峰是否一起到主流支流交汇断面D，若TCD＜TAD则支流CD段的洪水先到达交汇断面D，若TCD＝TAD则支流CD段的洪水与干流洪水同时到达交汇断面D，若TCD＞ADT则干流洪水先到达交汇断面D，计算得出干支流洪水到达D预报断面过程中的洪峰演进轨迹H2；由于河道的纵剖面、河段上任意两点间的实际距离已知，运用线性插值方法，依据河道纵剖面的形状对有支流汇入的河段上任意一点的洪峰轨迹演进情况进行实时模拟和展示。
10.根据权利要求1所述的基于水文站实测和预报最高水位结合的洪峰轨迹演进方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括，河道纵断面剖面线，河段任意两点间的实际距离已知，而后以两点附近的水文站洪峰轨迹和河道纵断面形状曲线进行线性插值可得到任意两点的洪峰轨迹，由两点间的实测距离S1和两点的洪峰轨迹演进数据HL1、HL2得到这两点间任意一点的洪峰轨迹演进速率VF，已知河段上(x1,y1)、(x2,y2)两点，河段两点(x1,y1)、(x2,y2)中间一点(x3,y3)的高程值x3已知，则此点的洪峰值可根据线性插值公式得出：
从而实现了由洪峰轨迹的点预报到线预报过程。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN118468762A (zh) * 2024-07-11 2024-08-09 北京市水科学技术研究院 径流演进模型构建方法、装置、计算机设备及存储介质

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