CN106326656B - 一种工程设施极端暴雨洪水位的模拟预测方法 - Google Patents

一种工程设施极端暴雨洪水位的模拟预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工程设施极端暴雨洪水位的模拟预测方法，采用降雨量分布模型预测不同重现期的降雨量，建立HEC‑HMS洪水数值模型，降雨量数据，设定计算模型中各子流域的面积、CN值、TC值，将工程区域的降雨分布、降雨曲线过程线以及土壤植被分布等地表特征均纳入模型之中，计算各流域的出流流量，进而得出特定工况下工程区域的极端暴雨洪水位。本发明模拟预测方法无需工程设施的历史水位资料，只要利用研究区域的降雨资料及地标特征来进行数值模拟，即可通过HEC‑HMS洪水数值模型计算分析出工程设施不同重现期在不同工况下的极端洪水位，预测计算所需数据简单易得，计算过程快速简便。

Description

一种工程设施极端暴雨洪水位的模拟预测方法
技术领域
本发明涉及一种水位模拟预测方法，具体涉及一种极端暴雨洪水位模拟预测方法。
背景技术
台风、强降雨等极端天气而造成的洪涝灾害是道路、城市工程中较为常见的自然灾害，降水向低洼地区汇集，将致使低洼区域积水过多，淹没城市设施、道路。为了合理确立路面高程，防止道路在强降雨期间被洪水淹没，需进行极端暴雨洪水位的模拟计算。因此，如何准确的确定特定区域不同重现期的极端暴雨洪水位对于工程建设和人民的生命财产安全起到极其重要的作用。
目前国内外对于百年一遇的极端暴雨洪水位的预测和分析方法都存在各种各样的问题，这里阐述以下几种：
(1)传统的频率分析方法在拥有较长降雨资料的区域，利用已有站点的长期年最高值水位进行频率分析后，“外延”推求不同重现期的极端高水位，特别对于推求百年一遇为代表的极端暴雨洪水位有很好的效果。这种方法的优点在于计算量小，比较容易通过已有的长期数据进行验证。然而我国目前存在的问题是大部分区域的实测降雨资料缺乏，传统方法尚难在这些区域适用。利用较短数据系列来估计百年一遇为代表的重现期极端暴雨洪水位会产生很大误差。
(2)数值模拟方法，这种方法往往在不具有长期历史降雨资料数据的情况下使用。数值模拟方法的优点在于其不需要长期的历史降雨资料数据，因此可以用来解决历史水位数据不足的问题。但是其不利因素在于计算次数多，计算量大，适合对特定降雨情况进行洪涝分析，较难分析不同重现期的极端情况。另外，这种方法也很难考虑工程区域的降雨分布和降雨曲线过程，同时土壤植被分布等地表特征也难以纳入模拟。
总的来说，我国现阶段研究主要存在两个问题：1)历史降雨资料数据大多缺乏，做频率分析外延预测极端水位不确定性较强；2)数值模拟计算量大，尚难考虑工程区域的降雨曲线过程及地表特征。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种工程设施极端暴雨洪水位的模拟预测方法。
技术方案：本发明提供了一种工程设施极端暴雨洪水位的模拟预测方法，包括以下步骤：
(1)收集待研究区域内的降雨资料，根据该区域的排水路径和历史降雨量，计算重现期的降雨条件；
(2)根据重现期的降雨条件，采用概率分布法预测该区域重现期内的极端暴雨降雨量；
(3)按照排水路径划分计算区域，确立各流域以及蓄水水库的上下游关系，分析工程区域的地表特征，确定流域的CN以及TC两个参数的数值；
(4)建立工程段的HEC-HMS洪水数值模型，根据步骤(2)求出的重现期极端暴雨降雨量绘制小时降雨过程线(例如4、6、8、24小时)，导入小时降雨过程线及各子流域的面积、CN值、TC值，运行模型计算出各流域的出流流量，通过输入不同工况的边界条件，进而得出特定工况下工程区域不同重现期的极端暴雨洪水位。
进一步，步骤(2)选取常用的降雨量分布模型，结合该区域历史降雨量，确定各个模型的参数，进而反求重现期与极端暴雨降雨量之间的函数关系，绘制重现期与极端暴雨降雨量的分布曲线图，并与历史降雨量进行对比，选出符合降雨量分布的模型，由模型预测出重现期的极端暴雨降雨量。
有益效果：本发明模拟预测方法无需工程设施的历史水位资料，只要利用研究区域的降雨资料及地标特征来进行数值模拟，即可通过HEC-HMS洪水数值模型计算分析出工程设施不同重现期在不同工况下的极端洪水位，预测计算所需数据简单易得，计算过程快速简便。
附图说明
图1为第一计算区域的流域分布图；
图2为第二计算区域的流域分布图；
图3为第三计算区域的流域分布图；
图4为百年一遇6小时降雨过程线；
图5为HEC-HMS模型计算建模示意图；
图6为导入计算模型的时段降雨量过程线；
图7为排涝河#1出流流量过程线；
图8为排涝河#2出流流量过程线；
图9为排涝河#3出流流量过程线；
图10为七一塘#1出流流量过程线；
图11为七一塘#2出流流量过程线；
图12为七一塘#3出流流量过程线；
图13为七一塘#4出流流量过程线；
图14为七一塘#5出流流量过程线；
图15为七一塘#6出流流量过程线；
图16a为工况一排涝河来水流量过程线；
图16b为工况一排涝河水位过程线；
图17a为工况二七一塘来水流量过程线；
图17b为工况二七一塘水位过程线；
图18a为工况二计算区域一来水流量过程线；
图18b为工况二七一塘水位过程线。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：本实施例选择温岭泽国至玉环大麦屿疏港公路工程部分路段作为研究区域，查阅温岭地区从1981年到2012年共32年的降雨资料，收集该研究区域的主要排水路径和降雨量，计算百年一遇的降雨条件。
采用概率分布法预测温岭地区百年一遇的24小时降雨量：选取Gumbel、P-Ⅲ、GEV等常用的降雨预测概率模型，以现有降雨资料为样本，计算各分布模型参数，进而反求重现期与24小时降雨量之间的函数关系，绘制重现期与降雨量分布曲线，并与现有资料中的历史降雨量进行比较，选取GEV模型为合适的降雨概率分布模型，预测得到温岭地区百年一遇的24小时降雨量为407.4mm。
将温岭研究区域分为三个计算区域，第一块区域为江夏排涝河以及七一塘区域，第二块区域为二号隧道下游区域，第三块区域为九眼港区域。
