一种适用于河道地表漫流的动态分析及预警方法与流程

1.本发明涉及水环境工程中洪涝灾害智慧管控建设领域，是一种适用于河道地表漫流的动态分析及预警方法。


背景技术：

2.随着城镇化的快速发展，洪涝灾害频发，而造成洪涝灾害的原因主要为极端天气的变化、下垫面硬化导致的径流量增加、热岛效应变化、管网排水能力低下、土地利用类型由可渗透转向非渗透地表等，我国东部受到洪灾较为严重，水位上涨带来的地表漫流现象频发。在现有的水环境工程建设中，面向小流域水文模型的研究工作众多，大多数旨在于对模型机理的研究。
3.目前常采用mike、swmm、hec等模型来完成一维河道、二维水动力模型的耦合，以降雨量、地理高程、地表下垫面、水域、现状市政基础设施等多来源数据为基础，来进行洪峰演进计算、水文预报等水文水动力过程，截至目前尚未形成一套适用于河道的地表漫流动态分析的方法。
4.尽管有mike等水文动力学专业模型作为当代智能模型的技术支撑，且封装机理后的模型能够较好的解决目前工程项目棘手的问题，但针对性并不强，并且实时模拟的速度还有待提升，因此将机理直接演变为细节研究仍然需要加速开展。
5.为了更好地分析和研究地表漫流现象，考虑在不同时间段的雨强条件下的河道水位涨幅所形成的地表漫流现象，涉及产汇流、河道常水位、洪水位、洪峰、堤防高度、流势、流态、河道比降等影响因素，本发明提出一种适用于河道地表漫流的动态分析及预警方法。


技术实现要素：

6.本发明的目的是：旨在提供一种适用于河道地表漫流的动态分析及预警方法，通过对面降雨量、河道比降资料、水位-流量关系等数据的获取，围绕小流域河道开展相关机理研究，从而形成一种可靠地动态分析系统，为风险预警及决策提供有效的依据支撑。
7.本发明的技术方案是：
8.一种适用于河道地表漫流的动态分析方法，包括如下步骤：
9.河道断面的产汇流分析；
10.受到洪水波的涨落运动影响的这种非稳定流态条件下的河段流量分析；
11.借助水位-流量关系推求每个时段的河道断面水位；
12.在获得断面水位变化过程后，进行断面间水位分析。
13.进一步，所述的河道断面的产汇流分析，包括：
14.步骤1)流域内河道断面设置；
15.步骤2)区间产汇流计算；
16.步骤3)马斯京根法河道汇流演算；
17.进一步，所述的步骤1)流域内河道断面设置是为m个断面,具体是:根据流域自身
的地理环境，依据工程实际根据等流时面积将河道干流划分若干个单元，每个单元在其河道出口处设置相应的断面，设置断面数量为m，并记录相邻断面间的河段长度la，其中a＝1
…
m。
18.进一步，所述的步骤2)区间产汇流计算是通过等流时线法，进行子流域产汇流计算求得区间的断面的流量过程,具体是：
19.根据等流时线法原理，降落在流域面上的时段净雨，按各等流时面积汇流时间顺序依次流出流域出口断面，计算公式为:
20.q
i,i j-1
＝0.278r
ifi j＝1,2,
…
,n
21.其中，ri为第i时段净雨强度,ri＝h/δt，mm/h；δt为等流时线汇流时间，h为历时时间；fi为汇流时间(j-1)δt和jδt两条等流时线之间的面积，km2；(j-1)δt为第j-1段的等流时线，jδt为第j段等流时线；qi,i j-1为在fi上ri形成的i j-1时段末出口断面流量，m3/s；i为第i降雨时段，j为等流时段，i j-1为第i j-1时段；
22.假设各时段净雨所形成的流量在汇流过程中相互没有干扰，出口断面的流量过程是降落在多个等流时面积上的净雨按先后次序出流叠加而成的，则第t时段断面区间入流流量为q
t
：
[0023][0024]
其中，n为自然数，t为i j-1。
[0025]
