一种基于水文模拟建立中小河流洪水气象风险等级指标的方法（可编辑）

一种基于水文模拟建立中小河流洪水气象风险等级指标的方法（可编辑） 一种基于水文模拟建立中小河流洪水气象风险等级指 标的方法 暴雨灾害第 卷 第 期. 年 月 张亚萍,刘德,廖峻,等.一种基于水文模拟建立中小河流洪水气象风险等级指标的方法.暴雨灾害, , : ?, ,, . ?., , : 一 种基于水文模拟建立中小河流洪水气象风险等级指标的方法 张亚萍 ,刘德 ,廖 峻 ,周 奇 ,田茂举 .重庆市气象台,重庆 ;.重庆市綦江区气象局,重庆 摘 要:提出一种基于水文模拟建立中小河流洪水气象风险等级临界累积面雨量指标简称气象风险等级指标的方法,由 水位一流量曲线估计不同风险等级相应的临界参考流量,将 年 月? 月 綦江五岔、东溪、石角水文站的 : 报汛流量和雷达联合地面雨量计估测的流域面雨量作为 降水一径流模型率定时的流量和降水输入;在水文模拟的基础上,选取年峰值流量过程, 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 不同的小时面雨量序列进行水文模拟,得到峰值流量与流 域累积面雨量的关系,根据临界参考流量,建立不同气象风险等级的临界累积面雨量指标;用年相应流域洪峰过程对 所建立的指标进行检验。结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,利用气象风险等级指标推断的风险等级与实际洪峰对应的风险等级较为一致。 关键词:气象风险;临界雨量; ;定量降水估测;洪水 中图法分类号:文献标志码: :.. . ? . . . ,, , , . : .: . ? . : , . . . . ? . . :; ; ;; 强降水造成。对于有水位、流量等监测资料的中小河 引 言 流,可通过水文模拟方法,在进行洪水气象风险等级 中小河流洪水气象风险等级指标的确定是进行 指标确定时考虑流域的水文响应。如, 气象风险等级预报的基础工作之一。崔讲学等 利用 等根据水位一流量曲线,利用历史上洪峰发生前的流 气象卫星、常规气象观测、中尺度水情观测资料,分析 量资料和雨量资料主要为雨量计资料,少量个例用到年汉江秋汛气象水文特征表明,汉江上游洪水流 天气雷达资料,结合水文模拟,进行了中小河流洪水 临界降水阈值研究未作分级。一方面,如果实际业 量差与区域降水累积值有很好的相关,洪峰由区域性 收稿日期:? ;定稿日期: ? 资助项目:公益性行业气象科研专项、 】 ;重庆市科技攻关 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目 , 第一作者:张亚萍,主要从事天气预报、大气探测和遥感应用技术研究。 . / 暴雨灾害 第 卷 务中已对某中小河流建立了实时水文模拟系统,根据 积,警戒水位.,保证水位.。 实时监测的雨量资料有可能的情况下结合降水预报 石角水文站设在綦江右 岸支流蒲河上,控制流域面积 可及时得到流域出口的模拟流量,结合水位一流量曲 ,警戒水位 .,保证水 位. 。 线即可进行洪水气象风险预警。但在尚未建立实时 水文模拟系统时,洪水气象风险指标是发布预警的重 要参考。另一方面,很多中小河流并无水文监测资 料,对有水文监测资料的流域进行洪水气象风险等级 临界累积面雨量指标简称气象风险等级指标的研究 并与地理信息结合,是进一步研究无水文监测资料流 域洪水气象风险指标的重要基础。。 雷达联合地面雨量计估测降水,能很好地体现一 个区域降水的空间变异性,获得更高空间分辨率的降 图 綦江五岔控制站以上流域河网分布图 水分布~。研究表明 ,将雷达联合雨量计估测降水 作为降水一径流模型的降水输人,在提供精确的流量 降水一径流模拟 估计方面是有价值的。进一步的研究还包括利用定 . 模拟流程 量降水预报和集合降水预报等结合水文模型进行中 图 为 径流模拟流程 。