一种铁路工程设施暴雨洪水动态风险图分析方法与流程

1.本发明涉及水利信息技术领域，具体来说，涉及一种铁路工程设施暴雨洪水动态风险图分析方法。


背景技术：

2.暴雨洪涝灾害是全球极具破坏性的灾害之一，会对社会经济和生态系统造成极大地损害。由暴雨致洪所造成的洪涝灾害，对人的生命财产安全及经济发展产生深远影响。
3.2009年，中石油管道科技研究中心开始研究开发“中国石油气象与地质灾害预警平台”，发布管道气象与地质灾害预警信息，并于2011年8月正式上线运行。该系统主要提供中国气象局发布的短期天气预报和中国地质环境监测院发布的地质灾害预警，向用户推送，并提示预警级别，对于防范区域气象和地质灾害有重要的指导作用。但对于黄土地区的管道洪水灾害，该预警平台的针对性不足。主要原因在于天气预报提供的降雨信息只是油气管线遭受洪水灾害的致灾链条中的第一环，在降雨—径流—管线失效这个致灾链条中，与管线相交河流的级别、流域下垫面条件、降雨的时间过程、降雨的空间不均匀性等诸多具体参数控制着致灾链条的发生与发展过程。大尺度宽泛的降雨预警难以准确反映具体地形的不均匀性和不同管段抵御洪水能力的差异，难以给出具体受灾管段的位置，仅能提供警示作用，无法为灾害防控措施提供有效指导。因此，如何提供一种能够解决上述问题的铁路工程设施暴雨洪水动态风险图分析方法是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

4.针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种铁路工程设施暴雨洪水动态风险图分析方法，能够克服现有技术方法的上述不足。
5.为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：一种铁路工程设施暴雨洪水动态风险图分析方法，包括以下步骤：s1: 首先，研究洪水灾害风险的评价方法，以对长期平均水平下，洪水相对破坏力的量化为主，根据地理环境因素专题图，对暴雨洪水风向因子进行提取和分级，再基于模糊综合评价赋权的算法分析灾害风险，形成灾害风险分区图；s2:评价天气预报的精准度，将雨量站的数据转化到天气预报栅格内，进行栅格内平均降雨量的对比，当预报降雨栅格被研究区边界切割时，只考虑栅格处于研究区内的那部分，采用泰森多边形方法在每个天气预报栅格内对多个雨量站的降雨量做加权平均，将天气预报栅格内的降雨预报值与加权平均后的实测值进行对比和统计分析；s3:再确定出临界雨量的范围，管道在运营期间的水毁情况反映出洪水的绝对威力与管段抵御能力的大小关系，利用代表雨量站的历史雨量以及管道运营期间水毁记录，推求各个穿河点的临界雨量的上界和下界，即判断确定出临界雨量所处的范围；s4:确定临界流量，用历时实测雨量计算出历时流量，认为是历史的真实流量，在对照管道水毁记录估计临界流量值；
s5:管道沿线水文模型的构建及参数率定,根据流域气候、下垫面的特征，结合洪水预报方案，选择水文模型，提取小流域基本属性信息和下垫面坡面综合流速系数和下渗特性，并计算小流域标准单位线，构成小流域基础属性信息，利用场次暴雨和洪水资料优化，率定模型参数，分析模型参数与流域下垫面特征相关的关系，分区综合确定模型参数；s6:最后，将率定后的参数带入水文模型作为初始参数，输入预报或监测降雨到水文模型进行计算，得到峰现时间、洪量、洪水过程的计算结果，以此计算结果与统计得到的临界雨量和临界流量对比，从而发布预警等级。
6.进一步地，步骤s1中，所述暴雨洪水风向因子包括管道洪水风险的洪水绝对威力影响因子、管道自身抵御能力影响因子和历史灾害情况；所述历史灾害情况根据历史灾害点个数分析得出。
