水文预报经验相关图实现程序化查算方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910390704.7 (22)申请日 2019.05.10 (71)申请人 广东省水文局韶关水文分局 地址 512000 广东省韶关市武江区芙蓉北 四路8号 (72)发明人 刘敏周艏赖壹许小娟 (74)专利代理机构 北京国坤专利代理事务所 (普通合伙) 11491 代理人 赵红霞 (51)Int.Cl. G06F 17/50(2006.01) (54)发明名称 一种水文预报经验相关图实现程序化查算 方法 (57)摘要 本发明公开了一种水文预报经验相关图实 现程序化查算方法。

2、， 涉及水文预报技术领域， 提 出的三步耦合法， 是一种可以使水文经验相关图 这一传统技术向现代方式发生转变的通用解决 方法。 通过相关图象限的分割、 旋转、 关联和节点 数值化处理， 建立每个单象限图的三变数函数R f(P， Pa)。 程序化查算时， 以某象限的自变量P 值和对应参变量Pa值查读该象限的节点数值摘 录表， 获取P值和Pa值的两邻近节点数值， 再通过 多次的线性插值， 求出因变量R值， 将其作为下一 象限的自变量P值， 再根据下一象限对应的参变 量Pa和该象限的节点数值摘录表求出另一因变 量R值， 并以此R值作为再下一象限的自变量P值， 依次类推， 最后得出所需的预报值。 权利。

3、要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 110110449 A 2019.08.09 CN 110110449 A 1.一种水文预报经验相关图实现程序化查算方法， 其特征在于， 包括： 获取水文经验相关图， 并根据所述水文经验相关图， 建立水文经验相关图的直角坐标 系， 建立所述直角坐标系的公用轴线， 分别为X轴和Y轴； 根据直角坐标系， 以所述X轴和所述Y轴为分界线， 将水文经验相关图划分为多个象限， 分别为第一象限、 第二象限、 第三象限和第四象限； 分别赋予X轴和Y轴虚拟数值刻度， 且保持所述第一象限、 第二象限、 第三象限和第四象 限中任意相邻的两个象限公用轴线虚拟数值刻度不变； 以X。

4、轴和Y轴的交点为旋转中心分别将第二象限逆时针旋转270 、 第三象限逆时针旋转 180 、 第一象限逆时针旋转90 ， 依次将第二象限、 第三象限和第四象限旋转至第一象限的 位置； 建立第一象限的三变数函数Rf(P， Pa)， 其中P为自变量且对应第一象限Y轴的虚拟刻 度值， Pa为参变量且对应曲线条顶端端点值， R为因变量且对应第一象限X轴的虚拟刻度值， 对第一象限进行节点数值化处理， 取第一象限内某点M点在第一象限中所在位置由自变量P 值和参变量Pa按不同情况、 不同比例插值求出因变量R值， 即M点对应的第一象限X轴的虚拟 刻度值； 建立旋转至第一象限处的第四象限的三变数函数Rf(P， P。

5、a)， 以M点的R值作为第四象 限Y轴的虚拟刻度值P值， 结合第四象限的参变量Pa， 求出对应的第四象限X轴的虚拟刻度值 R值； 建立旋转至第一象限处的第三象限的三变数函数Rf(P， Pa)， 以所述对应的第四象限 X轴的虚拟刻度值R值作为第三象限Y轴的虚拟刻度值P值， 结合第三象限的参变量Pa， 求出 对应的第三象限X轴的虚拟刻度值R值， 即为所需的预报值。 2.根据权利要求1所述的一种水文预报经验相关图实现程序化查算方法， 其特征在于： 所述节点线平行于X轴， 且数量为多条。 3.根据权利要求1所述的一种水文预报经验相关图实现程序化查算方法， 其特征在于： 当所述M点在曲线条Pa1上即Pa。

6、Pa1时： 若M点与曲线条Pa1某个节点B重合即PP1， 则M点RRB； 若M点P已知在曲线条两邻近节点B、 A之间即P1PP2时， 由P1、 P、 P2按直线比例内插出M 点R值， 即 4.根据权利要求3所述的一种水文预报经验相关图实现程序化查算方法， 其特征在于： 当所述M点在两邻近曲线条Pa1Pa2之间即Pa1PaPa2时： 若M点在某条节点线P1上即PP1， 由Pa1、 Pa、 Pa2按直线比例内插出M点R值， 即 若M点在两邻近节点线P1P2之间即P1PP2， 先根据M点P值在曲线条Pa1上找出两邻 近节点A(P2， RA)、 B(P1， RB)， 由P1、 P、 P2按直线比例内插。