在进行 小流域洪水预报试验” 。同时,精确的流量预报还 要求有一个基于降水数据输入的、能预报流域出口流降水一径流模拟之前, 需要提取流域地形 特征,包括地形指数分布和河道出口距离面积分布。 量的降水一径流模型。 是由英国里兹大学于 世纪 地形指数越大的地方, 越容易产流,地形指数分布可 看成是流域河道的另一种表现形式。河道出口距 年代开发并得到不断发展、完善的半分布式流域水文 离面积分布决定流域的汇流过程, 假定流 模型” 。由于该模型结构简单、优选参数少、物理概念 域表面流的汇流速度为常数,距离流域出口相同的格 明确,在集总式和分布式流域水文模型之间起到承上 点上的产流同时到达流域出口,距离相同的格点具有 启下的作用。 自问世以来,在国内外得到 的面积大小控制流域 口的流量。对于确定的流域。 广泛应用” 。 其地形指数分布和河道出口距离面积分布是固定不 本文利用重庆市綦江五岔控制站以上流域含流 变的。在模拟径流时,把流域面雨量和蒸散发时间序 域内的东溪流域和石角流域的气象和水文监测资料, 列输入 模型,可以得到流域出口的流量序 基于 水文模型,建立五岔、东溪和石角 列。为了评价模拟结果的优劣,将实测流量过程和模 个流域的洪水气象风险等级指标,以期为预报员进行 拟流量过程比较,计算各种目标函数,利用目标函数 洪水气象风险等级预报提供参考。 率定模型参数。 研究区域 綦江为长江右岸支流,其流域位于贵州省北部与 重庆市西南部接壤地区 。綦江发源于贵州省习水县 仙源镇黄瓜垭,由南向北流,于重庆市江津区支坪街道 ?沱场汇入长江。河长 ,流域面积 , 天然落差 ,多年平均流量.?~。綦江流 域地处贵州高原向四川盆地东南边缘的过渡带,地势 由南向北倾斜,东部略高于中、西部。 五岔水文站为綦江流域控制站,流域面积 。, 警戒水位 . ,保证水位 . 。五岔以上还 分布有东溪、石角和松坎水文站,其中,五岔、东溪、石 角站位于重庆市,松坎站位于贵州省。图 为綦江五 图 径流模拟流程 岔控制站以上流域以及东溪、石角水文站以上流域河 . 模型输入资料 网分布图。东溪水文站设在綦江干流上,控制流域面 利用: ,数字第 期 张亚萍等:一种基于水文模拟建立中小河流洪水气象风 险等级指标的方法高程模型资料,将数字高程流域水系模型和流域边界划分其结 果详见图 ,并计算?模型输入所需的綦江五岔流域地形指数分布图,又称 一以 及五岔、东溪、石角河道出口距离面积分布图 作为数字地形分 析工具,对五岔、东溪和石角流域河网水系进行识别、 、 。 河道距出 距离/? 恒 河道距出口距离/河道距出口距离/冈 綦江五岔流域地形指数分布以及五岔、东溪、石角河道出口距离面积单位: 分布 将 年 月 日一 月 日五岔、东溪和石角 映的是水面蒸发能力,与实际蒸发之问存在一蒸发系 流域 口 : 时北京时,下同报汛流量作为? 数。统计结果表明,史灌河流域的蒸发系数为 . , 而淠河灌区靠近史灌河流域,在进行望城岗站小时蒸发降水一径流模型率定时的流量。降水输入来 源于雷达联合地面雨量计定量降水估测 ? 序列统计时,蒸发系数也取. 。蒸发器遇上结冰时不 :由中国气象局短时临近 参加统计。在进行上述处理后,得到 年望城岗站蒸 发量与小时气温关系,并将其移用到本文研究区域,选 预报系统 .输出时间分辨率 、空问分辨率 . 。× . 。的 择各流域中部的一个自动站小时温度序列进行蒸发序 列反演,作为 模型的蒸发输入。 ,将流域范围内各个格点值取平均后得到 . 模型参数率定 各流域小时面雨量序列只对各流域有明显降水过程 时计算,其余时次基于雨量计测值用距离平方反 模型参数的寻优采用蒙特卡洛方法 和人工调试相结合的 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 ,模型率定的目标函数采用 比法计算面雨量;五岔流域内及距离流域边界 范同内的雨量计测值均用于流域内每个格点雨量的 考虑模拟流量与实测流量偏差的 ? 