CN111932023A - 一种基于典型设计洪水过程线的小流域短期洪水预报方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于典型设计洪水过程线的小流域短期洪水预报方法，包括以下步骤：S1.获取小流域河道的不同年限的设计洪峰流量和典型设计洪水过程线；S2.根据实测流量判定河道是否开始进行短期洪水预报；S3.根据河道的实测洪水流量确定短期洪水预报的预报时间；S4.根据相应年限的典型设计洪水过程线确定斜率K_n；S5.根据t_n时刻的实测洪水流量q_n和斜率K_n，确定t_n+1时刻预测洪水流量q′_n+1；S6.根据t_n+1时刻的实测洪水流量判定是否可以结束短期洪水预报；S7.根据t_n+1时刻的实测洪水流量q_n+1和t_n+1时刻的预测洪水流量q′_n+1，对计算斜率K_n的设计洪水过程线的年限T_n校正；S8.结束短期洪水预报。本发明相较于现有的流量演算法和相应水位法具有简单、快速等优势。

Description

一种基于典型设计洪水过程线的小流域短期洪水预报方法

技术领域

本发明涉及洪水预报领域，特别是涉及一种基于典型设计洪水过程线的小流域短期洪水预报方法。

背景技术

小流域通常是指集水面积不超过数百平方公里的小河小溪，但并无明确限制，一般认为流域面积在300～500km²以下可认为是小流域。从水文角度看小流域具有流域汇流以坡面汇流为主、水文资料缺乏、集水面积小等特性。

小流域设计洪水计算广泛应用于中、小型水利工程中，如修建农田水利工程的小水库、撇洪沟，渠系上交叉建筑物如涵洞、泄洪闸等，铁路、公路上的小桥涵设计，与大、中流域相比，小流域设计洪水具有以下四方面的特点：

(1)绝大多数小流域都没有水文站，即缺乏实测径流资料，甚至降雨资料也没有。因此小流域设计洪水计算一般为无资料情况下的计算。

(2)小流域面积小，自然地理条件趋于单一，拟定计算方法时，允许作适当的简化，即允许作出一些概化的假定。例如假定短历时的设计暴雨时空分布均匀。

(3)小流域分布广、数量多。因此，所拟定的计算方法，在保持一定精度的前提下，将力求简便，一般借助水文手册即可完成。

(4)小型工程一般对洪水的调节能力较小，工程规模主要受洪峰流量控制，因此对设计洪峰流量的要求高于对洪水过程线的要求。

在小流域中计算典型设计洪水过程线的方法，是由推理公式法或地区经验公式法计算小流域的设计洪峰流量，然后根据综合瞬时单位线法或多边形过程线法(三角形、五点形、多峰形等)，结合小流域的设计洪峰流量，计算小流域的典型设计洪水过程线。

由于我国小流域众多，小流域上的洪灾发生频率高、危害范围广、对国民经济影响严重。正因为小流域洪灾产生的灾害损失如此巨大，所以小流域短期洪水预报减少甚至避免洪灾的灾害损失尤为重要，合理的预报结果对于兴利防洪具有重大意义。

目前，常有的河道洪水预报方法有流量演算法和相应水位法。流量演算法的实质是成因分析法，主要分为两种，即水文学方法以及水力学方法。其中，水文学方法为马斯京根法和特征河长法；而水力学方法则采用解析法和数值法。相应水位法的实质是数理统计法，是研究相应水位(或相应流量)间的关系(统计规律)，依此为依据进行河段洪水预报的方法，主要包括洪峰水位预报法。

流量演算法中的水文学方法由于其参数具有较强经验型，在水流情况复杂的流域会面临参数难以正确率定的问题；而水力学方法存在所需不同类型资料数据较多，计算时间长等缺点。相应水位法则需要对洪水波进行大量的数理统计，数据精度要求高，统计计算费时，且主要预报洪峰处的水位。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于典型设计洪水过程线的小流域短期洪水预报方法，对于小流域中某一河道，可以通过综合瞬时单位线法或多边形过程线法，结合不同年限的设计洪峰流量，获取相应的典型设计洪水过程线，利用上一时间点的实测流量确定预报时间，并根据典型设计洪水过程线，计算确定该河道逐时段的洪水预报结果，具有预报简单、快速的优势。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于典型设计洪水过程线的小流域短期洪水预报方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.获取小流域河道的不同年限的设计洪峰流量和典型设计洪水过程线：