进一步，所述的步骤3)马斯京根法河道汇流演算是考虑河道的槽蓄作用通过马斯京根法的推求上游断面出流在下游断面的流量响应过程，具体步骤如下：
[0026]
(1)断面为初始断面时，当a＝1时，上游的响应为0，即：
[0027]q区,1,t
＝q
1,t
[0028]
(2)断面不是初始断面时，当a不是1时
[0029]
a)获得a-1到a断面河道长度la，a＝2,3，
…
m；
[0030]
b)设置特征河长la和蓄量常数ka和
△
ta，计算流量比重因素xa的取值，计算公式见下：
[0031][0032]
c)求解马斯京根方程的系数，包括c
0,a
、c
1,a
、c
2,a
：
[0033][0034][0035][0036]c2,a
c
1,a
c
0,a
＝1
[0037]
d)a-1断面出流在a断面的响应过程，当t＝t0时令q
a-1
,t0＝qa,t0，则：
[0038]c2,aqa,t-1
c
1,aqa-1,t-1
c
0,aqa-1,t
＝q
响,a,t
[0039]
e)据此可以求出a断面上游断面来水的响应过程。
[0040]
进一步，所述的河段流量分析为断面流量过程的流量计算，即：同时刻的区间产汇流量和上游断面响应值的叠加，具体公式如下：
[0041]q区,a,t
q
响应,a,t
＝q
a,t
[0042]
其中，q
区,a,t
为区间产汇流量，q
响应,a,t
为上游断面响应值，q
a,t
为a断面实际流量。
[0043]
进一步，所述的借助水位-流量关系推求每个时段的河道断面水位,即:根据水位流量关系,由断面的流量过程推求断面处的水位变化过程,具体如下:
[0044]
在获得断面实时量流量变化过程，依据水位流量关系曲线，得到水位随时间的变化过程：
[0045]fz-q
(q
a,t
)＝z
a,t
，
[0046]
其中f
z-q
(q
a,t
)为水位流量关系；z
a,t
为水位深。
[0047]
进一步，所述的在获得断面水位变化过程后，进行断面间水位分析：根据线性插值的方法，由相邻两个断面的水位过程推求断面间某点处的水位变化值：
[0048][0049]
其中lla为在断面a-1到断面a之间距离断面a-1的距离。
[0050]
进一步，所述的一种适用于河道地表漫流的动态分析方法，还包括地表漫流情况判断：该点处的水位是否超过堤坝的警戒水位，如果是超过，就表示地表漫流；如果没有超过，就表示不发生地表漫流。
[0051]
一种适用于河道地表漫流的预警方法，基于上述一种适用于河道地表漫流的动态分析方法，进行漫流预测，当预测水位大于警戒水位时进行预警。
[0052]
本发明的有益效果：由于采用了大数据 水文 地理的整体思路，所以，有效解决了河道漫游难以预测的重大灾害难题；利用计算机超强的计算能力，和大数据的优势，准确率会更上一个级别，进而实现了真正意义上的防灾，实时甚至提前做出预测。
[0053]
由于采用了等流时线法和马斯京根法，有效解决了流域的调蓄作用、降雨时空分布不均匀、河道比降的影响。同时借助水位流量关系曲线，获得流域断面实时水位变化过程，同时根据线性差值的方法，得到河道水位变化过程，从而得到地表漫流发生的情况，并通过大数据平台和gis平台，实现了地表漫流发生情况的直观可视化展示。
[0054]
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，但不作为对本发明的限定。
附图说明
[0055]
图1为本发明的一种适用于河道地表漫流的动态分析方法的流程图；
[0056]
图2为流域等流时线示意图；
[0057]
图3为河道地表漫流图。
具体实施方式
[0058]
