一种基于SCS模型的面向应急服务山洪灾害风险制图方法

一种基于scs模型的面向应急服务山洪灾害风险制图方法
技术领域
1.本发明涉及山洪风险应急制图技术领域，具体为一种基于scs模 型的面向应急服务山洪灾害风险制图方法。


背景技术：

2.传统专题地图编制包含地理底图的数据搜集整理、地图综合、专 题要素的版式设计、符号设计与色彩设计等繁杂的工艺流程，出图效 率与应急响应时效要求还有较大差距，从现有地图成果来看，可用的 制图资料包含地理国情普查成果数据、国家标准比例尺地形图数据、
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天地图”数据与历史积累的挂图、图册、图集等地图数据，这些地 图成果在比例尺、分幅方式方面均不能满足自然灾害应急专题图快速 制图的需要。
3.但是针对山洪灾害的应急制图技术研究较为空缺，其制图成果难 以作为模板重复利用，需要大量修改工作，现有的scs模型是根据美 国的流域特征建立的，并不完全适合我国的自然地理状况和水文气象 条件，所以需要对其进行改进和调整。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于scs模型的面向应急服务山洪灾害风险制 图方法，可以有效解决上述背景技术中提出针对山洪灾害的应急制图 技术研究较为空缺，其制图成果难以作为模板重复利用，需要大量修 改工作，现有的scs模型是根据美国的流域特征建立的，并不完全适 合我国的自然地理状况和水文气象条件的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于scs模型 的面向应急服务山洪灾害风险制图方法，包括以下步骤：
6.步骤一：数据准备，搜集山洪灾害风险相关数据；
7.步骤二：通过改进的scs模型计算山洪灾害风险；
8.步骤三：构建前期基础数据库；
9.步骤四：构建数据处理工具；
10.步骤五：设计标准制图模板；
11.步骤六：地图制作；
12.步骤七：分析研判，辅助决策。
13.根据上述技术方案，所述步骤二中，改进的scs模型包括产流结 构和汇流结构，在产流结构中采用了降雨-径流反推法和引入初损比 例因子的方法，在汇流结构中采用滞后演算法；
14.将降雨预报数据以及cn值输入产流结构，得到每个计算单元的 径流量，再通过汇流结构的计算，得到一个流域出口断面的径流量；
15.在产流结构中，一次降水过程的径流量r可由下式计算：
16.17.式中：r为总径流量，单位mm；
18.p为总降雨量，单位mm；
19.ia为初始土壤吸附量，单位mm，是土壤类型和前期土壤含水量 的函数；
20.s为土壤蓄水能力，单位mm，土壤蓄水能力通过下式计算：
[0021][0022]
采用降雨-径流反推法，由公式(2)反推出公式(3)；
[0023][0024]
式中，cn为曲线数，无量纲；
[0025]
根据降雨和径流的历史匹配资料，由公式(3)计算出相应的流 域综合cn值；
[0026]
对于初损ia，引入初损比例因子m，将ia＝0.2s的经验公式修 改为ia＝ms，m随着不同的自然地理情况和水文条件而变化，通过 参数率定确定其值，则径流量的计算公式为：
[0027][0028]
式中：m为初损比例因子；
[0029]
在汇流结构中，一个单元流域某种水源的水量平衡方程为：
[0030][0031]
式中：i、q为单元流域该种水源的入流、出流量，单位m3/s；
[0032]
w为单元流域内的蓄量，单位m3；
[0033]
假定该水源的槽蓄方程是线性的：
[0034]
w＝kq
ꢀꢀ
(6)
[0035]
就上面两式进行差分求解，时段长为δt，在i-1，i两个时刻进 行差分，假定k是常数，并引入滞时t通过推导有：
[0036][0037][0038]
式中：k为线性的蓄泄系数，单位h；
[0039]cs
为线性水库的消退系数，考虑单元流域的调蓄；
[0040]
1-cs为线性水库的出流系数。
