CN113505546A - 一种洪水风险预测*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种洪水风险预测***，根据河道上下游控制站点实时、设计提供边界条件，建立水力学模型计算得到流域内不同时刻不同工况的各特征断面的水位，将断面水位进行加密生成固定间隔水位值，得到网格化的河道的沿程水位；将河流两岸的堤防同样生成对应的固定间隔小段，每小段堤防根据测量数据赋予生产堤顶高程；将沿程水位将与防洪保护区的分段堤顶高程对比计算，分段堤顶高程低于沿程水位的防洪保护区将会漫堤。同时对堤顶与水位之间的高程差，分类设定为不同级别的预警阈值；对于漫(溃)堤的防洪保护区，分析计算防洪保护区的淹没情况。

Description

一种洪水风险预测***
技术领域
本发明涉及洪水防控技术领域，尤其是涉及一种洪水风险预测***。
背景技术
自20世纪以来，随着气候的变化，全球范围内气温呈显著上升趋势，极端水文气象事件的发生频率也多呈增加趋势。人类活动使得流域环境发生了显著变化，例如：不透水面积随着城镇扩张显著增加，加速产汇流过程；草地、林地、耕地范围的变化改变了流域内产汇流能力；大量水利工程的兴建影响了流域的汇流过程。
现有预测洪水淹没情况的方法需要复杂的二维水力学模型并考虑地面阻水建筑物的高程，模拟洪水流动情况，进而计算洪水的淹没范围和淹没深度，该方法计算量庞大，且能往前预判的时间少，预警时效差。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种根据站点实时水位即可预测洪水淹没范围和淹没水深的洪水风险预测***。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种洪水风险预测***，包括河网概化图绘制模块、围片区划分模块、重要设施图层制作模块、堤防高程图层绘制模块、沿程水位信息计算模块、淹没水深图绘制模块；
所述河网概化图绘制模块，根据流域信息绘制得到河网概化图，所述流域信息包括流域地形、水系结构、水流走向，所述河网概化图反映河流的轮廓；
所述围片区划分模块，在所述河网概化图周围划定若干围片区，所述围片区与堤防工程相邻；
所述重要设施图层制作模块，获取所述围片区内基础设施的高程数据作为基础高程信息，将所述基础高程信息进行网格化得到基础高程网格信息；
所述堤防高程图层绘制模块，获得所述河网概化图范围内的每隔设定距离间隔测定的堤防工程的高程测量数据作为堤防高程信息，将所述堤防高程网格信息化得到堤防高程网格信息；
所述沿程水位信息计算模块，通过河网水位计算策略计算得到流域内不同时刻不同工况的沿程河道断面水位，将所述沿程河道断面水位进行网格化得到水位网格信息，单个所述水位网格信息与单个所述堤防高程网格信息的网格大小相同；
所述淹没水深图绘制模块，若所述水位网格信息小于或等于同一地理位置的所述堤防高程网格信息，则对应所述围片区内不标记淹没信息，若所述水位网格信息大于同一地理位置的所述堤防高程网格信息，则对比对应围片区内所述基础高程网格信息与所述水位网格信息的大小，若所述基础高程网格信息大于或等于所述水位网格信息，则对应区域不标记淹没信息；若所述基础高程网格信息小于所述水位网格信息，则对应区域标记淹没信息并根据所述基础高程网格信息与所述水位网格信息的差值确定淹没深度信息。
作为优选，所述河网水位计算策略包括获得实时水雨数据和河道参数数据，所述实时水雨数据反映站点水位或流量过程，提供模型初始边界条件，所述河道参数数据包括流量系数、主槽糙率、左岸糙率、右岸糙率、江心洲糙率、局部水头损失和断面间距，根据所述实时水雨数据得到上边界河道断面水位和下边界河道断面水位，将上边界断面和下边界断面分成若干个沿程断面，根据所述河道参数数据得到河道内断面参数，将所述下边界河道断面水位、所述河道内断面参数和上边界河道断面的流量输入水力学模型得到与所述下边界河道断面水位相邻的沿程断面水位作为沿程河道断面水位，将所述沿程断面水位作为新的下边界河道断面水位输入水力学模型得到与新的下边界河道断面水位相邻的沿程断面水位作为新的沿程河道断面水位，直至新的沿程河道断面与上边界河道断面对应，将计算得到的新的沿程断面水位作为上边界河道断面计算值，若所述上边界河道断面水位与所述上边界河道断面计算值的差值小于预设的水位差值阈值，则输出所述沿程河道断面水位，若所述上边界河道断面水位与所述上边界河道断面计算值的差值大于或等于预设的水位差值阈值，则修改所述上边界河道断面流量直至所述上边界河道断面水位与所述上边界河道断面计算值的差值小于预设的水位差值阈值：所述水力学模型为：
