一种基于陆气耦合的小流域洪水预报方法及系统

技术领域

本发明涉及水文气象，特别是涉及一种基于陆气耦合的小流域洪水预报方法及系统。 

背景技术

水文预报是根据前期和现时的水文、气象等信息，对未来一定时段内水文情势做出的定性或定量预报。水文预报是水文学为经济和社会服务的重要方面，特别是对灾害性水文现象做出预报，对综合利用大型水利枢纽做出短期、中期和长期的预报，作用很大。洪水预报是水文预报中很重要的一部分，洪水预报有很多种方法，其中一种是通过预测径流来预报洪水，所述的径流为在水文循环过程中，沿流域的不同路径向河流、湖泊、沼泽和海洋汇集的水流。 

洪水预报中一个重要的领域是小流域的洪水预报。小流域通常是指二、三级支流以下以分水岭和下游河道出口断面为界集水面积在100km²以下的相对独立和封闭的自然汇水区域。水利上通常指面积小于1000km²或河道基本上是在一个县属范围内的流域。 

由于小流域的山区监测站点少甚至没有站点，导致了水文资料匮乏，多采用人工预报。目前小流域洪水的人工预报主要是采用间接法推求，该方法首先是假定雨洪同频，由设计暴雨推求设计洪水，主要方法有推理公式法、7综合瞬时单位线法、地区经验公式法、历史洪水调查分析法等。推理公式法又称“合理化公式”法，是基于暴雨形成洪水的基本原理推求设计洪水洪峰流量的方法。此种方法人为因素较大，缺乏理论基础，因而导致对洪水的预报精度也比较低。 

因而，目前在小流域洪水的预报中，对洪水的预报精度较低，不能满足对洪水预报的要求。 

发明内容

本发明提供一种基于陆气耦合的小流域洪水预报方法及系统，以解决小流域的洪水预报精度低的问题。 

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于陆气耦合的小流域洪水预报方法，包括： 

设置模型参数； 

输入原始数据； 

通过分析原始数据判断产流方式，若产流方式是超渗产流，计算地表径流，将所述地表径流作为模拟径流； 

若产流方式是蓄满产流，计算土壤下渗量，并利用所述土壤下渗量计算基流和壤中流； 

当土壤不饱和时，根据所述基流和壤中流计算得出模拟径流； 

当土壤饱和时，还计算地表径流，并根据所述基流、壤中流和地表径流计算得出模拟径流。 

优选的，所述设置模型参数，包括：设置地下水补充系数，最大下渗损失，壤中流出流系数，地下径流系数，下渗损失指数，土壤蓄水容量和截留储存容量参数作为模型参数。 

优选的，所述输入原始数据，包括：输入未来某时段的气象预报降雨量，和虚拟预报与实测流量相结合的数据，并输入气象因子作为原始数据，所述原始数据包括：时段降雨量，植被截留储蓄量，潜在蒸发能力，土壤湿度，经验参数和地下水蓄水量。 

优选的，当产流方式是超渗产流时，所述计算地表径流，包括：按照下述公式计算植被截留剩余流量： 

INR＝MAX[(RAIN+INS-INSC)，0] 

其中，INR为植被截留剩余流量，RIAN为时段降水量，INS为植被截流储蓄量，INSC为截留储蓄容量参数，MAX表示两个数值中取大的数值； 

将所述植被截留剩余流量作为所述地表径流。 

优选的，计算土壤下渗量，包括：下渗率与植被截留剩余流量中取最小 的数值作为土壤下渗量；所述下渗率为 

$\mathrm{INF}=\mathrm{COEFF}\times e^{0.95*S^{\frac{3}{2}}\times \frac{\mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}}}$

其中，INF为下渗率，COEFF为最大下渗损失，S为下渗损失指数，SMS为土壤湿度，SMSC为土壤蓄水容量； 

所述植被截留剩余流量为 

INR＝MAX[(RAIN+INS-INSC)，0] 

其中，INR为植被截留剩余流量，RIAN为时段降水量，INS为植被截流储蓄量，INSC为截留储蓄容量参数，MAX表示两个数值中取大的数值。 

优选的，利用所述土壤下渗量计算壤中流，包括：按照下列公式计算壤中流： 

$\mathrm{SRUN}=\mathrm{SUB}\times \frac{\mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}}\times \mathrm{RMO}$

