本發明屬于洪水預警；涉及一種基于雷達與地面降水融合的城市淹積水風險預警方法。

背景技術：

1、城市暴雨內澇的模擬分析一般采用一維和二維水動力模型與城市排水管網模型的耦合進行數值模擬。然而，這種方法要求大量的數據資料，尤其是城市排水管網的數據，其精確獲取極具挑戰性。同時，這種模擬分析的計算過程對計算性能和資源的需求較高，導致了運行成本的提升。在面臨排水管網資源不足的情況下，快速估算城市暴雨內澇的方法成為了支撐城市防洪工作的緊迫需求。

2、此外，隨著城市建成區面積的擴大，城區暴雨的空間分布不均現象日益顯著。由于城區地面雨量監測站點有限，它們無法準確反映暴雨的空間分布情況。盡管實時天氣雷達回波圖能夠顯示暴雨的強度、位置及移動變化，但它無法提供暴雨的具體強度和降水量。因此，科學準確地描繪單次暴雨過程中降雨量和暴雨強度在城區空間的不均勻分布，成為了精確預警城市內澇的關鍵。通過融合地面雨量監測站的實測降雨量與天氣雷達回波數據，準確刻畫暴雨的空間分布情況，對于精細化城市暴雨內澇預警和支撐城市防洪工作顯得尤為重要和迫切。

技術實現思路

1、本發明旨在解決以下技術問題：提供一種基于雷達與地面降水融合的城市淹積水風險預警方法，用以克服現有技術在城區積水風險預警分析中所需數據資料的繁多，尤其是城市排水管網數據的精確獲取難度；克服現有技術無法準確反映城區暴雨強度和暴雨量空間分布等問題。同時，本發明旨在降低模擬分析計算對高計算性能和資源的需求，從而減少運行成本，提升預警技術的經濟性和實用性。

2、本發明的技術方案是：

3、一種基于雷達與地面降水融合的城市淹積水風險預警方法，所述方法包括：

4、步驟1、地形分析計算；

5、步驟2、基于地形分析的結果進行易澇區分析和淹積柵格填充分析，并生成淹積區流域拓撲；

6、步驟3、集成雨量站監測數據、雷達回波圖數據采集和預報降雨柵格集成；

7、步驟4、基于雨量站實測降雨和雷達回波圖進行降雨融合插值；

8、步驟5、降雨柵格適配；

9、步驟6、提取所有淹積流域面平均降雨序列；

10、步驟7、從預報降雨源提取子流域單元的平均降雨序列；

11、步驟8、輸入文件加載解析、構建內部數據結構和創建成果輸出柵格模板；

12、步驟9、降雨淹積計算；

13、步驟10、淹積風險評估及預警展示。

14、所述地形分析計算包括：河道刻畫、dem裁剪、低洼地分析、地形填洼分析和地形匯流分析；所述河道刻畫基于實際水系矢量線為模板，強制在dem上刻畫水系；所述dem裁剪是以水系面圖層對dem進行空間裁剪；視水面裁剪區為非淹積區，作為二維匯流終點，且不產生下游壅水；低洼地分析在裁剪的dem的基礎上進行地形填洼處理，并標記面積大于閾值以上的填洼區的最低點為洼點；地形填洼分析基于刻畫和裁剪后的dem地形進行填洼分析計算；地形匯流分析基于填洼后的地形進行流向和流量分析，并以1-2km2為基準閾值生成匯流基礎水系圖層。

15、進行易澇區分析方法包括：基于洼點的位置和填洼后的dem和流向柵格標記洼地出口點，并遍歷洼區生成易澇區分布圖層；基于流向柵格標記出流邊界點；根據洼地出口點對基礎水系進行拆分，形成匯流水系圖層，同時生成配套水系分水嶺柵格和圖層；構建洼地出口到出流邊界點的集雨區拓撲關系；基于集雨區拓撲關系生成集雨區柵格，建立集雨區與內部水系分水嶺的關聯關系；淹積柵格填充分析包括：針對每一個集雨區，從洼點開始按一定梯度對域內柵格單元構建從低到高的順序建立梯度索引，便于做淹積填充時提高單元速度；對于集雨區拓撲圖層：

16、標記洼地出口和出流邊界點及上下游拓撲關系；

17、將洼地出口點和二維出流邊界點視為淹積拓撲結點，并關聯易澇區屬性值；

18、通過概化單位面積單位時間排澇能力系數dk；

19、dk＝αp設計頻率

20、wv,t＝dk×t×a/1000

21、wv,t為淹積區a內t時長排出水量t為排澇時長，a為t時淹積區面積。

22、集成雨量站監測數據通過解析出分鐘級降雨數據；雷達回波圖數據采集在矢量配準的前提下，將識別的dbz數據存儲為固定結構的雷達回波柵格；預報降雨柵格集成實時將最新預報降雨柵格下載到本地服務器進行臨時緩存。