Figure BDA0003162815290000031
其中，Z为沿程河道断面水位；Z2为下边界河道断面水位；ξ为河段的局部阻力系数；α为动能修正系数；g为重力加速度；V2为下边界河道断面流速；V1为沿程河道断面流速；Q为上边界河道断面流量；K为流量模数；ΔS为下边界河道断面与沿程河道断面的距离。
作为优选，在所述重要设施图层制作模块中，获取所述围片区内基础设施的特征点的高程数据作为所述基础高程信息。
作为优选，在所述堤防高程图层绘制模块中，根据测得的堤防工程的高程测量数据,沿堤线等间距内插生成固定长度堤段及相应高程数据作为所述堤防高程信息，将断面水位进行加密生成固定间隔的水位值作为所述沿程河道断面水位，所述沿程河道断面水位和所述堤防高程信息的地理位置对应。
作为优选，洪水风险预测***还包括淹没面积计算模块，统计标记了淹没信息的区域的水位信息网格的数量得到淹没面积，当所述淹没范围未涵盖整个水位网格信息时，若所述淹没范围涵盖面积大于单个水位网格信息面积的一半则认为所述淹没范围涉及整个水位网格信息。
作为优选，洪水风险预测***还包括经济损失估算模块，将所述围片区根据乡镇分界线分割为若干乡镇区，将所述乡镇去根据建筑边界或田地边界分为若干经济价值区，每一所述经济价值区具有对应的经济价值信息，根据所述淹没面积和所述经济价值信息计算标记了淹没信息的区域的经济损失值。
作为优选，在所述淹没水深图绘制模块中，将所述淹没水深信息进行分级，不同级别的淹没水深信息对应的标记颜色不同。
作为优选，洪水风险预测***还包括水位数据库，所述水位数据库中存储有流域内若干不同流量时不同断面的实测水位信息，
在所述沿程水位信息计算模块中，将所述水位数据库中的数据采用河网水位计算策略对其进行训练以得到对应流域的水力学模型。
作为优选，每隔1～2年或对应流域的河床断面变化后，重新训练一次所述水力学模型。
作为优选，根据不同洪水频率训练不同的水力学模型。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明根据实测的不同时刻和不同空间位置实时水雨数据和河道参数数据，得到下边界河道断面水位、上游河道断面水位和河道内断面参数，将所述下边界河道断面水位、所述河道内断面参数和上边界河道断面的流量输入水力学模型得到沿程河道断面水位和上边界河道断面水位，得到沿程河道断面水位；
2、将每隔设定距离间隔测定的堤防工程的高程测量数据作为堤防高程信息，获得堤防工程不同位置的高程数据。通过分别将若干沿程河道断面水位和堤防高程信息网格化，实现将离散的数据点形成连续的图层。将形成的水位图层和堤防工程高程图层进行叠加，即可很快获得全流域水位高于堤防工程的区域。上述程序设计有利于快速识别堤防工程的溢水处，且计算量极少，计算效率高；
3、现有预测洪水淹没情况的方法需要计算漫溢水量和漫溢水处地面和建筑物的高程数据，模拟洪水流动情况，进而计算洪水的淹没范围和淹没深度，该方法计算量庞大，且能往前预判的时间少，预警效果差。本发明通过设置面积较小的围片区，设置当洪水溢过堤防工程时，当时水位即为围片区未来会达到的水位(假定在未来一段时间水量一直处于溢出状态直至围片区内的水位也达到与流域中的水位)，这样无需计算溢水量即可得知洪水涉及地区的水位。并且通过比较水位与围片区内的建筑的高程数据即可知晓围片区的淹没范围和淹没水深。
附图说明
图1为洪水风险预测***的原理图；
图2为洪水风险预测***的具体操作示意图；
图3为洪水风险预测***的流程图。
附图标记说明如下：010、河网概化图绘制模块；020、围片区划分模块；030、重要设施图层制作模块；040、堤防高程图层绘制模块；050、沿程水位信息计算模块；060、淹没水深图绘制模块；070、淹没面积计算模块；080、经济损失估算模块。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示，一种洪水风险预测***，包括河网概化图绘制模块010、围片区划分模块020、重要设施图层制作模块030、堤防高程图层绘制模块040、沿程水位信息计算模块050、淹没水深图绘制模块060；
