一种耦合湿地水文-水库调度的流域洪水模拟方法

本发明属于洪水模拟方法，具体涉及一种耦合湿地水文-水库调度的流域洪水模拟方法。

背景技术：

1、近年来，受极端强降水增多的影响，发生了城市内涝、农田淹没，尤其是引发局域性的特大暴雨洪水，造成了严重经济损失。湿地和水库是流域重要的绿色和灰色基础设施，在调蓄洪水、减轻洪水灾害中保发挥着极为重要的作用。然而，仅仅水库或湿地应对洪水都面临着诸多挑战，这就需要在流域尺度耦合湿地与水库的洪水调蓄功能，既要充分发挥水库的天然调蓄作用，补充或增强湿地的洪水调节服务，也要保障水库在水安全和应对水灾害风险方的重要作用，从而增强流域应对洪水的能力。然而，以往有关洪水模拟的发明仅单方面考虑水库或湿地，缺乏将两者共同耦合进流域水文模型开展洪水模拟的发明，亟待于进一步发明和探索。

2、借助于流域水文模型，基于水库调度算法或构建湿地水文模块，分布式嵌入到流域的水循环过程，实现考虑水库调度或湿地水文的流域水文过程模拟，并基于模拟的日流量分析洪水大小及其演变特征。尽管人们对流域洪水模拟有了深入的认识，但多数发明并没有同时考虑湿地和水库的耦合作用。然而，忽视湿地和水库对水文过程的耦合影响会给洪水过程模拟和风险评估带来较大的误差和不确定性。尤其是在湿地率较高的流域，湿地的水循环及其与流域水文过程的交互深刻影响流域水平衡过程。此外，在全球范围内，大多数流域已经或将要经历水库建设，这些水库的水文调度能在很大程度上改变河流的天然水文形态，最终影响洪水模拟的精度。因此，亟需将湿地和水库调度共同纳入流域水文模型，减少模型不确定性，以提高现有水文模型的洪水模拟能力。

3、通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

4、1)仅依靠水库抵御洪水灾害存在一些不足，如水库建造、运营、维护和更新通常需要较大投资；其次，水库不合理的防洪调度，如因同步泄洪而加重洪水灾害，并可能把洪水风险转移到下游地区；此外，水库拦蓄洪水改变下游河道洪水脉冲机制，可造成下游河滨区生态系统退化，并进一步导致河滨生态系统水源涵养和水质净化等功能的下降。在生态环境高质量发展需求下，灰色基础设施系统面临越来越多的挑战和风险。尤其是在未来气候变化下，局部地区暴雨强度和频率将进一步增加，日益严重的洪水将明显增多，亟须改进仅仅依靠水库治水思路，增强流域应对极端水文的韧性，提高流域应对气候变化的能力。

5、2)流域湿地洪水调蓄功能存在阈值性和时空差异性，即在一定条件下，当超过一定阈值时，流域湿地对洪水的调蓄作用较为微弱，甚至发挥着增强下游洪水的作用；此外，由于流域水文过程和湿地水文物理特性具有显著的多时间尺度(年际、季节性和逐日时变特征)和空间尺度变化特征，流域湿地洪水调蓄功能的大小和效应也呈现明显的时空变异性。此外，目前全球大多数流域仍分布有大量的湿地(尤其是人工湿地不断增加)，忽视这些湿地对洪水的影响往往导致洪水模拟结果与实际大相径庭。因此，仅仅考虑湿地开展流域水文模型存在很大的不确定性和低适用性。

6、基于此，提出了一种耦合湿地水文-水库调度的流域洪水模拟方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种耦合湿地水文-水库调度的流域洪水模拟方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种耦合湿地水文-水库调度的流域洪水模拟方法，包括以下步骤：

3、s1、获取水文气象观测数据和地理空间资料并进行预处理，建立流域水文模型数据库；

4、s2、对于有湿地分布的水库上游流域，初步构建耦合湿地模块的hydrotel模型水文模型，并根据水文站的观测流量完成模型率定，实现了耦合湿地模型的流域水文模型，即湿地水文模型的构建；

5、s3、利用湿地水文模型，以水库上游流域出口模拟的流量为水库的入库流量，并考虑水库的水面蒸发损失和侧向流汇入，结合水库的调度算法，计算了水库出水量，将水库运行纳入湿地水文模型；基于实测的水库出流量数据，完成模型的率定，构建湿地-水库水文模型；基于湿地-水库水文模型开展水库出流量模拟，并基于此流量作为水库下游的来水量；

6、s4、在有湿地分布的水库下游构建耦合湿地模块的流域水文模型，利用水库出流量和水文站观测流量开展模型的率定和验证，实现流域尺度湿地水文和水库运行的流域湿地-水库水文模型；

