CN107609715B - 一种基于暴雨特征山洪临界雨量计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于暴雨特征山洪临界雨量计算方法，该方法通过提取选取的山洪区流域边界，确定该山洪区流域的最大汇流时间D；依据《中国暴雨统计参数图集》，根据此山洪区出口断面经纬度地理信息，采用空间距离插值方法，提取不同历时相应雨量均值x、变差系数Cv，根据公式Cs＝3.5Cv计算出偏差系数；进而计算获得不同时段5年一遇设计雨量x；并且根据本发明设计的公式计算出5年一遇山洪临界雨量，这种方法结合云计算平台技术，实现任意山洪预警点山洪临界雨量的在线计算功能，大大节省人工计算时间和成本，并且准确度较高。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种基于暴雨特征山洪临界雨量计算方法。
背景技术
山洪临界雨量指标的定义目前有两种:一是从降雨量直接定义，在一个流域或区域内，降雨量达到或超过某一量级和强度时，该流域或区域发生山溪洪水、泥石流、滑坡等山洪灾害，称此降雨量为该流域或区域的临界雨量；二是从山溪河临界水位(流量)间接定义，即在目标河段断面生成临界水位(流量)的累积降雨量。
山洪临界雨量计算方法上通常采用统计归纳方法和水文水力学方法。统计归纳法是直接从历史上降雨数据与山洪灾害数据建立相关关系，推求临界雨量。自《国家防办山洪防御预案编制大纲》提出的基于“统计归纳法”的编制临界雨量以来，有许多关于当地山洪临界雨量研究的文献。水文水力学方法以山洪灾害形成的水文学过程、水力学过程为基础，基于与保护对象相应的临界水位，采用水力学方法确定临界流量，假定不同时段的降雨输入，模拟分析一定土壤饱和度条件下的降雨-流量关系，推求相应的临界雨量。
在国外，山洪预警指标基本上采用水文水力学方法确定。典型代表为美国水文研究中心研发的山洪预警指南系统(Flash Flood Guidance，FFG)中动态临界雨量，基于水文模型计算分析，推出流域出口断面洪峰流量要达到预先设定的预警流量值所需的降雨量，即为动态临界雨量。
山洪临界雨量的定义决定了所采用的计算方法，此定义和计算方法在理论上非常正确，但在实践上面临诸多难题。一是两种定义的标准不一样。第一种定义是与滑坡、泥石流等灾害相应的降雨量，第二种定义是与预警水位相应的降雨量，前者山洪临界雨量往往大于后者。二是分析资料缺乏。我国历来没有开展山溪洪水、滑坡、泥石流等灾害的常规监测，缺乏相关山洪灾害数据，更缺乏降雨与山洪灾害之间时序和临界的对应关系。三是山溪河临界水位代表性不足。山溪河一般缺乏河道整治工程，河道断面沿程变化较大，临界水位沿程变化也大，难以统一确定山洪临界雨量。四是现有计算方法要求高。由于我国山洪灾害预警点多，统计归纳方法缺乏资料，水文水力学方法技术要求高，基层技术手段落后，因此，山洪临界雨量确定工作任务重，不确定性因素多，计算成果变化大，难以准确、快捷地确定山洪临界雨量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种5年一遇山洪临界雨量的计算方法，该方法简单，利用公式就能快速的确定5年一遇山洪临界雨量。
为实现上述目的，本发明的技术方案：
一种基于暴雨特征山洪临界雨量计算方法，所述计算方法包括如下步骤：
(1)针对某一山洪区出口断面经纬度地理信息，基于全国30m的数字高程模型DEM数据库，经过数据填洼、流向计算、累计流量计算等步骤，提取选取的山洪区流域边界；
(2)采用地貌瞬时单位线通用公式法确定该山洪区流域的最大汇流时间D；以1h为计算时段，提取该山洪区流域地貌瞬时单位线，地貌瞬时单位线上的峰现时间就是该流域最大汇流时间D；地貌单位线的计算公式参见文献——邹霞等，“基于地貌瞬时单位线的缺资料小流域水文预报”，《水文泥沙》，vol.37,No.1Jan.，2015。
(3)依据《中国暴雨统计参数图集》，根据此山洪区出口断面经纬度地理信息，采用空间距离插值方法，提取10min、1h、6h、24h和3d共5种时段相应雨量均值
变差系数Cv，根据公式Cs＝3.5Cv计算出偏差系数；这些参数均是通过arcgis软件中内置空间距离插值方法生成而成；
(4)依据不同时段雨量均值
变差系数Cv和偏差系数Cs，计算获得不同时段5年一遇设计雨量x；其中所述设计雨量就是满足一定概率出现的年最大降水量；
