一种用于中小型水库的抗暴雨能力建模可视化方法及系统

摘要

本发明涉及水库防汛技术领域，具体领域为一种用于中小型水库的抗暴雨能力建模可视化方法及系统。针对中小型水库资料匮乏、流域面积小、汇流时间短等特点，不易采用大型水库适用的洪水预报调度措施，基于水量平衡原理和概化三角形原理，将汛限水位以下可蓄水量与设计洪水总量之和，再减去溢洪道已经放出去的溢洪总量，对应的降水量作为水库能够抵御的最大净雨量，这部分净雨量与水库集水区剩余土壤含水量之和，即为水库抗暴雨能力，并可视化展示抗雨能力查算表、查算图，将最大降雨量超过设定值时通过人机界面进行实时预警显示。本发明成果应用简单、可操作性强、建模结果可靠，便于不同水平水库管理人员应用。

说明书

技术领域

本发明涉及水库防汛技术领域，具体领域为一种用于中小型水库的抗暴雨能力建模可视化方法及系统。

背景技术

我国大部分中小型水库地处山丘地区，历史观测资料缺乏，具有流域面积小、汇流时间短、暴雨强度大、突发性强、水位上涨速度快等特点，不易采用大型水库适用的洪水预报调度措施。所以对于小型水库而言，如果能在降雨开始前就计算出当前库水位以下剩余的防洪库容能够容纳的降雨量，再对比气象部门发布的降雨预报，就可以尽早发布预警，从而最大限度的减少各类损失。截至目前，针对无资料地区中小型水库预报预警较为有效的方法就是水库抗暴雨能力方法。通过对国内外关于抗暴雨能力计算方法应用现状和文献著作的调查，国外由于大型水库较多，针对中小型水库的防洪预警预测还未开展有关抗暴雨能力的研究与应用；国内有关中小型水库抗暴雨能力的研究与应用主要集中在水利部、辽宁、河北省、陕西省等地区，研究成果较少。目前主要方法包括基于设计洪量的抗暴雨能力方法和基于预报模型的抗暴雨能力方法等，其中基于设计洪量的抗暴雨能力方法只适用于起始水位在汛限水位以下的情况，当起始水位超过汛限水位时，计算结果误差较大；基于预报模型的抗暴雨能力方法需要大量水文资料，且需要构建预报模型和调度模型。虽然计算精度较好，但计算过程繁琐耗时，不适合量大面广的无资料地区小型水库应用。

发明内容

针对上述技术不足，本发明的目的在于提供一种用于中小型水库的抗暴雨能力建模可视化方法及系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于中小型水库的抗暴雨能力建模可视化方法，其特征在于，基于水量平衡原理和概化三角形原理，构建小型水库基于设计洪水总量的抗暴雨能力：将汛限水位以下可蓄水量与设计洪水总量之和，再减去溢洪道已经放出去的溢洪总量，对应的降水量作为水库能够抵御的最大净雨量，将这部分净雨量与水库集水区剩余土壤含水量之和作为水库抗暴雨能力；所述该方法包括以下步骤：