第一块区域主要有江夏排涝河和七一塘两个库区蓄水，如图1所示。排涝河西北方向地区的降雨由高地势向低地势汇集，最终汇入江厦排涝河。根据万分之一沿线地形图，绘制分水岭，将汇入排涝河的流域划分为三个子流域，分别为江夏排涝河#1、江夏排涝河#2、江夏排涝河#3。降水汇入七一塘的流域主要分布在七一塘的东部和南部，其流域主要划分为6个子流域。排涝河及七一塘的降水最终通过闸门排至外海。各子流域面积测量结果见表1：
表1第一计算区域子流域面积汇总
第二块计算区域为二号隧道下游区域，如图2所示。该区域主要通过多级蓄水水库的方式蓄水排水，降雨由地势高的山区地区流下汇入上游蓄水库，并通过开关蓄水库闸门一级一级向下游水库排水，最终汇入最后一级蓄水库并将降水排出外海。各子流域的面积测量见表2。其中计算区域北部水库一#1～#6流域的降雨由地势高的山丘流下，汇入水库一，水库一通过开关闸门的方式实现蓄水与放水，流入水库一的雨水经过水库四后排入到水库六，水库二#1流域的降雨先汇入水库二，经过水库三后最终汇入水库六，水库五#1流域的降雨先汇入水库五后最终汇入水库六，第二区域的降雨通过这中一级一级的水库蓄水、放水的方式，最终通过水库六开发海提闸门而排出外海。
表2第二计算区域子流域面积汇总
第三块主要计算区域则为九眼港区域，如图3所示。九眼河流域汇水面积为49.5km2，位于楚门半岛西部。其下游部分为楚西平原的北端，位于清港镇城区以北；上游部分属温岭市，上凡河、九眼塘河是玉环县与温岭市的界河。为了确定每个路段所处区域的极端水位，需根据研究区域计算区域的划分结果，确定公路各个路段所处的计算流域，汇总结果见表3：
表3各路段所处的流域汇总
路段桩号 所处流域
TK17-TK18+00 江夏排涝河
TK18+00-TK21+500 七一塘
TK22+689-TK23+420 水库一
TK24+346-TK24+700 水库一
TK24+700-TK25+50 水库二
TK25+50-TK25+500 水库三
TK25+500-TK26+190 水库四
TK26+190-TK27+600 水库六
TK27+700-TK29+700 九眼港
温岭泽国至玉环大麦屿疏港公路沿线经过山区和平原，山区区域的地表覆盖物主要以树林和梯田为主，而平原区域则是农田、村落及公路。降雨造成洪水数值模型的计算需确定各个子流域的两个主要参数，分别是CN(Curve Number)以及TC(Time ofConcentration)。
CN是用于计算流域降雨流量或者河流径流的经验参数，它是反映流域区域渗透损失的经验参数，各子流域的CN值计算采用加权平均值的方法求解。
式中，CN为流域的最终CN值，CNi表示某种覆盖物的CN值，Ai表示该子流域中同一覆盖物区域的面积，AT则为整个子流域的总面积。
汇水时间TC(Time of Concentration)表示从降雨落到地表开始，降水从子流域中最远的点流到水库(或者出水口)所需要的时间。TC＝距离/水流速度，明渠水流速度的计算可根据谢才公式计算，坡面流速可根据经验公式计算。
三块主要计算区域的汇总参数见下表：
表4各流域参数计算结果统计
(4)根据已求出的温岭地区百年一遇的24小时降雨量为407.4mm，参考水文学降雨量换算公式，百年一遇的24小时降雨量乘以换算系数0.69，得到百年一遇的6小时降雨量为281.1mm，并绘制6小时降雨过程线，如图4所示。
以计算排涝河及七一塘区域百年一遇的极端洪水位为例，建立工程段的HEC-HMS洪水数值模型，如图5所示。由于HEC-HMS模型的计算需要输入每个时间段的具体降雨量，因此需要将图4的过程曲线概化成时段降雨量，如图6所示，导入模型设定计算模型中各子流域的面积、CN值、TC值，计算各流域的出流流量，各子流域的出流流量过程线如图7～15所示，进而得出特定工况下工程区域的极端暴雨洪水位。
百年一遇极端洪水水位的计算，江厦排涝河与七一塘区域的洪水水位计算有两种工况：第一种是排涝河上游与七一塘相连的闸门一直保持关闭状态，此时排涝河和七一塘为两个独立的蓄水水库，由于排涝河蓄水库容较小，排涝河水位上涨较快，上游温岭地区排至排涝河的降雨流量较少。当排涝河水位达到3.5m时，降水漫过排涝河坝顶向低洼的七一塘蓄水库汇集。
第二种工况是排涝河上游的闸门开启，当排涝河水位超过七一塘上游坝顶2.8米时，雨水通过开启闸门流向七一塘，此时七一塘与排涝河形成一个整体。排涝河库容量也随之增大，水位上涨较慢，上游温岭地区排至排涝河的降雨流量也较多。
将不同工况的边界条件输入至数值计算模型并运行模型，可输出相应的计算区域的水位如下：
工况一计算结果：根据图16流量过程和水位过程计算结果所示，当排涝河水位达到3.5m时，江厦排涝河达到最大库容量，此时排涝河水位超过两侧坝顶高程，超过排涝河库容量的降雨漫过堤坝向七一塘流域汇水。从图17a可见流量计算结果，持续降雨6小时后，七一塘的水位高程达到3.46m，如图17b所示。此时七一塘内的水位漫过两侧坝顶，周围农田均被淹没。因此，在工况一情况下，排涝河区域百年一遇极端水位计算结果为3.5m，七一塘区域百年一遇极端水位计算结果为3.46m。
工况二计算结果：工况二中江厦排涝河与七一塘相连通，二者形成一个统一的蓄水库，排涝河与七一塘水位一致。根据图18a可见流量过程计算结果，降雨历时6小时后，七一塘与排涝河水位达到3.67m，如图18b所示，蓄水水位同时超过了七一塘与排涝河的库容量，周围的农田以及地形较低的地区均被淹没。工况二情况下，排涝河及七一塘区域百年一遇极端水位计算结果为3.67m。
考虑到6小时时间段内，计算区域碰到百年一遇降雨与海堤外海水涨潮而致使闸门关闭的时段重合本身也是一件小概率事件，因此上文的洪水水位计算结果比百年一遇的极端水位略高。
本发明还可计算工程区其他几种极端情况的洪水位。如：(1)100年一遇降雨条件下，闸门关闭4小时工程区的洪水位。(2)50年一遇的降雨条件下，闸门关闭4小时和6小时工程区的洪水位。(3)25年一遇的降雨条件下，闸门关闭4小时和6小时工程区的洪水位。计算结果见表5。
表5计算区域各情况洪水位计算结果