模型 计算,雨量站密度约为每 一个雨量站。由于 效率系数 , 以 为最佳,越接近 越好。 模拟时还需输入蒸发序列,本文用中国气象局与水利 图 为东溪流域 年 月 日一 月 日的模 部合作的“淮河黄河流域暴雨洪水监测预报系统试 拟结果 :,效率系数 为 . 。东溪水文站洪峰 验”项目收集的 年安徽淠河望城岗站逐日水面蒸 出现时间为 月 日 : 。模拟洪峰流量 现时间 发量资料,并根据小时温度变化,将日蒸发序列内插成 图 也为 日 : ,模拟峰值比实测峰值偏高 小时蒸发序列。假定蒸发只在白天 : : 发 .%。五岔流域图略模拟效率系数 为 . ,洪峰 生,且蒸发量和温度变化成正比 ”,忽略夜晚的蒸发和 现时间为 月 : ,模拟洪峰流量 现时间为 凝结,利用相应站点的温度资料,以每小时温度变化为 日 : ,模拟峰值比实测峰值偏高 %,洪峰模拟误 权重,将日蒸发内插到 : : 。由于实测蒸发反 差较大与五岔流域面积较大、降水分布不均等因素有 暴雨灾害 第 卷 关。石角流域图略模拟效率系数 为 . ,洪峰出现 且仍比实测洪峰流量偏低 %,究其原因,强降水主 时问为 月 日 : ,但 : 时的模拟流量比实测洪 要分布在石角流域西部和该流域下游,模拟时将降水 峰流量偏低 %,模拟洪峰流量出现时间为 日 : , 平均到整个流域造成模拟流量偏低和模拟洪峰滞后。? 喜 斌璺时间 图 东溪流域 年 月 日~ 月 日模拟结果 , :与 月 日 :卜 日 : /时流量模拟 图 中,黑线为模拟流量,红线为报汛流量,蓝线为甘面雨量;图 中,实线为模拟流量,柱状为小时面雨量 临界参考流量由各水文站水位一流量关系计算得到。 洪水气象风险等级指标的建立及检验 设计降水序列时图 ,将各流域 年峰值过 . 洪水气象风险等级指标的建立 程的最大小时面雨量作为设计的最大小时面雨量参 根据 年 : 报汛流量和实测水 考值,然后分别按一定的递减率向前、向后递减,递减 位,以及当年最高水位及相应流量,本文 个流域出口 率分为 %、 %、 %和 %四种,小时面雨量低于 较高水位五岔 ,东溪. ,石角 以上时以下时停止。不同递减率下又分三种 降水序列, 的水位一流量曲线基本呈线性关系,相关系数平方均 即整个降水序列、达到最大小时面雨量含该面雨量 在 . 以上图略。因此,根据各流域的水位~流量曲 以前的降水序列、从最大小时面雨量开始到降水停止 线,估计不同风险等级相应的临界参考流量。在对 的序列。将以上 个降水序列作为水文模型的降水 年资料进行 降水一径流模拟的基础 输入,得到模拟流量图 ,从而得出 个面雨量与峰 上,根据率定得到的模型参数,选取峰值流量过程,以 值流量的数值对,同时得到每种降水序列情况下的峰 该过程洪峰发生前出现连续两个时次无降水时作为 值响应时间。根据 个数值对建立峰值流量与面雨 过程起始点,然后假设不同的面雨量序列进行水文模 量的关系,计算与表 中 、 :、 相应的流域累积面 拟,得到各流域峰值流量与流域累积面雨量关系,根 雨量尼、 、 。在建立洪水气象风险等级预报指标时 据临界参考流量,建立不同风险等级的临界累积面雨 发现,若直接以 .、尺:、尼作为指标,则风险等级累积面 量指标即气象风险等级指标。 雨量指标有偏大的趋势,对应的洪水气象风险等级 若某降水序列作为水文模型输入得到的洪峰流 有偏低的趋势,一种可能原因是建立指标时假设降 量达到该流域警戒水位相应流量的 %计为临界 水均匀分布于全流域,而实际降水分布不均造成汇流 参考流量 ,时,则认为当发生这样的降水情况时该 集中导致较大峰值流量。作为探讨,引入可调参数 , 流域发生洪水的气象风险等级为“风险较高”;当达到 用以表征降水分布不均可能导致汇流集中的程度,警戒水位相应流量临界参考流量 :时,则洪水气象 代表降水均匀分布于全流域, 越小表示降水分布不 风险等级为“风险高”;当达到警戒水位 保证水 均导致汇流集中的可能性越大。