其中，SRUN为壤中流，SUB为壤中流出流系数，SMS为土壤湿度，SMSC为土壤蓄水容量，RMO为土壤下渗量。 

优选的，利用所述土壤下渗量计算基流，包括：根据土壤下渗量计算土壤蓄水量；判断土壤蓄水量是否达到饱和；当土壤蓄水量达到饱和时，计算地下水蓄水量；判断地下水蓄水量是否达到饱和；当地下水蓄水量达到饱和时，计算基流。 

优选的，根据土壤下渗量计算土壤蓄水量，包括：土壤湿度加上土壤湿度补充量作为所述土壤蓄水量；土壤下渗量减去壤中流，再减去地下水蓄水补充量作为所述土壤湿度补充量。所述地下水蓄水补充量为 

$\mathrm{REC}=\mathrm{CRAK}\times \frac{U\times \mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}+\mathrm{SMS}}\times (\mathrm{RMO}-\mathrm{SRUN})$

其中，REC为地下水蓄水量，CRAK为地下水补充系数，U为经验参数，SMS为土壤湿度，SMSC为土壤蓄水容量，RMO为土壤下渗量，SRUN为壤中流。 

优选的，计算地下水蓄水量，包括：地下水蓄水补充量加上原始数据输入的地下水蓄水量作为所述地下水蓄水量。 

优选的，计算基流，包括：地下径流系数乘以地下水蓄水量作为所述基 流。 

优选的，当土壤饱和时，计算地表径流，包括：植被截留剩余流量减去土壤下渗量作为所述地表径流。 

优选的，当土壤不饱和时，根据所述基流和壤中流计算得出模拟径流包括：基流加上壤中流作为所述模拟径流；当土壤饱和时，根据所述基流、壤中流和地表径流计算得出模拟径流包括：基流加上壤中流，再加上地表径流作为模拟径流。 

本发明还公开了一种基于陆气耦合的小流域洪水预报系统，包括： 

输入模块，用于设置模型参数，并输入原始数据； 

超渗产流模块，用于判断产流方式是超渗产流时，计算地表径流，所述地表径流将作为模拟径流； 

蓄满产流模块，用于判断产流方式是蓄满产流时，计算土壤下渗量，并利用所述土壤下渗量计算基流和壤中流； 

模拟径流计算模块，用于计算模拟径流，若产流方式是超渗产流，根据所述地表径流得到模拟径流；若产流方式是蓄满产流，当土壤不饱和时，根据所述基流和壤中流计算得出模拟径流，当土壤饱和时，还计算地表径流，并根据所述基流、壤中流和地表径流计算得出模拟径流。 

优选的，所述输入模块，包括：模型参数设置子模块，用于设置地下水补充系数，最大下渗损失，壤中流出流系数，地下径流系数，下渗损失指数，土壤蓄水容量和截留储存容量参数作为模型参数；原始数据输入子模块，用于输入未来某时段的气象预报降雨量，和虚拟预报与实测流量相结合的数据，并输入气象因子作为原始数据，所述原始数据包括：时段降雨量，植被截留储蓄量，潜在蒸发能力，土壤湿度，经验参数和地下水蓄水量。 

优选的，所述超渗产流模块按照下述公式计算植被截留剩余流量： 

INR＝MAX[(RAIN+INS-INSC)，0] 

其中，INR为植被截留剩余流量，RIAN为时段降水量，INS为植被截流储蓄量，INSC为截留储蓄容量参数，MAX表示两个数值中取大的数值； 

所述超渗产流模块将所述植被截留剩余流量作为所述地表径流。 

优选的，所述蓄满产流模块包括：土壤下渗量计算子模块，用于计算土 壤下渗量，将下渗率与植被截留剩余流量中取最小的数值作为所述土壤下渗量；所述下渗率为 

$\mathrm{INF}=\mathrm{COEFF}\times e^{0.95*S^{\frac{3}{2}}\times \frac{\mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}}}$