在小流域中，确定河道不同年限T₁＜T₂＜T₃＜……＜T_N-1＜T_N的设计洪峰流量Q₁＜Q₂＜Q₃＜……＜Q_N-1＜Q_N；其中第n个年限T_n对应的设计洪峰流量为Q_n，n＝1,2,3,…,N；

然后根据综合瞬时单位线法或多边形过程线法(三角形、五点形、多峰形等)，结合该河道不同年限的设计洪峰流量，计算确定该河道不同年限的典型设计洪水过程线；

S2.根据实测流量判定河道是否开始进行短期洪水预报：

获取河道的实测流量q，当实测流量q不低于某一年限T_n的设计洪峰流量Q_n时，即满足条件q≥Q_n，就判定该河道开始进行短期洪水预报，进入步骤S3，此时的实测流量q为实测洪水流量；当实测流量q低于某一年限T_n的设计洪峰流量Q_n时，即满足条件q＜Q_n，重复执行步骤S2，直至该河道开始进行短期洪水预报为止；

S3.根据河道的实测洪水流量确定短期洪水预报的预报时间：

每一个年限的设计洪峰流量都对应一个洪水预报时间间隔，当实测洪水流量q与设计洪峰流量Q_n、Q_n+1满足关系：Q_n≤q＜Q_n+1，n＝1,2,3,…,N-1，确定此时洪水的预报时间间隔为Q_n对应的Δt_n；根据实测时间t_n和预报时间间隔Δt_n，结合公式t_n+1＝t_n+Δt_n，确定下一次的预报时间t_n+1；

S4.根据相应年限的典型设计洪水过程线确定斜率K_n：

在T_n年限的设计洪水过程线上确定出t_n时刻的洪水流量

t_n+1时刻的洪水流量

根据斜率计算公式

进行计算，当t_n时刻实测流量相对于t_n-1时刻实测流量降低，即q_n-1＞q_n，则K_n＝-K；当t_n时刻实测流量相对于t_n-1时刻实测流量增加，q_n-1＜q_n时，则K_n＝K；

S5.根据t_n时刻的实测洪水流量q_n和斜率K_n，确定t_n+1时刻预测洪水流量q′_n+1：

根据直线方程公式q′_n+1＝q_n+K_n(t_n+1-t_n)或q′_n+1＝q_n+K_nΔt_n,确定出t_n+1时刻预测洪水流量q′_n+1，这个预测值q′_n+1是向社会公布的t_n+1时刻的预测洪水流量数值；

S6.根据t_n+1时刻的实测洪水流量判定是否可以结束短期洪水预报：

当实测洪水流量q_n+1低于某一年限T_n的设计洪峰流量Q_n时，即满足条件q_n+1＜Q_n，判定该河道结束短期洪水预报，进入步骤S8；当实测洪水流量q_n+1不低于某一年限T_n的设计洪峰流量Q_n时，即满足条件q_n+1≥Q_n，进入步骤S7；

S7.根据t_n+1时刻的实测洪水流量q_n+1和t_n+1时刻的预测洪水流量q′_n+1，对计算斜率K_n的设计洪水过程线的年限T_n校正；

根据比值关系式

计算确定出预测洪水流量和实测洪水流量的比值A；

若90％≤A≤110％，预测洪水流量在实测洪水流量的合理范围内，则预测洪水流量满足精度要求，说明此时的河道洪水满足T_n年限的设计洪水，则T_n年限不需要校正，返回步骤S3；

若A＞110％，预测洪水流量高于实测洪水流量合理范围上限，预测洪水流量不满足精度要求；若此时的实测洪水流量比上一时刻增加，说明此时应满足低年限T_n-1的设计洪水，则T_n年限需要校正为T_n-1，其中T_n-1＜T_n，并返回步骤S3；若此时的实测洪水流量比上一时刻减少，说明此时应满足高年限T_n+1的设计洪水，则T_n年限需要校正为T_n+1，其中T_n+1＞T_n，返回步骤S3；

若A＜90％，预测洪水流量低于实测洪水流量合理范围下限，预测洪水流量不满足精度要求；若此时的实测洪水流量比上一时刻增加，说明此时应满足高年限T_n+1的设计洪水，则T_n年限需要校正为T_n+1，其中T_n+1＞T_n，返回步骤S3；若此时的实测洪水流量比上一时刻减少，说明此时应满足低年限T_n-1的设计洪水，则T_n年限需要校正为T_n-1，其中T_n-1＜T_n，返回第3步；