7、出一个E点，得 到E点坐标(Pa1， RE)， 然后再根据M点P值在曲线条Pa2上也找出两邻近节点D(P2， RD)、 C(P1， 权利要求书 1/2 页 2 CN 110110449 A 2 RC)， 由P1、 P、 P2按直线比例内插出一个F点，得到F点坐标(Pa2， RF),最 后由Pa1、 Pa、 Pa2按直线比例内插出M点R值， 即 5.根据权利要求4所述的一种水文预报经验相关图实现程序化查算方法， 其特征在于： 获取所述M点对应单一象限的R值需要N次， 所述N3。 6.根据权利要求5所述的一种水文预报经验相关图实现程序化查算方法， 其特征在于： 获取所述M点对应多象限的R值需要KN。

8、次， 所述K为多象限对应的象限数量， 所述N3。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110110449 A 3 一种水文预报经验相关图实现程序化查算方法 技术领域 0001 本发明涉及水文预报技术领域， 具体涉及一种水文预报经验相关图实现程序化查 算方法。 背景技术 0002 水文经验相关图预报方法是一种传统的洪水水文预报方法， 是最早出现在我国洪 水预报上的最常用、 研究最多的实用型经验方法， 也是最原始的水文预报技术手段之一， 具 有操作直观、 信息量大、 使用灵活方便、 精度较高、 高度概化流域洪水特征等特点。 它以经验 点据定线， 是对大量的各种各样错综复杂情况下水文监测数据的统计分析。

9、和科学归纳， 以 及大量预报经验的积累和运用， 既具有一定的理论依据， 又以大量实测水文资料为基础， 并 能充分结合本流域的河流水文特性， 而且当下垫面等流域特性发生改变时， 还可根据实际 发生的情况随时进行方案修订， 是我国水文预报人员长期实践工作经验的总结和凝练， 是 一种行之有效、 预报精度较高的常用洪水作业预报方法。 其成果表现形式和种类繁多， 多以 图表形式展示， 通常是单象限或多象限与单一线条或多线簇组合成图， 汇编装订成各种纸 质图册。 在过去相当长的时间里， 因受查算工具的限制， 水文预报人员在使用纸质方案图集 时， 一直处于手工查算、 眼睛估读的原始状态， 存在工作效率低下、。

10、 人为主观任意性较大的 弊端。 人工查线读数对于单一线图来说问题不大， 但如果是单象限多线簇图， 而且数据点在 两线条之间， 目估本身就存在一定的视觉误差， 人为主观任意性大， 特别在查读多象限多线 簇复杂相关图预报方案时， 人工查线读数就十分地吃力， 这种原始的人工查线读数方法极 大地限制了水文预报经验相关图方法的发展使用。 发明内容 0003 根据以上现有技术的不足， 本发明所要解决的技术问题是提出一种水文预报经验 相关图实现程序化查算方法， 提出采用单象限三变数查算法、 象限分割旋转关联法和公用 轴线虚拟刻度法三步耦合的方法， 将纸质版的水文经验相关图预报方案图集实现人工精确 快速查算以。

11、及计算机程序化查算的通用解决方法。 0004 一种水文预报经验相关图实现程序化查算方法， 包括： 0005 获取水文经验相关图， 并根据所述水文经验相关图， 建立水文经验相关图的直角 坐标系， 建立所述直角坐标系的公用轴线， 分别为X轴和Y轴； 0006 根据直角坐标系， 以所述X轴和所述Y轴为分界线， 将水文经验相关图划分为多个 象限， 分别为第一象限、 第二象限、 第三象限和第四象限； 0007 分别赋予X轴和Y轴虚拟数值刻度， 且保持所述第一象限、 第二象限、 第三象限和第 四象限中任意相邻的两个象限公用轴线虚拟数值刻度不变； 0008 以X轴和Y轴的交点为旋转中心分别将第二象限逆时针旋。

