一种中小河流洪水预报方法

摘要

本发明公开了一种中小河流洪水预报方法，收集目标流域的实际总雨量，采用适当的方法获取对应的径流系数，确定目标流域的实际总净雨及实际总扣损；设定初损，并获取目标流域的下渗曲线，计算动态扣损＝初损+实际下渗；不断调整初损，直到所述实际总扣损和动态扣损的误差绝对值达到最小，得到实际初损和实际后损；计算流域净雨过程；将流域净雨过程结合地表单位线后通过卷积得到地表径流过程；利用线性水库方法得到地下径流过程；根据地表径流过程及地下径流过程预报目标流域的洪水结果。所述中小河流洪水预报方法降低了误差和偏差，提高了洪水预报的准确度。

说明书

技术领域

本发明涉及山洪灾害预报技术领域，特别是一种中小河流洪水预报方法。

背景技术

单位线法是设计洪水的重要方法，具有概念明晰、简便实用、可调性好和适用性强的优点，也可以用于中小河流洪水预报计算。但是该方法在设计洪水的雨型及扣损采用简化处理，并未解决好预报计算中需要动态考虑实时下垫面条件造成的雨量扣损在每场洪水中各异的情况，现有的初损和固定下渗的误差很大，难以满足中小河流洪水预警预报精度要求。其原因在于将较为复杂的降雨径流的非线性关系简化处理成了线性关系，难以反映真实产流扣损规律，特别是在北江中上游的一般雨型条件下，可能造成的误差更大。

另一方面，设计洪水单位线采用综合单位线，一般需要预先提取流域面积、河长和主河道坡降等参数，按照计算流程计算出该流域的洪水单位线，其特点是物理意义明晰和适应性好，但是也存在汇流时间固化以及调整峰型困难的缺陷。在具体的中小河流预报实践中发现，在微地貌、水利工程影响或者在较大洪水中，实际的洪水峰型与理论单位线成果在不少流域存在一定或较大的偏差。

发明内容

针对上述缺陷，本发明的一个目的在于提出一种中小河流洪水预报方法，降低了误差和偏差，提高了洪水预报的准确度。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种中小河流洪水预报方法，包括：

实际总扣损获取步骤：收集目标流域的实际总雨量，采用SCS模型或者采用降雨径流API获取对应的径流系数，根据实测降雨量和径流系数确定目标流域的实际总净雨；计算得到实际总扣损，其中，实际总扣损＝实际总雨量-实际总净雨；

初损后损的扣损获取步骤：设定初损，并获取目标流域的下渗曲线，其中初损为可变值；根据下渗曲线及实际雨量过程求得实际后损，然后计算得到动态扣损，其中，动态扣损＝初损+实际后损；

动态分配步骤：不断调整所述初损，并实时计算实际后损，直到所述实际总扣损和动态扣损的误差绝对值达到最小，并将此时的初损作为实际初损，将此时的后损作为实际后损；

流域净雨过程获取步骤：计算流域净雨过程，流域净雨过程＝流域雨量过程-实际初损-实际后损；

地表径流过程获取步骤：获取目标流域的地表单位线，并将流域净雨过程结合地表单位线后通过卷积得到地表径流过程；

预报步骤：利用线性水库方法得到地下径流过程；根据地表径流过程及地下径流过程预报目标流域的洪水结果。

值得说明的是，在所述实际总扣损获取步骤的SCS模型中，径流系数

在降雨径流API中，径流系数

可选地，在所述初损后损的扣损获取步骤中，所述下渗曲线的下渗率根据霍顿下渗公式获得；在所述霍顿下渗公式中，下渗率f

具体地，在所述地表径流过程获取步骤中，所述地表单位线

优选的，在所述地表径流过程获取步骤中，将所述地表单位线u(t)通过S曲线转换后与流域净雨过程通过卷积得到地表径流过程。

值得说明的是，在所述预报步骤中，利用线性水库方法得到QG

上述技术方案中的一个技术方案具有如下有益效果：在所述中小河流洪水预报方法中，通过不断调整所述初损，按照初损和下渗这一经过验证过的产流模式进行动态分配，在下渗阶段采用下渗曲线代替稳渗，最终将产出水量转换成出口洪水过程。通过降雨和径流的非线性关系反映出真实的产流扣损规律，降低了误差和偏差，提高了洪水预报的准确度。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的中小河流洪水预报方法的流程图；

图2是本发明的一个实施例的R＝f(P,S)的函数曲线；

图3是本发明的一个实施例的下渗率曲线；

图4是本发明的一个实施例中赤溪站的P-R相关拟合曲线；

图5是本发明的一个实施例中结龙湾水文站的Pa-S相关拟合曲线；

图6是本发明的一个实施例中岳城站的P-R相关拟合曲线；

图7是本发明的一个实施例中小古菉水文站的洪水曲线；

图8是本发明的一个实施例中皈塘站的洪水曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中，相同或类似的标号自始至终表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一种中小河流洪水预报方法，包括：

实际总扣损获取步骤：收集目标流域的实际总雨量，采用SCS模型或者采用降雨径流API获取对应的径流系数，根据实测降雨量和径流系数确定目标流域的实际总净雨；具体地，通过已知的实测降雨量查询与其对应的实际总净雨；计算得到实际总扣损，其中，实际总扣损＝实际总雨量-实际总净雨；

初损后损的扣损获取步骤：设定初损，并获取目标流域的下渗曲线，其中初损为可变值；根据下渗曲线及实际雨量过程求得实际后损，然后计算得到动态扣损，其中，动态扣损＝初损+实际后损；