7、s5、基于流域湿地-水库水文模型，开展流域日尺度水文过程模型，提取洪水事件和洪水要素特征指标，完成耦合流域湿地水文-水库调度的洪水模拟。

8、作为本发明的进一步说明，s1中的流域水文模型数据库包括数字高程模型、土壤质地数据、数字化河网水系和土地利用数据。

9、作为本发明的进一步说明，s2中的湿地水文模型由8个模块组成，分别为气象插值模块、积雪模块、冻土模块、潜在蒸散发模块、垂向水量收支平衡模块、陆面产汇流模块、河道径流模块和湿地模块。

10、作为本发明的进一步说明，所述气象插值模块输入的资料包括最高气温、最低气温和降水量，降水量可以是降雨数据或降雪数据，基于气温和太阳辐射产生的能量计算蒸散发、升华及融雪过程；

11、主要包括两个子模块，泰森多边形法和临近三站均值法，且每个子模块均包含三个参数：气温和降水的垂直递减率及降雨-降雪的气温阈值；

12、积雪覆盖模块首先计算达到雪盖的热通量，然后计算热通量引起的融雪量，最后对积雪融水进行汇流计算，根据降水、气温和土地利用类型，采用能量收支平衡模型来模拟积雪和融雪过程；

13、蒸散发模块考虑了潜在蒸散发和实际蒸散发，采用thornthwaite、hydro-québec、linacre、penman、penman-monteith或priestley-taylor六种方法计算潜在蒸散发；

14、坡面汇流模块采用由leclerc和schaake提出的动力波方程；

15、河道径流模块采用圣维南方程完成河道汇流的计算，模块中有两种算法：运动波方程和扩散波方程，其次河道径流模块中还引入了湖泊出水口径流的演算，并考虑水库蓄水量的估算和水库的管理；

16、垂向水量收支平衡模块考虑了土壤物理过程，并与遥感及gis数据耦合，在bv3c模块中，降水量首先被分为地表径流和入渗两部分，入渗可以改变土壤的饱和状态，在非饱和土壤层的上界和下界分别形成潜流和基流。

17、作为本发明的进一步说明，所述湿地模块包括模拟孤立湿地汇水区、孤立湿地和低地之间的产汇流过程和模拟河滨湿地汇水区、河滨湿地和低地之间的产汇流过程。

18、作为本发明的进一步说明，s3中所述水库的调度算法具体为采用水量动态水量平衡核算，所需的输入数据包括入库流量、最小环境流量、初始水库库容、最小库容、最大库容、水库-水位关系、水面蒸发损失和模拟时间步长；

19、入库流量基于s2构建的湿地水文模型模拟获得，最小环境流量、初始水库库容、水库-水位关系、最小库容和最大库容基于水库管理部门的调度手册获得，水面蒸发损失可以采用kharrufa方法开展日尺度估算，出库流量基于入库流量、最小环境流量、初始水库库容、最小库容、最大库容和水面蒸发损失核算的盈余水量作为出库流量；

20、水库水量平衡方程如下：

21、

22、式中，st是t时刻的水库库容m3；

23、st和qout受水库设计规范和运行规则的约束；

24、具体而言，st不能超过水库容量smax，而qout(m3s-1)则受到运行方案和涡轮机容量qmax(m3s-1)的约束，根据发明区的现有数据，采用kharrufa法估算水库的每日的evap，qout日尺度动态量计算如下：

25、qout(t)＝max(s(t)+qin(t)-evap(t)-qout(t))。

26、作为本发明的进一步说明，s5中种采取固定阈值法提取洪水事件，并进一步提取洪水特征指标；

27、其中洪水阈值的确定，基于实测的日流量，首先绘制多年的日流量频率曲线，选取特定重现期的流量作为洪水阈值，当日流量超过该阈值，即为洪水发生；当日流量开始低于该阈值，则洪水结束；

28、洪水特征提取是在确定洪水事件的基础上，选取的洪水强度指标包括洪峰流量、平均流量、洪水总量、起涨率和洪量集中程度；洪水时域形态指标包括洪水总历时、洪峰时间偏度、涨水历时和退水历时。

29、作为本发明的进一步说明，s2和s4中模型的率定和验证采用观测的日流量,在率定之前都开展模型的敏感分析，确定最关键的敏感参数；以最关键敏感参数优化为目标，采用动态多维算法实现模型的自动率定；基于模拟和观测的日流量数据，实现模型的模拟精度评价。

30、本发明与现有技术相比具有以下优点：

31、1、本发明综合考虑了湿地对径流的调蓄作用和水库调度对河道径流的影响，分别构建适合的湿地模块和水库调度模块，并进一步通过自上有向下游的分布式的耦合，实现流域水文过程精细化模拟，并基于该模拟结果刻画洪水特征。在模拟技术、模拟精度和洪水特征刻画上，可提供更为精确、可靠和具有较大使用前景的技术手段和发明结果。

32、2、本发明可以大幅度提高水文模型的模拟精度，并更为面向水安全的流域后灌水模拟和预测提供重要支撑，提出了湿地和水库的模拟耦合框架可以进一步拓展为流域绿色基础设施如森林、草地和湿地等和灰色基础设施水库、防洪提拔等的耦合，提升流域水文模拟水平，为新时期生态文明建设下的水文模型开发提供新的思路。