12、转270 、 第三象限逆时针 旋转180 、 第一象限逆时针旋转90 ， 依次将第二象限、 第三象限和第四象限旋转至第一象 限的位置； 说明书 1/7 页 4 CN 110110449 A 4 0009 建立第一象限的三变数函数Rf(P， Pa)， 其中P为自变量且对应第一象限Y轴的虚 拟刻度值， Pa为参变量且对应曲线条顶端端点值， R为因变量且对应第一象限X轴的虚拟刻 度值， 对第一象限进行节点数值化处理， 取第一象限内某点M点在第一象限中所在位置由自 变量P值和参变量Pa按不同情况、 不同比例插值求出因变量R值， 即M点对应的第一象限X轴 的虚拟刻度值； 0010 建立旋转至第一象限处的。

13、第四象限的三变数函数Rf(P， Pa)， 以M点的R值作为第 四象限Y轴的虚拟刻度值P值， 结合第四象限的参变量Pa， 求出对应的第四象限X轴的虚拟刻 度值R值； 0011 建立旋转至第一象限处的第三象限的三变数函数Rf(P， Pa)， 以所述对应的第四 象限X轴的虚拟刻度值R值作为第三象限Y轴的虚拟刻度值P值， 结合第三象限的参变量Pa， 求出对应的第三象限X轴的虚拟刻度值R值， 即为所需的预报值。 0012 可选的， 所述节点线平行于X轴， 且数量为多条。 0013 可选的， 当所述M点在曲线条Pa1上即PaPa1时： 0014 若M点与曲线条Pa1某个节点B重合即PP1， 则M点RRB；。

14、 0015 若M点P已知在曲线条两邻近节点B、 A之间即P1PP2时， 由P1、 P、 P2按直线比例内 插出M点R值， 即 0016 可选的， 当所述M点在两邻近曲线条Pa1Pa2之间即Pa1PaPa2时： 0017 若M点在某条节点线P1上即PP1， 由Pa1、 Pa、 Pa2按直线比例内插出M点R值， 即 0018 若M点在两邻近节点线P1P2之间即P1P0线的延线交P的截距为D(流域土壤缺水 量)； 0043 (3)在P和R取同一比例时， PaIm线与横坐标的夹角略大于45度线； 0044 (4)由于超渗产流和局部蓄满产流， 也就是说， 末满足流域平均土壤缺水量就产 流， 因此曲线下端。

15、曲率较大， 上端由于土壤渐趋饱和而逐渐趋于直线且与PaIm平行； 0045 (5)在同一流域平均径流深R下， Pa越小产流面积就越小， 所需的雨量就越大， 因此 曲线下端的曲率随着Pa的减小而增大； 0046 (6)在同一Pa情况下， P越大， 径流系数a越大。 0047 具体的， 要实现对降雨径流经验相关图的预报值查算， 包括以下步骤： 说明书 4/7 页 7 CN 110110449 A 7 0048 S1)根据线簇中曲线条弯曲程度， 由低到高用节点线按合理间隔(疏密)依序建立 节点线， 如图1所示， 节点线平行于X轴， 且数量为多条， 并从左至右提取每条节点线与各曲 线条的交点横坐标， 。

16、建立一个第一行为参变量Pa值、 第一列为自变量P值(节点线)、 其余各 行列为对应P值节点线与Pa值曲线条交点横坐标R值(因变量)组成的节点数值化摘录表， 如 下图表1； 0049 表1站点PPaR节点数值化摘录表 0050 P/PaIR0102030405060708090100 00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.00.0 100.00.20.50.70.91.21.41.61.92.12.3 200.40.91.41.92.53.03.54.04.65.15.6 301.01.92.73.54.45.26.06.97.78.59.4 402.03.24.35.56。

17、.67.88.910.111.212.413.6 503.14.66.07.59.010.512.013.414.916.417.9 604.36.18.09.811.713.515.417.219.120.922.8 807.410.012.515.117.720.222.825.427.930.533.1 10011.514.818.121.424.728.031.334.637.941.244.5 12016.320.224.228.132.136.140.044.048.051.955.9 15024.429.334.339.244.149.053.958.863.768.673.5 。

18、20039.846.152.558.965.271.677.984.390.797.0103.4 25059.366.874.482.089.597.1104.7112.2119.8127.4135.0 30080.088.797.4106.2114.9123.6132.3141.1149.8158.5167.2 350100.7110.6120.5130.4140.3150.1160.0169.9179.8189.7199.5 0051 S2)利用单象限三变数查算法， 用该象限内某M点的Pa值与节点数值化摘录表中第 一行参变量各值比较大小， 确认该点(如图1中M点， Pa、 P己知， 求R)。