23、基于雨量站實測降雨和雷達回波圖進行降雨融合插值方法包括：基于雷達回波圖、雨量站實時數據、雨量站圖層和虛擬站圖層得到時段降雨柵格；利用識別程序通過顏色適配的方式將雷達回波圖片解析為雷達回波(dbz)數據柵格；通過各個雨量站位置采樣dbz值，采用回歸方程擬合本時段雷達回波強度與實測降雨數值的關系，將虛擬站對應位置的時段dbz均值轉換為時段降雨量；基于實測降雨和回歸計算的虛擬站降雨生成二維插值降雨柵格。

24、降雨柵格適配是通過降雨柵格結構信息、集雨區分水嶺柵格以及集雨區拓撲圖層得出降雨適配索引數據集，所述降雨適配索引數據集為集雨區各分水嶺降雨柵格索引數據集；降雨柵格適配方法包括：遍歷集雨區包含的流域單元分水嶺，統計分水嶺內各柵格單元對應降雨的柵格單元，并形成降雨柵格單元索引和權重值對數據；將所有集雨區降雨適配數據打包組合成降雨適配索引數據集。

25、提取所有淹積流域面平均降雨序列的方法包括：通過降雨適配索引數據集和實時降雨柵格序列得到集雨區降雨序列集；按降雨適配索引數據集，逐一為各個集雨區提取降雨序列集。

26、從預報降雨源提取子流域單元的平均降雨序列的方法包括：通過降雨適配索引數據集和預報降雨柵格序列得出集雨區降雨序列集，按降雨適配索引數據集，逐一為各個集雨區提取降雨序列集。

27、所述降雨淹積計算包括：

28、基準排澇扣損：對每個計算步長內的降雨數據進行基準排澇扣損；

29、淹積區排澇消退計算：按面積排澇系數對淹積區水量進行消退計算；

30、淹積區溢出水量計算：當淹積水量超過溢出臨界水量時，啟動溢出計算，交溢出水量傳遞到下游淹積區；

31、將本區集雨區基準排澇扣損后的計算步長內降雨換算成水量wl,t，疊加本區原水量wt-1，上游溢出水量wu,t，并扣除本區排澇水量wv,t后，得當前計算步長內淹積區總水量wt即：

32、wt＝wl,t+wu,t+w0,t-1-wv,t

33、當淹積區水位超過出水口干濕邊界,也即淹積水量超過溢出臨界水量wc時，按概化溢出系數kw扣除本區水量，并將這部分溢出水量傳遞到下游淹積區

34、wt＝wt-kw·(wt-wc)。

35、淹積風險評估及預警展示方法包括：根據淹積風險等級指標評估淹積風險，根據淹積風險等級指標的定義，當柵格的單元的最大水深不超過15cm時，單元無風險；當柵格單元的最大水深大于15cm且小于27cm時，如果淹積時間超過30分鐘，則單元的風險等級為4級，否則無風險；當柵格單元的最大水深大于等于27cm且小于40cm時，如果淹積時間超過15分鐘，則單元的風險等級為3級，否則為4級；當柵格單元的最大水深大于等于40cm且小于60cm時，單元的風險等級為2；當柵格單元的最大小深大于等于60cm時，單元的風險等級為1級。

36、本發明有益效果是：

37、本發明是基于城區地形特征構建易澇區流域拓撲，并根據易澇區流域的降雨徑流快速估算易澇區淹積情況的方法。不同于城市管網與水動力耦合的計算方法，本發明要求的基礎信息更少，可更快速的分析估算城市易澇區的淹積情況，實現城市淹積風險的快速預警。

38、本發明不需要精確城市排水管網資料；可有針對性的對歷史易澇點進行快速評估分析；可快速實現風險分析計算，即時為城市內澇防控提供信息支撐。

39、本發明利用雷達遙感技術和地面降水觀測數據、地形相結合的技術手段，旨在提高城市內澇預警的準確性和時效性。

40、本發明通過雷達回波降雨融合,優化城區降雨空間分布計算，使得降雨輸入更符合實際降雨分布，解決了因城區實測雨量站密度不足導致雨量二維空間插值失真較大的問題，從而支撐更精細開展城市暴雨內澇預警。

41、本發明解決了現有技術在城區積水風險預警分析中所需數據資料的繁多，尤其是城市排水管網數據的精確獲取難度；克服現有技術無法準確反映城區暴雨強度和暴雨量空間分布等問題。同時，本發明旨在降低模擬分析計算對高計算性能和資源的需求，從而減少運行成本，提升預警技術的經濟性和實用性。