一种旱涝事件评价及预估方法与流程

1.本发明属于水文技术领域，尤其涉及一种基于区域供需水平衡和河道水文情势的旱涝事件评价及预估方法。


背景技术：

2.因气候变化及人类活动所引起的天气异常是旱涝事件频发的主要原因，具体表现为供需水平衡在局部区域上的时空异质性。而旱涝综合评价体系是对区域过往旱涝时空演变特征、驱动机制和风险评估及综合应对策略的合理性进行研究。截止到目前，旱涝评价体系的发展已经经历了以气象水文变量为主要表征因子的萌芽期，以水循环关键要素等多因子综合表征的成长期，进入到如今以3s技术和水文模型等手段进行多样化评价的发展期。而关于旱涝风险的认知也从包含危险性和易损性的二因子说逐渐转变为如今包含暴露性、敏感性、脆弱性和承载韧性的四因子说，旱涝评价体系的内涵和研究在不断深入拓展。
3.基于气候变化多情景下的旱涝风险评估及预测方法，主要是通过气候模式预估未来气象要素，通过旱涝指标进行未来区域旱涝事件的预估；另一类则是通过水文模型结合作物生长模型分析在气候变化背景下流域植被和作物生长过程的响应，但上述两种方法缺乏基于区域水分平衡和河道水文情势并考虑降雨变化、覆盖范围及其持续时间等对旱涝的影响，以及通过历史旱涝事件验证评价方式的科学性。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种旱涝事件评价及预估方法，基于区域供需水平衡和河道水文情势进行历史旱涝事件评价以及未来旱涝事件预估，解决了现有旱涝风险评估及预测方法要素考虑不足和预测准确度不足的问题。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
6.本发明提供一种旱涝事件评价及预估方法，包括如下步骤；
7.s1、基于流域历年的气象水文数据和气象要素日尺度数据，构建流域wep分布式水文模型；
8.s2、基于流域wep分布式水文模型，得到流域内历史可供水量和历史生态需水量；
9.s3、基于流域wep分布式水文模型，得到流域内未来可供水量和未来生态需水量；
10.s4、基于流域内历史可供水量、历史生态需水量、未来可供水量和未来生态需水量，得到修正后的水资源盈亏指数；
11.s5、基于修正后的水资源盈亏指数和旱涝等级划分表，得到流域内的旱涝量化评价和等级划分结果；
12.s6、基于流域内历史旱涝事件、历史旱涝评价以及流域内的旱涝量化评价和等级划分结果，验证旱涝等级划分表，得到旱涝评价体系；
13.s7、基于旱涝评价体系，分别计算历史上评价单元不同等级旱涝事件的笼罩面积占比、发生概率和持续时间，得到流域内历史旱涝事件时空演变评价结果；
14.s8、基于流域内未来可供水量、未来生态需水量和旱涝评价体系，分别计算未来不同气候下评价单元不同等级旱涝事件的笼罩面积占比、发生概率和持续时间，得到未来不同气候下流域内的旱涝事件时空演变结果，完成基于区域供需水平衡和河道水文情势的未来旱涝事件预估。
15.本发明的有益效果为：本发明提供的一种旱涝事件评价及预估方法，通过搜集区域气象水文数据，构建区域水文模型并进行参数率定，结合未来气象模式得到历史和未来作物、林地和草地生态需水，计算并量化流域历史和未来年月尺度水资源盈亏情况，而后构建旱涝指标评价体系，并用历史文献验证旱涝评价体系的合理性，最后利用未来情景下不同旱涝等级下的旱涝事件笼罩面积、发生频率和持续时间进行分析评价，本发明为改善区域供需水平衡及旱涝事件评价，促进水土保持及可持续发展做出探索。
16.进一步地，所述步骤s1包括如下步骤：
17.s11、获取流域历年的地形、土壤、土地利用和气象水文数据，并根据wep模型输入数据要求，将流域内的土壤划分为壤土、粘壤和粘土；
18.s12、基于流域内临近气象和雨量站，根据泰森多边形法将气象要素日尺度数据进行空间展布；
19.s13、基于流域历年的地形、土壤、土地利用、气象水文数据以及空间展布后的气象要素日尺度数据，构建初始wep分布式水文模型；
20.s14、对流域出口断面的年径流变化进行滑动t检验，查找突变点所处的年份，得到wep模型的预热期、率定期和验证期；
21.s15、基于wep模型的预热期、率定期和验证期，调节初始wep分布式水文模型中的叶面积指数、初始含水层厚度、植被覆盖度、初始地下水位、地表燥率和空气动力学阻抗系数对初始wep分布式水文模型率定，并以相关系数、纳什系数和相对误差为评价指标，构建流域wep分布式水文模型。
22.采用上述进一步方案的有益效果为：基于搜集的气象水文数据构建流域wep分布式水文模型，为获取区域供需水历史和未来数据提供基础。
23.进一步地，所述步骤s2包括如下步骤：
24.s21、基于流域wep分布式水文模型得到水循环要素过程值；
25.s22、基于水循环要素过程值，得到各子流域不同月份平均可供水量；
26.s23、获取流域内农作物播种日期、作物积温阈值和作物系数，并基于流域内平均日尺度气温变化数据和各子流域不同月份平均可供水量，得到农作物生育期平均长度；
27.s24、基于历年水文气象数据和彭曼计算方法，得到流域内蒸发蒸腾量；
28.s25、基于流域内蒸发蒸腾量、土地利用数据和植被类型数据，得到农作物空间分布数据；
