基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警方法及其应用

1.本发明涉及一种预警方法及其应用，尤其是涉及一种基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警方法及其应用。


背景技术：

2.洪水灾害对国家财产和人民生命安全造成了巨大的危害。在流域的洪水演进情景模拟中，分布式洪水水深和流速是两个至关重要的水力参数。目前分布式洪水水深和流速主要采用单纯的水动力模型或者水文-水动力耦合模型进行计算。然而，目前单纯的水动力模型尚不能完全满足流域洪水模拟与预报的需求(江春波,周琦,申言霞,柳高飞,张帝.山区流域洪涝预报水文与水动力耦合模型研究进展[j].水利学报,2021,52(10):1137-1150.)；另一方面，水文-水动力耦合模型虽然通过水文计算替代/简化了一部分水动力计算，一定程度上提升了计算效率，其中有代表性的为清华大学提出的dynamic bilateral coupling model(dbcm)(jiang,c.,zhou,q.,yu,w.,yang,c.,lin,b.a dynamic bidirectional coupled surface flow model for flood inundation simulation[j].natural hazards and earth system sciences,2021,21:497-515.)，然而，dbcm提出的时间较短，尚处在研发阶段。水文模型与水动力模型间的复杂互馈机制，导致水文-水动力耦合模型复杂、计算参数众多，从而一直不能满足流域洪水预报的需求。
[0003]
此外，现有技术，如中国专利申请，公开号：cn102289570a公开一种基于降雨-径流-洪水演进计算的洪水预报方法，包括数据集成、参数确定、模型计算(模型计算部分接收参数确定部分输出参数值后，首先使用分布式水文模型得到计算流域内各河流源头及交汇点的流量、水位数据；然后利用基于圣维南方程组的水动力模型计算河道内的洪水演进过程，输出计算流域的河道内各点的水位、流量随时间变化数据)、计算公布；公开号：cn109543275a公开一种城区地表径流二维数值模拟方法，获取城区地形、地貌数据后，采用三角形非结构网格离散城区计算区域，建筑物所在区域不参与剖分，其轮廓线作为网格剖分的控制线，每根建筑物雨水管通过汇流连接边与地面相连。先计算每根雨水管的汇流面积，再计算每根雨水管的出流过程。二维网格单元设置初始计算条件后启动二维godunov模型进行模拟计算，雨水管出流过程作为与连接边对应单元的流量边界条件，地面网格单元内的降雨在模型中当作源项处理；公开号：cn109887241a公开一种山洪灾害气象预警计算方法及系统，属于山洪灾害研究技术领域，所述山洪气象预警计算方法包括步骤：步骤1，收集研究区域内雨量站点的前期降雨数据；步骤2，判断研究区域内的土壤含水量情况，将土层湿润程度分为干旱、一般、较湿，三个级别；步骤3，采用综合因子确定法计算研究区域内的降雨扣损值；步骤4，收集预报降雨数据；步骤5，根据降雨扣损值及预报降雨数据，计算研究区域内的净雨量值；步骤6，构建山洪灾害气象预警模型；步骤7，利用山洪灾害气象预警模型估算预警区域；公开号：cn111985082a公开一种高守恒性水文水动力耦合模拟方法，具体包括如下步骤：步骤1，收集研究区域的基础数据；步骤2，设置研究区域的基础参数，包括研究区域的四周边界条件、模拟时间步长及模拟总时长；步骤3，计算研究区域的地表子回
水区域的径流量q'；步骤4，进行管网系统模拟计算，得当前时间步长的雨水井水深hn；步骤5，判断管网系统是否超载，当管网系统超载时，启动地表二维水动力学模拟；公开号：cn109101706a公开一种集总式水文模型和二维水动力模型的耦合方法，包括：步骤1，数据处理：获取并处理集总式水文模型和二维水动力模型所需基础数据，其中水动力模型的计算网格、土地利用栅格数据均采用与高程数据dem栅格数据相一致的网格；步骤2，构建水文模型及计算：基于基础数据构建集总式水文模型；步骤3，耦合方法：采用降尺度方法使所得的径流过程与水动力模型的时空尺度保持一致；步骤4，水动力模型构建及计算：将降尺度后的径流栅格数据读入水动力模型进行计算，可得到洪水特征值的空间分布；公开号：cn109190263a公开一种基于降雨径流及水动力模型预测全流域降水流量的方法，包括：读取全流域数据，通过分布式降雨径流模型计算各个子集水区的出流量，模拟降雨径流的空间分布；将各个子集水区的出流量收纳入河川水动力模型，通过计算河川水动力模型得到河川断面水位和流量；公开号：cn111369059a公开一种基于内涝快速模拟耦合模型的城市内涝预测方法及系统，包括：采集研究区域的管网数据和水文数据；构建二维地形模型，对二维地形模型分别进行建筑区域高程处理和道路分布区域高程处理；基于处理后的二维地形模型，搭建二维水动力模型；分别构建管网的水动力模型和管网的水文模型，连接上述两个模型得到排水管网模型；将二维水动力模型与排水管网模型进行耦合，得到城市内涝模拟耦合模型，通过城市内涝快速模拟耦合模型对城市内涝积水点分布及积水深度进行预测；公开号：cn111795681a公开一种山洪灾害预警方法、装置、服务器及存储介质。