一种基于降雨空间分布的临界雨量估算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于降雨空间分布的临界雨量估算方法，首先估算水文响应单元中每一个栅格单元中的汇流流速；其次，基于每一个栅格单元中的汇流流速，从而得到流域中的汇流时间栅格；接着对站点观测的逐时段雨量数据进行空间插值，得到降雨空间分布栅格，并结合汇流时间栅格得到逐时段的动态雨量指标；统计洪水过程中洪峰发生前的累积动态雨量指标；然后统计洪水过程开始前一天的张力水含量饱和度，即初始土壤含水量饱和度；最后判断洪水是否为超警洪水，制作多次洪水的累积动态雨量指标‑初始土壤含水量饱和度散点图，并标出超警洪水对应的点，结合超警洪水对应的点画出临界雨量线。

A Critical Rainfall Estimation Method Based on Spatial Distribution of Rainfall

【技术实现步骤摘要】
一种基于降雨空间分布的临界雨量估算方法
本专利技术涉及水文
，尤其涉及一种基于降雨空间分布的临界雨量估算方法。
技术介绍
我国河流众多，流域面积200至3000km2的中小流域近9000个。近年来，受气候变化影响，由局地强降水造成的中小河流突发性洪水频繁发生，已成为造成人员伤亡的主要灾种。中小流域由于通常处于地形复杂、坡度陡峻的偏远山区，急促上涨的洪水极易形成危害当地的居民人身安全和社会经济的洪涝灾害，因此依据实时观测的降雨数据对中小流域突发性洪水进行快速预警成为亟待解决的重要问题。临界雨量法是国内外应用较为广泛的一种方法。临界雨量是指导致一个流域将要发生山洪灾害时，降雨量可能达到的量级或者强度。推算出较为准确的临界雨量是山洪灾害防治的重要基础，具有重要的意义。然而目前已有的推求临界雨量的方法大都认为降雨在空间上均匀分布，而不能考虑到降雨以及流域地形特征的空间分布差异。这导致临界雨量法不能够充分地估计暴雨中心偏近流域出口的强降雨过程带来的威胁，从而对山洪灾害防治带来一定的隐患。基于遥感、地理信息以及数字流域等技术的发展，采用数值矩阵描述地表高程变化的栅格数字高程模型(DEM，DigitalElevationModel)逐步成熟，并得到了广泛的应用。尤其是在地形复杂的山区性中小流域中，DEM数据因其能够较为准确地考虑流域内地形变化而具有重要的应用价值。如何利用DEM数据在山区性流域中的优势来对临界雨量法进行完善，从而在一定程度上提高对于空间分布不均的暴雨过程的重视，也是临界雨量法发展过程中的重点和难点之一。为了进一步促进临界雨量法的发展，需要更深入研究考虑降雨空间分布不均匀条件下临界雨量的估算方法。汇流是降雨落在地面之后产生的径流沿着地表向流域出口汇集的过程，是水文径流模型的一项重要内容，汇流计算的合理与否对计算结果有着重要影响。在已知河道下游某处的警戒流量之后，通过汇流的逆向演算可以得到形成该警戒流量所需要的降雨量，即该流域的临界雨量。在降雨小于临界雨量时，通常不会对下游造成较大的影响，而当降雨大于临界雨量时，往往需要下游地区进行警戒，并做好防洪准备。因此临界雨量通常可以成为及时发布山洪灾害预警的重要指标。但是在目前的推算临界雨量的过程中，往往没有考虑到降雨以及流域地形特征的空间分布特点。暴雨中心偏近下游的强降雨过程往往会使得下游河道中出现陡然上涨的洪水，这样的山洪上涨十分迅速，留给人员财产转移的反应时间较短，从而容易造成较大的经济损失。但这样的洪水恰恰易被目前的临界雨量法所忽略，从而为山区性中小流域的山洪防治留下隐患。因而对于降雨的空间分布特征的忽视不利于采用临界雨量法对山洪进行预警的发展。针对以上不足，如何考虑降雨过程中不断动态发展变化的空间分布特点，量化降雨以及流域地形特征的空间分异特性对于推求临界雨量的影响，正是专利技术人需要解决的问题。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种基于降雨空间分布的临界雨量估算方法。