将尺。、尺:、 ,乘以系 位一警戒水位/ 的相应流量临界参考流量 ,时,则 数 后得出洪水气象风险等级预报指标 、 、 。本 洪水气象风险等级为“风险很高”。表 给出 个水文 站不同洪水气象风险等级对应的临界参考流量,表中 表 五岔、东溪和石角水文站不同气象 风险等级对应的临界参考流量 水文站 临界参考流量/ , 图 降水序列设计方法示意图第 期 张亚萍等:一种基于水文模拟建立中小河流洪水气象风险等级指标的方法? 如加暑 富 ? 邑 腥 血喜 恒 嫣曹 型?, 昌 皿疋】】 窿 皿删 旧 面 言 煺 ? 加 ? 如 们/ 窿 言、/ ?/軎陧恒苔? 时间/ 时问/ 图 以 年 月 日五岔洪峰过程为基础得到的五岔流域设计小时面雨量 序列柱状及 模拟流量折线。最大小时面雨量取 递减率 %; 递减率 %; 递减率 %; 递减率 %。红色、黑色 和蓝色分别表示仅向前递减、同时向前向后递减和仅向后递减的情况 文暂取 . ,个例检验表明见本文第. 节,用该参 间相对较长,峰值流量相 对较小。 表 五岔、东溪和石角流域的平均峰值响应时间与 数调整后的洪水气象风险等级指标推断的风险等级 洪水气象风险等级指标尸,累积面雨量 与实际洪峰对应的风险等级较为一致。在实际工作 中可根据降水分布对 进行调整,若降水较均匀地分 布于全流域,可将系数 调整为接近 ,若强降水集中 于流域中的某一区域,结合河网分布判断有可能导致 汇流集中,则 值可取得较小。对 值的确定方法,今 注: 、 、 分别为风险较高、风险高、风险很高的气象风险 后需要收集更多个例并根据流域河网分布等特征作 等级对应的累积面雨量 进一步研究。 根据表 中的结果, 年 月 日五岔洪峰过程 图 为以 年 月 日五岔洪峰过程为基础得 到的峰值流量与流域累积面雨量关系,设计的最大小 累积面雨量 时面雨量 大于开始,小于 时面雨量为。由图 可见,当用 次曲线拟合 结束为 . ,达到“风险很高” 等级指标,实测 降水结束后 出现洪峰,超过保证水位 .,属“风 时,两者的相关系数平方达到了 .。 险很高”级别。 月 日东溪洪峰 累积面雨量为 ,. ,达到“风险高”等级指标,实测降水结束时出 鲁 色 现洪峰,低于警戒水位 . ,属“风险较高”级别。呵噩 月 日石角洪峰 累积面雨量为 ,达到“风险 彗 很高”等级指标,实测降水结束时出现洪峰,高于警戒 越 水位. ,低于保证水位 . ,属于“风险很高”级 累积面雨量/别。 冈 以年 月 日五岔洪峰过程为基础 . 洪水气象风险等级指标检验 得到的峰值流量与流域累积面雨量关系 利用年五岔、东溪、石角的洪峰过程对所建 表 为 个水文站的平均峰值响应时间和洪水气 立的洪水气象风险等级指标进行检验。 象风险等级指标 各等级对应的累积面雨量 。、 、年 月 日 : ,五岔出现 洪峰水位。洪 。模拟过程中发现,当累积面雨量相同时,假设降 峰过程 累积面雨量 月 日 ::为 水逐渐增大但达到最大面雨量后降水停止,则峰值响‘ ,其小时面雨量分别 为 . 、 . 、 . 、 . 、 . 、 应时间相对较短,峰值流量相对较大;假设面雨量在 . 、 . 、 . 、 . 、 . 、 . 、 . 、 . 、 . ,达到“风险 开始即达到最大,然后降水逐渐减小,则峰值响应时 很高”的等级指标。由小时面雨量变化可知 ,最强降 暴雨灾害 第 卷 水主要发生在降水过程的开始阶段,降水结束后 等级与实际洪峰对应的风险等级较为一致,可作为预 出现洪峰,超保证水位 . ,属“风险很高”级别,表 报员进行中小河流洪水气象风险预警的参考。但由 明根据气象风险指标得到的气象风险级别与实际洪 于降水时空分布等因素的影响,在实际业务应用时还 峰对应的气象风险等级一致。另外, 月 日 : ? 需预报员作出主观订正。: 累积面雨量为 . ,达到“风险较高”等级指 结论与讨论 标, : : 累积面雨量为 . ,达到“风险 高”等级指标, : : 累积面雨量为 . ,达 本文根据重庆市綦江五岔、东溪和石角水文站的 到“风险很高”等级指标。