通过获取监测数据，根据监测数据中的标准水流量对初始水文预报模型进行率定，将率定后的模型作为目标水文预报模型，根据目标水文预报模型对监测数据进行洪水预报计算，以及根据演进漫溢模型对预报计算结果进行演进漫溢计算，得到当前监测区域的漫溢淹没分析结果，进一步根据漫溢淹没分析结果确定是否生成预警信息以用于对当前监测区域进行报警；公开号：cn112116229a公开一种流域水质调度管理方法、系统及平台，属于水环境监测及保护技术领域，其包括如下步骤：确定流域水系；建立数据库；模型建立；模型率定与完善；计算流域污染最大日负荷量及污染削减量；生成模拟调度方案；判断模拟调度方案是否满足负荷控制要求；若否，则重新分配缺口，获取设施建设完善建议，然后重新执行计算流域污染日负荷量及污染源分配最大日负荷量；若是，则继续执行以下步骤：生成调度实施方案；公开号：cn114117848a公开一种基于多模型耦合的流域水环境模拟预测的方法及装置，涉及环境水利与计算数学技术领域。包括：获取待预测流域的输入数据；将输入数据输入到水环境预测模型；基于输入数据以及水环境预测模型，得到待预测流域的水环境模拟预测结果，完成待预测流域的水环境从流域到水体到生态的动态模拟；此外，公开号：cn112528563a、cn112949167a、cn113723024a、cn113792437a、cn113902211a等现有技术虽然都通过收集信息、模型建立等步骤实现了洪水的预警，但是，上述现有技术都没有将水文物理模型与2d kinematic-wave水动力模型进行集成构建洪水预警方法的常微分形式方程，从而导致计算难度大，计算效率低的缺陷。


技术实现要素：

[0004]
本发明所提出的基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警方法，不同于以往水文-水动力耦合模型通过技术手段进行水文模型和水动力模型的数据传递，导致现有技术
无法给出明确的数学表达式，其核心数学表达式仍然是广泛使用的水文模型的控制方程和水动力模型的控制方程，致使现有技术并未突破水动力模型偏微分方程求解困难的技术瓶颈。本发明所提出的基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警方法具有清晰明确的数学表达式，其不再是广泛使用的水文模型的控制方程和水动力模型的控制方程，而是一种崭新的常微分形式方程，因此具有求解快速，方便应用的优点，其技术方案如下：
[0005]
一种基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警方法，包括如下步骤：
[0006]
步骤1：收集某区域地形数据和土地利用数据，包括数字高程信息(dem)和下垫面糙率系数等；
[0007]
步骤2：输入逐小时降雨强度r；
[0008]
步骤3：通过水文物理模型，利用质量守恒定律建立起集水区内总输入速率(降雨强度)、总贮水量增长速率和总输出速率(出流速率、入渗速率)之间的平衡关系(图2)；
[0009][0010]
q＝q
x
×
a(x),w＝h
x
×
a(x)
ꢀꢀ
(2)
[0011]
式中,r为降雨强度(mm/h)；qx为集水区出流速率(m/s)；hx为计算位置上游集水区平均水深(m)；i为集水区入渗速率(m/s)；t为时间(s)；q为集水区出流速度(m3/s)；w为集水区总贮水量(m3)；a(x)为计算位置上游集水区面积(m2)。
[0012]
步骤4：根据2d kinematic-wave水动力模型建立起断面出流速度和断面平均水深的水力联系；
[0013][0014][0015][0016]
式中，h为断面处水深(m)；nm为曼宁系数(s/m
1/3
)；qx为x方向线出流量(m2/s)；qy为y方向线出流量(m2/s)；sx为x方向地形梯度(1)；sy为y方向地形梯度(1)。
[0017]
步骤5：在步骤3和步骤4的基础上，根据水文物理模型(图2)与2d kinematic-wave水动力模型(图5)所求断面出流速度和集水区内的总贮水量应该时时相等，搭建起两个模型的两层联立关系(图3)：
[0018]
和q＝q1ꢀꢀ
