一种基于下垫面特征和改进新安江模型的无资料地区场次洪水预报方法技术

本发明专利技术公开了一种基于下垫面特征和改进新安江模型的无资料地区场次洪水预报方法，本发明专利技术方法直接基于流域下垫面特征进行产流计算，能够更大程度地重现流域的水文过程，克服了参数移植过程中流域特性不一致的问题，同时有效地减少了原始新安江模型中涉及的众多产流参数。该方法能够解决无资料地区缺乏长期水文数据难以进行水文模型参数优化的问题，且该方法简便，对水文数据的需求低，效果显著，是解决无资料地区洪水预报的重要手段。本发明专利技术方法简单有效，具有较高的实用价值，在业务预报中具有较高的应用前景。具有较高的应用前景。具有较高的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于下垫面特征和改进新安江模型的无资料地区场次洪水预报方法


[0001]本专利技术涉及一种基于下垫面特征和改进新安江模型的无资料地区场次洪水预报方法，属于洪水预报领域，主要用于水利部门开展洪水预报预警工作。

技术介绍

[0002]由于气候变化和城市扩张的影响，洪涝灾害的发生越来越频繁，严重威胁着国民经济和人民生命财产安全。研究新的洪水预报方法，提高洪水预报能力和精度，对于深入理解流域洪水特征，缓解洪水灾情有着重要意义。
[0003]山区和坡地是洪水灾害的主要来源。山区流域由于植被丰茂、源短流急，洪水暴涨暴落，极易引发山洪；旱坡耕地是山区与城市平原的过渡区或者丘陵地区的主要农作物种植区，贮水能力弱，再加上地势较陡，大雨成洪，洪水急涨急走，严重威胁下游平原或者河谷内居民的生命财产安全。但此类区域通常缺乏长期的水文实测序列，难以开展水文模型的参数优化工作，因此，研究基于流域下垫面特征研究无资料或者缺资料地区的洪水预报方法能够最大限度地降低对实测水文数据的需求，又能提供较为可靠的洪水模拟和预报，对于该类区域的防洪减灾有着重要的指导意义。
[0004]目前针对无资料地区的洪水预报，国内外学者较多采用参数区域化方法，即采用某种方法利用有资料地区的模型参数推求无资料或缺资料地区的模型参数。参数区域化研究方法主要包括参数移植法和回归法。参数移植法的依据是两个水文气象及下垫面特征相似的流域其模型参数也是相似的，故可以将有资料流域(参证流域)的参数移用到缺资料流域。参数移植法常用距离相近法与属性相似法。虽然距离相近法在一些研究中取得较高的移植精度，但目前普遍认为地理的邻近不能完全等同于降雨径流过程的相似性，特别是在气候、地形、地质存在显著差异的地区。属性相近法认为物理和气候等属性相似的流域，参数具有可移植性。回归法指根据有资料流域的模型参数和流域属性，建立表示二者关系的多元回归方程，从而利用无资料流域的流域属性推求模型参数。回归法的假设前提是有资料区和无资料区的参数与物理属性之间具有一定的相关关系，但实际上，任何一个模型都没有明确的参数集合可以与水文过程建立确定良好的关系。因此，目前现有的无资料地区洪水预报方法均存在一定的困难，特别是当无资料地区流域属性与有资料地区差异较大时，参数移植存在较大的问题，基于无资料地区下垫面特性研究新的洪水预报技术具有重要意义。

