CN106599456B - 一种区分坡面和沟道汇流速度差异的地貌单位线构建方法 - Google Patents

一种区分坡面和沟道汇流速度差异的地貌单位线构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种区分坡面和沟道汇流速度差异的地貌单位线的构建方法，以数字高程DEM栅格数据为基础，首先采用D8算法计算各栅格流向，提取流域水系，将栅格区分为坡面栅格和沟道栅格；分别计算雨滴在坡面和沟道运动时的汇流速度；根据每个雨滴特定的汇流路径计算每个雨滴到达流域出口的时间，统计每个时间段Δt内到达流域出口的雨滴粒子数目，计算每个时段内的雨滴粒子数目占总栅格数的百分比，即为S曲线在Δt,2Δt,3Δt......nΔt时刻的坐标值；根据获得的S曲线可方便计算出流域的无因次时段单位线和单位线。本发明方法可以方便获取山丘区小流域任意时段长的时段单位线，能够在无水文资料或水文资料缺乏地区进行洪水分析计算。

Description

一种区分坡面和沟道汇流速度差异的地貌单位线构建方法
技术领域
本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种水文时段单位线计算方法，尤其涉及一种地貌时段单位线构建方法。
背景技术
随着我国大江大河防洪工程的完善，防洪标准得到了普遍提高，由大江大河工程失事或漫溢造成的洪水风险大大降低了。当前，山洪灾害已经成为我国洪涝灾害中造成人员伤亡的主要灾种。在山洪问题的防治工作中，很多科学问题亟待解决，如山洪危险区的划分问题、山洪预警指标阈值的确定问题、山洪风险图成图技术等，这些问题的解决都离不开山区小流域暴雨洪水分析计算技术。由于山洪产生过程的复杂性、山区流域特征的复杂性以及短历时强降雨的不确定性等因素，再加上山区流域的实测水文资料较少，造成山洪过程分析计算具有很高的难度。规划领域用的比较多的推理公式法和经验公式法等经验、半经验的方法一般多是关注洪峰值大小，无法推求任意降雨过程对应的山洪过程。常规的水文模型的应用一般需要实测的洪水数据来率定相关的模型参数，而山区小流域往往无实测的水文数据，造成了这类水文模型应用困难。因此，针对山洪过程模拟计算的特点，需要考虑新的对无水文资料或缺乏水文资料地区具有较好适用性的计算方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种仅依靠地形、地貌数据，同时考虑坡面和沟道汇流速度差异的地貌时段单位线计算方法，可克服山区小流域无水文资料或水文资料缺乏状态下无法进行准确洪水分析计算的问题，能够用于山区小流域洪水预报预警的业务中。本发明的目的是通过以下技术方案实现。
一种区分坡面和沟道汇流速度差异的地貌单位线构建方法，所述方法基于水文“粒子说”假定，设定每个栅格上均有一雨滴粒子，该粒子会有一条固定路径流到流域出口，所述方法包括以下步骤：
1)采集小流域数字高程模型数据；
2)采用D8算法计算小流域的流向数据，提取小流域的水系，将栅格区分为坡面栅格和沟道栅格；
3)确定时段单位线的计算时段Δt；
4)计算每个雨滴粒子沿着固定的流路到达流域出口的时间；
5)统计每个时段内到达流域出口的雨滴粒子数量以及其占总粒子数的相对百分比；
6)将各相对百分比依次相加得到S曲线；
7)根据S曲线计算该流域的无因次时段单位线，如式(1)
u(Δt,t)＝S(t)-S(t-Δt) (1)
式中：u(Δt,t)为时段为Δt的无因次单位线在t时刻的数值；S(t)为t时刻S曲线值；S(t-Δt)为t-Δt时刻S曲线值；
8)将无因次时段单位线转为时段单位线，如式(2)
式中：q(Δt,t)为时段为Δt的单位线在t时刻的数值；F为流域面积，单位为km2,Δt以小时计。