[0041]
根据上述技术方案，所述步骤一中，山洪灾害风险数据包括搜集 降雨预报数据、研究区cn值、前期土壤湿润程度(amc)、土壤类型、 地表覆被、土地利用种类及方式、历史降雨数据。
[0042]
根据上述技术方案，所述步骤三中，充足多源的前期数据在灾害 发生时为应急实时制图提供有力的信息支撑。
[0043]
根据上述技术方案，所述步骤四中，利用arcgis平台的模型构 建器
(modelbuilder)模块，构建数据处理工具，将山洪灾害风险计 算模型的输出结果转换为可直接用于制图的栅格格式。
[0044]
根据上述技术方案，所述步骤五中，通过预先设计标准制图模板， 减少制图者主观差异性以及保证地图布局格式的统一标准和连续性， 为此构建包括图名、指北针、比例尺、图例、附图/文字说明以及制 作者信息等要素的模板。
[0045]
根据上述技术方案，所述步骤六中，将可直接应用于制图的栅格 格式的山洪风险灾害数据插入前期基础数据库中的数据作为地理底 图，叠加至制图模板中，打印输出即得到山洪灾害风险地图。
[0046]
根据上述技术方案，所述步骤七中，通过对上述步骤制作的一系 列各级尺度的专题地图进行分析研判，结合应急响应标准，向社会公 众发布预警信息以及应对措施。
[0047]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0048]
1、通过改进scs模型计算预报数据结果对比历史数据结果超出 的比值，从而计算得出山洪灾害风险数据，所需参数少，结构简单， 提高了计算效率，通过构建前期基础数据库、数据处理工具和设计标 准制图模板进行山洪灾害风险应急制图，最后通过各尺度专题图进行 分析研判，辅助决策，形成“模型计算-应急制图-辅助决策”的山 洪灾害风险应急制图框架，改进后的scs模型更加符合我国区域使用。
[0049]
2、结合构建的前期基础数据库、数据处理工具和标准制图模板， 减少了应急制图时的响应时间，提高了应急制图的速度，极大地提高 了从触发应急响应到输出应急专题图的工作效率，制作的一系列各级 尺度的专题地图，清晰直观地展示了山洪灾害风险影响区域，为相关 部门提供辅助决策支持。
附图说明
[0050]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分， 与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。 在附图中：
[0051]
图1是本发明制图方法的步骤流程图；
[0052]
图2是本发明制图方法的技术路线图；
[0053]
图3是本发明的地理数据处理工具流程图；
[0054]
图4是本发明的地理底图配图模板图；
[0055]
图5是本发明的山洪灾害风险预报标准制图模板；图6是本发明2020年8月16日全国山洪灾害风险专题图。
具体实施方式
[0056]
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处 所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0057]
实施例1：如图1所示，本发明提供一种技术方案，一种基于scs 模型的面向应急服务山洪灾害风险制图方法，包括以下步骤：
[0058]
步骤一：数据准备，搜集山洪灾害风险相关数据；
[0059]
步骤二：通过改进的scs模型计算山洪灾害风险；
[0060]
步骤三：构建前期基础数据库；
[0061]
步骤四：构建数据处理工具；
[0062]
步骤五：设计标准制图模板；
[0063]
步骤六：地图制作；
[0064]
步骤七：分析研判，辅助决策。
[0065]
根据上述技术方案，步骤二中，改进的scs模型包括产流结构和 汇流结构，在产流结构中采用了降雨-径流反推法和引入初损比例因 子的方法，在汇流结构中采用滞后演算法；
[0066]