S8.结束短期洪水预报。

进一步地，步骤S2中作为判定条件的设计洪峰流量的相应年限T_n要根据河道特征及保护对象重要性预先进行选择确定。

进一步地，设计洪峰流量Q_n越大，或者T_n年限越大，洪水预报的时间间隔Δt_n就越小(Δt₁＞Δt₂＞Δt₃＞……＞Δt_n-1＞Δt_n)。

进一步地，步骤S4中t_n时刻对应的实测洪水流量为q_n，在T_n年限设计洪水过程线上确定的t_n时刻洪水流量为

t_n+1时刻对应的实测洪水流量为q_n+1，在T_n年限设计洪水过程线上确定的t_n+1时刻洪水流量为

进一步地，步骤S4中第一次确定计算预测洪水流量的斜率K_n的年限T_n，可根据步骤S2中判定短期洪水预报的年限T_n确定。

进一步地，步骤S5中t_n时刻对应的实测流量q_n可以预先向相关部门获取，在本申请中为已知参数；步骤S6中该河道t_n+1时刻的实测洪水流量q_n+1可以预先向相关部门获取，在本申请中为已知参数。

进一步地，步骤S6中作为判定条件的设计洪峰流量的年限T_n要根据河道特征及保护对象重要性进行预先选择确定。

进一步地，步骤S7中设计洪水过程线的年限T_n一般是用相邻年限T_n-1或T_n+1进行校正，若预测洪水流量计算误差太大(超过设定误差范围)，可考虑对T_n用T_n-2、T_n+2或其它年限进行校正。

本发明的有益效果是：本发明提供的基于典型设计洪水过程线的小流域短期洪水预报方法，对小流域某河道通过水文方法获取设计洪峰流量和典型设计洪水过程线，通过实测流量确定是否开始和结束洪水预报以及预报时间，并根据典型设计洪水线确定预测洪水流量，最后对典型设计洪水过程线的年限进行修正，获得整场洪水的预报结果。该方法比较现有的流量演算法和相应水位法具有简单、快速等特点。

附图说明

图1为本发明的方法流程图。

图2为实施例中某河道不同年限的设计洪水过程线。

图3为实施例中小流域某河道，某场洪水的预测洪水流量和实测洪水流量的对比图，其中(a)(b)分别对应于洪水预报的两种方案，方案的预报时间间隔不同。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1所示，基于典型设计洪水过程线的小流域短期洪水预报方法，对小流域中某一河段进行两场洪水预报，主要包括以下几步：

S1.获取小流域河道的不同年限的设计洪峰流量和典型设计洪水过程线：

对这一河道，由推理公式法或地区经验公式法计算该河道6种年限(2、5、10、20、30、50年)的设计洪峰流量(Q₁＜Q₂＜Q₃＜……＜Q₆)，然后根据综合瞬时单位线法或多边形过程线法(三角形、五点形、多峰形等)，结合该河道6种年限的设计洪峰流量，计算确定该河道相应的典型设计洪水过程线。图2为该河道的6种典型设计洪水过程线。

S2.根据实测流量判定河道可以进行短期洪水预报：

向相关部门获取该河道的实测流量q，当实测流量q不低于2年一遇的设计洪峰流量238m³/s时，即满足条件q≥238m³/s，就判定该河道开始进行短期洪水预报，进行步骤S3，此时的实测流量q为实测洪水流量；当实测流量q低于2年一遇的设计洪峰流量238m³/s时，即满足条件q＜238m³/s，重复步骤S2，直至该河道可以进行短期洪水预报为止。

S3.根据河道的实测洪水流量确定短期洪水预报的预报时间：

每一个年限的设计洪峰流量都对应一个洪水预报时间间隔，当实测洪水流量q与设计洪峰流量Q_n、Q_n+1满足关系：Q_n≤q＜Q_n+1，可以确定此时洪水的预报时间间隔为Δt_n。根据实测时间t_n和预报时间间隔Δt_n，结合公式t_n+1＝t_n+Δt_n，确定下一次的预报时间t_n+1。

表1为不同年限的设计洪峰流量对应的预报时间间隔的两种方案。

S4.根据相应年限的典型设计洪水过程线确定斜率K_n：

在T_n年限的设计洪水过程线上可以确定出t_n时刻的洪水流量

t_n+1时刻的洪水流量

根据斜率计算公式

进行计算，当t_n时刻实测流量相对于t_n-1时刻实测流量降低，即q_n-1＞q_n，则K_n＝-K；当t_n时刻实测流量相对于t_n-1时刻实测流量增加，q_n-1＜q_n时，则K_n＝K。计算初始斜率K_n的设计洪水过程线的年限取为2年。

