(19)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 202210863911.1 (22)申请日 2022.07.21 (71)申请人 江西省水利科 学院 地址 330029 江西省南昌市青山湖区北京 东路1038号 (72)发明人 刘章君　成静清　许新发　张静文　 温天福　白桦　 (74)专利代理 机构 南昌丰择知识产权代理事务 所(普通合伙) 36137 专利代理师 张荣 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06V 10/764(2022.01)G06V 20/10(2022.01) G06F 111/08(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种土地利用变化下沿江平原城市湖泊防 洪排涝水文设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种土地利用变化下沿江平 原城市湖泊防洪排涝水文设计方法， 通过构建考 虑土地利用变化的沿江平原城市湖泊入湖洪水 过程模拟模型， 构造基于Copula函数的暴雨和外 江水位两变量联合分布， 在此基础上获取土地利 用变化下沿江平原城市湖泊防洪排涝最高洪水 位频率分布曲线， 进而推求基于风险率的暴雨和 外江水位联合设计值， 并定量评估暴雨和外江水 位联合设计值的不确定性。 本发明的优点是： 本 发明可以定量评估土地利用变化下沿江平原城 市湖泊防洪排涝水文设计成果的不确定性， 为合 理确定沿江平原城市湖泊防洪排涝工程的规模 提供科学支撑。 权利要求书3页 说明书8页 附图1页 CN 115099059 A 2022.09.23 CN 115099059 A 1.一种土地利用变化下沿江平原城市湖泊防洪排涝水文设计方法， 其特征在于包括以 下步骤： 步骤1， 构建考虑土地利用变化的沿江平 原城市湖泊入湖洪水 过程模拟模型； 步骤2， 构造基于 Copula函数的暴 雨和外江 水位两变量联合分布； 步骤3， 根据步骤1中构建的考虑土地利用变化的沿江平原城市湖泊入湖洪水过程模拟 模型和步骤2 中构造的基于Copula函数的暴雨和外江水位两变量联合分布， 获取土地利用 变化下沿江平 原城市湖泊防洪排涝最高洪水位频率分布曲线； 步骤4， 根据步骤3 中获取的土地利用变化下沿江平原城市湖泊防洪排涝最高洪水位频 率分布曲线， 推求基于风险率的暴 雨和外江 水位联合设计值； 步骤5， 定量评估步骤4中暴 雨和外江 水位联合设计值的不确定性。 2.根据权利要求1所述的一种土地利用变化下沿江平原城市湖泊防洪排涝水文设计方 法， 其特征在于： 所述构建考虑土地利用变化的沿江平原城市湖泊 入湖洪水过程模拟模型； 包括以下步骤： (1)沿江平 原城市湖泊流 域土地利用动态变化分析； 基于不同时期的沿江平原城市湖泊流域土地利用遥感监测数据， 采用ArcGIS软件计算 得出不同时期流 域各土地利用类型的面积及占比情况， 分析土地利用结构； 采用土地利用动态度作为定量描述土地利用变化速率的指标， 分析研究时段内各土地 利用类型 的数量变化情况及区域分异特征； 通过计算土地利用转移矩阵， 分析不同土地利 用类型间的相互转 化情况； 将土地利用类型划分为耕地、 林地、 草 地、 水域和城乡建 设5类； (2)土地利用变化下沿江平 原城市湖泊入湖洪水 过程模拟模型构建； 采用HEC‑HMS模型构建考虑土地利用变化的沿江平原城市湖泊入湖洪水过程模拟模 型； 根据D EM将沿江平原城市湖泊流域划分成若干网格单元或自然子流域， 计算每一个单元 的产流量， 汇流包括坡面汇流和河道汇流， 最后演算至流域出口断面； 采用SCS曲线法计算 水文损失， SCS单位线法计算直接径流， 马斯京根法进行河道洪水演进， 基流指数退水法模 拟流域基流； 采用反距离权重法计算单元面雨量； 依据流域实测降水、 入湖流量、 土地利用、 土壤类 型等数据资料对H EC‑HMS模型参数进行率定和模型效果验证。 3.