7.进一步地，所述洪水绝对威力影响因子是增大风险的因子，影响洪水绝对威力影响因子的有汇水区降雨、汇水区面积、汇水区高差、汇水区形状、汇水区土地利用、汇水区植被状况。
8.进一步地，所述管道自身抵御能力影响因子是减小风险的因子，影响管道自身抵御能力影响因子有穿河点纵向坡度、穿河点横向高差。
9.进一步地，所述临界雨量是将输气管道破坏的暴雨的最大时段降雨量。
10.进一步地，所述提取小流域基本属性信息和下垫面坡面综合流速系数和下渗特性，是基于dem和dlg数据，结合水文监测站点和水利工程数据、高分辨率的影像数据、土地利用、植被类型、土壤质地类型数据和行政区划的分析提取出。
11.本发明的有益效果：通过针对黄土地区油气管道普遍存在的洪水、交叉河流河床冲刷与河岸坍塌等水毁灾害，研究黄土地区洪水灾害形成演化机理，建立洪水灾害风险评价指标体系，开发数值模拟关键技术，开发石油管线沿线洪水灾害模拟与预警模型，通过动态洪水参量进行输入，实现洪水动态演进过程分析，解决了以往采用单一静态水位模拟的局限性；可在灾害发生时，结合实时降水信息，对洪水演进过程进行模拟预测，可实现洪水灾害预测预报，为抗洪抢险提供决策支持，对管控灾情、减少损失具有重要意义。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1是根据本发明实施例所述的铁路工程设施暴雨洪水动态风险图分析方法的基本原理示意图。
14.图2是根据本发明实施例所述的铁路工程设施暴雨洪水动态风险图分析方法的流域属性流程示意图。
15.图3是根据本发明实施例所述的铁路工程设施暴雨洪水动态风险图分析方法的静态风险评价示意图。
16.图4是根据本发明实施例所述的铁路工程设施暴雨洪水动态风险图分析方法的预警指标确定及动态风险预报示意图。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
18.如图1
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3所示，根据本发明实施例所述的铁路工程设施暴雨洪水动态风险图分析方法，包括首先，研究洪水灾害风险的评价方法，洪水风险即洪水的危险度和造成的易损度，危险度就是洪水的相对破坏力和发生洪水的概率；造成的易损度就是灾害带来的社会经济上的损失和破坏的形式。
19.在洪水风险的静态评价中，不涉及洪水即将发生的概率，以对长期平均水平下，洪水相对破坏力的量化为主，利用管道外部承载环境的各个因子信息，分别制作管道沿线外部地理环境单因子专题图，在专题图的基础上，结合沿线山洪模拟以及模糊参数风险评价方法，对暴雨洪水风险因子进行提取和分级，基于多元线性回归模型的模糊综合评价赋权算法，获得油气管道沿线洪水灾害风险分区专题图。并结合输气管道的实际工程条件，确定输气管道的洪水综合风险分区、对应的风险等级及风险特征，最终确定输气管道沿线的重点洪水风险段。
20.所述暴雨洪水风险因子包括洪水绝对威力影响因子、管道抵御能力影响因子和历史灾害情况。所述洪水绝对威力影响因子是增大风险的因子，管道自身抵御能力影响因子是减小风险的因子。影响洪水绝对威力的影响因子有汇水区降雨、汇水区面积、汇水区高差、汇水区形状、汇水区土地利用、汇水区植被状况；影响管道抵御能力的影响因子有穿河点纵向坡度、穿河点横向高差。
21.评价天气预报的精准度，假如，雨量站测得降雨量为降雨的真值，由于雨量站数据为点观测记录，数值天气预报降雨量代表栅格内的平均值，将雨量站的数据转化到天气预报栅格内，进行栅格内平均降雨量的对比，当预报降雨栅格被研究区边界切割时，只考虑栅格处于研究区内的那部分，采用泰森多边形方法在每个天气预报栅格内对多个雨量站的降雨量做加权平均，将天气预报栅格内的降雨预报值与加权平均后的实测值进行对比和统计分析。