将降雨预报数据以及cn值输入产流结构，得到每个计算单元的 径流量，再通过汇流结构的计算，得到一个流域出口断面的径流量；
[0067]
在产流结构中，一次降水过程的径流量r可由下式计算：
[0068][0069]
式中：r为总径流量，单位mm；
[0070]
p为总降雨量，单位mm；
[0071]
ia为初始土壤吸附量，单位mm，是土壤类型和前期土壤含水量 的函数；
[0072]
s为土壤蓄水能力，单位mm，土壤蓄水能力通过下式计算：
[0073][0074]
采用降雨-径流反推法，由公式(2)反推出公式(3)；
[0075][0076]
式中，cn为曲线数，无量纲；
[0077]
根据降雨和径流的历史匹配资料，由公式(3)计算出相应的流 域综合cn值；
[0078]
对于初损ia，引入初损比例因子m，将ia＝0.2s的经验公式修 改为ia＝ms，m随着不同的自然地理情况和水文条件而变化，通过 参数率定确定其值，则径流量的计算公式为：
[0079][0080]
式中：m为初损比例因子；
[0081]
在汇流结构中，一个单元流域某种水源的水量平衡方程为：
[0082][0083]
式中：i、q为单元流域该种水源的入流、出流量，单位m3/s；
[0084]
w为单元流域内的蓄量，单位m3；
[0085]
假定该水源的槽蓄方程是线性的：
[0086]
w＝kq
ꢀꢀ
(6)
[0087]
就上面两式进行差分求解，时段长为δt，在i-1，i两个时刻进 行差分，假定k是常数，并引入滞时t通过推导有：
[0088][0089][0090]
式中：k为线性的蓄泄系数，单位h；
[0091]cs
为线性水库的消退系数，考虑单元流域的调蓄；
[0092]
1-cs为线性水库的出流系数。
[0093]
根据上述技术方案，步骤一中，山洪灾害风险数据包括搜集降雨 预报数据、研究区cn值、前期土壤湿润程度(amc)、土壤类型、地 表覆被、土地利用种类及方式、历史降雨数据。
[0094]
根据上述技术方案，步骤三中，充足多源的前期数据在灾害发生 时为应急实时制图提供有力的信息支撑。
[0095]
根据上述技术方案，步骤四中，利用arcgis平台的模型构建器 (modelbuilder)模块，构建数据处理工具，将山洪灾害风险计算模 型的输出结果转换为可直接用于制图的栅格格式。
[0096]
根据上述技术方案，步骤五中，通过预先设计标准制图模板，减 少制图者主观差异性以及保证地图布局格式的统一标准和连续性，为 此构建包括图名、指北针、比例尺、图例、附图/文字说明以及制作 者信息等要素的模板。
[0097]
根据上述技术方案，步骤六中，将可直接应用于制图的栅格格式 的山洪风险灾害数据插入前期基础数据库中的数据作为地理底图，叠 加至制图模板中，打印输出即得到山洪灾害风险地图。
[0098]
根据上述技术方案，步骤七中，通过对上述步骤制作的一系列各 级尺度的专题地图进行分析研判，结合应急响应标准，向社会公众发 布预警信息以及应对措施。
[0099]
实施例2：
[0100]
如图2所示，本发明所述的基于scs模型的面向应急服务山洪灾 害风险制图方法，其技术路线图包括以下步骤：
[0101]
步骤一：数据准备，包括搜集降雨预报数据、研究区cn值、前 期土壤湿润程度(amc)、土壤类型、地表覆被、土地利用种类及方式、 历史降雨数据等。
[0102]
步骤二：通过改进的scs模型计算山洪灾害风险，包括产流结构 和汇流结构，在产流结构中采用了降雨-径流反推法和引入初损比例 因子的方法，在汇流结构中采用滞后演算法。
[0103]
(1)产流结构
[0104]
一次降水过程的径流量r可由下式计算：
[0105][0106]
式中：r为总径流量，单位mm；
[0107]
p为总降雨量，单位mm；
[0108]
ia为初始土壤吸附量，单位mm，是土壤类型和前期土壤含水量 的函数；
[0109]
s为土壤蓄水能力，单位mm。
[0110]
