基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法技术

本发明专利技术公开了基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法，主要包括：提取流域DEM数据，将流域划分为若干个栅格；利用流域DEM数据提取流域水系；结合流域DEM数据和流域水系划分流域内的子流域；依据各个站点的小时雨量数据，得到流域内的各个栅格上逐小时面雨量数据；构建基于上层张力水含量和累计降雨量的临界雨量预警模型；实时洪水预报预警中，结合流域内的各个栅格上逐小时面雨量数据和临界雨量预警模型，计算得到各个栅格单元内的临界雨量，并实现流域内分区分级预警；结合流域内的水系，依据流域内分区分级预警结果实现河流分段分级预警。本发明专利技术具有数据来源稳定可靠、计算效率高、结果客观合理等优点，值得推广。

【技术实现步骤摘要】
基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法
本专利技术属于水文
，具体涉及一种基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法。
技术介绍
随着自动雨量监测技术的发展，无人值守的自动雨量监测站以其测量快速、布设便利的特点站网密度正在不断加大，应用实时监测的降雨对山洪陡涨陡落和滑坡、泥石流等地质灾害频发的山区性小流域进行快速预警现已成为中小流域灾害控制管理的重要内容之一。在应用实时监测的降雨进行中小流域洪水和地质灾害预警时，其主要难点之一在于如何结合流域内土壤水含量情况，确定出易致灾害的临界降雨量，从而结合实时的降雨情况对流域内发生的洪水和地质灾害可能性进行快速评估预警。为了进一步促进流域洪水和地质灾害预警预报的发展，需要更深入研究临界雨量的计算方法。在以临界雨量为标准，采用实时雨量与临界雨量相对比的方法进行流域洪水和地质灾害预警时，临界雨量的合理性对发布预警的合理性有着重要影响。然而，目前方法计算出来的临界雨量一般是依据历史降雨洪水资料，然而在实时降雨过程中，随着降雨情况不断发生变化，流域内土壤水含量也在实时发生变化，使得与土壤水含量有着紧密联系的临界雨量也在实时发生着变化。因此目前方法计算出来的临界雨量并不完全符合客观实际，从而限制了采用实时降雨数据在流域洪水和地质灾害预警中的应用，不利于国内中小流域实时洪水和地质灾害预警的发展。针对以上不足，如何考虑流域土壤水含量的实时变化，结合实时变化的降雨量和土壤水含量计算出合理的临界雨量，并将其与实时的降雨量比较作为中小流域洪水和地质灾害快速预警的依据，正是专利技术人需要解决的问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供了基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法，具有数据来源稳定可靠、计算效率高、结果客观合理等优点，有利于中小流域洪水和地质灾害快速预警。为解决上述问题，本专利技术具体采用以下技术方案：基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，提取流域DEM数据，将流域划分为若干个栅格；步骤2，利用流域DEM数据提取流域水系；步骤3，依据各个站点的小时雨量数据，得到流域内的各个栅格上逐小时雨量数据；步骤4，构建基于上层张力水含量和累计降雨量的临界雨量预警模型；步骤5，实时洪水预报预警中，结合流域内的各个栅格上逐小时雨量数据和临界雨量预警模型，计算得到各个栅格单元内的临界雨量，并实现流域内分区分级预警；步骤6，结合流域内的水系，依据流域内分区分级预警结果实现河流分段分级预警。前述的基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法，其特征在于，所述步骤1中提取流域DEM数据，将流域划分为若干个栅格，具体包括以下步骤：步骤1.1，填洼；步骤1.2，计算流向；步骤1.3，计算汇流流量，得到汇流栅格；步骤1.4，确定流域出口站点；步骤1.5，提取目标流域。前述的基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法，其特征在于，所述步骤2中利用流域DEM数据提取流域水系，具体包括以下步骤：步骤2.1，设置汇流阈值T；步骤2.2，基于步骤1.3中的汇流栅格，依据汇流阈值T，汇流累计值低于阈值的栅格单元判断为坡地栅格，汇流累计值高于阈值的栅格单元判断为河道栅格，得到流域中的水系River；步骤2.3，将2.2中得到的水系River与流域实际水系影像比较，若相差较大则修改阈值T再次提取水系，直到水系River与流域实际水系符合。