基于水位样本的洪水预报方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于水位样本的洪水预报方法，其特征在于包括以下步骤：步骤S01：采用水箱模式，模拟径流形成过程，将降雨转化为径流的过程抽象为流域的蓄水与出流量之间的关系；步骤S02：建立流量与水位间的函数关系，采用过原点幂函数先对水位与断面平均流速进行函数拟合，进而建立断面水位与流量关系；步骤S03：获得降雨量与出流水位之间的关系；步骤S04：针对得到的出流水位过程，将其与实测水位值进行比对，并通过对水文模型参数的调整；步骤S05：针对率定后的水文模型，输入上游流域降雨量、水面蒸发量，得到下游出口水位过程，根据水位峰值判断预测地区是否发生洪水，并根据已有的水位雨量资料分析雨峰与洪峰间的滞后时间确定峰现时间。
【专利说明】基于水位样本的洪水预报方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水利防灾减灾领域，特别是一种基于水位样本的洪水预报方法。
【背景技术】
[0002] 洪水预测一直是水利防灾减灾领域难以攻克的问题之一，对于大型河流，往往有 丰富的水文水利数据，同时有大量的水利专家对当地这些水文水利数据进行研究，进而对 河流的洪水进行预报，为当地防洪措施提供一定数据支持，而面对分布于全国各地山区中 的中小河流，往往没有足够的人力与物力和有效方法来支持其洪水预报。
[0003] 山洪，指的是山区溪沟中发生的暴涨性洪水。全球气侯变化，极端天气增多，进而 导致各地山洪频发，山洪属骤发性洪水，暴涨暴落、预见期短、成灾快、破坏力大，每年因山 洪都造成大量人员伤亡。溪源溪是福州城区南面，直接汇入闽江，集水面积仅200km2的一 条小支流。2005年由"龙王"强台风引发的一场山洪，造成了一次性80余人重大伤亡。有 关部门统计全国每年因山洪造成的伤亡人数占全部洪涝灾害伤亡总数的80%。可见，山洪已 成为广大山区百姓安全的一大危害。目前山洪呈多发常发的态势，局部地区集中强降水是 山洪发生的根本原因。
[0004] 为避免山洪灾害对人民生命财产造成破坏性影响，往往需要通过对山洪灾害进行 预测，进而根据当地实际情况作出相应的防灾预案，及时疏导民众。但现有的情况是有限的 人力物力无法对广大地区的山洪进行预测，其中，流量数据的缺失是阻碍各地进行山洪预 测的最重要原因之一。
[0005] 目前洪水预报成果基于水文模型进行计算获得，相应水文模型建立过程对流量数 据的依赖度大，具体的，通过以下几个步骤实现对洪水的预测： 1、 产汇流计算，采用水箱模型，模拟径流形成过程，将降雨转化为径流的过程抽象为流 域的蓄水与出流量之间的关系。通过水箱模型，可以获得降雨量与出流量之间的关系。其 中水箱的基本结构如图1所示，图中：P:降水量、E:水面蒸发量、z:下渗量、a :边孔出流 系数X :水箱蓄水深度、h :边孔高度； 2、 定线，图2是传统水文模型框架图，为了验证水文模型的可行性，需要用实测流量资 料为样本，对模型参数进行率定和验证，而目前流量的实测仅仅能获得断面有限个流量测 次数据，要获得更多的流量信息就需要对断面水流规律进行分析，通过对有限个流量测次 数据进行拟合，并建立该断面水位流量关系。
[0006] 3、推流，对获得的水位流量关系曲线推求任意时刻流量值，获得实测流量样本数 据。
[0007] 4、模型率定与验证，请参见图3,图3是传统水文模型参数率定框图。该参数的率 定是一个反复试错的过程，通过调试出一套参数值，使模型用这套参数值计算出的结果与 作为样本的实测流量过程拟合达到最优，具体的，针对水箱模型得到的流量值，将其与通过 定线、推流得到的实测流量值进行比对，并通过对水箱模型参数的调整，不断提高模型准确 性，满足实测值与通过水位流量关系曲线推求的流量值之间的匹配率达到要求水平。