29.s26、基于农作物空间分布数据、农作物生育期平均长度和作物系数，计算栅格单元农作物需水量；
30.s27、累加栅格单元农作物需水量，得到各子流域内农作物平均需水量：
31.32.其中，wdg表示子流域农作物平均需水量，mm；wd
gi
表示第i个栅格单元典型作物需水量，mm；s0表示栅格单元的面积大小；m2；s表示子流域面积，km2；n表示子流域内栅格的总数；
33.s28、基于流域内蒸发蒸腾量，计算得到流域内林地和草地的生态需水量：
34.wd
l
＝et
l
×
kc×ks
35.wdc＝etc×
kc×ks
[0036][0037]
其中，wd
l
和wdc分别表示林地和草地的生态需水量，mm；et
l
和etc分别表示林地和草地参照蒸腾发量，mm；ks表示土壤水分系数；s表示实际土壤含水量；sw表示土壤凋萎点；s
*
表示临界土壤含水量；kc表示植被系数，其中，乔木、灌木和草地的植被系数分别为0.62、0.5385和0.263；
[0038]
s29、基于各子流域不同月份平均可供水量、流域内林地和草地的生态需水量和各子流域内农作物平均需水量，得到流域内历史可供水量和历史生态需水量。
[0039]
采用上述进一步方案的有益效果为：基于经率定后的流域wep分布式水文模型，获取各评价单元上农作物、林地和草地的历史生态需水量，为后续评价单元的历史水资源盈亏指数的计算提供数据。
[0040]
进一步地，所述步骤s3包括如下步骤：
[0041]
s31、获取ipcc第六次评估报告提出的各温室气体排放场景下的历史年日尺度降水量、气温、湿度、风速和辐射数据，并利用bp神经网络对历史年日尺度降水量、气温、湿度、风速和辐射数据集成，得到不同排放情景下的未来气象要素数据集；
[0042]
s32、将未来气象要素数据集输入流域wep分布式水文模型，并模拟水循环要素过程值，得到流域内未来年际和年内可供水量变化数据；
[0043]
s33、重复步骤s23至步骤s28，得到流域内未来林地和草地的生态需水量以及各子流域内未来农作物平均需水量；
[0044]
s34、基于流域内未来年际和年内可供水量变化数据、流域内未来林地和草地的生态需水量以及各子流域内未来农作物平均需水量，得到流域内未来可供水量和未来生态需水量。
[0045]
采用上述进一步方案的有益效果为：基于经率定后的流域wep分布式水文模型，结合不同的气候模式，预估并获取各评价单元上农作物、林地和草地的生态需水量，为计算评价单元的未来水资源盈亏指数提供数据基础。
[0046]
进一步地，所述步骤s4包括如下步骤：
[0047]
s41、基于流域内历史可供水量和流域内未来可供水量，计算得到评价单元月尺度可供水量：
[0048]
ws＝p+δd-r-e
α
[0049]
δd＝d
rise-d
leakage
[0050]
r＝r+r
[0051]
o s
[0052]eα
＝ec+ee+ew[0053]
其中，ws表示评价单元可供水量mm；p表示评价单元总降水量，mm；δd表示地下水交换量，mm；r表示坡面总产流量，mm；e
α
表示评价单元无效蒸发量，mm；d
rise
表示上升水量，mm；d
leakage
表示深层渗漏量，mm；ro表示地表产流量，mm；rs表示壤中流量，mm；ec表示不透水域蒸发量，mm；ee表示颗间无效蒸发量，mm；ew表示水域蒸发量，mm；
[0054]
s42、基于流域内历史生态需水量和流域内未来生态需水量，计算得到评价单元月尺度需水量：
[0055]
wd＝wdg+wd
l
+wdc[0056]
其中，wd表示评价单元需水量，mm；wdg表示耕地需水量，mm；wd
l
表示林地需水量，mm；wdc表示草地需水量，mm；
[0057]
s43、基于评价单元月尺度可供水量和评价单元月尺度需水量，计算得到月尺度水资源盈亏指数：
[0058]z′
＝k
*
×
δw
[0059]
δw＝ws-wd
[0060][0061]
其中，z
′
表示月尺度水资源盈亏指数；k
*
表示未经修正的水资源盈亏修正系数；δw表示评价单元月供需水量的差值，mm；和分别表示研究评价单元在对应月份的多年平均供水量和多年平均需水量，mm；
[0062]
s44、获取各评价单元最干旱12个月的水资源盈亏量，并基于月尺度水资源盈亏指数，计算得到极端干旱平均权重：
[0063][0064]
其中，表示极端干旱平均权重；∑z表示连续极端干旱12个月后所对应的水资源盈亏指数累积值；表示各评价单元最干旱12个月的水资源盈亏量，mm，其中，i
′
＝1，2，
…
，12；
[0065]
s45、构建极端干旱平均权重与子流域月平均可供水量、子流域月平均需水量和子流域平均水资源盈亏量绝对值的回归方程，得到水资源盈亏修正系数的一次近似值：
[0066][0067]
其中，k
′
表示各子流域中水资源盈亏修正系数的一次近似值；表示子流域月平均需水量，mm；表示子流域月平均可供水量，mm；表示子流域平均水资源盈亏量绝对值，mm；
[0068]
s46、基于子流域各月多年平均水资源盈亏量绝对值的均值、流域内各月多年平均
水资源盈亏量绝对值的均值和水资源盈亏修正系数的一次近似值，计算得到修正的水资源盈亏修正系数：
