[发明专利]一种适用于半干旱半湿润地区的洪水预报方法

权利要求书

1.一种用于半干旱半湿润地区的基于改进双超模型的洪水预报方法，其特征在于：包括：基于GIS平台对研究区DEM数据进行前期处理，根据斯特拉勒Strahler河流分级法获取子流域地貌特征参数；并基于地貌特征参数建立子流域R-V地貌瞬时单位线RGIUH；然后以地貌瞬时单位线法替代双超模型中的汇流计算方法构建双超-RGIUH模型，仍以双超产流模块进行产流计算，而以RGIUH汇流模块替代原汇流模块进行流域汇流计算，实现流域洪水过程模拟；洪水预报模型在参数率定后，用于进行半干旱半湿润地区的洪水预报。

2.根据权利要求1所述的用于半干旱半湿润地区的基于改进双超模型的洪水预报方法，其特征在于：基于GIS平台对研究区DEM数据进行前期处理的具体步骤如下：

(1)为保证水流方向判断正确、保证水流流出栅格，首先基于ArcGIS软件对原始数字高程DEM数据进行填洼处理，生成无洼地DEM；采用D8单流向算法计算水流方向，识别洼地区域，通过统计洼地区域的最低高程进而计算洼地深度，并分析洼地形成原因是否为数据误差；对于数据误差造成的洼地，需设置合理的阈值，对小于该阈值的洼地进行填充处理；该步骤需要进行多次；

(2)根据水流方向，将流域内每一个流向栅格汇聚的水量相加，获取整个流域的汇流累积量；

(3)生成河网：根据流域实际情况设定一个适当的栅格单元阈值，当栅格的汇流累积量大于该阈值则生成栅格河网，小于该阈值则生成汇流栅格，将所有的栅格河网汇聚连接就生成了整个流域的河网水系。

3.根据权利要求1所述的用于半干旱半湿润地区的基于改进双超模型的洪水预报方法，其特征在于：所述根据斯特拉勒Strahler河流分级法获取子流域的地貌特征参数的具体步骤如下：

(1)基于生成的河网水系，根据Strahler河流分级法定义河流级别，从河源出发的河流为1级，同级别河流交汇所形成的河流增加1级，不同级别河流交汇以其中级别较高者作为河流级别；

(2)获取各级别河流属性数据，并计算河数率、河长率、面积率：

河数率：R_B＝N_i-1/N_i,i＝2,3,…,ε；

河长率：

面积率：

式中，N_i为i级河流的数目，为i级河流的平均长度，为i级河流的流域平均面积，ε为水系最高级河流的级别。

4.根据权利要求1所述的用于半干旱半湿润地区的基于改进双超模型的洪水预报方法，其特征在于：所述基于地貌特征参数建立子流域的地貌瞬时单位线RGIUH的具体步骤如下：

(1)确定初始概率：A_i为排入i级河流的流域面积；A_ε为全流域面积；

(2)确定河流状态转移概率：

式中，δ_i+1,j为指示函数，当i+1＝j时，δ_i+1,j取1，否则取0；Ni、N_j分别为第i、j级河流的数目；N_a、N_a-1分别为第a、a-1级河流的数目；

(3)路径概率：其中为水质点处于初始状态的概率，为水质点从状态x_k-1转移到状态x_k的概率，即转移概率；

(4)将水质点到达出口断面时所花费的时间记为为水质点在各状态的持留时间；所有路径集合下总T_S的概率密度函数即为地貌瞬时单位线RGIUH的表达式：

其中，s＝<x₁,x₂,…,x_k>，S＝{s₁,s₂,…}为所有路径的集合，星号*为卷积运算符号，为的概率密度函数，采用为拟合线型，其中τ_i为水质点在状态x_i的平均持留时间的倒数，即水质点在i级河流上的汇流时间的倒数，其中V为河流平均流速，为i级河流平均长度。

5.根据权利要求1所述的用于半干旱半湿润地区的基于改进双超模型的洪水预报方法，其特征在于：所述以RGIUH改进双超模型中的汇流模块，构建双超-RGIUH模型，仍以双超产流模块进行产流计算，而以RGIUH汇流模块替代原汇流模块进行流域汇流计算，实现流域洪水过程模拟的步骤包括：先通过双超产流模块计算地表径流、壤中流和地下径流以及蒸散发，再通过RGIUH汇流模块以RGIUH法进行地表径流的汇流计算、线性水库法进行壤中流及地下径流的汇流计算，得到流域出口断面径流过程，具体步骤如下：

(1)双超产流模块——地表径流计算：步骤如下：

1)根据雨前土壤含水率θ₀及土壤孔隙率n计算雨前充水度B₀：B₀＝θ₀/n；

2)设定虚构微元的土壤物理参数初始值：风干土壤的吸收率S_r(mm/h^1/2)、土壤的饱和导水率Ks、土壤孔径级配参数c，取值一般为3～6，入渗能力归一化分配曲线参数：b、α₀；

