[发明专利]一种基于降雨空间分布的临界雨量估算方法

权利要求书

1.一种基于降雨空间分布的临界雨量估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，估算水文响应单元中每一个栅格单元中的汇流流速；

步骤2，基于每一个栅格单元中的汇流流速，得到流域中的汇流时间栅格；

步骤3，对站点观测的逐时段雨量数据进行空间插值，得到降雨空间分布栅格，并结合汇流时间栅格得到逐时段的动态雨量指标；

步骤4，统计洪水过程中洪峰发生前的累积动态雨量指标；

步骤5，统计洪水过程开始前一天的张力水含量饱和度，即初始土壤含水量饱和度；

步骤6，判断洪水是否为超警洪水，制作多次洪水的累积动态雨量指标-初始土壤含水量饱和度散点图，并标出超警洪水对应的点，结合超警洪水对应的点画出临界雨量线；

所述步骤1的具体步骤如下：

步骤1.1，利用流域的数字高程模型数据、即DEM数据计算出流域中每一个栅格单元的坡度、流向和汇流累计值，得到坡度栅格、流向栅格和汇流累计栅格：

以栅格单元Cell为中心，通过周围栅格单元的高程值与该栅格单元的高程值的对比，找出与其相比最低的栅格单元Cell_D，并计算Cell和Cell_D之间的高程差DH_max和水平投影距离Dis，结合DH_max和Dis计算栅格单元Cell的坡度S：

S＝DH_max/Dis

将Cell作为出流栅格单元，Cell_D作为入流栅格单元，入流栅格单元汇流累计值加1，逐栅格循环，计算出每一个栅格单元中的汇流累计值Acc；

同时依据Cell和Cell_D之间的相对位置关系，采用D8流向法确定Cell中的流向；

遍历流域中每一个栅格单元，得到坡度栅格Raster_Slope、流向栅格Raster_Dir和汇流累计栅格Raster_Acc；

步骤1.2，结合流域资料和卫星影像确定面积汇流阈值，并提取流域中的河道栅格；

结合流域实际自然地理情况，设置面积汇流阈值T，将Raster_Acc中Acc高于T的栅格单元判定为河道栅格单元，否则认为该栅格单元为坡面栅格单元；将提取得到的河道栅格单元的位置和卫星影像中的实际河道位置相对比，反复调整T，使得提取出来的河道栅格单元的位置与卫星影像中的实际河道的位置基本重合，并提取出流域中的河道栅格Raster_River；

步骤1.3，估算每一个坡面栅格单元中的汇流速度；

V_p＝K×q^0.5×S_p^0.125

式中，V_p为坡面栅格中的汇流速度；q为坡面栅格中的单宽流量，在降雨过程中以逐时段内的降雨量为输入，通过Green—Ampt方法计算得到；S_p为坡面栅格中的坡度；K为预先设定的第一经验系数阈值；

步骤1.4，估算每一个河道栅格单元中的汇流速度；

V_r＝a×A^ε×S_r^β

式中：V_r为河道栅格单元中的汇流速度；A为河道栅格单元中的累计汇流面积，S_r为河道栅格单元中的坡度；a、ε、β分别为预先设定的第二、第三、第四经验系数阈值；

所述步骤2的具体步骤如下：

步骤2.1，结合水文响应单元中每一个栅格单元的边长Csize以及该栅格单元的流向计算水流在该栅格单元中运动时所经过的路径的长度Clenth；栅格单元中的流向为1、2、3、4、5、6、7、8时栅格单元的流向分别为东，东南，南，西南，西，西北，北，东北；

若栅格单元中的流向为1、3、5、7，则：

Clenth＝Csize

若栅格单元中的流向为2、4、6、8，则：

步骤2.2，结合每一个栅格单元中的Clenth以及汇流速度计算水流经过该栅格单元所需要的时间Ctime；

在坡面栅格中：

在河道栅格中：

步骤2.3，依据Raster_Dir中每一个栅格单元内的流向，将水流从栅格单元Cell出发，运动到水文响应单元的出口时需要经过的栅格单元依次连接起来得到该栅格单元的汇流运动路径Path，并将水流经过Path中各个栅格单元所需要的时间累加得到水流从Cell出发运动到水文响应单元出口所需要的时间，即汇流时间Htime：

式中：N为汇流运动路径Path中栅格单元的总数；i为汇流运动路径Path中栅格单元的编号，从1到N；Ctime_i为水流经过Path中编号为i的栅格单元所需要的时间；

步骤2.4，根据各个栅格单元的汇流时间，得到汇流时间栅格Raster_Htime；

所述步骤3的具体步骤如下：

步骤3.1，采用反距离权重插值的方法对站点观测的逐时段雨量数据进行空间插值，得到逐时段变化的降雨空间分布栅格Raster_Rain；

步骤3.2，结合汇流时间栅格Raster_Htime与降雨空间分布栅格Raster_Rain计算流域的动态雨量指标Index_P，得到流域中逐时段变化的动态雨量指标：

式中，Index_P_tp为tp时段内流域的动态雨量指标；F为流域中栅格单元的总数，k为大于等于1且小于等于F的整数；P_k,tp为tp时段内流域内编号为k的栅格单元的降雨；Htime_k为流域内编号为k的栅格单元的汇流时间，即水流从该栅格单元出发到达流域出口所需的时间；τ为流域平均汇流时间，即主要降雨结束到洪峰出现之间的间隔时间；AveP_tp是tp时段内流域内各雨量站点观测雨量的算术平均值。