[0069][0070]
其中，k
*
′
表示修正的水资源盈亏修正系数；a表示流域内各月多年平均水资源盈亏量绝对值的均值，mm；表示子流域各月多年平均水资源盈亏量绝对值的均值，mm；ki″
表示子流域水资源盈亏修正系数的一次近似值，其中，i
′
＝1,2，
…
，12；
[0071]
s47、基于修正的水资源盈亏修正系数，得到修正后的水资源盈亏指数：
[0072]
z＝k
*
′×
δw
[0073]
其中，z表示修正后的水资源盈亏指数。
[0074]
采用上述进一步方案的有益效果为：基于流域内历史可供水量、历史生态需水量以及流域内未来可供水量和未来生态需水量，即农作物、林地和草地需水量，按月尺度计算水资源盈亏指数，为水资源评价指标的计算及等级划分提供基础。
[0075]
进一步地，所述步骤s5包括如下步骤：
[0076]
s51、基于修正后的水资源盈亏指数以及水资源盈亏量与持续时间关系，构建确定旱涝指数与水资源盈亏累积值和持续时间关系模型：
[0077][0078]
其中，fdii表示第i
″
个月的旱涝指数；z
t
表示第t个月的水资源盈亏指数；
[0079]
s52、基于确定旱涝指数与水资源盈亏累积值和持续时间关系模型，得到修正后的旱涝指数：
[0080][0081]
其中，fdii″
′
表示修正后的第i
″
个月的旱涝指数；ri″
表示第i
″
个月的子流域出口流量，m3；表示统计期内第i
″
个月的径流量多年均值，m3；
[0082]
s53、基于修正后的旱涝指数和旱涝等级划分表，对流域内历史和未来的旱涝进行年尺度和月尺度上的等级划分，得到流域内的旱涝量化评价和等级划分结果。
[0083]
采用上述进一步方案的有益效果为：基于修正后的水资源盈亏指数，计算能够代表水资源评价指标的旱涝指数，并基于旱涝指数进行等级划分，为旱涝体系的验证及评价提供基础。
[0084]
进一步地，所述步骤s7包括如下步骤：
[0085]
s71、基于旱涝评价体系，计算得到历史上评价单元不同等级旱涝事件的笼罩面积占比：
[0086]
[0087]
其中，sk表示k等级旱涝事件笼罩面积占比；n
′
表示发生k等级旱涝事件的评价单元总数；aj表示j评价单元的面积，km2；a
t
表示流域总面积，km2；
[0088]
s72、基于旱涝评价体系，计算得到历史上评价单元不同等级旱涝事件的发生概率：
[0089][0090]
其中，fk表示k等级旱涝事件发生概率；nk表示统计时间段内发生k等级旱涝事件的月数；n
′
表示旱涝事件统计时段的总月数；
[0091]
s73、基于旱涝评价体系，计算得到历史上评价单元不同等级旱涝事件的持续时间：
[0092][0093]
其中，tk表示k等级旱涝事件平均持续时间，月；n
″
表示发生k等级旱涝事件的总次数；tj′
表示第j
′
次旱涝事件的持续时间，月；
[0094]
s74、基于历史上评价单元不同等级旱涝事件的笼罩面积占比、发生概率和持续时间，得到流域内历史旱涝事件时空演变评价结果。
[0095]
采用上述进一步方案的有益效果为：基于旱涝评价体系，从旱涝笼罩面积、持续时间和发生频率对历史上已经出现的旱涝事件进行复盘分析评价。
附图说明
[0096]
图1为本发明实施例中一种旱涝事件评价及预估方法的步骤流程图。
具体实施方式
[0097]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0098]
如图1所示，在本发明的一个实施例中，本发明提供一种旱涝事件评价及预估方法，包括如下步骤；
[0099]
s1、基于流域历年的气象水文数据和气象要素日尺度数据，构建流域wep分布式水文模型；
[0100]
所述步骤s1包括如下步骤：
[0101]
s11、获取流域历年的地形、土壤、土地利用和气象水文数据，并根据wep模型输入数据要求，将流域内的土壤划分为壤土、粘壤和粘土；
[0102]
本实施例中获取的气象水文数据主要为研究区域历史上1950至2022年间的降水、气温等水文气象数据，利用google earth实时遥感影像绘制流域真实河流，并利用手绘的河网烧录dem，进行dem的修正，利用arcgis将泗河流域共划分29个子流域，并使用1980年和2000年两期土地利用数据，将流域土地利用重分类为耕、林、草、水域、居工地和裸地等；通
过查阅中国土壤数据库将泗河流域土壤类型重分类为壤土：砂壤土、壤土和粉壤土；粘壤：砂质粘壤土和粘壤土；粘土等。选取泗河流域临近3个气象站和7个雨量站，利用泰森多边形法，将雨量站和气象站1963-2015年降水、气温等关键气象要素日尺度数据进行空间展布，用作模型计算单元的输入；
[0103]
s12、基于流域内临近气象和雨量站，根据泰森多边形法将气象要素日尺度数据进行空间展布；
[0104]
s13、基于流域历年的地形、土壤、土地利用、气象水文数据以及空间展布后的气象要素日尺度数据，构建初始wep分布式水文模型；
[0105]
s14、对流域出口断面的年径流变化进行滑动t检验，查找突变点所处的年份，得到wep模型的预热期、率定期和验证期；
[0106]