本发明的一种适用于河道地表漫流的动态分析方法，包括如下步骤：河道断面的产汇流分析；受到洪水波的涨落运动影响的这种非稳定流态条件下的河段流量分析；借助水位-流量关系推求每个时段的河道断面水位；在获得断面水位变化过程后，进行断面间水
位分析。
[0059]
下面对本发明的一种适用于河道地表漫流的动态分析方法进行具体说明：
[0060]
如图1所示，一种适用于河道地表漫流的动态分析方法，包括如下步骤：
[0061]
1、河道断面的产汇流分析；
[0062]
所述的河道断面的产汇流分析，包括：
[0063]
步骤1)流域内河道断面设置是为m个断面,具体是:根据流域自身的地理环境，依据工程实际根据等流时面积将河道干流划分若干个单元，每个单元在其河道出口处设置相应的断面，设置断面数量为m，并记录相邻断面间的河段长度la，其中a＝1
…
m。
[0064]
步骤2)区间产汇流计算；
[0065]
区间产汇流计算是通过等流时线法，进行子流域产汇流计算求得区间的断面的流量过程,具体是：
[0066]
根据等流时线法原理，如图2所示，降落在流域面上的时段净雨，按各等流时面积汇流时间顺序依次流出流域出口断面，计算公式为:
[0067]qi,i j-1
＝0.278r
ifi j＝1,2,
…
,n
[0068]
其中，ri为第i时段净雨强度,ri＝h/δt，mm/h；δt为等流时线汇流时间，h为历时时间；fi为汇流时间(j-1)δt和jδt两条等流时线之间的面积，km2；(j-1)δt为第j-1段的等流时线，jδt为第j段等流时线；qi,i j-1为在fi上ri形成的i j-1时段末出口断面流量，m3/s；i为第i降雨时段，j为等流时段，i j-1为第i j-1时段；
[0069]
假设各时段净雨所形成的流量在汇流过程中相互没有干扰，出口断面的流量过程是降落在多个等流时面积上的净雨按先后次序出流叠加而成的，则第t时段断面区间入流流量为q
t
：
[0070][0071]
其中，n为自然数，t为i j-1。
[0072]
步骤3)马斯京根法河道汇流演算；
[0073]
对流域而言，除初始断面外，其他断面处的流量过程是由同时刻区间入流和上个断面出流量经过河道平移坦化叠加的结果，区间入流用等流时线法推求，上个断面出流的响应可以利用马斯京根法，考虑河道的比降。
[0074]
马斯京根法河道汇流演算是考虑河道的槽蓄作用通过马斯京根法的推求上游断面出流在下游断面的流量响应过程，具体步骤如下：
[0075]
(1)断面为初始断面时，当a＝1时，考虑到初始断面没有上游断面，是流域设置的第一个断面，因此上游的响应为0，即：
[0076]q区,1,t
＝q
1,t
[0077]
(2)断面不是初始断面时，当a不是1时
[0078]
a)获得a-1到a断面河道长度la，a＝2,3，
…
m；
[0079]
b)设置特征河长la和蓄量常数ka和
△
ta，计算流量比重因素xa的取值，计算公式见下：
[0080]
[0081]
c)求解马斯京根方程的系数，包括c
0,a
、c
1,a
、c
2,a
：
[0082][0083][0084][0085]c2,a
c
1,a
c
0,a
＝1
[0086]
d)a-1断面出流在a断面的响应过程，当t＝t0时令q
a-1
,t0＝qa,t0，则：
[0087]c2,aqa,t-1
c
1,aqa-1,t-1
c
0,aqa-1,t
＝q
响,a,t
[0088]
e)据此可以求出a断面上游断面来水的响应过程。
[0089]
2、受到洪水波的涨落运动影响的这种非稳定流态条件下的河段流量分析；
[0090]
所述的河段流量分析为断面流量过程的流量计算，即：同时刻的区间产汇流量和上游断面响应值的叠加，具体公式如下：
[0091]q区,a,t
q
响应,a,t
＝q
a,t
[0092]
其中，q
区,a,t