进一步的，山丘区流域集水面积大于2.5km2时，对步骤8)所获得的时段单位线采用线性水库法进行一次调蓄计算。
进一步的，步骤2)中将坡面栅格的属性赋值为0，将沟道栅格的属性赋值为1。
进一步的，步骤3)确定的计算时段Δt可以是任意时间步长，不局限于水文领域常用的以1h为时段的时间步长。
进一步的，步骤4)的具体计算方法为：根据粒子每一步运动的距离除以相应的汇流速度，得到粒子单步运动的时间；将粒子从开始位置运动到流域出口位置所经历的所有单步运动时间相加即可得到粒子汇流时间，即所述雨滴粒子沿着固定的流路到达流域出口的时间。
进一步的，当粒子在坡面上运动时，采用式(3)计算汇流速度，
式中：K坡为坡面汇流系数，J坡为流域坡面平均坡度；
而当粒子进入沟道后，采用式(4)进行计算汇流速度，
式中：K沟为沟道汇流系数，J沟为流域沟道平均坡度。
进一步的，粒子从一个栅格运动到另一个栅格的路径长度有两种，正向运动的距离是栅格的长度L，对角运动的距离为
进一步的，步骤5)计算出的各时段内到达流域出口的雨滴粒子数量占总粒子数的相对百分比依次累积相加得到的值即S曲线在Δt,2Δt,3Δt......nΔt时刻处的坐标值。
本发明的特征在于，仅依靠山区小流域的地形和地貌数据即可求出任意时段长的时段单位线，该方法区别于已有的地貌单位线推求方法，能够区分坡面汇流速度和沟道汇流速度的差异，坡面汇流系数K坡和沟道汇流系数K沟具有明确的物理意义，即使在无水文资料地区，根据地貌类型，可以确定K坡和K沟的取值，因此该方法适用于无水文资料或水文资料匮乏地区的洪水分析计算。
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明的地貌单位线构建方法的流程图；
图2为本发明实施例2在Clear Creek流域的应用结果图(流域地形)；
图3为本发明实施例2在Clear Creek流域的应用结果图(时段单位线)；
图4为本发明实施例2在Clear Creek流域的应用结果图(场次洪水检验)。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种区分坡面和沟道汇流速度差异的地貌单位线构建方法，所述方法基于水文“粒子说”假定，设定每个栅格上均有一雨滴粒子，该粒子会有一条固定路径流到流域出口，所述方法包括以下步骤：
1)采集小流域数字高程模型数据；
2)采用D8算法计算小流域的流向数据，提取小流域的水系，将栅格区分为坡面栅格和沟道栅格；
3)确定时段单位线的计算时段Δt；
4)计算每个雨滴粒子沿着固定的流路到达流域出口的时间；
5)统计每个时段内到达流域出口的雨滴粒子数量以及其占总粒子数的相对百分比；
6)将各相对百分比依次相加得到S曲线；
7)根据S曲线计算该流域的无因次时段单位线，如式(1)
u(Δt,t)＝S(t)-S(t-Δt) (1)
式中：u(Δt,t)为时段为Δt的无因次单位线在t时刻的数值；S(t)为t时刻S曲线值；S(t-Δt)为t-Δt时刻S曲线值；
8)将无因次时段单位线转为时段单位线，如式(2)
式中：q(Δt,t)为时段为Δt的单位线在t时刻的数值；F为流域面积，单位为km2；Δt以小时计。
当山丘区流域集水面积大于2.5km2，对步骤8)所获得的时段单位线采用线性水库法进行一次调蓄计算。
步骤2)中将坡面栅格的属性赋值为0，将沟道栅格的属性赋值为1。
步骤3)确定的计算时段Δt可以是任意时间步长，不局限于水文领域常用的以1h为时段的时间步长。
步骤4)的具体计算方法为：a.根据粒子每一步运动的距离除以相应的汇流速度，得到粒子单步运动的时间；b.将粒子从开始位置运动到流域出口位置所经历的所有单步运动时间相加即可得到粒子汇流时间，即所述雨滴粒子沿着固定的流路到达流域出口的时间。
步骤a中
当粒子在坡面上运动时，采用式(3)计算汇流速度，