动态分配步骤：不断调整所述初损，并实时计算实际后损，直到所述实际动总扣损和动态扣损的误差绝对值达到最小，并将此时的初损作为实际初损，将此时的后损作为实际后损；

流域净雨过程获取步骤：计算流域净雨过程，流域净雨过程＝流域雨量过程-实际初损-实际后损；

地表径流过程获取步骤：获取目标流域的地表单位线，并将流域净雨过程结合地表单位线后通过卷积得到地表径流过程；

预报步骤：利用线性水库方法得到地下径流过程；根据地表径流过程及地下径流过程预报目标流域的洪水结果。

在所述中小河流洪水预报方法中，通过不断调整所述初损，按照初损和下渗这一经过验证过的产流模式进行动态分配，在下渗阶段采用下渗曲线代替稳渗，最终将产出水量转换成出口洪水过程。通过降雨和径流的非线性关系反映出真实的产流扣损规律，降低了误差和偏差，提高了洪水预报的准确度。

在预报中可以利用该成果进行以下操作：

1、直接利用产流量，结合地表单位线及水量平衡原理来进行中小河流水文站的洪峰及过程预报；

2、根据下渗曲线计算下渗过程及实际下渗量，反求出初损，从而得到初损后损法的各个组成部分的分量。处理后的成果可以作为地表单位线过程预报的输入。

一些实施例中，在所述实际总扣损获取步骤中，所述径流系数通过SCS模型或者通过降雨径流API获得；

SCS模型计算径流系数：

其中在SCS模型中，径流系数

根据水量平衡及SCS产流公式：

当λ取某一定值时，可得到如图2所示的R＝f(P,S)的函数。

其中，R为径流量(地表径流)；Ia为初损；F为实际后损(下渗量)；为目标流域当前实测的最大可能滞流量S是后损F的上限。

从SCS模型的产流公式可以看出，流域产流可建立与降雨总量和目标流域当前的最大下渗相关，即降雨总量和前期流域湿润状态的相关，建立R＝f(P,S)的API模型。由此可见，最大可能滞流量S是SCS模型的关键状态变量，是产流大小的主要影响变量。确定了洪水中的最大可能滞流量S的取值，就可以计算出径流随降雨的变化，是洪水暴雨产流的关键确定因子。

一个实施例中，首先，利用实测雨量计算流域Pa；然后进行次洪划分以及洪水成分分割，计算每场洪水的目标流域的降雨总量P及地表径流深R；然后计算每场洪水的目标流域当前的最大可能滞流量

降雨径流API计算径流系数：

在降雨径流API中，径流系数

径流系数主要受集水区的地形、流域特性因子、平均坡度、地表植被情况及土壤特性等的影响。径流系数越大则代表降雨较不易被土壤吸收。对于次洪可进行洪水径流成分分割，得到地面径流和地下径流，分别计算地面径流系数和地下径流系数。当已知某一成分的径流系数时，可根据目标流域实测的降雨总量P计算得到相应的径流深度。针对某一区域，可以根据多场洪水资料对径流系数规律开展分析，建立径流系数曲线，或者利用水文模型建立径流系数计算模型。

下渗曲线：

值得说明的是，在所述初损后损的扣损获取步骤中，所述下渗曲线的下渗率根据霍顿下渗公式获得；在所述霍顿下渗公式中，下渗率f

f

流域汇流单位线：

可选地，在地表径流过程获取步骤中，所述地表单位线采用瞬时单位线：

所述地表单位线为Nash单位线，是根据串联线型水库原理推导出来的瞬时单位线，采用动态的瞬时单位线解决原有的综合单位线的汇流问题。纳什单位线(Nash)简单易用、参数可调性好、适用性强和模拟效果稳定。伽玛函数为

根据地表单位线u(t)可以得到其洪峰出现时间t

在已知洪峰出现时间t

具体地，在地表径流过程获取步骤中，将所述地表单位线u(t)通过S曲线转换后与流域净雨过程通过卷积得到地表径流过程。S曲线转换为现有技术，将瞬时的地表单位线转换为时段的地表单位线。

值得说明的是，在所述预报步骤中，利用线性水库方法得到QG

自2017年开始，组织了多名技术人员对北江中上游韶关分局辖区的结龙湾、赤溪、岳城等三个中小流域基本水文站开展了径流规律分析，采用径流分割的方法对洪水过程进行了洪水径流成分的分割，分析了各个站点的降雨和径流的相关关系。其中结龙湾为浈江中小流域代表站、赤溪为武江中小流域代表站、岳城为新丰江中小流域代表站，具有较好的区域代表性。如图4-6所示分别为赤溪站、结龙湾水文站和岳城站的径流相关分析结果。

一个实施例中，对韶关的小古菉水文站于2012年6月24日的洪水作洪水验证，计算参数：流域面积：1881km2；汇流时间：18h；初期造峰雨量：42.3；前期影响雨量：25.8，查S＝175，计算得到径流系数为0.016；最大下渗率：4.0mm/h，稳渗率：2.1mm/h；计算得到初期总扣损：41.6mm，总下渗32.7，计算得到初损I0＝6.9。预测结果和实际洪水的对比如图7所示。

另一个实施例中，对韶关的皈塘站于2019年6月11日的洪水作洪水验证，预测结果和实际洪水的对比如图8所示。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

此外，在本发明的各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施方式，可以理解的是，上述实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施实施进行变化、修改、替换和变型。