实时测量水库的起始水位；

根据中小水库参数建立水库抗暴雨能力模型映射关系；

根据模型映射关系建立抗雨能力查算表，并可视化展示；

根据抗雨能力查算表建立抗雨能力查算图，并可视化展示；

输入实际起始水位，按照抗雨能力查算表、抗雨能力查算图，查询水库集水区不同土壤饱和状态下的抗暴雨能力；

将允许最大降雨量与多个设定值比较，得到流域预警；将流域预警通过人机界面进行实时显示。

所述根据中小水库参数建立水库抗暴雨能力模型映射关系，包括：

分别计算中小水库参数：防御洪水总量W

1)一次防御洪水总量W

2)防御洪水总量折算后的净雨R

3)起始水位对应溢洪道泄洪总量W

4)设计水位对应最大泄洪总量W

5)抗暴雨能力P

所述汛限水位对应库容V

所述流域集水面积F利用水库实际产流面积替换集水面积参与计算；

所述起始水位对应溢洪道泄洪总量W

所述降雨径流关系f()包括多线降雨径流关系和单线降雨径流关系两种，其中多线降雨径流关系是以Pa为参数通过R

所述根据模型映射关系建立抗雨能力查算表，包括：

将中小水库参数作为抗雨能力查算表各列数据的属性，按照降雨历时的采集时间，分别记录或计算各列属性数值添加在抗雨能力查算表中。

所述根据抗雨能力查算表建立抗雨能力查算图，包括：

以水库起始水位、计算的抗暴雨能力P

设计洪水总量W

对于串联水库中的下游水库总设计洪水总量是利用下游水库区间设计洪水总量加上上游水库同频率泄洪总量之和。

基于水量平衡原理和概化三角形原理，构建小型水库基于设计洪水总量的抗暴雨能力；所述该系统包括：水位测量模块、水库抗暴雨能力模型模块、抗雨能力查算表模块、抗雨能力查算图模块、现时测算模块、预警模块；

所述水位测量模块，用于利用水位传感器实时测量各个现时的水库起始水位；

所述水库抗暴雨能力模型模块，用于根据中小水库参数建立水库抗暴雨能力模型映射关系；

所述抗雨能力查算表模块，用于根据模型映射关系建立抗雨能力查算表，并可视化展示；

所述抗雨能力查算图模块，用于根据抗雨能力查算表建立抗雨能力查算图，并可视化展示；

所述现时测算模块，用于输入实际现时的起始水位，根据抗雨能力查算表模块、抗雨能力查算图模块，查询水库集水区不同土壤饱和状态下的抗暴雨能力；

所述预警模块，用于将允许最大降雨量与多个设定值比较，得到流域预警；将流域预警通过人机界面进行实时显示。

所述降雨量阈值为当前土壤含水量至日降水达到饱和状态所需的降雨量。

本发明的优点与积极效果为：

针对中小型水库资料匮乏、流域面积小、汇流时间短等特点，不易采用大型水库适用的洪水预报调度措施，本发明在综合分析国内现有抗暴雨能力方法基础上，针对中小型水库特点及存在问题，构建了一种科学合理的抗暴雨能力计算方法，可为中小型水库的预警预测工作提供及时有效的技术支撑。本发明有效解决原有基于设计洪水总量的抗暴雨能力方法中无法考虑起始水位超过汛限水位状态时的计算问题，解决了无资料地区中小型水库代表站的选取问题，解决了无溢洪道、或存在安全隐患、或现状值与设计值不同的水库抗暴雨能力计算问题，解决了串联水库抗暴雨能力计算问题，解决了干旱或半干旱地区集水面积大等问题。本发明成果应用简单、可操作性强、计算结果可靠，便于不同水平水库管理人员应用，为小型水库的防洪预警预测提供了一种方便实用、科学合理的建模可视化方法及系统。

附图说明

图1为本发明的方法步骤流程图；

图2为本发明采用的概化三角形图；

图3为本发明的抗暴雨能力查算图；

图2中：将洪水的入库过程和出库过程概化成三角形，即ABC为入库洪水过程，ADC为出库过程，则ΔABC-设计洪水总量W

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方法做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不旨在于限制本发明。

一种用于中小型水库的抗暴雨能力建模可视化方法，基于水量平衡原理和概化三角形原理，将汛限水位以下可蓄水量与设计洪水总量之和，再减去溢洪道已经放出去的溢洪总量，对应的降水量作为水库能够抵御的最大净雨量，这部分净雨量与水库集水区剩余土壤含水量之和，即为水库抗暴雨能力。

