一种基于新安江模型的动态山洪临界雨量预报方法与流程

本发明属于山洪灾害防治研究技术领域，具体涉及一种基于新安江模型的动态山洪临界雨量预报方法。

背景技术：

我国山洪灾害发生频次高、损失程度大，并且山洪灾害已成为洪涝灾害中致人死亡的主要灾种。山洪一般指山丘区中小流域由降雨引起的突发性、暴涨暴落的洪水。国内气象与水文等各部门正在研发有效的山洪监测预警预报系统，力求使灾害程度达到最小。

目前，各气象部门在山洪灾害预警中多采用临界雨量作为预警指标。在目前的实际应用中，所采用的山洪临界雨量是一个固定值。由于有前期雨量、流域湿润程度、河道水位等因素影响，山洪灾害发生所需要的临界雨量不是一个固定值，而是根据实际情况在随时变化的。采用临界雨量为固定值的预警模式不能充分考虑到实际情况的影响，不能保证有效的预警精度，极易发生空报、漏报、误报的现象。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于新安江模型的动态山洪临界雨量预报方法，充分考虑流域前期的降水、蒸散发、土壤含水量、河道流量等影响，得到实时动态的临界雨量值作为山洪预警指标。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于新安江模型的动态山洪临界雨量预报方法，包括以下步骤：

s1.采集发生山洪的小流域水文信息；

s2.构建三水源新安江模型；

s3.确定临界流量；

s4.实时预报动态临界雨量。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的步骤s1所述水文信息包括降水量、水面蒸发量和流域出口断面流量。

上述的步骤s2所述构建三水源新安江模型包括以下步骤：

s2.1.采用三层模型计算蒸散发，采用蓄满产流模型计算产流；

s2.2.用自由水蓄水库结构将总产流划分为地面径流、壤中流和地下径流；

s2.3.采用线性水库计算坡地汇流，采用滞后演算法和马斯京根分段连续演算法计算河道汇流。

上述的步骤s3具体为：根据历史流量资料，采用水文频率分析的方法，以一定年份为重现期的流量值作为临界流量值。

上述的步骤s4具体包括以下步骤：

s4.1.计算模型的预热期；

s4.2.延长假设临界雨量值及雨型分布；

s4.3.二分法迭代得到最终的临界雨量值。

上述的步骤s4.3具体为：

将预热期连同步骤s4.2延长的雨量、蒸发过程，输入新安江模型进行连续计算，输出得到流量过程结果；

判断延长期的计算流量值的最大值与临界流量值的关系，采用二分法迭代得到新的临界雨量值，返回步骤s4.2，直到精度满足要求，得到最终的临界雨量值。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过三水源新安江模型计算考虑了流域前期水文条件的影响，得到实时动态的山洪临界雨量预报方法。

采用二分法迭代计算临界雨量值是收敛的，优化了计算速度。

本发明方法可以推广至各气象水文部门，取代目前普遍采用的临界雨量固定值预警指标。该方法有效提高了山洪临界雨量预警指标与自然条件的吻合程度，为进一步提高山洪灾害预警精度提供了有力的技术支撑。

附图说明

图1是本发明实施例的三水源新安江模型流程图；

图2是本发明实施例基于新安江模型的二分法迭代计算临界雨量流程图；

图3是本发明实施例模型预热期输出结果；

图4是本发明实施例各预警级别及时段的模型计算延长期流量过程；

图5是本发明实施例各预警级别及时段的临界雨量值。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本发明的一种基于新安江模型的动态山洪临界雨量预报方法，包括以下步骤：

s1.采集发生山洪的小流域水文信息；

实施例中，首先需要掌握流域的气候、历史洪水、植被、地貌、地质结构等特征。需要搜集的流域时间序列水文信息资料包括：降水量，水面蒸发，流域出口断面流量。

s2.构建三水源新安江模型；

实施例中，根据s1中搜集的历史水文资料，构建三水源新安江模型，对模型参数进行率定。

构建三水源新安江模型包括以下步骤：

s2.1.采用三层模型计算蒸散发，采用蓄满产流模型计算产流；

s2.2.用自由水蓄水库结构将总产流划分为地面径流、壤中流和地下径流；

s2.3.采用线性水库计算坡地汇流，采用滞后演算法和马斯京根分段连续演算法计算河道汇流。

三水源新安江模型计算流程如图1所示。

模型的输入是降雨量和观测水面蒸发量，输出为实际蒸散发量和流域出口断面的流量过程。流程图中框内的变量为模型计算中间变量，在线上的变量为模型参数。

s3.确定临界流量；

实施例中，根据历史山洪流量信息，确定发生山洪的临界流量。临界流量有时也称为漫滩流量，它是指发生山洪的流量最小值或称流量阈值。如果临界流量值不容易确定，也可以根据历史流量资料，采用水文频率分析的方法，以一定年份为重现期的流量值作为临界流量值。