(6)
[0019]
步骤6：根据步骤5，构建基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警模型，
[0020]
式中，qx为计算位置x-断面处出流速率(m/s)；为集水区平均曼宁系数(s/m
1/3
)；s为计算处置处地形梯度(1)；为集水区平均地形梯度(1)；hx为计算位置处上游集水区平均水深(m)；h(x)为计算位置处的水深(m)；b(x)为计算位置处的断面宽度(m)；v(x)x为计算位置处x方向的流速(m/s)；v(x)y为计算位置处y方向的流速(m/s)；a(x)为计算位置处b(x)所对应的上游集水面积(m2)。
[0021]
步骤7：根据历史观测资料(逐小时降雨量r、洪水水深和流速)等，对基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警方法中的计算参数继续率定；
[0022]
步骤8：输出洪水水深、流速的计算结果。
[0023]
本发明还公开一种将上述基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警方法应用于洪水预警系统中。
[0024]
有益效果
[0025]
由水文物理模型(步骤3)与2d kinematic-wave水动力模型(步骤4)进行集成(步骤5)，构建的基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警方法(步骤6)为常微分形式方程，相较于传统的水动力偏微分方程，计算难度得到了大幅的降低，计算效率得到了大幅的提升。
附图说明
[0026]
图1为本发明的流程图；
[0027]
图2为本发明水文物理模型图；
[0028]
图3为本发明水文-水动力集成模型结构图；
[0029]
图4为本发明具体实施例图；
[0030]
图5为分发明2d kinematic-wave水动力模型图。
具体实施方式
[0031]
本发明提供一种基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警方法，其特征为：包括如下步骤：
[0032]
步骤1：收集某区域地形数据和土地利用数据；
[0033]
步骤2：输入逐小时降雨强度r；
[0034]
步骤3：通过水文物理模型，利用质量守恒定律建立起集水区内总输入速率、总贮
水量增长速率和总输出速率之间的平衡关系；
[0035]
步骤4：根据2d kinematic-wave水动力模型建立起断面出流速度和断面平均水深的水力联系；
[0036]
步骤5：在步骤3和步骤4的基础上，根据水文物理模型与2d kinematic-wave水动力模型所求断面出流速度和集水区内的总贮水量应该时时相等，搭建起两个模型的两层联立关系；
[0037]
步骤6：根据步骤5，构建基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警方程；
[0038]
步骤7：根据历史观测资料，对基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警方法中的计算参数继续率定；
[0039]
步骤8：输出洪水水深、流速的计算结果。
[0040]
实施例
[0041]
以一个概念性斜坡模型(图4)为例,包括长、宽、矮侧高、高侧高、坡面坡度s(如：长100m，宽10m，矮侧高20m,高侧高40m，坡面坡度s为0.1)的不透水斜坡上施加降雨r，降雨全部变成斜坡表面的径流，并全部在斜坡的矮侧流出：
[0042]
1)收集某区域地形数据和土地利用数据，包括数字高程信息(dem)和下垫面糙率系数；
[0043]
参考图4，图4为本发明的具体实施例图。根据图4确定地形信息(坡度为0.1)和下垫面糙率系数(取0.3)
[0044]
2)进一步地，输入逐小时降雨强度r；
[0045]
降雨强度由气象观测站获取,降雨历时为4天。
[0046]
3)进一步地，通过水文物理模型(图2)，即假设某一集水区为一个概念性水箱，在概念性水箱中，水箱内的水高h乘以集水区面积a表征集水区内的总贮水量w，水箱侧边出口的出流速率q乘以集水区面积a表征集水区边界p点的出流速度q，利用质量守恒定律建立起集水区内总输入速率(降雨强度)、总贮水量增长速率和总输出速率(出流速率、入渗速率)之间的平衡关系(图2)；
[0047][0048]
q＝q
x
×
a(x),w＝h
x
×
a(x)
ꢀꢀ
(2)
[0049]
4)同时地，根据2d kinematic-wave水动力模型(图5)，即在一个集水区的地表面，一部分降雨渗透进土壤中，剩余的降雨在地表面聚集形成径流，在地表面的径流只考虑径流沿x方向和y方向的平面流动，不考虑径流沿z方向的垂直流动，集水区内的径流最终全部经过x断面流出，根据质量守恒定律和动量守恒定律，构建径流的动力方程，建立起断面出流速度和断面平均水深的水力联系；