根据权利要求1所述的一种土地利用变化下沿江平原城市湖泊防洪排涝水文设计方 法， 其特征在于： 所述构 造基于Copula函数的暴雨和外江水位两变量联合分布； 包括以下步 骤： (1)边缘分布的备选线型和参数估计； 选取正态分布、 对数正态分布、 Gumbel分布、 Gamma分布和皮尔逊III型分布作为备选边缘分布线型； 采用线性矩法估计暴雨和外江水位 边缘分布的参数； (2)Copula函数的备选类型和参数估计； 选取Gumbel ‑Hougaard、 Clayton、 Frank和 Gaussian Copula作为备选 Copula函数类型； 采用极大似然法估计Copula函数的参数； (3)暴雨和外江 水位两变量联合分布确定； 需要对边缘分布和Copula函数的拟合检验与优选后确定基于Copula函数的暴雨和外 江水位两变量联合分布；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115099059 A 2采用Kolmogorov ‑Smirnov检验法对边缘分布和Copula函数进行拟合检验； 对检验通过 的边缘分布和 Copula函数再采用均方根误差RMSE准则分别评价边缘分布和联合分布的理 论频率与经验频率拟合情况， 基于RMSE值 最小优选边 缘分布和Copula函数； 假设R、 H分别表示暴雨和外江水位， 对应的取值分别为r、 h， 其边缘分布分别为FR(r)、 FH (h)； 由Sk lar定理知， R和H的联合分布函数 可以用二维Copula函数表示： F(r,h)＝Cθ(FR(r),FH(h))＝Cθ(u,v)    (1) 其中， F(r,h)为R和H的联合分布函数， θ 为Copula函数的参数。 4.根据权利要求1所述的一种土地利用变化下沿江平原城市湖泊防洪排涝水文设计方 法， 其特征在于： 所述获取土地利用变化下沿江平原城市湖泊防洪排涝最高洪水位频率分 布曲线； 具体步骤为： (1)条件概率计算； 根据 步骤2中构造的基于Copul a函数的暴雨和外江水位两变量联合 分布Cθ(u,v)， 求 解当暴雨R为指定值r时相应外江 水位H的条件分布的解析表达式： (2)土地利用变化下沿江平原城市湖泊防洪排涝最高洪水位频率分布曲线求解； 基于 Copula函数的Mo nte Carlo法进行数值求解。 5.根据权利要求4所述的一种土地利用变化下沿江平原城市湖泊防洪排涝水文设计方 法， 其特征在于： 基于 Copula函数的Mo nte Carlo法进行数值求解， 具体步骤为： (1)产生两个服从[0,1]均匀分布的独立随机数r1和r2； (2)令u＝r1， SU(v|U＝u)＝r2； (3)求解SU(v|U＝u)＝r2， 得到v＝SU‑1(r2|U＝u)； (4)计算r＝FR‑1(u)， h＝FH‑1(v)， 得到一对暴 雨、 外江水位组合(r,h)； (5)选取有代表性的同步典型暴雨过程和相应的外江水位过程， 基于随机模拟的暴雨、 外江水位组合(r,h)采用同倍比放大获得设计暴 雨过程和相应的设计外江 水位过程； (6)将设计暴雨过程输入步骤1中构建的考虑土地利用变化的沿江平原城市湖泊入湖 洪水过程HEC‑HMS模型， 模拟得到相应的入湖洪水 过程； (7)将入湖洪水过程和相应的设计外江水位过程， 按照沿江平原城市湖泊洪水调节演 算规则进行湖泊防洪排涝演算， 得到湖泊最高洪水位z值； (8)重复步骤(1)～(7)共N次， 可以模拟出N个z值， 从大到小排序， 采用数学期望公式计 算经验频率， 获得沿江平 原城市湖泊最高洪水位Z的频率分布曲线。 6.根据权利要求1所述的一种土地利用变化下沿江平原城市湖泊防洪排涝水文设计方 法， 其特征在于： 所述推求基于风险率的暴 雨和外江 水位联合设计值， 具体步骤如下： (1)给定防洪排涝标准的沿江平 原城市湖泊最高洪水位设计值推求； 给定防洪排涝标准T， 对应的防洪排涝风险率为P＝1/T； 依据步骤3中湖泊最 高洪水位Z 的频率分布曲线查询得到防洪 排涝风险率 1/T对应的沿江平原城市湖泊最高洪水位设计值 zT； (2)沿江平 原城市湖泊防洪排涝最高洪水位 函数建立； 基于风险率的暴雨和外江水位联合设计值， 需要得到沿江平原城市湖泊最高洪水位函 数zT＝g(r,h)； 结合暴雨R、 外江水位H边缘概率分布的特点， 对暴雨R、 外江水位H取值在上下限范围内权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115099059 A 3