22.再确定出临界雨量的范围，管道在运营期间的水毁情况反映出洪水的绝对威力与管段抵御能力的大小关系，基于管道穿河点临界雨量估计原理，利用代表雨量站的历史雨量以及管道运营期间水毁记录，推求各个穿河点的临界雨量的上界和下界，即判断确定出临界雨量所处的范围。
23.所述管道穿河点临界雨量估计原理是：对于运营期间未被破坏的管道穿河点，临界雨量大于运营期间发生的任何一场暴雨的日雨量，即临界雨量下界等于实测最大雨量；对于运营期间被破坏的管道穿河点，临界流量大于运营期间可承受暴雨的雨量，小于被破坏时经历暴雨的雨量。临界雨量是刚好能够将输气管道破坏的暴雨的最大时段降雨量，这场暴雨称为临界暴雨。临界暴雨的发生具有偶然性，而且通常难以界定管道刚好被破坏的临界状态，所以给出精确的临界雨量是不现实的。管道在运营期间的水毁情况能够反映洪水绝对威力与管段抵御能力的大小关系，据此可以判断临界雨量所处的范围。
24.然后，确定临界流量，根据洪水风险预警模型，首先需要用历时实测雨量计算出历时流量，认为是历史的真实流量，在对照管道水毁记录估计临界流量值。流量数据属于模拟计算流量，本技术采用中国山洪水文模型，以降雨数据作为模型输入，实现暴雨—洪水过程的高效模拟，历史流量由实测降雨计算得到。临界洪峰流量是一次洪水过程中河段的最大瞬时流量，洪峰流量越大，其破坏能力也越大，洪水的绝对威力越大。因此可以用洪峰流量作为洪水威力与管段抵御能力的评价指标，洪水威力用一场洪水的洪峰流量表示，管段抵御能力用输气管段可承受的临界洪峰流量表示。
25.管道沿线水文模型的构建及参数率定。根据流域气候、下垫面的特征，结合洪水预报方案，选择适合的水文模型，蒸发量取流域内各蒸发量测站数据的算术平均值，湿润地区一般选择蓄满产流模型，干旱半干旱地区一般选择超渗产流模型；汇流采用标准化单位线法，洪水演进采用动态马斯京根法。基于dem和dlg数据，结合水文监测站点和水利工程数据，以及高分辨率的影像数据、土地利用和植被类型、土壤质地类型数据和行政区划，在《中国河流代码》（sl 249
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2012）的基础上，分析提取了小流域基本属性信息和下垫面坡面综合流速系数和下渗特性，分析计算小流域标准化单位线，构建小流域基础属性信息，利用场次暴雨和洪水资料优化，率定模型参数，分析模型参数与流域下垫面特征相关的关系，分区综合确定模型参数。
26.如图4所示，最后，将率定后的参数带入水文模型作为初始参数，输入预报或监测降雨到水文模型进行计算，得到峰现时间、洪量、洪水过程的计算结果，以此计算结果与统计得到的临界雨量和临界流量对比，从而发布预警等级，发布基于天气预报数据的洪水危险度预报。
27.综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过针对黄土地区油气管道普遍存在的洪水、交叉河流河床冲刷与河岸坍塌等水毁灾害，研究黄土地区洪水灾害形成演化机理，建立洪水灾害风险评价指标体系，开发数值模拟关键技术，开发石油管线沿线洪水灾害模拟与预警模型，通过动态洪水参量进行输入，实现洪水动态演进过程分析，解决了以往采用单一静态水位模拟的局限性；可在灾害发生时，结合实时降水信息，对洪水演进过程进行模拟预测，可实现洪水灾害预测预报，为抗洪抢险提供决策支持，对管控灾情、减少损失具有重要意义。
28.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。