其中，INF为下渗率，COEFF为最大下渗损失，S为下渗损失指数，SMS为土壤湿度，SMSC为土壤蓄水容量； 

所述植被截留剩余流量为 

INR＝MAX[(RAIN+INS-INSC)，0] 

其中，INR为植被截留剩余流量，RIAN为时段降水量，INS为植被截流储蓄量，INSC为截留储蓄容量参数，MAX表示两个数值中取大的数值。 

壤中流计算子模块，用于计算壤中流，壤中流按照下列公式计算： 

$\mathrm{SRUN}=\mathrm{SUB}\times \frac{\mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}}\times \mathrm{RMO}$

其中，SRUN为壤中流，SUB为壤中流出流系数，SMS为土壤湿度，SMSC为土壤蓄水容量，RMO为土壤下渗量； 

基流计算子模块，用于根据土壤下渗量计算土壤蓄水量；判断土壤蓄水量是否达到饱和；当土壤蓄水量达到饱和时，计算地下水蓄水量；判断地下水蓄水量是否达到饱和；当地下水蓄水量达到饱和时，计算基流。 

优选的，基流计算子模块，包括：土壤蓄水量计算单元，用于计算土壤蓄水量，土壤湿度加上土壤湿度补充量作为所述土壤蓄水量；土壤下渗量减去壤中流，再减去地下水蓄水补充量作为所述土壤湿度补充量。 

所述地下水蓄水补充量为 

$\mathrm{REC}=\mathrm{CRAK}\times \frac{U\times \mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}+\mathrm{SMS}}\times (\mathrm{RMO}-\mathrm{SRUN})$

其中，REC为地下水蓄水量，CRAK为地下水补充系数，U为经验参数，SMS为土壤湿度，SMSC为土壤蓄水容量，RMO为土壤下渗量，SRUN为壤中流。 

地下水蓄水量计算单元，用于计算地下水蓄水量，地下水蓄水补充量加上原始数据输入的地下水蓄水量作为所述地下水蓄水量； 

基流计算单元，用于计算基流，地下径流系数乘以地下水蓄水量作为所 述基流。 

优选的，所述模拟径流计算模块按下列方法计算得到：若产流方式是超渗产流，将所述地表径流作为模拟径流；若产流方式是蓄满产流，当土壤不饱和时，基流加上壤中流作为模拟径流，当土壤饱和时，基流加上壤中流，再加上地表径流作为模拟径流。 

与现有技术相比，本发明包括以下优点： 

首先，本发明适用于小流域的模拟径流计算，通过理论与实践的结合，使得计算结果更加精确，适合短期或超短期的径流预报，并且预报精度较高。而且本发明输入气象预报降雨量，和虚拟预报与实测流量相结合的数据，并输入温度，湿度和大气压等气象因子作为基于陆气耦合因子的原始数据，可得到较长的预见期，本方法得到的径流可以进行洪水预报，且与气象预报相结合，可以实现天气、洪水的滚动预报。 

其次，本发明通过计算机实现，当山洪爆发时，计算速度较快，可满足实时性要求。 

附图说明

图1是本发明实施例所述一种基于陆气耦合的小流域洪水预报方法流程图； 

图2是本发明优选实施例所述一种基于陆气耦合的小流域洪水预报方法流程图； 

图3是本发明实施例所述一种基于陆气耦合的小流域洪水预报方法的改进的SIMHYD模型结构图； 

图4是本发明实施例所述的一种基于陆气耦合的小流域洪水预报系统结构图。 

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 

本发明提供一种基于陆气耦合的小流域洪水预报方法，通过径流的流量可以进行洪水的预测，因此可以对小流域的洪水进行预测，精度较高。并且本发明通过计算机实现，当山洪爆发时，计算快，可满足实时性要求。 

参照图1，给出了本发明实施例所述一种基于陆气耦合的小流域洪水预报方法流程图。 

步骤101，设置模型参数； 

本发明实施例采用水文模型预测径流，首先进行初始化，设置模型参数。模型的参数主要有7个，分别为地下水补充系数CRAK，最大下渗损失COEFF，壤中流出流系数SUB，地下径流系数K，下渗损失指数S，土壤蓄水容量SMSC和截留储存容量参数INSC。 

