CN103823936B - 一种确定等流时线的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定等流时线的方法，它包括下述步骤：步骤1、利用GIS工具将DEM数据生成流域的分水岭；步骤2、根据步骤1所生成的流域的分水岭，将河道划分为二个以上断面；步骤3、根据各个断面的过水面积、水力半径、湿周、水面比降、糙度系数及河道坡度确定河道上各个断面的汇流时间；步骤4、根据步骤1生成的分水岭，计算坡面汇流时间；步骤5、根据步骤3和4计算的汇流时间，将流域内相同汇流时间的断面或坡面网格连成线即得该流域的等流时线；本发明解决了现有技术采用平均流速确定等流时线导致等流时线准确度不高，误差较大，不能直接应用等问题。
Description
技术领域
本发明属于等流时线技术领域，尤其涉及一种确定等流时线的方法。
背景技术
等流时线是流域内径流能同时到达出口断面的点的连线。确定等流时线的传统方法是根据已有的地形资料在地图上进行人工勾绘，一般取流域的平均速度或距离来确定等流时线，这就意味着假设流速在整个流域是均匀分布的，然而对于实际的降雨—径流过程，流速在整个流域上的分布是不均匀的，流速通常随流量的大小沿程发生变化，流域地形坡度和降雨的时空分布对汇流速度的变化起着十分重要的作用，因此利用流域的平均速度得到的等流时线其准确性不高，误差较大，不能直接应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是： 提供一种确定等流时线的方法，以解决现有技术采用平均流速确定等流时线导致的等流时线准确度不高，误差较大，不能直接应用等问题。
本发明的技术方案：
一种确定等流时线的方法，它包括下述步骤：
步骤1、利用GIS工具将DEM（网格数字高程模型）的数据生成流域的分水岭；
步骤2、根据步骤1所生成的流域的分水岭，将流域出口断面以上的河道划分为二个以上断面；
步骤3、根据各个断面的过水面积、水力半径、湿周、水面比降、糙度系数及河道坡度确定河道上各个断面到流域出口断面的汇流时间；
步骤4、根据步骤1生成的分水岭，计算坡面汇流时间；
步骤5、根据步骤3和4计算的汇流时间，将流域内相同汇流时间的断面和坡面网格连成线即得该流域的等流时线。
步骤2所划分的各个断面为三角形。
步骤3所述的确定河道上各个断面到流域出口断面的汇流时间包括下述步骤：（1）、计算河道中各个断面汇流面积与流域出口断面汇流面积的比值；（2）、利用河道各个断面的汇流面积比值将流域出口的流量分摊到河道各个断面上；（3）、根据河道各个断面角度、边长、高及流量计算河道各个断面的水力半径R；（4）、根据河道各个断面的水力半径R计算河道各个断面的流速V；（5）、根据河道各个断面的流速和断面至流域出口断面的距离即可确定河道各个断面到流域出口断面的汇流时间。
水力半径R的确定方法为：
①
②
将公式②带入公式①中，得到 ③
将③代入即可以求得h，其中，，其中α，β为已知，可通过河道断面两边的地形坡度来确定，将h值代入即可求得a，b值；将a，b，h代入④式，可求得A，X值，再将求得的A、X值代入②式即得R值；其中：三角形边m，L，a，b分别为断面边长，三角形断面的二个锐角分别为α，β，h为三角形高。Q——断面的流量
A——过水断面面积
R——水力半径
X——湿周
n——糙度系数 J——水面比降。
河道各个断面流速V通过公式得出，其中V——水流速度（m/s）， n——糙度系数，R——水力半径（m），S——河道坡度为河段的落差与相应的河道长度的比值。