为区间产汇流量，q
响应,a,t
为上游断面响应值，q
a,t
为a断面实际流量。
[0093]
3、借助水位-流量关系推求每个时段的河道断面水位；即:根据水位流量关系,由断面的流量过程推求断面处的水位变化过程,具体如下:
[0094]
在获得断面实时量流量变化过程，依据水位流量关系曲线，得到水位随时间的变化过程：
[0095]fz-q
(q
a,t
)＝z
a,t
，
[0096]
其中f
z-q
(q
a,t
)为水位流量关系；z
a,t
为水位深。
[0097]
4、在获得断面水位变化过程后，进行断面间水位分析：根据线性插值的方法，由相邻两个断面的水位过程推求断面间某点处的水位变化值：
[0098][0099]
其中lla为在断面a-1到断面a之间距离断面a-1的距离。
[0100]
5、地表漫流情况判断：该点处的水位是否超过堤坝的警戒水位，如果是超过，就表示地表漫流；如果没有超过，就表示不发生地表漫流。
[0101]
考虑到河道堤坝有自己的警戒水位，而每一个位置的水位变化过程又是可以推求的，当河道水位超过堤坝警戒水位时，地表漫流发生，并且根据水位变化过程可以知道地表漫流的持续时间。图3中a和b代表两个不同的位置。
[0102]
本发明同时提供一种适用于河道地表漫流的预警方法，该方法是在适用于河道地表漫流的动态分析方法的基础上进行漫流预测，当预测水位大于警戒水位时进行预警。
[0103]
该适用于河道地表漫流的预警方法，在预警前，先将每个断面的马斯京根法参数以及等流时线法参数存到数据库里，当发生实时降雨时，大数据平台，读取实时降雨数据，从数据库读取区间和马斯京根法的参数，实时计算断面水位过程，进而得到河道总的水位过程，借助可视化数据平台展示断面水位过程，同时借助gis平台，展示河道具体的地表漫
流发生情况和持续时间。大数据平台、可视化数据平台和gis平台均为现有技术，其中，gis平台为地理信息系统(geographic information system,简称gis)是能提供存储、显示、分析地理数据功能的软件，主要包括数据输入与编辑、数据管理、数据操作以及数据显示和输出等。
[0104]
本发明适用于河道地表漫流的预警方法的数据库采用mysql关系数据库和列式数据库相结合,实现高效查询，具体为：
[0105]
第一，针对河道地表漫流预警数据建立mysql关系型数据库和列式数据库，同时基于两个数据库的关键字段创建映射关系；
[0106]
第二，在降雨等数据写入的时候采用两次写入的方式将数据同步写入到两个数据库，并基于映射关系在每次mysql数据改变的时候，同步修改列式数据库中的数据值，保证数据的唯一性；
[0107]
第三，平台的业务功能实现都从mysql关系数据库中查询，当进行暴雨洪水在线分析和地表漫流预测计算的时候，由于数据量会很大，所以数据查询从列式数据库根据关键字段批量查询。
[0108]
在查询后，基于dbmllist(自定义数组名称)数组集合的数据划分和遍历
[0109]
1)河段逐时暴雨过程降雨量
[0110]
2)推求断面流量
[0111]
3)推求断面水位
[0112]
本发明的预警方法结合现有数据存储优化查询方式和程序代码集合的特点，有效提高系统预警决策的效率。
[0113]
本发明由于河道地表漫流监测涉及因素众多，主要考虑降雨量、河道切面、流速、落差、土质、距离等，传统的人工监测方法，效率低下，准确率很难保证，所以引入大数据 人工智能的思想。大量历史数据的积累，可以提取河道的水位与流量换算关系，可以精确到不同河道界面，根据上游降雨量预算下游水位，对防洪抗灾意义重大。
[0114]
本实施例没有详细叙述的部分和英文缩写属本行业的公知技术或常用手段，这里不一一叙述。