技术实现思路

[0005]为解决上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于下垫面特征和改进新安江模型的无资料地区场次洪水预报方法，以实现无资料地区洪水模拟，提高预报的精度，为流域防洪减灾提供科学支撑。
[0006]为实现上述目标，本专利技术通过如下技术方案实现：
[0007]一种基于下垫面特征和改进新安江模型的无资料地区场次洪水预报方法，包括如下步骤：
[0008]步骤1，收集和整理研究区域的降水、下垫面和地理信息数据；所述下垫面数据包括土地利用类型栅格数据和土壤类型栅格数据；
[0009]步骤2，根据地理信息数据提取流域水系，综合考虑流域水系和土地利用类型分析并划定子流域；
[0010]步骤3，根据土壤特性总结归纳土壤类型栅格数据对应的水文土壤组，综合土地利用类型和水文土壤组确定中等土壤湿度条件下每个子流域的加权径流曲线数CN2；
[0011]步骤4，根据前5天的累积降水量划分土壤的前期湿度状态，分别计算干旱和湿润土壤条件下每个子流域的加权径流曲线数CN1和CN3。
[0012]步骤5，根据每个子流域的加权径流曲线数和降水量计算子流域的径流深；
[0013]步骤6，将步骤5的径流深计算过程替换原始新安江模型的产流过程得到改进新安江模型，对计算得到的径流深进行坡面汇流与河网汇流，计算得到流域出口断面的洪水流量。
[0014]上述技术方案中，进一步地，所述步骤1中的降水数据为公开融合数据或再分析数据，主要包括中国国家气象局公开分享的中国区域融合数据CLDASv2或ECMWF提供的全球再分析数据ERA
‑
5。所述土壤类型栅格数据为中国土壤数据库30米分辨率227种亚类的全国数据，土地利用类型栅格数据为欧洲航天局发布的2020年10米分辨率的全球数据；地理信息数据即数字高程数据，为地理空间数据云的ASTER GDEM 30M分辨率公开数据。
[0015]进一步地，所述步骤1中的降水数据为栅格数据集，需进一步整理为每个子流域的面雨量数据，参考泰森多边形方法计算。面雨量计算包括以下步骤：
[0016](1)在ArcGIS软件中输入流域轮廓图、雨量栅格(P1,P2,
…
P
i
…
,P
N
)，根据栅格大小将流域划分为N个正方形，其中与该子流域有面积重叠的正方形为S个；
[0017](2)计算S个正方形中第i个雨量栅格P
i
所在的正方形与子流域的面积重合比例w
i，j
，作为雨量栅格P
i
对该子流域面雨量的贡献值；
[0018](3)该子流域面雨量的计算公式为：
[0019]进一步地，所述步骤2中的子流域划分，首先对直接汇入干流的支流进行子流域划分，需保证各个子流域的面积相差不大(任意两个子流域的面积相差不超过50％)，且子流域不能跨干流以保证洪水汇流的正确性，最后叠加土地利用类型数据，在下垫面显著变化(比如从林地下垫面变化为城市下垫面)的区域再进行子流域细分(比如在林地到城市的过渡地带进行划分)，保证同一子流域内的下垫面整体特征相同或类似(比如以林地为主或以城市为主)。
[0020]进一步地，所述步骤3中，根据土壤特性将土壤类型栅格数据总结归纳其对应的水文土壤组，总结归纳的依据是土壤的质地和下渗率，划分后的水文土壤组包括A(透水)、B(较透水)、C(较不透水)、D(不透水)四组。
[0021]进一步地，所述步骤3中，加权径流曲线数CN是在栅格径流曲线数cn的基础上利用ArcGIS的栅格计算器确定的，栅格径流曲线数的分辨率与栅格土地利用类型数据一致。由于土地利用类型的栅格分辨率高于土壤类型栅格数据，因此将栅格径流曲线数的分辨率设置为与栅格土地利用类型一致，保证每个栅格内的土壤类型与土地利用类型一一对应，计
算出唯一的栅格径流曲线数。中等土壤湿度条件下每个子流域的加权径流曲线数CN2的具体计算方法为：通过查找美国自然资源保护服务NRCS公布的径流曲线数手册，得到每个土地利用类型栅格内的径流曲线数，再通过ArcGIS的栅格计算器计算得到每个子流域的加权径流曲线数，并将其作为土壤状态为中等湿润条件下的径流曲线数，记为CN2。