S5.根据t_n时刻的实测洪水流量q_n和斜率K_n，确定t_n+1时刻预测洪水流量q′_n+1：

根据直线方程公式q′_n+1＝q_n+K_n(t_n+1-t_n)或q′_n+1＝q_n+K_nΔt_n,确定出t_n+1时刻预测洪水流量q′_n+1，这个预测值q′_n+1是向社会公布的t_n+1时刻的预测洪水流量数值。

S6.根据t_n+1时刻的实测洪水流量判定是否可以结束短期洪水预报：

当实测洪水流量q_n+1低于2年一遇的设计洪峰流量238m³/s时，即满足条件q_n+1＜238m³/s，就可以判定该河道可以结束短期洪水预报，进行步骤S8；当实测洪水流量q_n+1不低于2年一遇的设计洪峰流量238m³/s时，即满足条件q_n+1≥238m³/s，进行步骤S7。

S7.根据t_n+1时刻的实测洪水流量q_n+1和t_n+1时刻的预测洪水流量q′_n+1，对计算斜率K_n的设计洪水过程线的年限T_n校正。

根据比值关系式

计算确定出预测洪水流量和实测洪水流量的比值A。

若90％≤A≤110％，预测洪水流量在实测洪水流量的合理范围内，则预测洪水流量满足精度要求，说明此时的河道洪水满足T_n年限的设计洪水，则T_n年限不需要校正，返回步骤S3；

若A＞110％，预测洪水流量高于实测洪水流量合理范围上限，预测洪水流量不满足精度要求。若此时的实测洪水流量比上一时刻增加，说明此时应满足低年限T_n-1的设计洪水，则T_n年限需要校正为T_n-1(T_n-1＜T_n)，返回步骤S3；若此时的实测洪水流量比上一时刻减少，说明此时应满足高年限T_n+1的设计洪水，则T_n年限需要校正为T_n+1(T_n+1＞T_n)，返回步骤S3；

若A＜90％，预测洪水流量低于实测洪水流量合理范围下限，预测洪水流量不满足精度要求。若此时的实测洪水流量比上一时刻增加，说明此时应满足高年限T_n+1的设计洪水，则T_n年限需要校正为T_n+1(T_n+1＞T_n)，返回步骤S3；若此时的实测洪水流量比上一时刻减少，说明此时应满足低年限T_n-1的设计洪水，则T_n年限需要校正为T_n-1(T_n-1＜T_n)，返回步骤S3；

S8.结束短期洪水预报。

如图3所示，在本申请的实施例中，图3(a)位方案一的预测洪水过程图，在方案一中，相应设计年限2、5、10、20、30、50年预报的时间间隔分别为60、50、40、30、20、10分钟；图3(b)位方案二的预测洪水过程图，在方案二中，相应设计年限2、5、10、20、30、50年预报的时间间隔分别为30、25、20、15、10、5分钟，两种方案的设计洪峰流量相等，方案二比方案一的预报时间间隔减小。结果表明：方案一中的预测和实测洪量的比值为0.999，预测和实测洪水流量的比值基本满足90％到110％，但预测和实测最大洪水流量的比值为0.807；方案二中的预测和实测洪量的比值为1.002，预测和实测洪水流量的比值基本满足90％到110％，且预测和实测最大洪水流量的比值为0.954。通过两种方案对比可知，将预报时间间隔减小，洪水预报具有良好的预测性，预测洪水流量和洪量的计算精度基本满足要求，该方法的预报结果已能较好地描述整场洪水的发展过程,且计算方法省时简单，相比于流量演算法和相应水位法具有简单、快速等特点。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应该看作是对其他实施例的排除，而可用于其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于典型设计洪水过程线的小流域短期洪水预报方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.获取小流域河道的不同年限的设计洪峰流量和典型设计洪水过程线：

在小流域中，确定河道不同年限T₁＜T₂＜T₃＜……＜T_N-1＜T_N的设计洪峰流量Q₁＜Q₂＜Q₃＜……＜Q_N-1＜Q_N；其中第n个年限T_n对应的设计洪峰流量为Q_n，n＝1,2,3,…,N；

然后根据综合瞬时单位线法或多边形过程线法，结合该河道不同年限的设计洪峰流量，计算确定该河道不同年限的典型设计洪水过程线；

S2.根据实测流量判定河道是否开始进行短期洪水预报：

获取河道的实测流量q，当实测流量q不低于某一年限T_n的设计洪峰流量Q_n时，即满足条件q≥Q_n，就判定该河道开始进行短期洪水预报，进入步骤S3，此时的实测流量q为实测洪水流量；当实测流量q低于某一年限T_n的设计洪峰流量Q_n时，即满足条件q＜Q_n，重复执行步骤S2，直至该河道开始进行短期洪水预报为止；