步骤102，输入原始数据； 

输入模型在计算过程中需要的模型参数。输入未来某时段的气象预报降雨量，和虚拟预报与实测流量相结合的数据，并输入气象因子作为原始数据。 

步骤103，通过分析原始数据判断产流方式，若产流方式是超渗产流，计算地表径流，将所述地表径流作为模拟径流； 

通过对于原始数据的分析，判断产流方式，当产流方式是超渗产流时，会直接产生地表径流，计算地表径流，此时，地表径流就是模拟径流。 

步骤104，若产流方式是蓄满产流，计算土壤下渗量，并利用所述土壤下渗量计算基流和壤中流； 

当产流方式为蓄满产流时，降水下渗到土壤中，计算土壤下渗量，根据所述的土壤下渗量，计算求得基流和壤中流。 

步骤105，当土壤不饱和时，根据所述基流和壤中流计算得出模拟径流； 

当土壤不饱和时，基流加上壤中流作为所述模拟径流。 

步骤106，当土壤饱和时，还计算地表径流，并根据所述基流、壤中流和地表径流计算得出模拟径流。 

当土壤饱和时，会产生地表径流，计算地表径流，因此，将基流加上壤中流，再加上地表径流作为模拟径流。 

综上所述，首先，本发明适用于小流域的模拟径流计算，通过理论与实 践的结合，使得计算结果更加精确，适合短期或超短期的径流预报，并且预报精度较高。而且本发明输入气象预报降雨量，和虚拟预报与实测流量相结合的数据，并输入温度，湿度和大气压等气象因子作为基于陆气耦合因子的原始数据，可得到较长的预见期，本方法得到的径流可以进行洪水预报，且与气象预报相结合，可以实现天气、洪水的滚动预报。 

其次，本发明通过计算机实现，当山洪爆发时，计算速度较快，可满足实时性要求。 

参照图2，给出了本发明优选实施例所述一种基于陆气耦合的小流域洪水预报方法流程图。 

步骤201，设置模型参数； 

本发明优选实施例采用水文模型预测径流，计算时，首先要进行初始化，然后设置模型参数，模型的参数主要有7个，分别为地下水补充系数CRAK，最大下渗损失COEFF，壤中流出流系数SUB，地下径流系数K，下渗损失指数S，土壤蓄水容量SMSC和截留储存容量参数INSC。 

步骤202，输入原始数据； 

输入未来某时段的气象预报降雨量，和虚拟预报与实测流量相结合的数据，并输入气象因子作为原始数据，所述原始数据包括： 

时段降雨量RAIN，植被截留储蓄量INS，潜在蒸发能力PET，土壤湿度SMS，经验参数U和地下水蓄水量GW。 

当然，除此以外，原始数据还可以包括，历史降雨量，上游径流量，气压，温度等数据，可以根据不同的水文地理情况选择输入相应的数据。 

步骤203，分析原始数据，判断产流方式； 

根据输入的时段降雨量，分析前期雨量的影响，判断产流方式。产流方式包括，超渗产流和蓄满产流。 

步骤204，产流方式是超渗产流，计算地表径流； 

若产流方式是超渗产流，计算植被截留剩余流量，植被截留剩余流量就是地表径流，此时地表径流就是最终输出的模拟径流。 

所述地表径流是指经土壤或地被物吸收及在空气中蒸发后余下的在地 表流动的那部分天然降水。 

所述植被截留剩余流量为 

INR＝MAX[(RAIN+INS-INSC)，0] 

其中，INR为植被截留剩余流量，RIAN为时段降水量，INS为植被截流储蓄量，INSC为截留储蓄容量参数。 

在计算植物截留剩余流量时，还可以考虑蒸发对降雨量的影响，因此还要计算蒸发量。 

计算蒸发量，包括，计算地表植被截留水分蒸发量和土壤水分蒸发量。蒸发是液态水转化为气态水，逸入大气的过程。流域的植被截留和土壤蒸发是蒸发损失的两个重要部分。相对而言，土壤的蒸发损失量要大于植被截留损失量，在计算过程中土壤的蒸发损失量直接影响了流域的蒸发损失总量。两种蒸发的类型不同导致两者的蒸发机理也不尽相同，其中被植物截留的水量蒸发是按照蒸发能力的速率大小进行蒸发的，而土壤蒸发则是根据土壤含水量的大小或剩余蒸发能力来进行。这两个部分的蒸发量计算公式如下所示： 