19、在相关图上的横向位置， 是在某曲线条Pal上(即PaPal)还是在两邻近曲线条PalPa2之间(即PalPaPa2)， 假 如： 0052 在曲线条Pal上(即PaPal)： 若M点与曲线条Pal某个节点B重合(即PP1)， 则M 点RRB； 若M点(P己知)在该曲线条两邻近节点B、 A之间(即P1PP2)时， B(P1， RB)、 A(P2， RA) 己知， 可由P1、 P、 P2按直线比例内插出M点R值即 0053 在两邻近曲线条PalPa2之间(即PalPaPa2)： 若M点在某条节点线P1上(即P P1)， 即相当于曲线条Pal节点B(Pal， RB)、 M点(Pa己知)、 曲线条Pa。

20、2节点C(Pa2， RC)三点在 同一条节点线P上， 由Pa1、 Pa、 Pa2按直线比例内插出M点R值即若M点 在两邻近节点线P1P2之间(即P1PP2)， 此时有PalPaPa2和P1PP2， 需完成3次直线比 例内插才能求出M点R值。 首先根据M点P值在曲线条Pa1上找出两邻近节点A(P2， RA)、 B(P1， RB)， 由P1、 P、 P2按直线比例内插出一个E点(P、 Pa1已知， 求)， 得到E点坐 标(Pa1， RE)， 然后再根据M点P值在曲线条Pa2上也找出两邻近节点D(P2， RD)、 C(P1， RC)， 由 说明书 5/7 页 8 CN 110110449 A 8 P。

21、1、 P、 P2按直线比例内插出一个F点(P、 Pa2已知， 求)， 得到F点坐标 (Pa2， RF),此时即相当于E点(Pa1， RE)、 M点(Pa已知)、 F点(Pa2， RF)三点在同一条虚拟节点线 P上， 可以由Pa1、 Pa、 Pa2按直线比例内插出M点R值即完成一个单象限 相关图查值最多需插值3次。 0054 该步骤同样适合用于其他的单象限水文经验相关图。 0055 显然， 前期影响雨量Pa是影响降雨径流关系最主要的因素， 因为流域的产流决定 于非饱和带的物理特性， 而前期影响雨量的物理含意是土壤含水量， 它反映了非饱和带土 壤的物理性质， 但它不是唯一的因素， 在有些情况下， 。

22、其它因素不可忽略。 除了前期影响雨 量以外， 季节、 降雨历时、 流域平均雨强等也不同程度地影响着降雨径流关系。 因此， 降雨径 流经验关系曲线有各种形式， 同样地可以建立函数关系， 例如产流量Rf(次雨量P， 前期影 响雨量Pa， 季节， 温度)、 Rf(前期影响雨量Pa， 洪水起涨流量Q0)和考虑雨强的超渗式关系 曲线形式， 还可建立多变数相关图。 0056 多变数相关图在水文预报相关图中是以多象限水文相关图形式表达， 要实现多象 限相关图程序化查算， 可采用单象限三变数查算法、 象限分割旋转关联法和公用轴线虚拟 刻度法三步耦合来完成。 0057 象限分割旋转关联法:在实现多象限图的程序化。

23、查算前， 要将多象限图分割成多 个单象限图， 并逐个将各象限图旋转至第一象限位置后再做节点数值化处理， 最后通过公 用轴线将相邻两个象限图关联起来。 这种对象限的分割、 旋转、 关联处理方法， 称为象限分 割旋转关联法。 0058 公用轴线虚拟刻度法： 在多象限的水文经验相关图中， 所有的公用轴线通常没有 任何物理代表意义而没有赋予相应的数值刻度， 在进行象限的节点数值化处理时， 我们就 要赋予每个公用轴线一个虚拟数值刻度(如方格纸每大格线代表10个单位， 小格线代表1个 单位)， 且保持相邻两个象限公用轴线虚拟数值刻度不变， 这种对每个公用轴线都赋予一个 虚拟数值刻度来传输中间变量的处理方法。

24、， 称为公用轴线虚拟刻度法。 0059 请参阅图3， 该图为某处站点的洪峰水位预报图， 要实现对该站点的洪峰水位预报 图的预报值查算， 具体的， 包括以下步骤： 0060 S1)建立该水文经验相关图的直角坐标系， 建立直角坐标系的公用轴线， 分别为X 轴和Y轴； 0061 S2)根据直角坐标系， 以X轴和Y轴为分界线， 将水文经验相关图划分为多个象限， 分别为第一象限、 第二象限、 第三象限和第四象限， 对于多象限水文经验相关图而言， 有几 个象限就分为几个； 0062 S3)利用公用轴线虚拟刻度法， 分别赋予X轴和Y轴虚拟数值刻度， 且保持第一象 限、 第二象限、 第三象限和第四象限中任意相。