式中：K坡为坡面汇流系数，J坡为流域坡面平均坡度；
而当粒子进入沟道后，采用式(4)进行计算汇流速度，
式中：K沟为沟道汇流系数，J沟为流域沟道平均坡度。
步骤b中粒子从一个栅格运动到另一个栅格的路径长度有两种，正向运动距离是栅格的长度L，对角运动距离为
步骤5)计算出的各时段内到达流域出口的雨滴粒子数量占总粒子数的相对百分比依次累积相加得到的值即S曲线在Δt,2Δt,3Δt......nΔt时刻处的坐标值。
在本实施例中：
1、首先获取小流域数字高程模型(DEM)数据(该数据可以从国家测绘部门获取，也可以从网上开源数据获取)。
2、采用D8算法计算小流域的流向数据，提取小流域的水系，将栅格区分为坡面栅格和沟道栅格，为便于在计算程序中识别这两种栅格，可以给栅格赋值相应的属性，如坡面栅格的属性为0，沟道栅格的属性为1。该过程可借助地理信息系统的商业软件来完成如Arcgis软件、Supermap软件等。
3、确定时段单位线的计算时段Δt，该时段可以任意选取，水文上用到的单位线一般以小时为单位，但是对于山丘区的溪沟洪水来讲，洪水陡涨陡落，整个洪水历时相对较短，可结合流域的具体情况采用更小的计算时段，如30min，15min等。
4、计算每个雨滴粒子沿着固定的流路到达流域出口的时间。根据D8算法，每个粒子到达流域出口都有一固定路径，坡面的汇流速度和沟道的汇流速度有明显不同。为考虑坡面和沟道汇流速度的不同，当粒子在坡面上运动时采用坡面流速的计算公式其中K坡为坡面汇流系数，J坡为流域坡面平均坡度，而当粒子进入沟道后，汇流速度随即增大，则采用沟道汇流的计算公式计算汇流速度其中K沟为沟道汇流系数，J沟为流域沟道平均坡度。粒子从一个栅格运动到另一个栅格的路径长度有两种，一种是正向的运动，按D8算法定义是1、4、16和64方向，运动距离是栅格的长度L，另一种是对角的运动，按D8算法定义是2、8、32和128方向，则运动距离为根据粒子每一步运动的距离除以相应的速度，即得到粒子单步运动的时间，将粒子从开始位置运动到流域出口位置所经历的所有单步运动时间相加即可得到该粒子汇流时间。
5、统计每个时段内到达流域出口的雨滴粒子数量以及其占总粒子数(即为流域总栅格数)的相对百分比。
6、根据水文学上对S曲线的定义，所述的步骤5计算出的各时段内到达流域出口的雨滴粒子占总粒子数的相对百分比依次累积相加得到的值其实就是S曲线在Δt,2Δt,3Δt......nΔt时刻处的坐标值。
7、根据S曲线计算该流域的无因次时段单位线u(Δt,t)＝S(t)-S(t-Δt)；式中：u(Δt,t)为时段为Δt的无因次单位线在t时刻的数值；S(t)为t时刻S曲线值；S(t-Δt)为t-Δt时刻S曲线值；
8、将无因次时段单位线转为时段单位线其中q(Δt,t)为时段为Δt的单位线在t时刻的数值；F为流域面积，单位为km2，Δt以小时计。
需要注意的是当计算山丘区流域集水面积大于2.5km2时，为考虑流域的调蓄作用，对最终的时段单位线过程采用线性水库进行一次调蓄计算，调蓄公式为：其中c为调蓄系数，流域集水面积越大，调蓄能力越强，q为调蓄前时段单位线流量值，Q为调蓄后时段单位线流量值，i为时间节点。
本发明的特征在于，仅依靠山区小流域的地形和地貌数据即可求出任意时段长的时段单位线，该方法区别于已有的地貌单位线推求方法，能够区分坡面汇流速度和沟道汇流速度的差异，坡面汇流系数K坡和沟道汇流系数K沟具有明确的物理意义，在有水文资料的地区可以通过水文资料对参数进行率定，即使在无水文资料地区，根据地貌情况，可以确定K坡和K沟的取值。因此该方法适用于无水文资料或水文资料匮乏地区的洪水分析计算。
实施例2
图2为采用本发明方法计算的美国爱荷华州中东部地区Clear Creek流域的时段单位线以及采用时段单位线进行洪水分析计算得到的洪水过程，通过比较可以发现，计算的洪水过程与实际测量的洪水过程符合较好。