ET1＝MIN(INS，PET) 

$\mathrm{ET}=\mathrm{MIN}(10\times \frac{\mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}}\times \mathrm{POT})$

POT＝PET-ET1 

其中，ET1为地表植被截留水分蒸发；INS为植被截留储蓄量；PET为潜在蒸发能力；ET为土壤水分蒸发；SMS为土壤湿度；SMSC为土壤蓄水容量；POT为剩余蒸发能力。 

所述的植被截留储蓄量主要是指降水降落到地表以后，由于地表植被、洼地等的影响，对降水有一定的截流作用，截留部分的水量就叫做植被截留储蓄量。 

步骤205，产流方式为蓄满产流，计算土壤下渗量； 

若产流方式为蓄满产流，降水下渗到土壤中，当土壤不饱和时，计算植被截留剩余流量和土壤下渗量；当土壤饱和时，会产生地表径流，此时要计 算计算植被截留剩余流量、土壤下渗量和地表径流。 

降水落到地面会下渗到土壤中，在降水下渗时，土壤不断地储存水分，同时土壤中会产生壤中流。 

此处的植被截留剩余流量计算方法与步骤204中相同，因此不再赘述。 

其次，计算土壤下渗量，土壤下渗量是模型反应流域物理机制的代表，降水降落到地面上土壤对降水必然存在一定的调节作用。土壤下渗量的计算是计算过程中比较重要的部分。要进行计算就必须假定下渗率与流域土壤含水量之间具有负幂指数关系，只有在这个假定的前提下土壤下渗量才能够计算。同时这个假定只有在满足降水径流关系的情况下才成立。 

土壤下渗量的计算公式为 

RMO＝MIN(INF，INR) 

$\mathrm{INF}=\mathrm{COEFF}\times e^{0.95*S^{\frac{3}{2}}\times \frac{\mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}}}$

其中，RMO为土壤下渗量，INF为下渗率，INR为植被截留剩余流量，COEFF为最大下渗损失，S为下渗损失指数，SMS为土壤湿度，SMSC为土壤蓄水容量。 

再次，计算地表径流，所述地表径流是指经土壤或地被物吸收及在空气中蒸发后余下的在地表流动的那部分天然降水。计算公式为 

IRUN＝INR-RMO 

其中，IRUN为地表径流，INR为植被截留剩余流量，RMO为土壤下渗量。 

步骤206，计算壤中流； 

降水落到地面会下渗到土壤中，在降水下渗时，土壤不断地储存水分，同时土壤中会产生壤中流。所述壤中流是指没有下渗到地下水面但作为潜流从该地区排入河道的那部分降水。 

按照下列公式计算壤中流： 

$\mathrm{SRUN}=\mathrm{SUB}\times \frac{\mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}}\times \mathrm{RMO}$

其中，SRUN为壤中流，SUB为壤中流出流系数，SMS为土壤湿度，SMSC为土壤蓄水容量，RMO为土壤下渗量。 

步骤207，计算土壤蓄水量； 

降水通过地表截流后，通过下渗进入到土壤中，一部分水存储在土壤中，另一部分水继续下渗，进入到基流，存在土壤中的水量就叫做土壤蓄水量。 

流域的土壤蓄水量计算主要包括表植被水分储蓄量、土壤湿度和地下水蓄水量三个部分。每个部分在计算时相互联系，三者逐层渗透相互补充。一般情况下植被水分储蓄量与所在流域中植被覆盖率有很大的关系，当植被完好则水分的储蓄量相对较高。流域所在区域的地理和降水情况直接影响了土壤湿度，如果流域处于湿润地区则长时间降水会使土壤的湿度较高，当达到一定的饱和度时会维持这个固定数值。该变化量是一个十分重要的中间变化量，在一定程度上决定了壤中流、地下水蓄水量的计算。 

土壤湿度是土壤湿度补充量加上原始数据输入的土壤湿度。 

土壤湿度补充量计算公式为： 

SMF＝RMO-SRUN-REC 

$\mathrm{REC}=\mathrm{CRAK}\times \frac{U\times \mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}+\mathrm{SMS}}\times (\mathrm{RMO}-\mathrm{SRUN})$