所述河网概化图绘制模块010，根据流域信息绘制得到河网概化图，所述流域信息包括流域地形、水系结构、水流走向，所述河网概化图反映河流的轮廓；
所述围片区划分模块020，在所述河网概化图周围划定若干围片区，所述围片区与堤防工程相邻；
如图1、2所示，所述重要设施图层制作模块030，获取所述围片区内基础设施的高程数据作为基础高程信息，将所述基础高程信息进行网格化得到基础高程网格信息；其中，获取所述围片区内基础设施的特征点的高程数据作为基础高程信息，上述确定高程数据的方法测定的数据量少且测定的数据具有代表性；
所述堤防高程图层绘制模块040，获得所述河网概化图范围内的每隔设定距离间隔测定的堤防工程的高程测量数据作为堤防高程信息，将所述堤防高程网格信息化得到堤防高程网格信息；
所述沿程水位信息计算模块050，通过河网水位计算策略计算得到流域内不同时刻不同工况的沿程河道断面水位，将所述沿程河道断面水位进行网格化得到水位网格信息，单个所述水位网格信息与单个所述堤防高程网格信息的网格大小相同；
如图3所示，所述河网水位计算策略包括获得实时水雨数据和河道参数数据，所述实时水雨数据反映站点水位或流量过程，提供模型初始边界条件，所述河道参数数据包括流量系数、主槽糙率、左岸糙率、右岸糙率、江心洲糙率、局部水头损失和断面间距，根据所述实时水雨数据得到上边界河道断面水位和下边界河道断面水位，将上边界断面和下边界断面分成若干个沿程断面，根据所述河道参数数据得到河道内断面参数，将所述下边界河道断面水位、所述河道内断面参数和上边界河道断面的流量输入水力学模型得到与所述下边界河道断面水位相邻的沿程断面水位作为沿程河道断面水位，将所述沿程断面水位作为新的下边界河道断面水位输入水力学模型得到与新的下边界河道断面水位相邻的沿程断面水位作为新的沿程河道断面水位，直至新的沿程河道断面与上边界河道断面对应，将计算得到的新的沿程断面水位作为上边界河道断面计算值，若所述上边界河道断面水位与所述上边界河道断面计算值的差值小于预设的水位差值阈值，则输出所述沿程河道断面水位，若所述上边界河道断面水位与所述上边界河道断面计算值的差值大于或等于预设的水位差值阈值，则修改所述上边界河道断面流量直至所述上边界河道断面水位与所述上边界河道断面计算值的差值小于预设的水位差值阈值：所述水力学模型为：
Figure BDA0003162815290000071
其中，Z为沿程河道断面水位；Z2为下边界河道断面水位；ξ为河段的局部阻力系数；α为动能修正系数，动能修正系数与断面上流速分布不均匀性有关；g为重力加速度；V2为下边界河道断面流速；V1为沿程河道断面流速；Q为上边界河道断面流量；K为流量模数；ΔS为下边界河道断面与沿程河道断面的距离。
其中，在所述堤防高程图层绘制模块040中，根据测得的堤防工程的高程测量数据,沿堤线等间距内插生成固定长度堤段及相应高程数据作为所述堤防高程信息，将断面水位进行加密生成固定间隔的水位值作为所述沿程河道断面水位，所述沿程河道断面水位和所述堤防高程信息的地理位置对应。获得等间距划分好的堤段相应高程数据的方法为：根据测得的堤防工程的高程测量数据模拟堤防工程上沿曲线，根据所述堤防工程上沿曲线获得数量更多的堤防工程的高程数据作为堤防高程信息。堤防工程上表面呈一定的弧度蜿蜒设置，根据若干设置在堤坝工程上测量点的实测高程数据进行曲线拟合。因数据量较多且堤防工程的弯曲程度区域平缓，因此拟合得到的曲线非常接近堤防工程上表面的实际弧度。得到拟合的曲线后，可得到与原先相比数以倍计的堤防工程的高程数据，网格化后得到的图层信息更为准确；
在所述沿程水位信息计算模块050中，将所述水位数据库中的数据采用河网水位计算策略对其进行训练以得到对应流域的水力学模型。每条流域的河床断面的分布情况均有所差异，上述水力学模型考虑不同时刻和不同空间位置断面的水位、流量、流量系数、主槽糙率、左岸糙率、右岸糙率、江心洲糙率、局部水头损失和断面间距，来对水位进行计算，但上述条件相同的情况下，奔流的河流在不同河床断面的情况下瞬时水位不同(特别是在洪水状态下湍流的河水，河面会激起较大的浪花)，而水流能否溢出堤防工程则是看瞬时水位而非稳定状态下的水位，因此经水位数据库中的数据训练的水力学模型测定的水位数据更为准确。