如图1所示，该方法包括以下步骤：

实时测量水库的起始水位；

根据中小水库参数建立水库抗暴雨能力模型映射关系；

根据模型映射关系建立抗雨能力查算表，并可视化展示；

根据抗雨能力查算表建立抗雨能力查算图，并可视化展示；

输入实际起始水位，按照抗雨能力查算表、抗雨能力查算图，查询水库集水区不同土壤饱和状态下的抗暴雨能力；

将允许最大降雨量与多个设定值比较，得到流域预警；将流域预警通过人机界面进行实时显示。

具体计算公式如下：

式中：W

具体而言，关于汛限水位对应库容V

具体而言，关于设计洪水总量W

具体而言，关于流域集水面积F的选取，利用水库实际产流面积替换集水面积参与计算，尤其是干旱或半干旱地区；

具体而言，关于起始水位对应溢洪道泄洪总量W

具体而言，关于无资料地区小型水库代表站的选取，本成果是基于省水文局2019年编著的《辽宁省无资料地区河流设计暴雨洪水计算方法》，将辽宁省分成18个水文分区，然后采用泰森多边形法则对水文分区进行切割，再将汛期进行水文预报的41处代表站落在分区中，按照“水库所在分区最近代表站”的原则选取代表站。

具体而言，关于代表站降雨径流关系f()的计算，按照代表站现有降雨径流关系形式，主要包括多线降雨径流关系和单线降雨径流关系两种，其中多线降雨径流关系是以Pa为参数通过R

具体而言，针对串联水库，不仅需要考虑下游水库自身情况，还要综合考虑上游水库对下游水库的影响。所以，本成果针对串联水库中的下游水库总设计洪水总量是利用下游水库区间设计洪水总量加上上游水库同频率泄洪总量之和；

具体而言，针对有闸门的小型水库，按照《小型水库控制运用方案》，在汛期当水库水位超过汛限水位时，溢洪道闸门全开，所以不考虑闸门控制；

具体而言，针对无溢洪道、或存在安全隐患、或现状值与设计值不同的小型水库，本发明是以实际最高限制水位为上限，不考虑水库泄流，直接利用最高限制水位对应库容减去起始水位对应库容作为总防御水量，其他计算过程及参数选取不变。

工作原理

根据上述具体计算方法，可形成抗暴雨能力查算表(见附表1)和抗暴雨能力查算图(见附图3)。

附表1 抗暴雨能力查算表

其中，表1中的数字表示列号。

附表1中，利用第1列起始水位查询水位库容关系曲线获得第2列相应库容；利用第3列汛限水位查询水位库容关系曲线获得第4列相应库容；利用第4列减去第2列获得第5列汛限以下空余库容；通过公式(3)和公式(4)获得第7列溢洪道溢洪量；利用第5列加上第6列减去第7列获得第8列防御水量；利用第8列除以集水面积获得第9列折合径流深；通过径流深查询降雨径流关系曲线，获得第10列土壤半饱和状态下允许最大降雨量和第11列土壤饱和状态下允许最大降雨量。在具体应用中，可通过第1列起始水位查询对应的第10列和第11列，即土壤半饱和状态与土壤饱和状态下的抗暴雨能力。

附图3中，利用纵坐标起始水位分别查询土壤半饱和状态与土壤饱和状态下的两条曲线，对应横坐标的值则为不同状态下的允许最大降雨量，即土壤半饱和状态与土壤饱和状态下的抗暴雨能力。

一种用于中小型水库的抗暴雨能力建模可视化系统，基于水量平衡原理和概化三角形原理，构建小型水库基于设计洪水总量的抗暴雨能力；所述该系统包括：水位测量模块、水库抗暴雨能力模型模块、抗雨能力查算表模块、抗雨能力查算图模块、现时测算模块、预警模块；所述水位测量模块，用于利用水位传感器实时测量各个现时的水库起始水位；所述水库抗暴雨能力模型模块，用于根据中小水库参数建立水库抗暴雨能力模型映射关系；所述抗雨能力查算表模块，用于根据模型映射关系建立抗雨能力查算表，并可视化展示；所述抗雨能力查算图模块，用于根据抗雨能力查算表建立抗雨能力查算图，并可视化展示；所述现时测算模块，用于输入实际现时的起始水位，根据抗雨能力查算表模块、抗雨能力查算图模块，查询水库集水区不同土壤饱和状态下的抗暴雨能力；所述预警模块，用于将允许最大降雨量与多个设定值比较，得到流域预警；将流域预警通过人机界面进行实时显示。所述降雨量阈值为当前土壤含水量至日降水达到饱和状态所需的降雨量。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。