上述的实施例仅是本发明的部分体现，并不能涵盖本发明的全部，在上述实施例以及附图的基础上，本领域技术人员在不付出创造性劳动的前提下可获得更多的实施方式，因此这些不付出创造性劳动的前提下获得的实施方式均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种区分坡面和沟道汇流速度差异的地貌单位线构建方法，其特征在于：所述方法基于水文“粒子说”假定，设定每个栅格上均有一雨滴粒子，该粒子会有一条固定路径流到流域出口，所述方法包括以下步骤：
1)采集小流域数字高程模型数据；
2)采用D8算法计算小流域的流向数据，提取小流域的水系，将栅格区分为坡面栅格和沟道栅格；
3)确定时段单位线的计算时段Δt；
4)计算每个雨滴粒子沿着固定的流路到达流域出口的时间；
5)统计每个时段内到达流域出口的雨滴粒子数量以及其占总粒子数的相对百分比；
6)将各相对百分比依次相加得到S曲线；
7)根据S曲线计算该流域的无因次时段单位线，如式(1)
u(Δt,t)＝S(t)-S(t-Δt) (1)
式中：u(Δt,t)为时段为Δt的无因次单位线在t时刻的数值；S(t)为t时刻S曲线值；S(t-Δt)为t-Δt时刻S曲线值；
8)将无因次时段单位线转为时段单位线，如式(2)
<mrow> <mi>q</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>10</mn> <mi>F</mi> </mrow> <mrow> <mn>3.6</mn> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mi>u</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>t</mi> <mo>,</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
式中：q(Δt,t)为时段为Δt的单位线在t时刻的数值；F为流域面积，单位为km2，Δt以小时计。
2.根据权利要求1所述的地貌单位线构建方法，其特征在于：山丘区流域集水面积大于2.5km2，对步骤8)所获得的时段单位线采用线性水库法进行一次调蓄计算。
3.根据权利要求1所述的地貌单位线构建方法，其特征在于：步骤2)中将坡面栅格的属性赋值为0，将沟道栅格的属性赋值为1。
4.根据权利要求1所述的地貌单位线构建方法，其特征在于：步骤3)确定的计算时段Δt可以是任意时间步长，不局限于水文领域常用的以1h为时段的时间步长。
5.根据权利要求1所述的地貌单位线构建方法，其特征在于：步骤4)的具体计算方法为：根据粒子每一步运动的距离除以相应的汇流速度，得到粒子单步运动的时间；将粒子从开始位置运动到流域出口位置所经历的所有单步运动时间相加即可得到该粒子汇流时间，即所述雨滴粒子沿着固定的流路到达流域出口的时间。
6.根据权利要求5所述的地貌单位线构建方法，其特征在于：
当粒子在坡面上运动时，采用式(3)计算汇流速度，
式中：K坡为坡面汇流系数，J坡为流域坡面平均坡度；
而当粒子进入沟道后，采用式(4)进行计算汇流速度，
式中：K沟为沟道汇流系数，J沟为流域沟道平均坡度。
7.根据权利要求5所述的地貌单位线构建方法，其特征在于：粒子从一个栅格运动到另一个栅格的路径长度有两种，正向运动的距离是栅格的长度L，对角运动的距离为
8.根据权利要求1所述的地貌单位线构建方法，其特征在于：步骤5)计算出的各时段内到达流域出口的雨滴粒子数量占总粒子数的相对百分比依次累积相加得到的值即S曲线在Δt,2Δt,3Δt......nΔt时刻处的坐标值。
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