[0050][0051][0052]
[0053]
5)进一步地，在步骤3和步骤4的基础上，根据水文物理模型(图2)在集水区出口，即概念性水箱的侧壁出口，与2d kinematic-wave水动力模型(图5)在集水区出口，即x断面，二者所求断面出流速度和集水区内的总贮水量应该时时相等，搭建起两个模型的两层联立关系(图3)：
[0054]
和q＝q1ꢀꢀ
(6)
[0055]
6)进一步地，根据步骤5，经过严格公式推导(公式(7)-公式(16))，构建基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警方法，并将积分复杂项简化为幂函数形式，得到本发明所提出的洪水高效预警方法的幂函数简化形式。
[0056]
从公式(2)，x断面(图5)的出流速度(q)等于x断面(图5)对应的集水区出流速率(q
x
)乘以上游集水面积(a(x))：:
[0057]
q＝q
x
×
a(x)
ꢀꢀ
(7)
[0058]
根据第一层联立方程式(图3)，由水文物理模型(图2)在集水区出口，即概念性水箱的侧壁出口，求出的断面出流速度应与2dkinematic-wave水动力模型(图5)在集水区出口，即x断面，所求断面出流速度相等：
[0059]
q1(x)
×
b(x)＝q＝q
x
×
a(x)
ꢀꢀ
(8)将公式(4)、公式(5)带入公式(8)中可得：
[0060][0061]
经变换，
[0062][0063]
即，
[0064][0065]
公式(11)乘以x断面宽度b(x)并沿集水区积分，可得集水区内的总贮水量：
[0066][0067]
根据第二层联立方程式(图3)，公式(11)积分所求出的集水区内的总贮水量(图5中集水区内贮存的水的总量，即为当前时刻地表径流水的总水量)应与水文物理模型所求出的总贮水量(图2中概念性水箱中贮存的水的总量，即为当前时刻尚未流出水箱的总水量)相等，即联立公式(12)和公式(2)：
[0068][0069]
将公式(12)带入到公式(13)中可得：
[0070][0071]
假设公式(14)中积分复杂项为幂函数形式：
[0072][0073]
式中，b和c为模型参数，.
[0074]
将公式(15)带入公式(14)可得，
[0075][0076]
联立公式(1)、公式(4)、公式(11)和公式(16)，构建基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警模型的幂函数形式，
[0077][0078]
式中，qx为计算位置x-断面处出流速率(m/s)；为集水区平均曼宁系数(s/m
1/3
)；s为计算处置处地形梯度(1)；为集水区平均地形梯度(1)；hx为计算位置处上游集水区平均水深(m)；h(x)为计算位置处的水深(m)；b(x)为计算位置处的断面宽度(m)；v(x)x为计算位置处x方向的流速(m/s)；v(x)y为计算位置处y方向的流速(m/s)；a(x)为计算位置处b(x)所对应的上游集水面积(m2)式中，b和c为模型参数，k为模型调节参数。
[0079]
7)进一步地，根据历史观测资料(逐小时降雨量r、洪水水深和流速)等，对基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警方法中的计算参数继续率定。
[0080]
表1为本发明的具体实施例图(图4)的拟合参数。
[0081]
表1参数拟合值
[0082]
参数bck拟合值40.211.1
[0083]
8)进一步地，输出洪水水深、流速的计算结果。
[0084]
表2为本发明的具体实施例图(图4)的计算效率提升表，结果现实，本发明的洪水预报效率提升在70％以上。
[0085]
表2 drm幂函数简化形式计算效率提升表
[0086][0087]
本发明所提出的基于水文-水动力集成模型的洪水高效预警方程，是通过巧妙而严格的数学公式推导得出，即通过质量守恒定律，在水文物理模型和2d kinematic-wave水动力模型之间巧妙构建了两层联立方程式，最终经严格数学推导得出的具有清晰数学表达的常微分形式方程。以往技术手段均为通过水文模型和水动力模型之间的数据传递，即通过技术手段实现了水文模型和水动力模型的耦合求解，其核心数学表达式仍然是广泛使用的水文模型的控制方程和水动力模型的控制方程，并未从基础理论层面给出水文-水动力集成模型的清晰数学表达式。
[0088]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。