本实施例中，以泗河流域书院站1968至2015年还原后天然年、月径流过程为率定目标，按照先匹配年径流，后匹配月径流过程，先匹配径流量后匹配径流丰枯值的原则，基于模型参数的物理意义及其对降雨-径流过程的影响，按照自动优化结合人工试错的方式进行模型参数的调节，其中，可能突变点综合考虑流域降雨、径流变化，确定模型率定期和验证期；
[0107]
s15、基于wep模型的预热期、率定期和验证期，调节初始wep分布式水文模型中的叶面积指数、初始含水层厚度、植被覆盖度、初始地下水位、地表燥率和空气动力学阻抗系数对初始wep分布式水文模型率定，并以相关系数、纳什系数和相对误差为评价指标，构建流域wep分布式水文模型；
[0108]
本实施例中模拟流量值和实测流量值满足r2≥0.8&nse≥0.7&re≤0.05，其中，r2表示相关系数，nse表示纳什系数，re表示相对误差；
[0109]
本实施例中水文数据采用流域内唯一控制水文站点书院站1968至2015年天然年、月尺度径流过程进行模型的率定和验证，率定期和验证期年尺度实测与模拟径流r2在0.83以上，nse和re分别为0.72和0.67；月尺度实测与模拟径流量r2超过0.88，nse和re分别为0.73和0.79。
[0110]
s2、基于流域wep分布式水文模型，得到流域内历史可供水量和历史生态需水量；
[0111]
所述步骤s2包括如下步骤：
[0112]
s21、基于流域wep分布式水文模型得到水循环要素过程值；
[0113]
s22、基于水循环要素过程值，得到1950年至2022年间各子流域不同月份平均可供水量；
[0114]
本实施例中，针对全流域而言，1968-2015年泗河流域可供水量多年均值为511.3mm，占多年平均降水量的73.9％，可供水量年内分配不均匀，主要集中在6-9月，占全年可供水量的73.6％。其中，7月份流域可供水量最大，达145.1mm，占年可供水量的28.3％；
[0115]
s23、获取流域内农作物播种日期、作物积温阈值和作物系数，并基于流域内平均日尺度气温变化数据和各子流域不同月份平均可供水量，得到1950年至2022年间农作物生育期平均长度；
[0116]
本实施例中，泗河流域农作物主要为冬小麦和夏玉米，一般的冬小麦播种日期为9月下旬至十月初；夏玉米播种日期为六月上、中旬，本发明以9月下旬连续5d平均气温首次介于15-18℃的日期为冬小麦播种日期；夏玉米的适宜播种温度为20-25℃，以六月上旬连
续5d平均气温首次介于20-25℃时的日期作为夏玉米播种日期，泗河流域冬小麦生育期长度在220-250d之间，夏玉米生育期长度在80d左右；
[0117]
s24、基于历年水文气象数据和彭曼计算方法，得到流域内蒸发蒸腾量；
[0118]
s25、基于流域内蒸发蒸腾量、土地利用数据和植被类型数据，得到农作物空间分布数据；
[0119]
s26、基于农作物空间分布数据、农作物生育期平均长度和作物系数，计算栅格单元农作物需水量；
[0120]
s27、累加栅格单元农作物需水量，得到各子流域内农作物平均需水量：
[0121][0122]
其中，wdg表示子流域农作物平均需水量，mm；wd
gi
表示第i个栅格单元典型作物需水量，mm；s0表示栅格单元的面积大小；m2；s表示子流域面积，km2；n表示子流域内栅格的总数；
[0123]
本实施例中，1968至2015年，泗河流域多年平均作物需水量均值为352.1mm，占多年平均降水量的50.9％；
[0124]
s28、基于流域内蒸发蒸腾量，计算得到流域内林地和草地的生态需水量：
[0125]
wd
l
＝et
l
×
kc×ks
[0126]
wdc＝etc×
kc×ks
[0127][0128]
其中，wd
l
和wdc分别表示林地和草地的生态需水量，mm；et
l
和etc分别表示林地和草地参照蒸腾发量，mm；ks表示土壤水分系数；s表示实际土壤含水量；sw表示土壤凋萎点；s
*
表示临界土壤含水量；kc表示植被系数，其中，乔木、灌木和草地的植被系数分别为0.62、0.5385和0.263；
[0129]
s29、基于各子流域不同月份平均可供水量、流域内林地和草地的生态需水量和各子流域内农作物平均需水量，得到流域内历史可供水量和历史生态需水量。
[0130]
本实施例中，1968-2015年泗河流域可供水量多年均值为511.3mm，占多年平均降水量的73.9％；
[0131]
s3、基于流域wep分布式水文模型，得到流域内未来可供水量和未来生态需水量；
[0132]
所述步骤s3包括如下步骤：
[0133]
s31、获取ipcc第六次评估报告提出的各温室气体排放场景下的历史年日尺度降水量、气温、湿度、风速和辐射数据，并利用bp神经网络对历史年日尺度降水量、气温、湿度、风速和辐射数据集成，得到不同排放情景下的未来气象要素数据集；
[0134]
本实施例中，以isi-mip通过双线性插值和统计偏差订正后的5套全球气候模式rcp2.6、rcp4.5和rcp8.5三种排放情景数据为支撑，预估未来气候变化条件下流域旱涝事件时空变化；气候模式使用数据包括1968至2050年日尺度降水量、气温、平均相对湿度、风速和太阳总辐射等，空间分辨率为0.5