公式中地下水补充量用REC来进行表示；U经验参数；土壤湿度补充量用SMF来表示；地下水补充系数用CRAK表示。 

步骤208，判断地下水蓄水量是否达到饱和，若未达到饱和，则结束计算，若达到饱和，则进入步骤209； 

判断地下水蓄水量是否达到饱和，若未达到饱和，则结束计算；若达到饱和，降水下渗到地下，地下不断地储存水分，计算地下水蓄水量。 

步骤209，计算地下水蓄水量； 

地下水蓄水量是一个时变的状态变量，当壤中流的水量进入到深层地下水时一部分变为地下径流一部分变为地下水蓄水量。整个模型计算过程，所根据的理论基础都为水量平衡原理。 

地下水蓄水量为地下水蓄水补充量加上原始数据输入的地下水蓄水量。 

地下水蓄水补充量计算公式如步骤207中，此处不再赘述。 

步骤210，判断地下水蓄水量是否达到饱和，若未达到饱和，则结束计算，若达到饱和，则进入步骤211； 

地下水储存水分，判断地下水蓄水量是否达到饱和，若未达到饱和，则结束计算；若达到饱和，会产生基流，基流是河川流量中基本稳定的部分，主要来自地下水补给，有时也包括来自湖泊和冰川的补给。 

步骤211，计算基流； 

当地下水蓄水量达到饱和时，会产生基流，基流的计算公式为 

BAS＝K×GW 

其中，BAS为基流，K为地下径流系数，GW为地下水蓄水量。 

步骤212，计算模拟径流。 

模拟径流的计算公式为 

RUNOFF＝IRUN+SRUN+BAS 

其中，RUNOFF为模拟径流，IRUN为地表径流，SRUN为壤中流，BAS为基流。 

若产流方式为超渗产流，地表径流就是模拟径流，此时壤中流和基流均为0； 

若产流方式为蓄满产流，当土壤饱和时，基流加上壤中流加上地表径流就是模拟径流， 

当土壤不饱和时，基流加上壤中流就是模拟径流，此时地表径流为0。 

综上所述，首先，本发明适用于小流域的模拟径流计算，通过理论与实践的结合，使得计算结果更加精确，适合短期或超短期的径流预报，并且预报精度较高。而且本发明输入气象预报降雨量，和虚拟预报与实测流量相结合的数据，并输入温度，湿度和大气压等气象因子作为基于陆气耦合因子的原始数据，可得到较长的预见期，本方法得到的径流可以进行洪水预报，且与气象预报相结合，可以实现天气、洪水的滚动预报。 

其次，本发明通过计算机实现，当山洪爆发时，计算速度较快，可满足实时性要求。并且，将本模型通过java语言封装成服务接口，实现模型复用。当然，本模型还可以使用其他编程语言，此处不应理解为是对本发明的限制。 

本发明实施例所述的水文模型可以采用改进的SIMHYD模型，SIMHYD模型是对HYDROLOG模型的简化形式，是按天计算的降雨径流模型，通过日降雨量和地区潜在蒸发能力来估计日径流量。 

SIMHYD模型是以流域的物理机制为基础建立起来的水文模型，主要是将蒸发、降雨和径流三种水文数据带入模型中计算。通常情况下，该模型计算时段可以为日、月为计算单位，进行中长期预报。 

该模型的径流预报过程比较简单，当降水落到地面之后，如果地表植被比较丰富，植被对降水的截留能力较强，大量降水会被植物所截留。地表植被比较差或无植被覆盖的流域地区截留能力较弱。经过植物截留之后剩下的降水量通过土壤进行下渗，降水量转换为壤中流、地下水和土壤水。当降雨量超过流域土壤下渗能力时，超过的部分直接产生地表径流。模型计算流域产汇流过程是按照蓄满产流和超渗产流计算流域地表径流，采用土壤含水量线性估算壤中流，由线性水库出流原理计算基流。最后，将地表径流、壤中流和基流线性叠加得到模拟的河川径流。 

