本發(fā)明涉及水文水資源，具體涉及一種考慮土壤濕度狀態(tài)的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

1、對于水庫防洪安全，通常采用水庫抗暴雨能力預(yù)報(bào)實(shí)現(xiàn)防洪預(yù)警。水庫抗暴雨能力概念由水利部提出，是指水庫在當(dāng)前流域下墊面、水庫水位、水庫調(diào)度方式情況下可以安全承受多少暴雨量的能力。通過預(yù)報(bào)當(dāng)前狀況下水庫的抗暴雨能力，可以完善水庫調(diào)度方案，及時(shí)發(fā)布水庫預(yù)警，減少水庫由于調(diào)度不及時(shí)而出現(xiàn)的潰壩或下游淹沒的風(fēng)險(xiǎn)。從水庫抗暴雨能力的概念可以看出，流域下墊面的土壤濕度狀態(tài)的不確定性對于水庫抗暴雨能力計(jì)算存在較大的影響，但受限于土壤濕度觀測不足，以往的水庫抗暴雨能力計(jì)算中往往忽視了這一關(guān)鍵要素。近年來，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，我們能夠更加準(zhǔn)確地監(jiān)測和評(píng)估流域的下墊面條件，尤其是土壤濕度這一關(guān)鍵因素。土壤濕度直接影響著降水的入滲和地表徑流量，進(jìn)而影響洪水的形成和演變。傳統(tǒng)的洪水預(yù)報(bào)模型往往難以準(zhǔn)確模擬土壤濕度的動(dòng)態(tài)變化，尤其是在缺乏實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況下。而遙感技術(shù)的引入，為解決這一問題提供了新的途徑。

2、本申請?zhí)岢隽艘环N考慮土壤濕度狀態(tài)的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法，該方法可以實(shí)現(xiàn)更為準(zhǔn)確可靠的水庫抗暴雨能力計(jì)算，為水庫調(diào)度和防洪安全管理提供科學(xué)指導(dǎo)。對于提高我國洪澇災(zāi)害應(yīng)對能力、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種考慮土壤濕度的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法，以提高水庫防洪安全可靠性。

2、本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種考慮土壤濕度的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法，包括如下步驟：

3、s100：獲取地形、土壤、植被、氣象、實(shí)測降水、實(shí)測水位、實(shí)測出庫流量數(shù)據(jù)；

4、s200：基于s100的水位、出庫流量數(shù)據(jù)，結(jié)合水位-庫容曲線，基于水量平衡原理進(jìn)行入庫流量反推；

5、s300：基于s100和s200獲得的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建vic水文模型作為入庫洪水預(yù)報(bào)模型，并完成模型參數(shù)率定；

6、s400：根據(jù)水庫調(diào)度章程，構(gòu)建水庫調(diào)度模型；

7、s500：耦合入庫洪水預(yù)報(bào)模型和水庫調(diào)度模型，實(shí)現(xiàn)水庫水位模擬預(yù)報(bào)；

8、s600：構(gòu)建水庫抗暴雨能力模型；

9、s700：獲取smap遙感土壤濕度數(shù)據(jù)，與vic模型進(jìn)行數(shù)據(jù)同化，更新當(dāng)前流域土壤濕度狀態(tài)；

10、s800：基于更新土壤濕度狀態(tài)后的vic模型，開展入庫洪水預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)考慮當(dāng)前土壤濕度的水庫抗暴雨能力計(jì)算。

11、優(yōu)選的，所述s100具體包括：收集涵蓋流域范圍內(nèi)的dem數(shù)據(jù)；收集流域內(nèi)的土壤類型、土壤質(zhì)地等數(shù)據(jù)；收集流域內(nèi)植被類型、植被覆蓋率等數(shù)據(jù)；獲取觀測氣象數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等；獲取實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)，利用泰森多邊形方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格降水插值；獲取水庫水位時(shí)間序列數(shù)據(jù)；獲取水庫實(shí)測出庫流量數(shù)據(jù)。

12、優(yōu)選的，所述s200具體包括：根據(jù)s100步驟獲得的水位、出庫流量數(shù)據(jù)，獲取水庫的水位-庫容曲線，根據(jù)水量平衡原理，進(jìn)行入庫流量反推，獲得實(shí)測入庫流量時(shí)間序列。