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种基于降雨空间分布的临界雨量估算方法，包括以下步骤：步骤1，估算水文响应单元中每一个栅格单元中的汇流流速；步骤2，基于每一个栅格单元中的汇流流速，得到流域中的汇流时间栅格；步骤3，对站点观测的逐时段雨量数据进行空间插值，得到降雨空间分布栅格，并结合汇流时间栅格得到逐时段的动态雨量指标；步骤4，统计洪水过程中洪峰发生前的累积动态雨量指标；步骤5，统计洪水过程开始前一天的张力水含量饱和度，即初始土壤含水量饱和度；步骤6，判断洪水是否为超警洪水，制作多次洪水的累积动态雨量指标-初始土壤含水量饱和度散点图，并标出超警洪水对应的点，结合超警洪水对应的点画出临界雨量线。作为本专利技术一种基于降雨空间分布的临界雨量估算方法进一步的优化方案，所述步骤1的具体步骤如下：步骤1.1，利用流域的数字高程模型数据、即DEM数据计算出流域中每一个栅格单元的坡度、流向和汇流累计值，得到坡度栅格、流向栅格和汇流累计栅格：以栅格单元Cell为中心，通过周围栅格单元的高程值与该栅格单元的高程值的对比，找出与其相比最低的栅格单元CellD，并计算Cell和CellD之间的高程差DHmax和水平投影距离Dis，结合DHmax和Dis计算栅格单元Cell的坡度S：S＝DHmax/Dis将Cell作为出流栅格单元，CellD作为入流栅格单元，入流栅格单元汇流累计值加1，逐栅格循环，计算出每一个栅格单元中的汇流累计值Acc；同时依据Cell和CellD之间的相对位置关系，采用D8流向法确定Cell中的流向；遍历流域中每一个栅格单元，得到坡度栅格Raster_Slope、流向栅格Raster_Dir和汇流累计栅格Raster_Acc；步骤1.2，结合流域资料和卫星影像确定面积汇流阈值，并提取流域中的河道栅格；结合流域实际自然地理情况，设置面积汇流阈值T，将Raster_Acc中Acc高于T的栅格单元判定为河道栅格单元，否则认为该栅格单元为坡面栅格单元；将提取得到的河道栅格单元的位置和卫星影像中的实际河道位置相对比，反复调整T，使得提取出来的河道栅格单元的位置与卫星影像中的实际河道的位置基本重合，并提取出流域中的河道栅格Raster_River；步骤1.3，估算每一个坡面栅格单元中的汇流速度；Vp＝K×q0.5×Sp0.125式中，Vp为坡面栅格中的汇流速度；q为坡面栅格中的单宽流量，在降雨过程中以逐时段内的降雨量为输入，通过Green—Ampt方法计算得到；Sp为坡面栅格中的坡度；K为预先设定的第一经验系数阈值；步骤1.4，估算每一个河道栅格单元中的汇流速度；Vr＝a×Aε×Srβ式中：Vr为河道栅格单元中的汇流速度；A为河道栅格单元中的累计汇流面积，Sr为河道栅格单元中的坡度；a、ε、β分别为预先设定的第二、第三、第四经验系数阈值。作为本专利技术一种基于降雨空间分布的临界雨量估算方法进一步的优化方案，所述步骤2的具体步骤如下：步骤2.1，结合水文响应单元中每一个栅格单元的边长Csize以及该栅格单元的流向计算水流在该栅格单元中运动时所经过的路径的长度Clenth；栅格单元中的流向为1、2、3、4、5、6、7、8时栅格单元的流向分别为东，东南，南，西南，西，西北，北，东北；若栅格单元中的流向为1、3、5、7，则：Clenth＝Csize若栅格单元中的流向为2、4、6、8，则：步骤2.2，结合每一个栅格单元中的Clenth以及汇流速度计算水流经过该栅格单元所需要的时间Ctime；在坡面栅格中：在河道栅格中：步骤2.3，依据Raster_Dir中每一个栅格单元内的流向，将水流从栅格单元PCell出发，运动到水文响应单元的出口时需要经过的栅格单元依次连接起来得到该栅格单元的汇流运动路径Path，并将水流经过Path中各个栅格单元所需要的时间累加得到水流从PCell出发运动到水文响应单元出口所需要的时间，即汇流时间Htime：式中：N为汇流运动路径Path中栅格单元的总数；i为汇流运动路径Path中栅格单元的编号，从1到N；Ctimei为水流经过Path中编号为i的栅格单元所需要的时间；步骤2.4，根据各个栅格单元的汇流时间，得到汇流时间栅格Raster_本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于降雨空间分布的临界雨量估算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，估算水文响应单元中每一个栅格单元中的汇流流速；步骤2，基于每一个栅格单元中的汇流流速，得到流域中的汇流时间栅格；步骤3，对站点观测的逐时段雨量数据进行空间插值，得到降雨空间分布栅格，并结合汇流时间栅格得到逐时段的动态雨量指标；步骤4，统计洪水过程中洪峰发生前的累积动态雨量指标；步骤5，统计洪水过程开始前一天的张力水含量饱和度，即初始土壤含水量饱和度；步骤6，判断洪水是否为超警洪水，制作多次洪水的累积动态雨量指标‑初始土壤含水量饱和度散点图，并标出超警洪水对应的点，结合超警洪水对应的点画出临界雨量线。