现有SIMHYD模型的应用精度不高，仅适用于日、月等中长期的径流模拟，无法达到短期或超短期径流模拟的精度要求。 

参照图3，给出了本发明实施例所述一种基于陆气耦合的小流域洪水预报方法的改进的SIMHYD模型结构图。 

在本发明所述的实施例中，对原有的SIMHYD模型的改进主要有3点： 

首先，原有模型的样本数据主要包括实时降水量、实时流量和蒸发量三种类型数据。由于这些样本的时效性对模型预报的预见期有一定的约束，因此导致模型的预见期短，进而不能实现水文预报长预见期的需求。 

改进的模型采用气象预报降水量、及虚拟预报流量作为模型样本数据输入，并以当地的气象条件为依据，延长了模型的预见期，获得了未来较长时段的河道断面洪水预报结构，为领导做决策提供了数据支持。 

其次，原有模型中在计算下渗率时，计算公式为 

$\mathrm{INF}=\mathrm{COEFF}\times e^{S\times \frac{\mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}}}$

在改进的模型中，依据土壤渗透试验可以得到不同温度情况水的动力粘滞系数之比及土壤颗粒大小等对下渗影响较大，下渗损失指数能够从反面反映出二者对下渗的影响，所以在原公式的基础上调整下渗损失，可以使得计算后的下渗率更加符合实际情况。通过多次试验，不断修改下渗损失指对应的系数，直到得到一条与实际土壤含水率沿深度方向变化相符的曲线，采用如下公式进行计算： 

$\mathrm{INF}=\mathrm{COEFF}\times e^{0.95*S^{\frac{3}{2}}\times \frac{\mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}}}$

计算后得到的结果较好，能够使土壤含水率沿深度方向的变化曲线更符合实际情况，进而使计算得到的下渗率更加准确。采用多组实验数据与实测数据比较后，改进模型的计算结果比原模型的计算结果在精度有了较大提高。 

再次，在原有模型中地下水蓄水补充量的计算公式为 

$\mathrm{REC}=\mathrm{CRAK}\times \frac{\mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}}\times (\mathrm{RMO}-\mathrm{SRUN})$

在改进模型中，地下水蓄水补充量的计算公式为 

$\mathrm{REC}=\mathrm{CRAK}\times \frac{U\times \mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}+\mathrm{SMS}}\times (\mathrm{RMO}-\mathrm{SRUN})$

由于通过参数优化方法可以获得更好的模型输出结果，因此公式中引入了经验参数U，计算过程中采用蚁群算法和粒子群算法分别对参数进行优化，地下水蓄水补充量可以通过自定义参数进行调节，更能反映当地的土壤蓄水能力，进一步提高了模型的预报精度。其中U为经验参数。U的变化范围为(2，2.3)，可以根据当地的水文气象条件作为客观因素进行优选。 

改进后的SIMHYD模型，适用于短期或超短期的径流模拟，预报精度高，并且预见期长，适用于小流域洪水预报。 

目前小流域洪水预报主要是采用经验公式方法进行，人为的因素较大且预报精度很低，预见期短，而原有的SIMHYD模型又不能直接应用到小流域洪水预报中，因此通过改进的SIMHYD模型与当地实际情况进行拟合，率定 参数后使得改进的SIMHYD模型符合当地水文循环的物理机理，同时解决了小流域暴雨超短期预报的精度低、预见期短的问题，较适合山区洪水预报。 

基于上述内容，本发明还提供了相应的系统实施例。 

参照图4，给出了本发明实施例所述的一种基于陆气耦合的小流域洪水预报系统结构图。 

所述预测径流的系统可以包括输入模块11、超渗产流模块12、蓄满产流模块13和模拟径流计算模块14，其中， 

输入模块11，用于设置模型参数，并输入原始数据； 

优选的，所述输入模块11进一步包括： 

模型参数设置子模块111，用于设置地下水补充系数，最大下渗损失，壤中流出流系数，地下径流系数，下渗损失指数，土壤蓄水容量和截留储存容量参数作为模型参数； 

原始数据输入子模块112，用于输入未来某时段的气象预报降雨量，和虚拟预报与实测流量相结合的数据，并输入气象因子作为原始数据，所述原始数据包括： 

时段降雨量，植被截留储蓄量，潜在蒸发能力，土壤湿度，经验参数和地下水蓄水量。 

超渗产流模块12，用于判断产流方式是超渗产流时，计算地表径流，所述地表径流将作为模拟径流； 

所述超渗产流模块12按照下述公式计算植被截留剩余流量： 

INR＝MAX[(RAIN+INS-INSC)，0] 