每隔1～2年或对应流域的河床断面变化后，重新训练一次所述水力学模型。河床的断面情况在非人为情况下不会产生舜变，因此每隔1～2年对水力学模型进行重新训练即可。根据不同洪水频率训练不同的水力学模型。不同洪水频率下，河床对瞬时水位的影响程度不同，分情况进行训练，得到的水力学模型更为成熟。
所述淹没水深图绘制模块060，若所述水位网格信息小于或等于同一地理位置的所述堤防高程网格信息，则对应所述围片区内不标记淹没信息，若所述水位网格信息大于同一地理位置的所述堤防高程网格信息，则对比对应围片区内所述基础高程网格信息与所述水位网格信息的大小，若所述基础高程网格信息大于或等于所述水位网格信息，则对应区域不标记淹没信息；若所述基础高程网格信息小于所述水位网格信息，则对应区域标记淹没信息并根据所述基础高程网格信息与所述水位网格信息的差值确定淹没深度信息。通过分别将若干沿程河道断面水位和堤防高程信息网格化，实现将离散的数据点形成连续的图层。将形成的水位图层和堤防工程高程图层进行叠加，即可很快获得全流域水位高于堤防工程的区域。上述程序设计有利于快速识别堤防工程的溢水处，且计算量很少。
现有预测洪水淹没情况的方法需要计算漫溢水量和漫溢水处地面和建筑物的高程数据，模拟洪水流动情况，进而计算洪水的淹没范围和淹没深度，该方法计算量庞大，且能往前预判的时间少，预警效果差。本发明通过设置面积较小的围片区，设置当洪水溢过堤防工程时，当时水位即为围片区未来会达到的水位(假定在未来一段时间水量一直处于溢出状态直至围片区内的水位也达到与流域中的水位)，这样无需计算溢水量即可得知洪水涉及地区的水位。并且通过比较水位与围片区内的建筑的高程数据即可知晓围片区的淹没范围和淹没水深。
其中，将所述淹没水深信息进行分级，不同级别的淹没水深信息对应的标记颜色不同。颜色标记可将淹没范围和淹没水深以非常直观的形式进行呈现。
洪水风险预测***还包括淹没面积计算模块070，统计标记了淹没信息的区域的水位信息网格的数量得到淹没面积。当所述淹没范围未涵盖整个水位网格信息时，若所述淹没范围涵盖面积大于单个水位网格信息面积的一半则认为所述淹没范围涉及整个水位网格信息。通过非常简单的计算方式和极少的计算量即可预测围片区的淹没范围，可快速为围片区进行洪水情况预警。
洪水风险预测***还包括经济损失估算模块080，将所述围片区根据乡镇分界线分割为若干乡镇区，将所述乡镇去根据建筑边界或田地边界分为若干经济价值区，每一所述经济价值区具有对应的经济价值信息，根据所述淹没面积和所述经济价值信息计算标记了淹没信息的区域的经济损失值。上述程序设计可快速估计洪水带来的经济损失。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种洪水风险预测***，其特征在于包括河网概化图绘制模块(010)、围片区划分模块(020)、重要设施图层制作模块(030)、堤防高程图层绘制模块(040)、沿程水位信息计算模块(050)、淹没水深图绘制模块(060)；
所述河网概化图绘制模块(010)，根据流域信息绘制得到河网概化图，所述流域信息包括流域地形、水系结构、水流走向，所述河网概化图反映河流的轮廓；
所述围片区划分模块(020)，在所述河网概化图周围划定若干围片区，所述围片区与堤防工程相邻；
所述重要设施图层制作模块(030)，获取所述围片区内基础设施的高程数据作为基础高程信息，将所述基础高程信息进行网格化得到基础高程网格信息；
所述堤防高程图层绘制模块(040)，获得所述河网概化图范围内的每隔设定距离间隔测定的堤防工程的高程测量数据作为堤防高程信息，将所述堤防高程网格信息化得到堤防高程网格信息；
所述沿程水位信息计算模块(050)，通过河网水位计算策略计算得到流域内不同时刻不同工况的沿程河道断面水位，将所述沿程河道断面水位进行网格化得到水位网格信息，单个所述水位网格信息与单个所述堤防高程网格信息的网格大小相同；