25、邻的两个象限公用轴线虚拟数值刻度不变； 0063 S4)利用象限分割旋转关联法， 以X轴和Y轴的交点为旋转中心分别将第二象限逆 时针旋转270 、 第三象限逆时针旋转180 、 第一象限逆时针旋转90 ， 依次将第二象限、 第三 象限和第四象限旋转至第一象限的位置； 0064 S5)利用单象限三变数查算法， 建立第一象限的三变数函数Rf(P， Pa)， 其中P为 自变量且对应第一象限Y轴的虚拟刻度值， Pa为参变量且对应曲线条顶端端点值， R为因变 说明书 6/7 页 9 CN 110110449 A 9 量且对应第一象限X轴的虚拟刻度值， 对第一象限进行节点数值化处理， 取第一象限内某点 M。

26、点在第一象限中所在位置由自变量P值和参变量Pa按不同情况、 不同比例插值求出因变量 R值， 即M点对应的第一象限X轴的虚拟刻度值； 0065 S6)建立旋转至第一象限处的第四象限的三变数函数Rf(P， Pa)， 以M点的R值作 为第四象限Y轴的虚拟刻度值P值， 结合第四象限的参变量Pa， 求出对应的第四象限X轴的虚 拟刻度值R值； 0066 S7)建立旋转至第一象限处的第三象限的三变数函数Rf(P， Pa)， 以对应的第四 象限X轴的虚拟刻度值R值作为第三象限Y轴的虚拟刻度值P值， 结合第三象限的参变量Pa， 求出对应的第三象限X轴的虚拟刻度值R值， 即为所需的预报值， 等于说是以某第一、 第。

27、二象 限公用轴线的虚拟刻度值作为初始值结合第一参变量按单象限三变数相关图查算方法获 得第一、 四象限图公用轴线的虚拟刻度A值， 同样以A值结合第二参变量获得第四、 三象限图 公用轴线的虚拟刻度B值， 以B值结合第三参变量获得第二、 第三象限图的虚拟刻度B值C值， 即得所求预报值， 完成一个多象限相关图查算最多需关联KN次插值， K为多象限对应的象限 数量， 述N3。 依次类推， 对于单象限的水文经验图， 也是采用上述步骤， 只是省去了S4、 S6 和S7对应的步骤， 而对于出现最多四个象限扩展到更多个的多象限水文经验相关图， 也可 以通过此步骤实现查算预报值。 0067 综上所述， 本发明的优。

28、点在于： 本发明技术提出采用单象限三变数查算法、 公用轴 线虚拟刻度法和象限分割旋转关联法， 将纸质版的水文经验相关图预报方案图集实现计算 机程序化查算的通用解决方法， 实现了水文经验相关图的预报自动化， 使这一传统技术向 现代方式转变。 经线条节点数值化处理后， 连接水文实时水雨情遥测库， 依次获取初始值和 各象限参变量， 可以实现类同水文模型般的自动化洪水预报。 本方法不仅可以有效避免目 估误差和人为查读的主观任意性， 提高预报人员工作效率， 将水文经验相关图查线读数由 最多四个象限扩展到更多个， 不再受限于最多四个参考因子， 该技术方案必将推动和促进 水文经验相关图预报方法的进一步发展及。

29、应用。 0068 需要说明的是， 本发明实施例中所有使用 “第一” 和 “第二” 的表述均是为了区分两 个相同名称非相同的实体或者非相同的参量， 可见 “第一”“第二” 仅为了表述的方便， 不应 理解为对本发明实施例的限定， 后续实施例对此不再一一说明。 0069 由技术常识可知， 本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方 案来实现。 因此， 上述公开的实施方案， 就各方面而言， 都只是举例说明， 并不是仅有的。 所 有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。 说明书 7/7 页 10 CN 110110449 A 10 图1 说明书附图 1/3 页 11 CN 110110449 A 11 图2 说明书附图 2/3 页 12 CN 110110449 A 12 图3 说明书附图 3/3 页 13 CN 110110449 A 13 。