其中，INR为植被截留剩余流量，RIAN为时段降水量，INS为植被截流储蓄量，INSC为截留储蓄容量参数，MAX表示两个数值中取大的数值； 

所述超渗产流模块将所述植被截留剩余流量作为所述地表径流。 

蓄满产流模块13，用于判断产流方式是蓄满产流时，计算土壤下渗量，并利用所述土壤下渗量计算基流和壤中流； 

优选的，所述蓄满产流模块13进一步包括： 

土壤下渗量计算子模块131，用于计算土壤下渗量，将下渗率与植被截留剩余流量中取最小的数值作为土壤下渗量； 

所述下渗率为 

$\mathrm{INF}=\mathrm{COEFF}\times e^{0.95*S^{\frac{3}{2}}\times \frac{\mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}}}$

其中，INF为下渗率，COEFF为最大下渗损失，S为下渗损失指数，SMS为土壤湿度，SMSC为土壤蓄水容量； 

所述植被截留剩余流量为 

INR＝MAX[(RAIN+INS-INSC)，0] 

其中，INR为植被截留剩余流量，RIAN为时段降水量，INS为植被截流储蓄量，INSC为截留储蓄容量参数，MAX表示两个数值中取大的数值。 

壤中流计算子模块132，用于计算壤中流，壤中流按照下列公式计算： 

$\mathrm{SRUN}=\mathrm{SUB}\times \frac{\mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}}\times \mathrm{RMO}$

其中，SRUN为壤中流，SUB为壤中流出流系数，SMS为土壤湿度，SMSC为土壤蓄水容量，RMO为土壤下渗量； 

基流计算子模块133，用于根据土壤下渗量计算土壤蓄水量；判断土壤蓄水量是否达到饱和；当土壤蓄水量达到饱和时，计算地下水蓄水量；判断地下水蓄水量是否达到饱和；当地下水蓄水量达到饱和时，计算基流。 

优选的，基流计算子模块133进一步可以包括： 

土壤蓄水量计算单元1331，用于计算土壤蓄水量，土壤湿度加上土壤湿度补充量作为所述土壤蓄水量； 

土壤下渗量减去壤中流，再减去地下水蓄水补充量作为所述土壤湿度补充量。 

所述地下水蓄水补充量为 

$\mathrm{REC}=\mathrm{CRAK}\times \frac{U\times \mathrm{SMS}}{\mathrm{SMSC}+\mathrm{SMS}}\times (\mathrm{RMO}-\mathrm{SRUN})$

其中，REC为地下水补充蓄水量，CRAK为地下水补充系数，U为经验 参数，SMS为土壤湿度，SMSC为土壤蓄水容量，RMO为土壤下渗量，SRUN为壤中流。 

地下水蓄水量计算单元1332，用于计算地下水蓄水量，地下水蓄水补充量加上原始数据输入的地下水蓄水量作为所述地下水蓄水量； 

基流计算单元1333，用于计算基流，地下径流系数乘以地下水蓄水量作为所述基流。 

模拟径流计算模块14，用于计算模拟径流，若产流方式是超渗产流，根据所述地表径流得到模拟径流；若产流方式是蓄满产流，当土壤不饱和时，根据所述基流和壤中流计算得出模拟径流，当土壤饱和时，还计算地表径流，并根据所述基流、壤中流和地表径流计算得出模拟径流。 

所述模拟径流计算模块14，用于计算模拟径流，包括： 

若产流方式是超渗产流，将所述地表径流作为模拟径流； 

若产流方式是蓄满产流，当土壤不饱和时，基流加上壤中流作为模拟径流，当土壤饱和时，基流加上壤中流，再加上地表径流作为模拟径流。 

对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。 

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。 

以上对本发明所提供的一种基于陆气耦合的小流域洪水预报方法与系统，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。