13、優(yōu)選的，所述s300具體包括：基于s100步驟和s200步驟處理后的數(shù)據(jù)，構(gòu)建目標(biāo)流域的vic水文模型，采用人工調(diào)參和rosenbrock自動(dòng)優(yōu)化算法相結(jié)合的方法，確定vic水文模型的最優(yōu)化參數(shù)，以率定后的vic模型作為入庫洪水預(yù)報(bào)模型。

14、優(yōu)選的，所述s400具體包括：獲取水庫特征參數(shù)和水庫防洪調(diào)度規(guī)則，進(jìn)一步構(gòu)建水庫調(diào)度模型，確定不同入庫流量狀態(tài)下的出庫流量過程。

15、優(yōu)選的，所述s500具體包括：耦合s300步驟構(gòu)建的入庫洪水預(yù)報(bào)模型和s400步驟構(gòu)建的水庫調(diào)度模型，根據(jù)水位-庫容曲線進(jìn)行水庫水位模擬預(yù)報(bào)。

16、優(yōu)選的，所述s600具體包括：選定流域典型暴雨過程，根據(jù)同倍比縮放方法設(shè)定不同量級(jí)的設(shè)計(jì)暴雨過程，根據(jù)s500步驟獲取不同量級(jí)設(shè)計(jì)暴雨下的水庫水位過程，確定降雨總量和最高水位關(guān)系曲線，基于降雨總量和水庫最高水位關(guān)系曲線進(jìn)一步構(gòu)建水庫抗暴雨能力模型。

17、優(yōu)選的，所述s700具體包括：根據(jù)目標(biāo)流域地理位置，獲取smap遙感土壤濕度數(shù)據(jù)，采用集合卡爾曼濾波算法將vic模擬土壤濕度和smap遙感土壤濕度數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)同化，更新當(dāng)前流域土壤濕度狀態(tài)值。

18、優(yōu)選的，所述s800具體包括：利用s700步驟完成土壤濕度狀態(tài)更新，開展入庫洪水預(yù)報(bào)，然后基于s600步驟構(gòu)建的水庫抗暴雨能力模型進(jìn)行水庫抗暴雨能力計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果用于水庫調(diào)度和防洪管理。

19、本發(fā)明的有益效果：

20、該發(fā)明專利提供了一種考慮土壤濕度狀態(tài)的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法，具有顯著的有益效果：通過引入vic水文模型和smap遙感土壤濕度數(shù)據(jù)，并結(jié)合數(shù)據(jù)同化技術(shù)，該方法動(dòng)態(tài)更新流域土壤濕度狀態(tài)，顯著提高了入庫洪水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)了對水庫抗暴雨能力的評(píng)估精度。通過耦合入庫洪水預(yù)報(bào)模型和水庫調(diào)度模型，能夠模擬和預(yù)測不同暴雨情景下的水庫水位變化，為水庫調(diào)度方案的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)，確保調(diào)度決策的及時(shí)性和有效性。利用更新的土壤濕度狀態(tài)和設(shè)計(jì)暴雨過程，構(gòu)建水庫抗暴雨能力模型，能夠更精確地預(yù)測水庫在不同暴雨強(qiáng)度下的承受能力，為防洪安全管理提供有力支持，減少潰壩或下游淹沒的風(fēng)險(xiǎn)。該方法基于遙感技術(shù)和水文模型，能夠適應(yīng)不同地理環(huán)境和流域特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的普適性和適應(yīng)性，能夠在不同類型的水庫和流域中推廣應(yīng)用，有效解決了傳統(tǒng)洪水預(yù)報(bào)模型難以準(zhǔn)確模擬土壤濕度動(dòng)態(tài)變化的問題，填補(bǔ)了土壤濕度觀測不足的空白，對于提升我國洪澇災(zāi)害應(yīng)對能力、保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。綜上所述，該發(fā)明專利提供了一種更為準(zhǔn)確可靠的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法，為水庫調(diào)度和防洪安全管理提供了科學(xué)指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