前述的基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法，其特征在于，所述步骤3中依据各个站点的小时雨量数据，得到流域内的各个栅格上逐小时面雨量数据，具体包括以下步骤：步骤3.1，对各个雨量站的日雨量资料和小时雨量资料进行整理，得到逐日的日雨量资料和逐小时的小时雨量资料；步骤3.2，利用各个雨量站的日雨量资料对小时雨量资料进行校核；式中：Pd为日雨量数据；Pht为1日中逐小时降雨量数据，t为逐小时的编码，从1到24；ΔP为日雨量和该日中逐小时降雨累计之和的差值，为校核之后的逐小时降雨量数据，步骤3.3，基于校核后各个雨量站小时雨量资料进行空间插值，得到流域上各个栅格单元内的逐小时雨量数据。前述的基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法，其特征在于，所述步骤4中构建基于上层张力水含量和累计降雨量的临界雨量预警模型，具体包括以下步骤：步骤4.1，选择流域内洪峰较高、危害较大的典型洪水；步骤4.2，设置不同的初始土壤水含量，并提前一段预热期，采用分布式的水文模型进行产流计算，得到每一个栅格单元内的逐小时上层张力水含量；步骤4.3，在每一个栅格单元内，统计在不同初始土壤水含量的情况下，上层张力水含量达到饱和时所对应的累积降雨量AccPs，即该土壤水含量下的临界雨量；步骤4.4，在每一个栅格单元内，统计能够使上层张力水含量达到饱和的最小累积降雨量出现时不同初始土壤水含量情况下所对应的各自上层张力水含量Ws；步骤4.5，在每一个栅格单元内，基于s个Ws和AccPs点对，以Ws为横坐标，AccPs点为纵坐标拟合曲线，得到曲线方程；AccPs＝α×Wsβ+μ(3)式中：α为一个栅格单元内曲线方程的比例系数；β为一个栅格单元内曲线方程的次方系数；μ为一个栅格单元内的最大每小时可能降雨量；s为4.2中不同初始土壤水含量的种类数目，一般情况下s取6，分别对应的初始土壤水含量为饱和土壤水含量的0％，20％，40％，60％，80％，100％；逐栅格确定各个栅格单元中的系数α、β和μ，从而确定每一个栅格单元内的临界雨量预警模型方程表达式，进而构建全流域的临界雨量预警模型。确定每一个栅格单元中的系数α、β和μ就能够确定每一个栅格单元中的临界雨量预警模型方程表达式，在每一个栅格单元的临界雨量预警模型方程表达式确定好之后就确定整个流域的临界雨量预警模型。前述的基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法，其特征在于，所述步骤5中在实时洪水预报预警中，结合流域内的各个栅格上逐小时面雨量数据和临界雨量预警模型，计算得到各个栅格单元内的临界雨量，并实现流域内分区分级预警，具体包括以下步骤：步骤5.1，将各个站点的实时雨量插值为面雨量，并进行累加计算，得到实时累计降雨量空间分布栅格RasterSumP；步骤5.2，以每一个栅格单元内的实时雨量为分布式水文模型的输入，计算得到每一个栅格单元内逐时刻上层张力水含量；步骤5.3，将逐时刻上层张力水含量作为临界雨量预警模型的输入，结合步骤4.5中得到的流域中系数α的矩阵、系数β的矩阵和系数μ的矩阵计算出逐时刻的各个栅格单元的临界雨量，得到临界雨量空间分布栅格RasterCriP；步骤5.4，将5.1中得到的实时累计降雨量空间分布栅格减去5.3中得到的临界雨量空间分布栅格得到预警雨量判断栅格RasterExcP，若栅格单元中实时累计雨量高于临界雨量，则该栅格为需要进行预警的栅格单元，并结合流域实际情况对超过临界雨量的栅格单元进行分级；在每一个栅格单元中：RasterExcPe＝RasterSumPe-RasterCriPe式中：RasterExcPe为超过临界雨量的那部分雨量，RasterSumPe为栅格单元内的累积雨量，RasterCriPe为栅格单元内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，提取流域DEM数据，将流域划分为若干个栅格；步骤2，利用流域DEM数据提取流域水系；步骤3，依据各个站点的小时雨量数据，得到流域内的各个栅格上逐小时雨量数据；步骤4，构建基于上层张力水含量和累计降雨量的临界雨量预警模型；步骤5，实时洪水预报预警中，结合流域内的各个栅格上逐小时雨量数据和临界雨量预警模型，计算得到各个栅格单元内的临界雨量，并实现流域内分区分级预警；步骤6，结合流域内的水系，依据流域内分区分级预警结果实现河流分段分级预警。