°×
0.5
°
；
[0135]
s32、将未来气象要素数据集输入流域wep分布式水文模型，并模拟水循环要素过程值，得到流域内未来年际和年内可供水量变化数据；
[0136]
s33、重复步骤s23至步骤s28，得到流域内未来林地和草地的生态需水量以及各子流域内未来农作物平均需水量；
[0137]
本实施例中，通过bp神经网络进行模型集成，建立不同排放情景未来气象要素数据集；rcp2.6、rcp4.5和rcp8.5三种排放情景条件，未来2020-2050年泗河流域总需水量多年均值较历史1968-2015年分别增加9.6％、9.9％和9.8％；
[0138]
s34、基于流域内未来年际和年内可供水量变化数据、流域内未来林地和草地的生态需水量以及各子流域内未来农作物平均需水量，得到流域内未来可供水量和未来生态需水量。
[0139]
s4、基于流域内历史可供水量、历史生态需水量、未来可供水量和未来生态需水量，得到修正后的水资源盈亏指数；
[0140]
所述步骤s4包括如下步骤：
[0141]
s41、基于流域内历史可供水量和流域内未来可供水量，计算得到评价单元月尺度可供水量：
[0142]
ws＝p+δd-r-e
α
[0143]
δd＝d
rise-d
leakage
[0144]
r＝r+r
[0145]
o s
[0146]eα
＝ec+ee+ew[0147]
其中，ws表示评价单元可供水量mm；p表示评价单元总降水量，mm；δd表示地下水交换量，mm；r表示坡面总产流量，mm；e
α
表示评价单元无效蒸发量，mm；d
rise
表示上升水量，mm；d
leakage
表示深层渗漏量，mm；ro表示地表产流量，mm；rs表示壤中流量，mm；ec表示不透水域蒸发量，mm；ee表示颗间无效蒸发量，mm；ew表示水域蒸发量，mm；
[0148]
s42、基于流域内历史生态需水量和流域内未来生态需水量，计算得到评价单元月尺度需水量：
[0149]
wd＝wdg+wd
l
+wdc[0150]
其中，wd表示评价单元需水量，mm；wdg表示耕地需水量，mm；wd
l
表示林地需水量，mm；wdc表示草地需水量，mm；
[0151]
s43、基于评价单元月尺度可供水量和评价单元月尺度需水量，计算得到月尺度水资源盈亏指数：
[0152]z′
＝k
*
×
δw
[0153]
δw＝ws-wd
[0154][0155]
其中，z
′
表示月尺度水资源盈亏指数；k
*
表示未经修正的水资源盈亏修正系数；δw表示评价单元月供需水量的差值，mm；和分别表示研究评价单元在对应月份的多年平均供水量和多年平均需水量，mm；
[0156]
s44、获取各评价单元最干旱12个月的水资源盈亏量，并基于月尺度水资源盈亏指数，计算得到极端干旱平均权重：
[0157][0158]
其中，表示极端干旱平均权重；∑z表示连续极端干旱12个月后所对应的水资源盈亏指数累积值；表示各评价单元最干旱12个月的水资源盈亏量，mm，其中，i
′
＝1，2，
…
，12；
[0159]
s45、构建极端干旱平均权重与子流域月平均可供水量、子流域月平均需水量和子流域平均水资源盈亏量绝对值的回归方程，得到水资源盈亏修正系数的一次近似值：
[0160][0161]
其中，k
′
表示各子流域中水资源盈亏修正系数的一次近似值；表示子流域月平均需水量，mm；表示子流域月平均可供水量，mm；表示子流域平均水资源盈亏量绝对值，mm；
[0162]
s46、基于子流域各月多年平均水资源盈亏量绝对值的均值、流域内各月多年平均水资源盈亏量绝对值的均值和水资源盈亏修正系数的一次近似值，计算得到修正的水资源盈亏修正系数：
[0163][0164]
其中，k
*
′
表示修正的水资源盈亏修正系数；a表示流域内各月多年平均水资源盈亏量绝对值的均值，mm；表示子流域各月多年平均水资源盈亏量绝对值的均值，mm；ki″
表示子流域水资源盈亏修正系数的一次近似值，其中，i
′
＝1,2，
…
，12；
[0165]
s47、基于修正的水资源盈亏修正系数，得到修正后的水资源盈亏指数：
[0166]
z＝k
*
′×
δw
[0167]
其中，z表示修正后的水资源盈亏指数；
[0168]
s5、基于修正后的水资源盈亏指数和旱涝等级划分表，得到流域内的旱涝量化评价和等级划分结果；
[0169]
所述步骤s5包括如下步骤：
[0170]
s51、基于修正后的水资源盈亏指数以及水资源盈亏量与持续时间关系，构建确定旱涝指数与水资源盈亏累积值和持续时间关系模型：
[0171][0172]
其中，fdii表示第i
″
个月的旱涝指数；z
t
表示第t个月的水资源盈亏指数；
[0173]
s52、基于确定旱涝指数与水资源盈亏累积值和持续时间关系模型，得到修正后的旱涝指数：
[0174][0175]
其中，fdii″
′
表示修正后的第i
″
个月的旱涝指数；ri″
表示第i
″
个月的子流域出口流量，m3；表示统计期内第i
″
个月的径流量多年均值，m3；
[0176]
s53、基于修正后的旱涝指数和旱涝等级划分表，对流域内历史和未来的旱涝进行年尺度和月尺度上的等级划分，得到流域内的旱涝量化评价和等级划分结果；