技術(shù)特征：

1.一種考慮土壤濕度狀態(tài)的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土壤濕度狀態(tài)的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法，其特征在于，所述s100具體包括：收集涵蓋流域范圍內(nèi)的dem數(shù)據(jù)；收集流域內(nèi)的土壤類型、土壤質(zhì)地等數(shù)據(jù)；收集流域內(nèi)植被類型、植被覆蓋率等數(shù)據(jù)；獲取觀測氣象數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等；獲取實(shí)測降水?dāng)?shù)據(jù)，利用泰森多邊形方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格降水插值；獲取水庫水位時(shí)間序列數(shù)據(jù)；獲取水庫實(shí)測出庫流量數(shù)據(jù)。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土壤濕度狀態(tài)的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法，其特征在于，所述s200具體包括：根據(jù)s100步驟獲得的水位、出庫流量數(shù)據(jù)，獲取水庫的水位-庫容曲線，根據(jù)水量平衡原理，進(jìn)行入庫流量反推，獲得實(shí)測入庫流量時(shí)間序列。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土壤濕度狀態(tài)的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法，其特征在于，所述s300具體包括：基于s100步驟和s200步驟處理后的數(shù)據(jù)，構(gòu)建目標(biāo)流域的vic水文模型，采用人工調(diào)參和rosenbrock自動(dòng)優(yōu)化算法相結(jié)合的方法，確定vic水文模型的最優(yōu)化參數(shù)，以率定后的vic模型作為入庫洪水預(yù)報(bào)模型。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土壤濕度狀態(tài)的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法，其特征在于，所述s400具體包括：獲取水庫特征參數(shù)和水庫防洪調(diào)度規(guī)則，進(jìn)一步構(gòu)建水庫調(diào)度模型，確定不同入庫流量狀態(tài)下的出庫流量過程。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土壤濕度狀態(tài)的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法，其特征在于，所述s500具體包括：耦合s300步驟構(gòu)建的入庫洪水預(yù)報(bào)模型和s400步驟構(gòu)建的水庫調(diào)度模型，根據(jù)水位-庫容曲線進(jìn)行水庫水位模擬預(yù)報(bào)。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土壤濕度狀態(tài)的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法，其特征在于，所述s600具體包括：選定流域典型暴雨過程，根據(jù)同倍比縮放方法設(shè)定不同量級(jí)的設(shè)計(jì)暴雨過程，根據(jù)s500步驟獲取不同量級(jí)設(shè)計(jì)暴雨下的水庫水位過程，確定降雨總量和最高水位關(guān)系曲線，基于降雨總量和水庫最高水位關(guān)系曲線進(jìn)一步構(gòu)建水庫抗暴雨能力模型。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土壤濕度狀態(tài)的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法，其特征在于，所述s700具體包括：根據(jù)目標(biāo)流域地理位置，獲取smap遙感土壤濕度數(shù)據(jù)，采用集合卡爾曼濾波算法將vic模擬土壤濕度和smap遙感土壤濕度數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)同化，更新當(dāng)前流域土壤濕度狀態(tài)值。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種考慮土壤濕度狀態(tài)的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法，其特征在于，所述s800具體包括：利用s700步驟完成土壤濕度狀態(tài)更新，開展入庫洪水預(yù)報(bào)，然后基于s600步驟構(gòu)建的水庫抗暴雨能力模型進(jìn)行水庫抗暴雨能力計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果用于水庫調(diào)度和防洪管理。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種考慮土壤濕度狀態(tài)的水庫抗暴雨能力計(jì)算方法。具體步驟包括：獲取地形、土壤、植被、降水、水位、出庫流量等數(shù)據(jù)；利用水位、出庫流量及水位?庫容曲線數(shù)據(jù)反推入庫流量；構(gòu)建VIC水文模型作為入庫洪水預(yù)報(bào)模型；根據(jù)水庫特征參數(shù)和水庫調(diào)度章程，構(gòu)建水庫調(diào)度模型；耦合入庫洪水預(yù)報(bào)模型和水庫調(diào)度模型；構(gòu)建水庫抗暴雨能力模型；獲取SMAP遙感土壤濕度數(shù)據(jù)，并與VIC模型進(jìn)行數(shù)據(jù)同化；基于更新土壤濕度狀態(tài)后的VIC模型，開展入庫洪水預(yù)報(bào)，實(shí)現(xiàn)考慮當(dāng)前土壤濕度的水庫抗暴雨能力計(jì)算。本發(fā)明通過動(dòng)態(tài)更新流域土壤濕度狀態(tài)，顯著提高了入庫洪水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，增強(qiáng)了水庫抗暴雨能力評(píng)估的精度，為水庫防洪調(diào)度提供了技術(shù)支撐。

技術(shù)研發(fā)人員：吳曉韜,廖庭庭,徐華亭,鄧鵬,郭宇峰,陸松柳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19