步骤4所述的计算坡面汇流时间，其方法包括下述步骤：（1）、通过公式计算出DEM中各网格的坡面流速度，其中V-坡面流速度（m/s），K-坡面流速度常数，-坡面流平均坡度；（2）、通过网格的坡面流速度和该网格距流域出口断面的距离即可得到该网格的坡面汇流时间。
本发明有益效果：
本发明根据GIS和DEM技术，为流域分布式水文模型的研究提供了有效的技术手段，本发明主要利用数字地形分析技术，从DEM（网格数字高程模型）数据中提取流域地形地貌、分水岭等空间特征，最终得出流域的等流时线，在无资料的地区，只需流域的物理参数如糙度系数n、坡度s、水力半径R、坡面流速度常数K等即能得到该流域的等流时线；且得到的等流时线不是按照平均流速得出，是通过坡面每一个网格和河道断面的实时流速得出，因此具有精确度高，误差小等优点，能直接应用到防洪预报等领域，解决了现有技术采用平均流速确定等流时线导致等流时线准确度不高，误差较大，不能直接应用等问题。
附图说明：
图1 本发明实施例河道断面角度计算示意图；
图2为本发明实施例河道断面各个边组成示意图。
具体实施方式：
一种确定等流时线的方法，它包括下述步骤：
步骤1、利用GIS工具将DEM（网格数字高程模型）的数据生成流域的分水岭；
步骤2、根据步骤1所生成的流域的分水岭，将流域出口断面以上的河道划分为二个以上断面，划分的各个断面为三角形，定义每个断面河床形状为三角形，根据每个河道断面两边的地形坡度角度来判定三角形断面的角度，其中三角形角度不低于10°，河道断面分得越多，断面面积越小，最终得到的等流时线越精确。
举例说明（见图1）以30网格的DEM为例，以河道某一断面两边3个格子长（即90m）的坡度来判断断面三角形左边的角b的度数，断面边距离为90m的断面旁的斜坡坡度为a，则等腰三角形的角b=a。三角形右边的角度同上求得。
步骤3、根据各个断面的过水面积、水力半径、湿周、水面比降、糙度系数及河道坡度确定河道上各个断面到流域出口断面的汇流时间；
步骤3所述的确定河道上各个断面到流域出口断面的汇流时间包括下述步骤：
1、计算河道中各个断面汇流面积与流域出口断面汇流面积的比值；根据分水岭DEM中各网格的高程值，因为水是由高往低处流的，所以可以通过高程值来确定每个网格中的水流的方向，由于每个单元网格只有一个出流方向，即可计算共同流向某一河道断面的网格数之和，即为该河道断面的汇流面积。将汇集到该河道断面的格子数与流域总的格子数相除的比值就是该断面与出口断面的汇流面积比。其他河道断面的汇流面积比求法一致。
2、利用河道各个断面的汇流面积比值将流域出口的流量分摊到河道各个断面上；某一河道断面流量和流域出口流量的比值等于该断面与出口断面的汇流面积比，将流域出口流量（流域的出口流量是由山洪预警指标确定的预警流量）乘以该比值，即得到该断面的流量Q。
3、根据河道各个断面角度、边长、高及流量计算河道各个断面的水力半径R；水力半径R的确定方法为：
①
②
将公式②带入公式①中，得到 ③
将③代入即可以求得h，其中，，其中α，β为已知，可通过河道断面两边的地形坡度来确定，将h值代入即可求得a，b值；将a，b，h代入④式，可求得A，X值，再将求得的A、X值代入②式即得R值；其中：三角形边m，L，a，b分别为断面边长，三角形断面的二个锐角分别为α，β，h为三角形高（见图2）。
Q——断面的流量
A——过水断面面积，过水断面面积为某一研究时刻的水面线与河底线包围的面积
R——水力半径，水力半径为过水断面面积与湿周之比
X——湿周，水体与固体边界相接触部分的周长
n——糙度系数，根据《我国天然河流河道糙率参考表》取值 J——水面比降，水面比降为河段水面沿河流方向的高程差与相应的河流长度之比。