S3.根据河道的实测洪水流量确定短期洪水预报的预报时间：

每一个年限的设计洪峰流量都对应一个洪水预报时间间隔，当实测洪水流量q与设计洪峰流量Q_n、Q_n+1满足关系：Q_n≤q＜Q_n+1，确定此时洪水的预报时间间隔为Q_n对应的Δt_n；根据实测时间t_n和预报时间间隔Δt_n，结合公式t_n+1＝t_n+Δt_n，确定下一次的预报时间t_n+1；

S4.根据相应年限的典型设计洪水过程线确定斜率K_n：

在T_n年限的设计洪水过程线上确定出t_n时刻的洪水流量

t_n+1时刻的洪水流量

根据斜率计算公式

进行计算，当t_n时刻实测流量相对于t_n-1时刻实测流量降低，即q_n-1＞q_n，则K_n＝-K；当t_n时刻实测流量相对于t_n-1时刻实测流量增加，q_n-1＜q_n时，则K_n＝K；

S5.根据t_n时刻的实测洪水流量q_n和斜率K_n，确定t_n+1时刻预测洪水流量q′_n+1：

根据直线方程公式q′_n+1＝q_n+K_n(t_n+1-t_n)或q′_n+1＝q_n+K_nΔt_n，确定出t_n+1时刻预测洪水流量q′_n+1，这个预测值q′_n+1是向社会公布的t_n+1时刻的预测洪水流量数值；

S6.根据t_n+1时刻的实测洪水流量判定是否可以结束短期洪水预报：

当实测洪水流量q_n+1低于某一年限T_n的设计洪峰流量Q_n时，即满足条件q_n+1＜Q_n，判定该河道结束短期洪水预报，进入步骤S8；当实测洪水流量q_n+1不低于某一年限T_n的设计洪峰流量Q_n时，即满足条件q_n+1≥Q_n，进入步骤S7；

S7.根据t_n+1时刻的实测洪水流量q_n+1和t_n+1时刻的预测洪水流量q′_n+1，对计算斜率K_n的设计洪水过程线的年限T_n校正；

根据比值关系式

计算确定出预测洪水流量和实测洪水流量的比值A；

若90％≤A≤110％，预测洪水流量在实测洪水流量的合理范围内，则预测洪水流量满足精度要求，说明此时的河道洪水满足T_n年限的设计洪水，则T_n年限不需要校正，返回步骤S3；

若A＞110％，预测洪水流量高于实测洪水流量合理范围上限，预测洪水流量不满足精度要求；若此时的实测洪水流量比上一时刻增加，说明此时应满足低年限T_n-1的设计洪水，则T_n年限需要校正为T_n-1，其中T_n-1＜T_n，并返回步骤S3；若此时的实测洪水流量比上一时刻减少，说明此时应满足高年限T_n+1的设计洪水，则T_n年限需要校正为T_n+1，其中T_n+1＞T_n，返回步骤S3；

若A＜90％，预测洪水流量低于实测洪水流量合理范围下限，预测洪水流量不满足精度要求；若此时的实测洪水流量比上一时刻增加，说明此时应满足高年限T_n+1的设计洪水，则T_n年限需要校正为T_n+1，其中T_n+1＞T_n，返回步骤S3；若此时的实测洪水流量比上一时刻减少，说明此时应满足低年限T_n-1的设计洪水，则T_n年限需要校正为T_n-1，其中T_n-1＜T_n，返回第3步；

S8.结束短期洪水预报。

2.根据权利要求1所述的一种基于典型设计洪水过程线的小流域短期洪水预报方法，其特征在于：步骤S2中作为判定条件的设计洪峰流量的相应年限T_n，需要根据河道特征及保护对象重要性进行预先选择确定。

3.根据权利要求1所述的一种基于典型设计洪水过程线的小流域短期洪水预报方法，其特征在于：所述步骤S3中，设计洪峰流量Q_n越大，或者T_n年限越大，洪水预报的时间间隔

Δt_n就越小，即Δt₁＞Δt₂＞Δt₃＞……＞Δt_N-1＞Δt_N。

4.根据权利要求1所述的一种基于典型设计洪水过程线的小流域短期洪水预报方法，其特征在于：所述步骤S7中，设计洪水过程线的年限T_n一般是用相邻年限T_n-1或T_n+1进行校正的方案，在预测洪水流量计算误差太大时，替换为对T_n用T_n-2、T_n+2或其它年限进行校正。

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