[0008] 5、洪水预测，针对率定后的水文模型，输入上游流域降雨过程、水面蒸发量，得到 下游出口断面流量过程。由图3可以清楚看出现有模型输出是流量，其值要与作为样本的 实测流量比较，所以流量资料是模型率定(建模）和具体流域应用的必备条件。
[0009] 现有可用于山洪预报的水箱模型，其技术主要缺点是，模型计算结果是流量，参 数率定与验证仅能以实测流量资料为样本，建模与应用"流量资料"是一必备条件。没有实 测流量资料的江河，就无法建模，也就无法应用现有水箱等模型开展洪水预报。
[0010] 流量资料要通过江河断面流量测验取得。流量测验(施测流量)需由专业人员采用 流速仪等专业仪器和专业设备(测船、跨江河架设的水文揽道）施测，还要经后续的定线、推 流等诸多环节与工序才能完成。"流量"投入的经费、人力、物力、时间比"水位"、"雨量"要 大的多。加至近年来人类活动对江河影响加剧及对天然水流认识的局限，流量测验与推求 出现了不少至今还难应对的新问题，准确流量测验和完整资料收集变得愈加困难。这也是 山区江河普遍缺乏流量资料的主要原因。
[0011] 而且流量仅能表明江河断面水量大小，而不能告知水位的高低。洪峰水位是洪水 的最重要特征，也是防汛重要、直观、民众容易理解的洪水量级指标和决策依据。准确的洪 峰水位预报不但可预知洪水大小、量级，结合地形资料可明确洪水可能影响、淹没范围和撤 离的安全高程。因此，洪水预报最关注的是洪水水位过程与洪峰水位。现有水箱模型输出 计算的流量结果又要通过"根据实测流量数据建立的水位流量关系"换算成相应的水位过 程，实现最终的洪水位预报。
【发明内容】
[0012] 基于以上不足，本发明提供一种基于水位样本的洪水预报方法，事实上是一种新 的水文模型的建立过程，具体过程如下： 步骤SOl :采用水箱模式，模拟径流形成过程，将降雨转化为径流的过程抽象为流域的 蓄水与出流量之间的关系； 步骤S02 :建立流量与水位间的函数关系，通过过原点幂函数先对水位与断面平均流 速关系的函数拟合实现。
【权利要求】
1. 一种基于水位样本的洪水预报方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤SOl :采用水箱模式，模拟径流形成过程，将降雨转化为径流的过程抽象为流域的 蓄水与出流量之间的关系； 步骤S02 :建立出流量与水位间的函数关系，通过采用过原点幂函数先对水位与断面 平均流速的关系进行函数拟合：
其中h为断流水位以上水深，其中h=H+H0、H:水位、HO:断流水位，即断面流量为0时 相应水位，V为断面平均流速，进而建立出流量Q与水位的相关关系，基于对a，b参数的确 定即可实现对当地h与Q关系的确定； 步骤S03 :给a、b进行初始赋值，基于h与Q的关系，进而获得降雨量与出流水位之间 的关系； 步骤S04 :针对得到的出流水位过程，将其与实测水位值进行比对，并通过对水文模型 参数的调整，不断提高模型准确性，满足实测值与通过基于模型得到的水位之值之间的匹 配率达到允许水平； 步骤S05 :针对率定后的水文模型，输入上游流域降雨量、水面蒸发量，得到下游出口 水位过程，根据水位峰值预测地区是否发生洪水，并根据雨洪滞时确定峰值出现时间。
2. 根据权利要求1所述的基于水位样本的洪水预报方法，其特征在于：所述的水箱模 式中采用的水箱模型采用三层直立串联结构：第一层水箱的出流模拟"地面径流"，第二层 水箱出流模拟"壤中流"，底层水箱出流模拟"地下径流";其中第一、二层水箱旁侧设有出流 孔、底部设有下渗孔，底层水箱仅有出流孔而无下渗孔；第一层设有三个侧孔出流，以体现 大、中、小不同特性洪水的非线性影响。
【文档编号】G06F19/00GK104392111SQ201410628139
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月10日 优先权日:2014年11月10日
【发明者】连承锴 申请人:连承锴