[0177]
所述旱涝等级划分表如表1所示：
[0178]
表1
[0179]
旱涝指数fdi等级fdi≥4.0极端洪涝3.0≤fdi《4.0严重洪涝2.0≤fdi《3.0中等洪涝1.0≤fdi《2.0轻度洪涝-1.0《fdi≤1.0正常-2.0《fdi≤-1.0轻度干旱-3.0《fdi≤-2.0中等干旱-4.0《fdi≤-3.0严重干旱fdi≤-4.0极端干旱
[0180]
s6、基于流域内历史旱涝事件、历史旱涝评价以及流域内的旱涝量化评价和等级划分结果，验证旱涝等级划分表，得到旱涝评价体系；
[0181]
本实施例中，以《中国气象灾害大典
·
山东卷》记录研究区1968至2000年实际干旱和洪涝灾害情况为基准，验证计算指标划分旱涝等级的合理性，根据《中国气象灾害大典》记录结果，干旱情况：1979年山东省7-8月汛期严重干旱。8月份，降水量仅74mm，较常年同期偏少54％，全省因旱成灾面积120多万公顷；1981-1983年，山东省(泗河境内)三年连旱；1983年曲阜(14号子流域)特大干旱；1988-1989年山东省(泗河境内)出现两年连旱，其中，1988年曲阜(14号子流域)秋旱，9-11月降水量仅17.8mm，1.3万余公顷小麦播种困难；加之1989年，全省遇历史特大干旱，研究区泗河自1988年秋开始断流；洪涝情况：1993年7月，济宁市连降大至特大暴雨，全市农田积水面积达35.5万公顷，627个村庄受淹；典型区域邹城地区(16号子流域)降雨量超过300mm。对比分析旱涝指数评价结果，能够有效表征上述旱涝事件；
[0182]
s7、基于旱涝评价体系，分别计算历史上评价单元不同等级旱涝事件的笼罩面积占比、发生概率和持续时间，得到流域内历史旱涝事件时空演变评价结果；
[0183]
所述步骤s7包括如下步骤：
[0184]
s71、基于旱涝评价体系，计算得到历史上评价单元不同等级旱涝事件的笼罩面积占比：
[0185][0186]
其中，sk表示k等级旱涝事件笼罩面积占比；n
′
表示发生k等级旱涝事件的评价单元总数；aj表示j评价单元的面积，km2；a
t
表示流域总面积，km2；
[0187]
本实施例中，实测期泗河流域轻度及以上干旱事件笼罩面积占比呈减小趋势，年变化率为-0.52％/a(-13.6km2/a)；其中，1988年干旱笼罩面积占比最大，达93.1％，泗河流域轻度及以上洪涝事件笼罩面积占比小于干旱；实测期内，洪涝笼罩面积占比呈增加趋势，年变化率为0.37％/a(9.7km2/a)，其中，1984年洪涝笼罩面积占比最大，达48.3％；
[0188]
s72、基于旱涝评价体系，计算得到历史上评价单元不同等级旱涝事件的发生概率：
[0189][0190]
其中，fk表示k等级旱涝事件发生概率；nk表示统计时间段内发生k等级旱涝事件的月数；n
′
表示旱涝事件统计时段的总月数；
[0191]
本实施例中，泗河流域西北部平原11-14号子流域干旱发生频率超过60％；泗河流域严重及以上干旱发生频率变化范围在2-39％之间，空间分布与轻微及以上干旱一致；
[0192]
s73、基于旱涝评价体系，计算得到历史上评价单元不同等级旱涝事件的持续时间：
[0193][0194]
其中，tk表示k等级旱涝事件平均持续时间，月；n
″
表示发生k等级旱涝事件的总次数；tj′
表示第j
′
次旱涝事件的持续时间，月；
[0195]
本实施例中，从空间分布上，干旱或洪涝持续时间与发生频率变化趋势基本一致，其中，干旱事件平均持续时间自北向南逐渐减小，流域西北部子流域轻度及以上干旱平均持续时间超过10个月，严重及以上干旱平均持续时间超过3个月，南部山区子流域轻度及以上和严重及以上干旱事件平均持续时间分别小于4个月和1.5个月；与之相反的，泗河流域洪涝平均持续时间自北向南逐渐增大，西北部子流域轻度及以上洪涝平均持续时间不足2个月，无严重及以上洪涝事件发生；南部山区子流域等轻度及以上洪涝平均持续时间在4个月左右；
[0196]
s74、基于历史上评价单元不同等级旱涝事件的笼罩面积占比、发生概率和持续时间，得到流域内历史旱涝事件时空演变评价结果；
[0197]
s8、基于流域内未来可供水量、未来生态需水量和旱涝评价体系，分别计算未来不同气候下评价单元不同等级旱涝事件的笼罩面积占比、发生概率和持续时间，得到未来不同气候下流域内的旱涝事件时空演变结果，完成基于区域供需水平衡和河道水文情势的未来旱涝事件预估。
[0198]
本实施例中，较之于历史实测期1968至2015年，三种排放情景预估结果，未来30年rcp2.6、rcp4.5和rcp8.5排放情景泗河流域轻度及以上干旱笼罩面积占比多年均值较历史
实测分别减幅34％、28.5％和39.1％；严重及以上干旱笼罩面积占比分别减幅93.6％、94％和97.6％，未来30年泗河流域中上游大部分区域轻度及以上等级干旱发生频率较历史实测期有所减缓，最大减幅达90％；未来30年泗河流域不同等级干旱平均持续时间变化与干旱发生频率相对变化一致，流域中上游区域轻度及以上等级干旱平均持续时间减小；其中，rcp8.5排放情景减幅大于rcp2.6和rcp4.5，最大减幅达68％。