为了减少大量实测资料的要求以及利于应用至无资料地区和大 尺度区域，采用降雨—径流反推法，由公式(2)反推出公式(3)， 根据降雨和径流的历史匹配资料，由公式(3)计算出相应的流域综 合cn值。
[0111][0112][0113]
式中：s为土壤蓄水能力，单位mm；
[0114]
cn为曲线数，无量纲。
[0115]
对于初损ia，引入初损比例因子m，将ia＝0.2s的经验公式修 改为ia＝ms，m随着不同的自然地理情况和水文条件而变化，通过 参数率定确定其值，则径流量的计算公式为：
[0116][0117]
式中：m为初损比例因子。
[0118]
(2)汇流结构
[0119]
一个单元流域某种水源的水量平衡方程为：
[0120][0121]
式中：i、q为单元流域该种水源的入流、出流量，单位m3/s；
[0122]
w为单元流域内的蓄量，m3。
[0123]
假定该水源的槽蓄方程是线性的：
[0124]
w＝kq
ꢀꢀ
(6)
[0125]
就上面两式进行差分求解，时段长为δt，在i-1，i两个时刻进 行差分，假定k是常数，并引入滞时t通过推导有：
[0126][0127][0128]
式中：k为线性的蓄泄系数，单位h；
[0129]cs
为线性水库的消退系数，考虑单元流域的调蓄；
[0130]
1-cs为线性水库的出流系数。
[0131]
综上，将降雨预报数据以及cn值输入产流结构，得到每个计算 单元的径流量，再通过汇流结构的计算，得到一个流域出口断面的径 流量，最后通过比较此预报数据与历史数据计算结果的超出比例，来 确定山洪灾害风险等级，生成山洪灾害风险数据。
[0132]
步骤三：构建前期基础数据库
[0133]
就山洪灾害风险预报这一需求来说，前期基础数据主要包括各级 行政区、道路、河流、湖泊、水库、重点防灾减灾保护对象以及历史 山洪灾害点等矢量数据，灾前卫星遥感
影像数据，人口、医疗资源分 布等经济社会数据，前期基础数据库如表1所示：
[0134]
表1山洪灾害风险制图前期基础数据库
[0135][0136]
步骤四：构建数据处理工具
[0137]
如图3所示，山洪灾害风险计算模型的输出结果为文本格式，为 将该结果有效的表达在地图中，我们利用arcgis平台的模型构建器 (modelbuilder)模块，构建了山洪灾害风险预报数据的数据处理工 具，将文本数据经过acsii转栅格、定义坐标系和投影变换后，得到 可直接应用于制图的栅格格式的山洪灾害风险预报数据。
[0138]
步骤五：设计标准制图模板
[0139]
如图4和图5所示，为了减少应急制图时的响应时间、避免出现 不同设备和人员的主观差异性以及保证地图布局格式的统一标准和 连续性，预先设计标准制图模板，模板包括地理底图配图模板和图面 配置样式模板。地理底图选择采用行政区划数据，重点关注区域可叠 加湖泊、河流数据。图面配置要素主要包括内、外图廓、图名、图例、 附图或文字说明、比例尺、制图单位、制图时间等。
[0140]
步骤六：地图制作
[0141]
如图6所示，通过步骤一和步骤二计算得出的山洪灾害风险数据， 采用步骤四经数据处理将其转换为可直接应用于制图的栅格格式的 山洪风险灾害数据，然后叠加至地理底图配图模板和图面配置样式模 板中，打印输出即得到山洪灾害风险地图。
[0142]
步骤七：分析研判，辅助决策
[0143]
通过对上述步骤制作的一系列各级尺度的专题地图进行分析研 判，结合应急响应标准，向社会公众发布预警信息以及应对措施，由 图6可得，当日山洪灾害风险主要分布在四川省、陕西省和山西省。
[0144]
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用 于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对 于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术 方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。