所述淹没水深图绘制模块(060)，若所述水位网格信息小于或等于同一地理位置的所述堤防高程网格信息，则对应所述围片区内不标记淹没信息，若所述水位网格信息大于同一地理位置的所述堤防高程网格信息，则对比对应围片区内所述基础高程网格信息与所述水位网格信息的大小，若所述基础高程网格信息大于或等于所述水位网格信息，则对应区域不标记淹没信息；若所述基础高程网格信息小于所述水位网格信息，则对应区域标记淹没信息并根据所述基础高程网格信息与所述水位网格信息的差值确定淹没深度信息。
2.根据权利要求1所述的一种洪水风险预测***，其特征在于，所述河网水位计算策略包括获得实时水雨数据和河道参数数据，所述实时水雨数据反映站点水位或流量过程，提供模型初始边界条件，所述河道参数数据包括流量系数、主槽糙率、左岸糙率、右岸糙率、江心洲糙率、局部水头损失和断面间距，根据所述实时水雨数据得到上边界河道断面水位和下边界河道断面水位，将上边界断面和下边界断面分成若干个沿程断面，根据所述河道参数数据得到河道内断面参数，将所述下边界河道断面水位、所述河道内断面参数和上边界河道断面的流量输入水力学模型得到与所述下边界河道断面水位相邻的沿程断面水位作为沿程河道断面水位，将所述沿程断面水位作为新的下边界河道断面水位输入水力学模型得到与新的下边界河道断面水位相邻的沿程断面水位作为新的沿程河道断面水位，直至新的沿程河道断面与上边界河道断面对应，将计算得到的新的沿程断面水位作为上边界河道断面计算值，若所述上边界河道断面水位与所述上边界河道断面计算值的差值小于预设的水位差值阈值，则输出所述沿程河道断面水位，若所述上边界河道断面水位与所述上边界河道断面计算值的差值大于或等于预设的水位差值阈值，则修改所述上边界河道断面流量直至所述上边界河道断面水位与所述上边界河道断面计算值的差值小于预设的水位差值阈值：所述水力学模型为：
Figure FDA0003162815280000021
其中，Z为沿程河道断面水位；Z2为下边界河道断面水位；ξ为河段的局部阻力系数；α为动能修正系数；g为重力加速度；V2为下边界河道断面流速；V1为沿程河道断面流速；Q为上边界河道断面流量；K为流量模数；ΔS为下边界河道断面与沿程河道断面的距离。
3.根据权利要求1所述的一种洪水风险预测***，其特征在于，在所述重要设施图层制作模块(030)中，获取所述围片区内基础设施的特征点的高程数据作为所述基础高程信息。
4.根据权利要求1所述的一种洪水风险预测***，其特征在于，在所述堤防高程图层绘制模块(040)中，根据测得的堤防工程的高程测量数据,沿堤线等间距内插生成固定长度堤段及相应高程数据作为所述堤防高程信息，将断面水位进行加密生成固定间隔的水位值作为所述沿程河道断面水位，所述沿程河道断面水位和所述堤防高程信息的地理位置对应。
5.根据权利要求1所述的一种洪水风险预测***，其特征在于，洪水风险预测***还包括淹没面积计算模块(070)，统计标记了淹没信息的区域的水位信息网格的数量得到淹没面积，当所述淹没范围未涵盖整个水位网格信息时，若所述淹没范围涵盖面积大于单个水位网格信息面积的一半则认为所述淹没范围涉及整个水位网格信息。
6.根据权利要求5所述的一种洪水风险预测***，其特征在于，洪水风险预测***还包括经济损失估算模块(080)，将所述围片区根据乡镇分界线分割为若干乡镇区，将所述乡镇去根据建筑边界或田地边界分为若干经济价值区，每一所述经济价值区具有对应的经济价值信息，根据所述淹没面积和所述经济价值信息计算标记了淹没信息的区域的经济损失值。
7.根据权利要求1所述的一种洪水风险预测***，其特征在于，在所述淹没水深图绘制模块(060)中，将所述淹没水深信息进行分级，不同级别的淹没水深信息对应的标记颜色不同。
8.根据权利要求1所述的一种洪水风险预测***，其特征在于，洪水风险预测***还包括水位数据库，所述水位数据库中存储有流域内若干不同流量时不同断面的实测水位信息，
在所述沿程水位信息计算模块(050)中，将所述水位数据库中的数据采用河网水位计算策略对其进行训练以得到对应流域的水力学模型。
9.根据权利要求8所述的一种洪水风险预测***，其特征在于，每隔1～2年或对应流域的河床断面变化后，重新训练一次所述水力学模型。
10.根据权利要求8所述的一种洪水风险预测***，其特征在于，根据不同洪水频率训练不同的水力学模型。
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