一种基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法，旨在提高东南沿海地区洪水分类的客观性和准确性。该方法包括如下步骤：1)收集研究区域降雨和径流数据，进行数据处理；2)运用场次洪水自动提取方法，识别并提取研究时段内的场次洪水；3)选择用于洪水分类的洪水指标；4)根据洪水指标，运用基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法，对提取的场次洪水进行分类。本发明专利技术的基于模糊理论的洪水分类方法考虑了洪水过程识别存在的不确定性，即一场洪水可能是多种洪水类型结合的产物，所以运用基于模糊理论的洪水分类结果更客观且更准确。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法
本专利技术涉及洪水预报和防灾减灾领域，具体涉及一种基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法。
技术介绍
洪水是世界上最严重的自然灾害之一。随着世界经济的快速发展和气候变化的加剧，洪水等自然灾害发生越来越频繁，严重威胁着社会经济的发展和人民生命财产的安全，运用水文模型对洪水过程进行准确地模拟是洪水预报和防灾减灾的重要前提。提高对洪水过程的认识是准确模拟和预报洪水过程的必要条件。不同洪水类型具备不同的洪水特征。洪水分类是准确模拟和预报不同类型洪水过程的前提。因此，洪水分类对洪水风险的管理、评估和决策等都具有非常重要的意义。流域水文过程错综复杂，某一场次洪水可能由多种洪水类型构成。因此，绝对的洪水分类方法不够客观。
技术实现思路
为解决洪水分类方法不够客观的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法，以提高洪水分类的客观性和准确性。为实现上述目标，本专利技术采用以下技术方案：一种基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法，包括如下步骤：1)收集研究区域降雨和径流数据，进行数据处理；降雨数据缺失超过5个时间步长的直接剔除；针对降雨数据缺失在5个时间步长以内的，可通过邻近气象站反距离插值补全，并运用泰森多边形计算研究区域面雨量；时间步长可根据实际情况进行选取，可根据已有数据选择最短的时间间隔作为时间步长；2)运用场次洪水自动提取方法,识别并提取研究时段内的场次洪水，根据洪水的起始时间(YYYYMMDD)对每场洪水进行编号；3)确定用于洪水分类的洪水指标，包括洪水发生的季节、降雨历时、降雨强度和流域湿润度等；4)根据洪水指标，运用基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法对步骤2)提取的洪水场次进行洪水分类，并得到研究区域的洪水分类结果。上述技术方案中，进一步地，所述的模糊理论，具体含义为：模糊是精确的对立面，即认为事物具有不确定性，通过采用隶属度进行量化表达。进一步地，该方法是针对东南沿海地区洪水进行分类，该分类方法是基于洪水发生过程，更注重水文过程相关指标而不是观测数据的相似性。该方法不仅关注流域的动态变化和气象输入，并且不事先预设哪种过程发生的可能性。由于东南沿海地区降雪较少，因此该方法将东南沿海地区洪水分为三种过程相关的类型，包括快速洪水(Flashflood,FF)、短历时降雨洪水(Shortrainfallflood,SRF)和长历时降雨洪水(Longrainfallflood,LRF)。快速洪水(FF)主要发生在台风季，是由于历时短、强度高的降雨所引起的；该洪水类型通常是局部的，所以此类洪水大多发生在小流域或者子流域。短历时降雨洪水(SRF)是由于历时较短、强度较高的降雨引起的，该洪水类型与快速洪水的区别在于，此类型涉及范围更大，是区域性或更大范围的局部洪水，历时相对较长。长历时降雨洪水(LRF)是由于历时持续几天或几周的低强度降雨引起的，此类洪水通常是区域范围的或整个流域范围的。进一步地，步骤2)的场次洪水自动提取方法具体为：(1)在径流序列中找到洪峰流量(Qmax)；(2)确定洪水起(止)时间，即当前(后)一个时间步长的径流低于流量阈值(Q0)；(3)当洪水开始时间对应的有降雨，则将开始时间前移至无降雨的时刻。流量阈值的计算公式如下：Q0＝max(0.25·Qmax,Qmin+0.05·(Qmax-Qmin))其中Qmax表示洪峰流量，Qmin表示洪峰流域前(后)十天的最低流量，用于计算确定洪水起止时间的流量阈值。(4)根据以上流程提取的场次洪水如果符合以下某一条件则不可使用:①如果流量上升或下降的时长小于三小时；②如果某场次洪水的发生时段与前一场重叠，则仅选择其中一场；③如果洪峰流量出现之前降雨总量小于2.5毫米；④如果提取的场次洪水径流基本保持不变(根据以下两个限制条件进行判断，一个是两个相邻的时间步长对应的最大径流差值小于10％，另一个是洪峰径流小于平均径流的1.3倍)；⑤如果洪峰出现的前后存在其洪水历时10％以上的数据缺失等等。进一步地，步骤3)中采用的洪水指标，具体包括：(1)洪水发生的季节：即洪水发生所处的阶段，通常将5月1日至9月30定为一个区间，该区间降雨丰沛，包括梅雨季和台风季；(2)降雨历时：即一次降雨过程中从一时刻到另一时刻经历的降雨时间，这里以天为单位；(3)降雨强度：即单位时间的降雨量，以mm/h为单位；(4)流域湿润度：即流域的湿润程度，可通过水文模型进行计算得到，无量纲；(5)以及其他洪水指标等等；使用者可根据具体的研究区域和研究目的对洪水指标的选取和阈值进行合理的更改。进一步地，步骤4)中所述的洪水分类方法为决策树方法，决策树方法是一种运用树形图作为分析工具，采用从顶向下的递归方式进行分析的方法；其具体步骤如下：用于洪水分类的决策树方法，即在决策树的内部节点(洪水指标)进行属性值(指标区间)比较，并根据比较结果判断从该节点向下的分支，最终在决策树的树叶节点(洪水类型)得到结果。更进一步地，所述的步骤4)具体为：①将洪水指标的属性值设定软区间，即阈值(Thr)加上变化区间(Thr±R)；对于洪水发生的季节，R为10天；对于其他洪水指标，R为阈值Thr的25％；②隶属度的范围是[0,1]，在该区间内，洪水指标数值与隶属度为线性变化；当洪水指标数值等于阈值(Thr)，其隶属度为0.5；当洪水指标数值大于等于Thr+R，隶属度为1.0；当洪水指标数值小于等于Thr-R，隶属度为0；③自顶向下进行递归，完成所有内部节点的比较，得到各个内部节点的隶属度；④某一场次洪水对某一树叶节点(洪水类型)的隶属度，即为这条路径上所有内部节点的隶属度相乘；所有相同洪水类型(同一洪水类型可能有多个树叶节点)的隶属度相加，即为该场次洪水对某一洪水类型的最终隶属度；⑤根据某一场次洪水对三种洪水类型的隶属度，即可判断该场次洪水属于何种洪水类型；具有最高隶属度的类型即为该场次洪水的最终类型。本专利技术的有益效果为：(1)通过将模糊理论引入洪水分类方法中，考虑了洪水分类过程中的不确定性，提高了洪水分类的客观性和准确性。(2)采用本专利技术方法能够得到更准确的洪水分类结果，而更准确的洪水分类结果有助于更准确地模拟不同洪水过程，对洪水风险的管理和评估等方面具备非常重要的意义。附图说明图1为洪水分类决策树法；图2为软阈值和隶属度分配；图3为基于模糊理论的场次洪水隶属度结果。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。为突出本专利技术的优势，采用位于东南沿海的浙江省金华江流域作为案例进行具体实施。如图1和图2所示，本专利技术的一种基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法，包括如下步骤：收集金华江流域小时尺度的气象站降雨数据和金华水文站的径流数据，对数据进行查漏补缺，少量的降雨数据缺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)收集研究区域降雨和径流数据，进行数据处理；/n2)运用场次洪水自动提取方法，识别并提取研究时段内的场次洪水，根据洪水的起始时间对每场洪水进行编号；/n3)选择用于洪水分类的洪水指标，包括洪水发生的季节、降雨历时、降雨强度和流域湿润度；/n4)根据洪水指标，运用基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法对步骤2)提取的洪水场次进行洪水分类，并得到研究区域的洪水分类结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)收集研究区域降雨和径流数据，进行数据处理；
2)运用场次洪水自动提取方法，识别并提取研究时段内的场次洪水，根据洪水的起始时间对每场洪水进行编号；
3)选择用于洪水分类的洪水指标，包括洪水发生的季节、降雨历时、降雨强度和流域湿润度；
4)根据洪水指标，运用基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法对步骤2)提取的洪水场次进行洪水分类，并得到研究区域的洪水分类结果。