3)计算虚构微元第1时段可能入渗量△F_m，假定降雨开始时刻t＝t₀＝0，计算式为：

式中，为流域充水度，Δt为计算时段长；

4)根据时段有效降水量△P'计算有效供水度x＝△P’/△F_m；

5)计算流域时段入渗量和地表径流深△F₀和△R_S：

△F₀＝η(x)·△F_m，△R_S＝△P'-△F₀

式中η(x)为反映入渗量大小的供渗函数，计算式如下：

其中，b、α₀为入渗能力归一化分配曲线的参数，α₀为反映流域产流临界雨强的参数，b为曲线指数；

6)计算虚构微元累积入渗量：计算虚拟微元自0到第i时段的累积入渗量：

将F_m,i代入式F_m(t)计算式，求解下一时段计算△F_m的起始时刻t_0,i：

式中，

7)令t＝t₀，计算下一时段入渗量△F_m；

8)重复步骤4)～7)至降雨结束，得到地表径流过程；

(2)双超产流模块——壤中流和地下径流计算：双超产流模块根据包气带内浅层土壤和深层土壤水分含量差异性较大的特点，把包气带从上到下细分为剧变、渐变、相对稳定、稳定四层，并用每层均含有底、侧开孔的串联填土容器水箱来模拟土壤中壤中流和地下径流的产生过程；底、侧孔时段总排水量△S_i的计算公式如下：

①当H_0,i+ΔF_i-1-ΔE_i≤H_c,i时，△S_i＝0；

②当H_0,i+ΔF_i-1-ΔE_i>H_c,i且H_0,i≤H_c,i时，

③当H_0,i+ΔF_i-1-ΔE_i>H_c,i且H_0,i>H_c,i时，

则侧、底孔时段排水量分别为：

△R_I,i＝δ_i△S_i i＝1,2,3,4；△F_i＝(1-δ_i)△S_i i＝1,2,3,4

因此，壤中流之和为：△R_I＝∑δ_i△S_i i＝1,2,3,4

地下径流为：△R_G＝△F₄

式中，△S_i为时段总排水量，i为土层号，H_0,i为时段初土壤含水量，H_c,i为i土层的田间持水量，mm；△E_i为i土层的时段蒸发量，mm；α_i为i土层的排水系数，它是反映层自由水排水量的大小指数，△F_i-1为i-1土层向i层的下渗水量(mm)，δ_i为侧向排泄份额系数；

(3)双超产流模块——蒸散发计算：双超模型蒸散发计算模块只考虑最上面两层的土壤蒸发；土壤蒸发能力ΔE'_m计算式为：

式中：△P'为有效降雨强度；

按照先上层后下层的蒸散发顺序，每层先进行重力自由水的蒸发计算，然后再进行张力水的蒸发计算，上下层的土壤蒸散发ΔE₁、ΔE₂的计算公式是：

式中，G_i＝θ_i/θ_c,i；G_r＝θ_r/θ_c；θ_i、θ_c,i、θ_r分别为第i层容器土壤含水率、饱和含水率和凋萎含水率；ΔE₁,ΔE₂分别为第1，2层土壤蒸发量；G_i≤1表示第i层容器中土壤水分为张力水，否则容器内为自由水；

(4)RGIUH汇流模块进行汇流计算：以RGIUH汇流模块替代原汇流模块进行流域汇流计算，即地表径流汇流采用RGIUH法，根据壤中流及地下径流退水较慢的特点，二者汇流计算采用线性水库法，汇流计算公式为：

QS(t)＝RS(t)*RGIUH

QI(t)＝CI×QI(t-1)+(1-CI)×RI(t)×U

QG(t)＝CG×QG(t-1)+(1-CG)×RG(t)×U

Q(t)＝QS(t)+QI(t)+QG(t)

式中，QS(t)、QI(t)、QG(t)分别为地表径流、壤中流、地下径流的总入流，RS(t)、RI(t)、RG(t)分别为产流模块中输出的地表径流、壤中流、地下径流产流量，U为单位折算系数，U＝F(km²)/3.6Δt(h)，CI及CG分别为壤中流及地下径流消退系数，RGIUH为推求的地貌瞬时单位线RGIUH，Q(t)为流域总出流；

(5)双超-RGIUH模型参数率定与验证，包括产流参数土壤最大吸渗率S_r，土壤饱和导水率K_s，土壤孔径级配参数c，流域归一化曲线指数b，临界雨强因子α₀，土层排水系数α_i，侧向排泄份额系数δ_i，汇流参数地下径流消退系数CG、壤中流消退系数CI、河流的平均流速V；基于实测资料率定出一套合适的参数取值，完成洪水预报模型的本地化构建，并以此进行流域洪水模拟预报。