技术特征：
1.一种旱涝事件评价及预估方法，其特征在于，包括如下步骤；s1、基于流域历年的气象水文数据和气象要素日尺度数据，构建流域wep分布式水文模型；s2、基于流域wep分布式水文模型，得到流域内历史可供水量和历史生态需水量；s3、基于流域wep分布式水文模型，得到流域内未来可供水量和未来生态需水量；s4、基于流域内历史可供水量、历史生态需水量、未来可供水量和未来生态需水量，得到修正后的水资源盈亏指数；s5、基于修正后的水资源盈亏指数和旱涝等级划分表，得到流域内的旱涝量化评价和等级划分结果；s6、基于流域内历史旱涝事件、历史旱涝评价以及流域内的旱涝量化评价和等级划分结果，验证旱涝等级划分表，得到旱涝评价体系；s7、基于旱涝评价体系，分别计算历史上评价单元不同等级旱涝事件的笼罩面积占比、发生概率和持续时间，得到流域内历史旱涝事件时空演变评价结果；s8、基于流域内未来可供水量、未来生态需水量和旱涝评价体系，分别计算未来不同气候下评价单元不同等级旱涝事件的笼罩面积占比、发生概率和持续时间，得到未来不同气候下流域内的旱涝事件时空演变结果，完成基于区域供需水平衡和河道水文情势的未来旱涝事件预估。2.根据权利要求1所述的旱涝事件评价及预估方法，其特征在于，所述步骤s1包括如下步骤：s11、获取流域历年的地形、土壤、土地利用和气象水文数据，并根据wep模型输入数据要求，将流域内的土壤划分为壤土、粘壤和粘土；s12、基于流域内临近气象和雨量站，根据泰森多边形法将气象要素日尺度数据进行空间展布；s13、基于流域历年的地形、土壤、土地利用、气象水文数据以及空间展布后的气象要素日尺度数据，构建初始wep分布式水文模型；s14、对流域出口断面的年径流变化进行滑动t检验，查找突变点所处的年份，得到wep模型的预热期、率定期和验证期；s15、基于wep模型的预热期、率定期和验证期，调节初始wep分布式水文模型中的叶面积指数、初始含水层厚度、植被覆盖度、初始地下水位、地表燥率和空气动力学阻抗系数对初始wep分布式水文模型率定，并以相关系数、纳什系数和相对误差为评价指标，构建流域wep分布式水文模型。3.根据权利要求1所述的旱涝事件评价及预估方法，其特征在于，所述步骤s2包括如下步骤：s21、基于流域wep分布式水文模型得到水循环要素过程值；s22、基于水循环要素过程值，得到各子流域不同月份平均可供水量；s23、获取流域内农作物播种日期、作物积温阈值和作物系数，并基于流域内平均日尺度气温变化数据和各子流域不同月份平均可供水量，得到农作物生育期平均长度；s24、基于历年水文气象数据和彭曼计算方法，得到流域内蒸发蒸腾量；s25、基于流域内蒸发蒸腾量、土地利用数据和植被类型数据，得到农作物空间分布数
据；s26、基于农作物空间分布数据、农作物生育期平均长度和作物系数，计算栅格单元农作物需水量；s27、累加栅格单元农作物需水量，得到各子流域内农作物平均需水量：其中，wd
g
表示子流域农作物平均需水量，mm；wd
gi
表示第i个栅格单元典型作物需水量，mm；s0表示栅格单元的面积大小；m2；s表示子流域面积，km2；n表示子流域内栅格的总数；s28、基于流域内蒸发蒸腾量，计算得到流域内林地和草地的生态需水量：wd
l
＝et
l
×
k
c
×
k
s
wd
c
＝et
c
×
k
c
×
k
s
其中，wd
l
和wd
c
分别表示林地和草地的生态需水量，mm；et
l
和et
c
分别表示林地和草地参照蒸腾发量，mm；k
s
表示土壤水分系数；s表示实际土壤含水量；s
w
表示土壤凋萎点；s
*
表示临界土壤含水量；k
c
表示植被系数，其中，乔木、灌木和草地的植被系数分别为0.62、0.5385和0.263；s29、基于各子流域不同月份平均可供水量、流域内林地和草地的生态需水量和各子流域内农作物平均需水量，得到流域内历史可供水量和历史生态需水量。4.根据权利要求3所述的旱涝事件评价及预估方法，其特征在于，所述步骤s3包括如下步骤：s31、获取ipcc第六次评估报告提出的各温室气体排放场景下的历史年日尺度降水量、气温、湿度、风速和辐射数据，并利用bp神经网络对历史年日尺度降水量、气温、湿度、风速和辐射数据集成，得到不同排放情景下的未来气象要素数据集；s32、将未来气象要素数据集输入流域wep分布式水文模型，并模拟水循环要素过程值，得到流域内未来年际和年内可供水量变化数据；s33、重复步骤s23至步骤s28，得到流域内未来林地和草地的生态需水量以及各子流域内未来农作物平均需水量；s34、基于流域内未来年际和年内可供水量变化数据、流域内未来林地和草地的生态需水量以及各子流域内未来农作物平均需水量，得到流域内未来可供水量和未来生态需水量。5.根据权利要求4所述的旱涝事件评价及预估方法，其特征在于，所述步骤s4包括如下步骤：s41、基于流域内历史可供水量和流域内未来可供水量，计算得到评价单元月尺度可供水量：ws＝p+δd-r-e
α
δd＝d
rise-d
leakage
r＝r+ro se
α
＝e
c
+e
e
+e
w
其中，ws表示评价单元可供水量mm；p表示评价单元总降水量，mm；δd表示地下水交换量，mm；r表示坡面总产流量，mm；e