2.根据权利要求1所述的基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法，其特征在于，所述的模糊理论认为事物具有不确定性，采用隶属度对其进行量化表达。


3.根据权利要求1所述基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法，其特征在于，该方法将东南沿海地区洪水分为三种过程相关的洪水，包括快速洪水FF、短历时降雨洪水SRF和长历时降雨洪水LRF。


4.根据权利要求1所述的基于模糊理论的东南沿海地区洪水分类方法，其特征在于，步骤2)中采用的场次洪水自动提取方法，其具体过程为：
(1)在径流序列中找到洪峰流量Qmax；
(2)确定洪水起/止时间，即当前/后一个时间步长的径流低于流量阈值Q0；
(3)当洪水开始时间对应的有降雨，则将开始时间前移至无降雨的时刻，流量阈值的计算公式如下：
Q0＝max(0.25·Qmax,Qmin+0.05·(Qmax-Qmin))
其中Qmax表示洪峰流量，Qmin表示洪峰流域前/后十天的最低流量，用于计算确定洪水起止时间的流量阈值；
(4)根据以上流程提取的场次洪水如果符合以下某一条件则不可使用:①如果流量上升或下降的时长小于三小时；②如果某场次洪水的发生时段与前一场重叠，则仅选择其中一场；③如果洪峰流量出现之前降雨总量小于2.5毫米；④如果提取的场次洪水径流基本保持不变，根据以下两个限制条件进行判断：一个是两个相邻的时间步长对应的最大径流差值小于10％，另一个是洪峰径流小于平均径流的1.3倍；⑤如果洪峰出现的前...

【专利技术属性】
技术研发人员：泮苏莉，许月萍，徐超，白直旭，
申请(专利权)人：浙江水利水电学院，
类型：发明
国别省市：浙江;33