Claims (2)

1.一种工程设施极端暴雨洪水位的模拟预测方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）收集待研究区域内的降雨资料，根据该区域的排水路径和历史降雨量，计算重现期的降雨条件；
（2）根据重现期的降雨条件，采用概率分布法预测该区域重现期内的极端暴雨降雨量；
（3）按照排水路径划分计算区域，确立各流域以及蓄水水库的上下游关系，分析工程区域的地表特征，确定流域的CN以及TC两个参数的数值；其中，CN是用于计算流域降雨流量或者河流径流的经验参数，它是反映流域区域渗透损失的经验参数，TC表示从降雨落到地表开始，降水从子流域中最远的点流到水库或者出水口所需要的时间；
（4）建立工程段的HEC-HMS洪水数值模型，根据步骤（2）求出的重现期极端暴雨降雨量绘制小时降雨过程线，导入小时降雨过程线及各子流域的面积、CN值、TC值，运行模型计算出各流域的出流流量，通过输入不同工况的边界条件，进而得出特定工况下工程区域不同重现期的极端暴雨洪水位。
2.根据权利要求1所述的工程设施极端暴雨洪水位的模拟预测方法，其特征在于：步骤（2）选取常用的降雨量分布模型，结合该区域历史降雨量，确定各个模型的参数，进而反求重现期与极端暴雨降雨量之间的函数关系，绘制重现期与极端暴雨降雨量的分布曲线图，并与历史降雨量进行对比，选出符合降雨量分布的模型，由模型预测出重现期的极端暴雨降雨量。
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