本文定义的最高风险等级 水位一流量曲线估计不同风险等级相应的临界参考流 量。将 年 月 日一 月 日上述三个水文站的 是指洪水水位在警戒水位以上、保证水位以下,因此 根据洪水风险等级指标,在 : 时即可得到五岔流: 报汛流量和雷达联合雨量计估测的流域面雨量 域洪水气象风险等级属“风险很高”。 作为 降水一径流模型率定时的流量 和降水 年 月 日 : ,东溪出现洪峰水位。洪 输入。利用率定得到的模型参数,选取 年峰值流 峰过程累积面雨量 月 日 : :为 量过程,设计不同的面雨量序列进行水文模拟,得到. ,其小时面雨量分别为 . 、 . 、 . 、 . 、 . 、 峰值流量与流域累积面雨量的关系,根据临界参考流 . 、 . 、 . 、 、 . 、 . 、 . 、 . 、 . ,达到“风险 量,建立不同气象风险等级的临界累积面雨量指标。 很高”等级指标。由小时面雨量变化可知,最强降水 利用年相应流域洪峰过程对所建立的指标进行 主要发生在降水过程的开始阶段,降水结束前 出 检验,得到如下结论: 现洪峰,超警戒水位. ,达. ,属“风险高” 利用气象风险等级指标推断的风险等级与实 际洪峰对应的风险等级较为一致。 级别。根据气象风险指标得到的气象风险级别高于 实际洪峰对应的气象风险等级,但实际水位仅低于定 在实际预报工作中,可根据实况监测达到的洪 义的“风险很高”水位 . 。另外, 月 日 : 水气象风险等级指标,结合降水实际演变情况发布洪 : 累积面雨量为 . ,达到“风险较高”等 水气象风险等级预警,并随时注意是否需要升级。在 级指标, 月 日 : : 累积面雨量为 . 应用该指标时,还需结合河网分布,考虑降水分布情 ,达到“风险高”等级指标, : : 累积面雨 况对洪峰大小、峰值时间的影 响。 量为 . ,达到“风险很高”等级指标,因此根据洪 本文在建立洪水气象风险等级指标时,没有考 水气象风险等级指标,在: 就可得到东溪流域洪水 虑降水的时空分布。例如,强降水集中发生在某一时 气象风险等级属“风险很高”。 月 日 :: 段,与降水均匀发生在整个降水过程中所导致的洪峰 累积面雨量已达 ,若能根据降水预报,考虑到后 时间和峰值流量必然不同。降水集中发生在流域中 面降水还将持续一段时间,则 : 即可得出“风险较 某一区域,与平均发生在全流域所导致的洪峰时问和 高”, : 可得出“风险很高”。 峰值流量又会有很大不同。因此,今后还需考虑降水 时空分布特征,以完善洪水气象风险等级指标的确定 年 月 日 : ,石角出现洪峰水位。洪 方法。 峰过程 累积面雨量 月 日 : ? : 为 本文的完成,得益于英国兰喀斯特大学教授 ? . ,其小时面雨量分别为. 、 . 、. 、 、 . 、 提供的 模型版本 . 、 、 . 、 . 、 . 、 、 . 、 . 、 . 、 .,达到 和 版的 源程序 . ,在此 “风险很高”等级指标。由小时面雨量变化可知,最强 表示衷心感谢 降水主要发生在降水过程中问时段,降水结束后约 出现洪峰,超保证水位 .,属“风险很高”级别。根 参考文献: 据气象风险指标得到的气象风险级别与实际洪峰对应 【 崔讲学,徐双柱,王仁乔,等.年汉江秋汛气象水文特征分析 暴 的气象风险等级一致。另外, 月 日 :?: 累 雨灾害, ,:积面雨量为 .,达到“风险较高”等级指标, 『, , . : 【】. 。 : ? : 累积面雨量为 . ,达到“风险高”等 . :? 级指标, : : 累积面雨量为 .,已达“风张建云,何惠.应用地理信息进 行?资料地区流域水文模拟研究 水 险很高”等级指标。 科学进展,, : ? 刘苏峡,夏军,莫兴国.无资料流域水文预报计划研究进 展 .水 通过以上 次洪峰过程的检验发现,采用本文提 利水电技术, ,: 出的方法建立的洪水气象风险等级指标推断的风险