【技术特征摘要】
1.基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，提取流域DEM数据，将流域划分为若干个栅格；步骤2，利用流域DEM数据提取流域水系；步骤3，依据各个站点的小时雨量数据，得到流域内的各个栅格上逐小时雨量数据；步骤4，构建基于上层张力水含量和累计降雨量的临界雨量预警模型；步骤5，实时洪水预报预警中，结合流域内的各个栅格上逐小时雨量数据和临界雨量预警模型，计算得到各个栅格单元内的临界雨量，并实现流域内分区分级预警；步骤6，结合流域内的水系，依据流域内分区分级预警结果实现河流分段分级预警。2.根据权利要求1所述的基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法，其特征在于，所述步骤1中提取流域DEM数据，将流域划分为若干个栅格，具体包括以下步骤：步骤1.1，填洼；步骤1.2，计算流向；步骤1.3，计算汇流流量，得到汇流栅格；步骤1.4，确定流域出口站点；步骤1.5，提取目标流域。3.根据权利要求2所述的基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法，其特征在于，所述步骤2中利用流域DEM数据提取流域水系，具体包括以下步骤：步骤2.1，设置汇流阈值T；步骤2.2，基于步骤1.3中的汇流栅格，依据汇流阈值T，汇流累计值低于阈值的栅格单元判断为坡地栅格，汇流累计值高于阈值的栅格单元判断为河道栅格，得到流域中的水系River；步骤2.3，将2.2中得到的水系River与流域实际水系影像比较，若相差较大则修改阈值T再次提取水系，直到水系River与流域实际水系符合。4.根据权利要求3中所述的基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法，其特征在于，所述步骤3中依据各个站点的小时雨量数据，得到流域内的各个栅格上逐小时面雨量数据，具体包括以下步骤：步骤3.1，对各个雨量站的日雨量资料和小时雨量资料进行整理，得到逐日的日雨量资料和逐小时的小时雨量资料；步骤3.2，利用各个雨量站的日雨量资料对小时雨量资料进行校核；式中：Pd为日雨量数据；Pht为1日中逐小时降雨量数据，t为逐小时的编码，从1到24；ΔP为日雨量和该日中逐小时降雨累计之和的差值，为校核之后的逐小时降雨量数据；步骤3.3，基于校核后各个雨量站小时雨量资料进行空间插值，得到流域上各个栅格单元内的逐小时雨量数据。5.根据权利要求4中所述的基于临界雨量的分布式中小流域地质灾害及洪水预警方法，其特征在于，所述步骤4中构建基于上层张力水含量和累计降雨量的临界雨量预警模型，具体包括以下步骤：步骤4.1，选择流域内洪峰较高、危害较大的典型洪水；步骤4.2，设置不同的初始土壤水含量，并提前一段预热期，采用分布式的水文模型进行产流计算，得到每一个栅格单元内的逐小时上层张力水含量；步骤4.3，在每一个栅格单元内，统计在不同初始土壤水含量的情况下，上层张力水含量达到饱和时所对应的累积降雨量AccPs，即该土壤水含量下的临界雨量；步骤4.4，在每一个栅格单元内，统计能够使上层张力水含量达到饱和的最小累积降雨量出现时不同初始土壤水含量情况下所对应的各自上层张力水含量Ws；步骤4.5，在每一个栅格单元内，基于s个Ws和AccPs点对，以Ws为横坐标，AccPs点为纵坐标拟合曲线，得到每一个栅格单元内的临界雨量预警模型方程表达式；AccPs＝α×Wsβ+μ(3)式中：α为一个栅格单元内曲线方程的比例系数；β为一个栅格单元内曲线方程的次方系数；μ为一个栅格单元内的最大每小时可能降雨量；s为4.2中不同初始土壤水含量的种类数目；逐栅格确定各个栅格单元中的系数α、β和μ，从而确定每一个栅格单元内的临界雨量预警模型方程表达式，进而构建全流域的临界雨量预警模型。6.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：童冰星，姚成，李致家，黄迎春，晁丽君，温娅惠，何蒙，马亚楠，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32