【技术特征摘要】
1.一种基于降雨空间分布的临界雨量估算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，估算水文响应单元中每一个栅格单元中的汇流流速；步骤2，基于每一个栅格单元中的汇流流速，得到流域中的汇流时间栅格；步骤3，对站点观测的逐时段雨量数据进行空间插值，得到降雨空间分布栅格，并结合汇流时间栅格得到逐时段的动态雨量指标；步骤4，统计洪水过程中洪峰发生前的累积动态雨量指标；步骤5，统计洪水过程开始前一天的张力水含量饱和度，即初始土壤含水量饱和度；步骤6，判断洪水是否为超警洪水，制作多次洪水的累积动态雨量指标-初始土壤含水量饱和度散点图，并标出超警洪水对应的点，结合超警洪水对应的点画出临界雨量线。2.根据权利要求1所述的基于降雨空间分布的临界雨量估算方法，其特征在于，所述步骤1的具体步骤如下：步骤1.1，利用流域的数字高程模型数据、即DEM数据计算出流域中每一个栅格单元的坡度、流向和汇流累计值，得到坡度栅格、流向栅格和汇流累计栅格：以栅格单元Cell为中心，通过周围栅格单元的高程值与该栅格单元的高程值的对比，找出与其相比最低的栅格单元CellD，并计算Cell和CellD之间的高程差DHmax和水平投影距离Dis，结合DHmax和Dis计算栅格单元Cell的坡度S：S＝DHmax/Dis将Cell作为出流栅格单元，CellD作为入流栅格单元，入流栅格单元汇流累计值加1，逐栅格循环，计算出每一个栅格单元中的汇流累计值Acc；同时依据Cell和CellD之间的相对位置关系，采用D8流向法确定Cell中的流向；遍历流域中每一个栅格单元，得到坡度栅格Raster_Slope、流向栅格Raster_Dir和汇流累计栅格Raster_Acc；步骤1.2，结合流域资料和卫星影像确定面积汇流阈值，并提取流域中的河道栅格；结合流域实际自然地理情况，设置面积汇流阈值T，将Raster_Acc中Acc高于T的栅格单元判定为河道栅格单元，否则认为该栅格单元为坡面栅格单元；将提取得到的河道栅格单元的位置和卫星影像中的实际河道位置相对比，反复调整T，使得提取出来的河道栅格单元的位置与卫星影像中的实际河道的位置基本重合，并提取出流域中的河道栅格Raster_River；步骤1.3，估算每一个坡面栅格单元中的汇流速度；Vp＝K×q0.5×Sp0.125式中，Vp为坡面栅格中的汇流速度；q为坡面栅格中的单宽流量，在降雨过程中以逐时段内的降雨量为输入，通过Green—Ampt方法计算得到；Sp为坡面栅格中的坡度；K为预先设定的第一经验系数阈值；步骤1.4，估算每一个河道栅格单元中的汇流速度；Vr＝a×Aε×Srβ式中：Vr为河道栅格单元中的汇流速度；A为河道栅格单元中的累计汇流面积，Sr为河道栅格单元中的坡度；a、ε、β分别为预先设定的第二、第三、第四经验系数阈值。3.根据权利要求2所述的基于降雨空间分布的临界雨量估算方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤如下：步骤2.1，结合水文响应单元中每一个栅格单元的边长Csize以及该栅格单元的流向计算水流在该栅格单元中运动时所经过的路径的长度Clenth；栅格单元中的流向为1、2、3、4、5、6、7、8时栅格单元的流向分别为东，东南，南，西南，西，西北，北，东北；若栅格单元中的流向为1、3、5、7，则：Clenth＝Csize若栅格单元中的流向为2、4、6、8，则：步骤2.2，结合每一个栅格单元中的Clenth以及汇流速度计算水流经过该栅格单...

【专利技术属性】
技术研发人员：童冰星，李致家，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32