[发明专利]一种基于水力学模拟的河道泄洪预警方法

说明书

本发明公开了一种基于水力学模拟的河道泄洪预警方法，涉及河道洪水演算及预警领域，由于水库泄水与河道天然流量过程存在明显差异，本发明在对河道构建一维水力学模型的基础上，根据模型模拟所得到的各断面水位序列，自动辨识提取水库泄水导致的洪水起涨时间、洪峰到达时间及对应的起涨水位、峰值水位。本发明适用于河道的水力学模拟和洪水传播时间、量级预测，具有通用性且操作简单易行，可以根据水工建筑的泄水计划或天然河道的水文预报演算洪水传播过程，为下游区域的防灾减灾提供预警信息。

技术领域

本发明涉及河道洪水演算及预警领域，尤其涉及一种基于水力学模拟的河道泄洪预警方法。

背景技术

河道洪水演算是指通过构建河道水力学模型，输入洪水来临时河段的上下游流量(或水位)作为边界条件，对其中各个断面的流量、水位、水深等水力要素进行模拟。洪水预警是指根据计算模拟或以往经验，预估洪水的来临时间和量级，对保障沿河人类活动、生产生活极为重要。洪水演算和预警技术在水资源管理、水库调度、水利工程规划运行、防洪减灾等领域应用广泛。

对洪水预警而言，最重要的依据是待预警位置(即某一河道断面)的水位(或流量)随时间的变化过程，由于水位测量相对于流量测量更加直观、精确，下文中仅以水位为例说明预警方法。无论是由数值模拟还是实际测量得到的断面水位变化过程，都是“时间”与“水位”一一对应构成的二元序列。从这样的二元序列中通过合理方法提取洪水起涨和洪峰到达等特征时刻，进而读取对应的水位数值，就能够为下游防洪预警提供关于“洪水何时到达，涨到多高”的有效且量化的信息。

现有的洪水过程特征时间判定方法主要经验性的，往往采用将模拟等方法得出的“水位-时间”关系绘制为曲线，根据人工目测曲线转折点的方法判断洪水起涨、洪峰到达时刻。

现行方法存在的主要问题在于，一般情况下水位序列曲线是连续、光滑的，并不具有绝对的转折点，而只是在洪水起涨时水位上升速度较快，洪峰到达时水位上升速度趋缓。因此，基于人工经验判断的洪水起涨、洪峰到达时刻存在主观偏差，不同的人、甚至同一人不同次判断得出的结论可能不一致，缺乏精确、量化的判断标准，给判断结果带来了较大的偶然误差，使其可靠性降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于水力学模拟的河道泄洪预警方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于水力学模拟的河道泄洪预警方法，主要包括如下步骤：

S1，收集河道的河床地形数据，根据人工泄水规划或水文预报确定洪水来临时河道上下游两端的边界条件；

S2，构建数值模型，开展模型计算，得到河道内洪水流量和水位的演进过程；

S3，对于需要研究的断面，基于上一步骤中计算的洪水演进过程信息，根据需要研究的断面位置插值得到需要研究的断面流量随时间的变化过程；

S4，根据断面流量的时间序列，自动判断洪水来临时该位置洪水起涨和洪峰到达的时间和量级，为下游防灾措施提供依据。

优选地，步骤S1中所述河床地形数据包括DEM高程数据，无人机高程数字影像和河床断面地形数据。

优选地，步骤S2中构建数值模型采用一维圣维南方程，计算圣维南方程数值的方法采用Pressiman四点差分隐格式进行圣维南方程数值计算；

以上各式中，M代表插值点的空间位置，f代表被插值的物理量，x代表空间坐标，θ代表插值系数，上标n代表时间步序号，下标j代表空间网格序号，Δx代表空间步长。