α
表示评价单元无效蒸发量，mm；d
rise
表示上升水量，mm；d
leakage
表示深层渗漏量，mm；r
o
表示地表产流量，mm；r
s
表示壤中流量，mm；e
c
表示不透水域蒸发量，mm；e
e
表示颗间无效蒸发量，mm；e
w
表示水域蒸发量，mm；s42、基于流域内历史生态需水量和流域内未来生态需水量，计算得到评价单元月尺度需水量：wd＝wd
g
+wd
l
+wd
c
其中，wd表示评价单元需水量，mm；wd
g
表示耕地需水量，mm；wd
l
表示林地需水量，mm；wd
c
表示草地需水量，mm；s43、基于评价单元月尺度可供水量和评价单元月尺度需水量，计算得到月尺度水资源盈亏指数：z
′
＝k
*
×
δwδw＝ws-wd其中，z
′
表示月尺度水资源盈亏指数；k
*
表示未经修正的水资源盈亏修正系数；δw表示评价单元月供需水量的差值，mm；和分别表示研究评价单元在对应月份的多年平均供水量和多年平均需水量，mm；s44、获取各评价单元最干旱12个月的水资源盈亏量，并基于月尺度水资源盈亏指数，计算得到极端干旱平均权重：其中，表示极端干旱平均权重；∑z表示连续极端干旱12个月后所对应的水资源盈亏指数累积值；表示各评价单元最干旱12个月的水资源盈亏量，mm，其中，i
′
＝1，2，
…
，12；s45、构建极端干旱平均权重与子流域月平均可供水量、子流域月平均需水量和子流域平均水资源盈亏量绝对值的回归方程，得到水资源盈亏修正系数的一次近似值：其中，k
′
表示各子流域中水资源盈亏修正系数的一次近似值；表示子流域月平均需水量，mm；表示子流域月平均可供水量，mm；表示子流域平均水资源盈亏量绝对值，
mm；s46、基于子流域各月多年平均水资源盈亏量绝对值的均值、流域内各月多年平均水资源盈亏量绝对值的均值和水资源盈亏修正系数的一次近似值，计算得到修正的水资源盈亏修正系数：其中，k
*
′
表示修正的水资源盈亏修正系数；a表示流域内各月多年平均水资源盈亏量绝对值的均值，mm；表示子流域各月多年平均水资源盈亏量绝对值的均值，mm；k
i
′
′
表示子流域水资源盈亏修正系数的一次近似值，其中，i
′
＝1,2，
…
，12；s47、基于修正的水资源盈亏修正系数，得到修正后的水资源盈亏指数：z＝k
*
′
×
δw其中，z表示修正后的水资源盈亏指数。6.根据权利要求5所述的旱涝事件评价及预估方法，其特征在于，所述步骤s5包括如下步骤：s51、基于修正后的水资源盈亏指数以及水资源盈亏量与持续时间关系，构建确定旱涝指数与水资源盈亏累积值和持续时间关系模型：其中，fdi
i
表示第i
″
个月的旱涝指数；z
t
表示第t个月的水资源盈亏指数；s52、基于确定旱涝指数与水资源盈亏累积值和持续时间关系模型，得到修正后的旱涝指数：其中，fdi
i
″
′
表示修正后的第i
″
个月的旱涝指数；r
i
″
表示第i
″
个月的子流域出口流量，m3；表示统计期内第i
″
个月的径流量多年均值，m3；s53、基于修正后的旱涝指数和旱涝等级划分表，对流域内历史和未来的旱涝进行年尺度和月尺度上的等级划分，得到流域内的旱涝量化评价和等级划分结果。7.根据权利要求6所述的旱涝事件评价及预估方法，其特征在于，所述步骤s7包括如下步骤：s71、基于旱涝评价体系，计算得到历史上评价单元不同等级旱涝事件的笼罩面积占比：其中，s
k
表示k等级旱涝事件笼罩面积占比；n
′
表示发生k等级旱涝事件的评价单元总数；a
j
表示j评价单元的面积，km2；a
t
表示流域总面积，km2；
s72、基于旱涝评价体系，计算得到历史上评价单元不同等级旱涝事件的发生概率：其中，f
k
表示k等级旱涝事件发生概率；n
k
表示统计时间段内发生k等级旱涝事件的月数；n
′
表示旱涝事件统计时段的总月数；s73、基于旱涝评价体系，计算得到历史上评价单元不同等级旱涝事件的持续时间：其中，t
k
表示k等级旱涝事件平均持续时间，月；n
″
表示发生k等级旱涝事件的总次数；t
j
′
表示第j
′
次旱涝事件的持续时间，月；s74、基于历史上评价单元不同等级旱涝事件的笼罩面积占比、发生概率和持续时间，得到流域内历史旱涝事件时空演变评价结果。

技术总结
本发明公开了一种旱涝事件评价及预估方法，属于水文技术领域，包括如下步骤：基于流域历年的气象水文数据和气象要素日尺度数据，构建流域WEP分布式水文模型；基于流域WEP分布式水文模型，得到流域内历史可供水量、历史生态需水量、未来可供水量和未来生态需水量；得到修正后的水资源盈亏指数；得到流域内的旱涝量化评价和等级划分结果；验证旱涝等级划分表，得到旱涝评价体系；基于旱涝评价体系，得到流域内历史旱涝事件时空演变评价结果以及未来不同气候下流域内的旱涝事件时空演变结果，完成基于区域供需水平衡和河道水文情势的未来旱涝事件预估；本发明解决了现有旱涝风险评估及预测方法要素考虑不足和预测准确度不足的问题。问题。问题。


技术研发人员：秦天玲 李威 刘姗姗 严登华 路洁 许澍
受保护的技术使用者：中国水利水电科学研究院
技术研发日：2023.02.17
技术公布日：2023/7/19