s4.实时预报动态临界雨量。

实施例中，有了以上步骤中的已经率定好的新安江模型、临界流量，结合实时观测的降雨、蒸发资料，便可以进行实时动态的山洪临界雨量预报，具体步骤如下：

s4.1.计算模型的预热期

如果要对当前时刻t2的山洪临界雨量进行预报，那么需要从t2时刻之前的t1时刻开始运行新安江模型。那么t1至t2时刻便称为模型的预热期。输入t1至t2时刻的观测降雨、水面蒸发，通过新安江模型便可以计算得到流量过程，以及t2时刻的初始状态。初始状态反映了流域前期的饱和程度。在新安江模型中，对后面流量计算有影响的初始状态变量包括张力水蓄水容量w、自由水蓄水容量s、产流面积比fr、前期各部分流量过程qs、qi、qg等。

为了考虑前期初始状态的影响，只要将预热期连同后期的资料一起输入新安江模型进行连续计算，便可以方便快捷地使延长期计算结果考虑了前期(预热期)水文条件的影响。

s4.2.假设临界雨量值的延长及雨型分布

在预热期t1至t2时刻的观测降雨资料后，延长假设一个临界雨量值以及在各时段的雨量分布。一般在雨期的蒸散发可以忽略不计，所以水面蒸发输入的延长都可以认为是零。

s4.3.二分法迭代得到最终的临界雨量值

将预热期连同s4.2延长的雨量、蒸发过程，输入新安江模型进行连续计算，输出得到流量过程结果。判断延长期的计算流量值的最大值与临界流量值的关系，采用二分法迭代得到新的临界雨量值，返回步骤s4.2，直到精度满足要求，得到最终的临界雨量值。其流程如图2所示。

下面以河北省内丘县柳林镇的山洪沟为例说明具体实施方式。

在步骤s1中，搜集流域内历史的面平均雨量资料、水面蒸发资料、流量过程资料。采用arcgis软件对数字高程分析得到流域面积大小。

该流域位于半干旱地区，年均降水量较小，历史洪水过程有陡涨抖落现象。

在步骤s2中，根据所搜集的历史资料建立流域的三水源新安江模型，模型计算时段为1h，并率定模型参数。三水源新安江模型计算流程如图1所示，可分为蒸散发计算、产流计算、分水源计算和汇流计算四个层次结构，分别编写相应的计算模块进行调用。

在步骤s3中，这里分为4级(lv1-lv4)预警，所以这里从小到大确定4个各级的临界流量值。

有了以上建模准备和临界流量值的确定，便可以进行实时动态山洪临界雨量预报计算，步骤如下：

在s4.1步骤中，设以2016年7月18日至8月16日为预热期，分别计算8月16日各预警级别(lv1-lv4)下1h，3h，6h，12h，24h为时段的山洪临界雨量。

在步骤s4.2中，在预热期资料的基础上对雨量资料进行延长。这里的雨型先按平均化处理，也就是将临界雨量平均分配到每个计算时段。如有需要也可以按其他权重雨型进行分配。

在步骤s4.3中，设置初始的临界雨量下限值与上限值，设置迭代精度可以为1mm。按照图2流程进行二分法迭代计算，最终可以得到各预警级别及时段的临界雨量预报值。这样的临界雨量值是一个动态输出值，考虑了流域前期水文条件的影响。

按照步骤s4.1中设置的时间，图3为程序输出的预热期图形结果。图3上图为降雨过程，中图为计算流量与实测流量过程对比，下图为土壤张力水含量百分比变化过程。图4为程序输出的临界雨量条件下延长期的预报流量过程图，其中横坐标为时段数，纵坐标为流量值(m³/s),可以发现迭代过程是收敛的，最终结果到达临界流量值。图5为程序输出的各预警级别及时段下的临界雨量值，可以很直观的进行动态山洪临界雨量预警预报。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。