4、根据河道各个断面的水力半径R计算河道各个断面的流速V；
河道各个断面流速V通过公式得出，
其中V——水流速度（m/s），
n——糙度系数， 根据《我国天然河流河道糙率参考表》取值
R——水力半径（m），为过水断面面积与湿周之比
S——河道坡度为河段的落差与相应的河道长度的比值，河道坡度为河段的落差（任一河段两端的高差称为落差）与相应的河流长度的比值。
5、根据河道各个断面的流速和河道断面至流域出口断面的距离即可确定河道各个断面的汇流时间。
步骤4、根据步骤1生成的分水岭，计算坡面汇流时间，所述的计算坡面汇流时间，其方法包括下述步骤：
1、通过公式计算出DEM中各网格的坡面流速度，
其中V-坡面流速度（m/s），
K-坡面流速度常数，查美国SCS模型坡面流速度常数表可得到
-坡面流平均坡度；坡面流平均坡度是坡面与河道的高程差和相应的距离之比
2、通过网格的坡面流速度和该网格距流域出口断面的距离即可得到该网格的坡面汇流时间。
步骤5、根据步骤3和4计算的汇流时间，将流域内相同汇流时间的河道断面和坡面网格连成线即得该流域的等流时线。
Claims (5)
1.一种确定等流时线的方法，它包括下述步骤：
步骤1、利用GIS工具将DEM数据生成流域的分水岭；
步骤2、根据步骤1所生成的流域的分水岭，将流域出口断面以上的河道划分为二个以上断面；
步骤3、根据各个断面的过水面积、水力半径、湿周、水面比降、糙度系数及河道坡度确定河道上各个断面到流域出口断面的汇流时间；水力半径R的确定方法为：
①
②
将公式②带入公式①中，得到 ③
将③代入即可以求得h，其中，，其中α，β为已知，可通过河道断面两边的地形坡度来确定，将h值代入即可求得a，b值；将a，b，h代入④式，可求得A，X值，再将求得的A、X值代入②式即得R值；其中：三角形边m，L，a，b分别为断面边长，三角形断面的二个锐角分别为α，β，h为三角形高；
Q——断面的流量
A——过水断面面积
R——水力半径
X——湿周
n——糙度系数 J——水面比降；
步骤4、根据步骤1生成的分水岭，计算坡面汇流时间；
步骤5、根据步骤3和4计算的汇流时间，将流域内相同汇流时间的断面和坡面网格连成线即得该流域的等流时线。
2.根据权利要求1所述的一种确定等流时线的方法，其特征在于：步骤2所划分的各个断面为三角形。
3.根据权利要求1所述的一种确定等流时线的方法，其特征在于：步骤3所述的确定河道上各个断面到流域出口断面的汇流时间包括下述步骤：（1）、计算河道中各个断面汇流面积与流域出口断面汇流面积的比值；（2）、利用河道各个断面的汇流面积比值将流域出口的流量分摊到河道各个断面上；（3）、根据河道各个断面角度、边长、高及流量计算河道各个断面的水力半径R；（4）、根据河道各个断面的水力半径R计算河道各个断面的流速V；（5）、根据河道各个断面的流速和断面至流域出口断面的距离即可确定河道各个断面到流域出口断面的汇流时间。
4.根据权利要求3所述的一种确定等流时线的方法，其特征在于：河道各个断面流速V通过公式得出，其中V——水流速度（m/s）， n——糙度系数，R——水力半径（m）， S——河道坡度为河段的落差与相应的河道长度的比值。
5.根据权利要求1所述的一种确定等流时线的方法，其特征在于：步骤4所述的计算坡面汇流时间，其方法包括下述步骤：（1）、通过公式计算出DEM中各网格的坡面流速度，其中V-坡面流速度（m/s），K-坡面流速度常数，-坡面流平均坡度；（2）、通过网格的坡面流速度和该网格距流域出口断面的距离即可得到该网格的坡面汇流时间。
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