[0022]进一步地，所述步骤4中前期土壤湿度状态AMC的划分的依据如下表：
[0023]表1土壤湿润状态等级划分表
[0024][0025]其中，AMC I为干旱土壤条件，AMC II为中等土壤湿度条件，AMC III为湿润土壤湿度条件。
[0026]进一步地，所述干旱和湿润土壤条件本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于下垫面特征和改进新安江模型的无资料地区场次洪水预报方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，收集和整理研究区域的降水、下垫面和地理信息数据；所述下垫面数据包括土地利用类型栅格数据和土壤类型栅格数据；步骤2，根据地理信息数据提取流域水系，综合考虑流域水系和土地利用类型分析并划定子流域；步骤3，根据土壤特性总结归纳土壤类型栅格数据对应的水文土壤组，综合土地利用类型和水文土壤组确定中等土壤湿度条件下每个子流域的加权径流曲线数；步骤4，根据前5天的累积降水量划分土壤的前期湿度状态，分别计算干旱和湿润土壤条件下每个子流域的加权径流曲线数；步骤5，根据每个子流域的加权径流曲线数和降水量计算子流域的径流深；步骤6，将步骤5的径流深计算过程替换原始新安江模型的产流过程得到改进新安江模型，对计算得到的径流深进行坡面汇流与河网汇流，计算得到流域出口断面的洪水流量。2.如权利要求1所述的基于下垫面特征和改进新安江模型的无资料地区场次洪水预报方法，其特征在于，所述步骤1中所涉及的数据均为中国或国际上其他国家地区的公开数据集，其中降水数据为中国国家气象局公开分享的中国区域融合数据CLDASv2或ECMWF提供的全球再分析数据ERA
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5；所述土壤类型栅格数据为中国土壤数据库30米分辨率227种亚类的全国数据，所述土地利用类型栅格数据为欧洲航天局发布的2020年10米分辨率的全球数据；地理信息数据为地理空间数据云的ASTER GDEM 30M分辨率公开数据。3.如权利要求1所述的基于下垫面特征和改进新安江模型的无资料地区场次洪水预报方法，其特征在于，所述步骤1中的降水数据为栅格数据集，需进一步整理为每个子流域的面雨量数据；采用泰森多边形方法计算面雨量，具体方法为：(1)在ArcGIS软件中输入流域轮廓图、雨量栅格(P1,P2,
…
P
i
…
,P
N
)，根据栅格大小将流域划分为N个正方形，其中与该子流域有面积重叠的正方形为S个；(2)计算S个正方形中第i个雨量栅格P
i
所在的正方形与子流域的面积重合比例w
i,j
，作为雨量栅格P
i
对该子流域面雨量的贡献值；(3)该子流域面雨量的计算公式为：4.如权利要求1所述的基于下垫面特征和改进新安江模型的无资料地区场次洪水预报方法，其特征在于，所述步骤2中，子流域划分方法基于ArcGIS完成，综合考虑土地利用类型和河网分布，需尽可能保证同一子流域内土地利用类型相同。5.如权利要求1所述的基于下垫面特征和改进新安江模型的无资料地区场次洪水预报方法，其特征在于，所述步骤3中，根据土壤特性将土壤类型栅格数据总结归纳其对应的水文土壤组，总结归纳的依据是土壤的质地和下渗率，划分后的水文土壤组包括A(透水)、B(较透水)、C(较不透水)、D(不透水)四组；中等土壤湿度条件下每个子流域的加权径流曲线数CN2是在栅格径流曲线数cn2的基础上利用ArcGIS的栅格计算器确定的，栅格径流曲线数的分辨率与土地利用类型栅格数据一致。6.如权利要求1所述的基于下垫面特征和改进新安江模型的无资料地区场次洪水预报
方法，其特征在于，所述步骤4中，土壤的前期湿度状态...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘莉，许月萍，郑超昊，俞昌都，周鹏，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：