(5)计算5年一遇山洪临界雨量：依据《中国暴雨统计参数图集》使用方法，当最大汇流时间D正好为其中一标准时段，直接采用该时段的设计雨量；当最大汇流时间D为中间任意时段，采用相邻的2个标准时段，其中较短标准时段为S、较长标准时段为L，采用标准时段的5年一遇短、长设计雨量Hs、HL，然后计算5年一遇山洪临界雨量HD，具体为：
其中，ns,l为暴雨强度递减指数，nS,L＝1+C*lg(HS/HL)，C为暴雨强度递减指数ns,l在不同时间范围内的概化取值，其中分段区间10～60min的C值为1.285，60min～6h的C值为1.285，6～24h的C值为1.661，24h～3d的C值为2.096。
其中所述不同时段5年一遇设计雨量x的计算方法是采用皮尔逊III型频率计算方法，得出
其中，Φ为皮尔逊Ⅲ型频率曲线的离均系数。
其中，皮尔逊Ⅲ型频率曲线是一条一端有限一端无限的不对称单峰，正偏曲线，数学上常称伽马分布。
其中，所述《中国暴雨统计参数图集》是经200余科技人员、历经8年努力，于2006年出版发行的。该成果采用了约2.4万个观测站、共190万站年雨量资料，具有10min、60min、6h、24h和3d共5种时段，涵盖均值等值线图、变差系数等值线图、最大点雨量分布图、百年一遇点雨量等值线图、均值格网图、变差系数格网图、百年一遇点雨量格网图、实测和调查最大点雨量表等8类暴雨统计参数成果，充分反映了全国暴雨时空分布规律，是我国设计暴雨综合研究的最新成果和重要基础资料。
进一步地，由于暴雨特征山洪临界雨量计算方法涉及众多环节和复杂的计算公式，如果人工计算十分繁琐，并且容易出错，在这种情况下，申请人采用云服务和跨平台技术，开发山洪临界雨量云计算平台，这种仅仅通过确定和输入山洪点经纬度信息，即可方便、准确地获取相应的5年一遇山洪临界雨量。具体的云计算平台如下：
所述云计算平台包括数据层、应用层和展现层，数据层为应用层中的模块提供计算所用的数据；应用层将计算结果提供给展现层；展现层则是对山洪临界雨量计算结果进行展示，并支持显示设备显示。
所述数据层包括DEM数据库和暴雨统计参数数据库；应用层包括依次连接的流域边界提取模块、地貌瞬时单位线提取模块、p-III频率计算模块和山洪临界雨量计算模块，还包括暴雨统计参数计算模块；其中，所述流域边界提取模块、地貌瞬时单位线提取模块均与DEM数据库连接，所述暴雨统计参数计算模块分别与暴雨统计参数数据库和p-III频率计算模块连接。
所述流域边界提取模块调用DEM数据库中的数据计算山洪流域边界；地貌瞬时单位线提取模块运用山洪流域边界并提取DEM数据库中的DEM数据生成山洪站点地貌单位线，并计算汇流时间；暴雨统计参数计算模块调用暴雨统计参数数据库中的数据生成山洪站点暴雨参数；p-III频率计算模块运用汇流时间和山洪站点暴雨参数计算不同时段5年一遇设计雨量；山洪临界雨量计算模块用于计算山洪站点临界雨量；通过上述数据层、应用层和展现层交互，最终实现多用户、多平台实时操作并自动运算山洪站点临界雨量。
DEM数据库用于存储全国的数字地形模型，在应用的时候直接调取使用，暴雨统计参数数据库用于存储《中国暴雨统计参数图集》中的各种参数。
更具体地，流域边界提取模块：内置数据为30DEM，需求数据为站点经纬度，通过经纬度确定汇水出口，然后用内置模型计算出流域边界，输出边界信息，存入数据库，并展现到前台；
地貌单位线计算模块：内置数据为30DEM，需求数据为站点经纬度。通过地貌单位线算法计算出流域地貌单位线，输出地貌单位线信息，并图形展现地貌单位线。
暴雨统计参数计算模块：内置中国暴雨图集地理参数文件，通过断面经纬度确认，断面所在位置的地理参数，输出地理参数。
p-III频率计算模块：通过端口输入CV、cs、均值
Φ，通过公式计算时段设计暴雨雨量；
其中流域边界提取模块是为了计算地貌单位线，地貌单位线为了计算汇流时间，暴雨参数图集为了生成当地地貌参数、p-III频率是计算时段设计暴雨雨量，最终自动生成山洪临界雨量。
本发明方法具有如下优点：
该方法是基于中国暴雨统计参数图集最新研究成果，依据暴雨洪水规律及流域地貌特性，研究提出的定义清晰、计算方便的计算方法，该方法能够弥补现有方法要求高或者难以实现的缺点。
并且，本发明结合云计算平台技术，实现任意山洪预警点山洪临界雨量的在线计算功能，大大节省人工计算时间和成本，并且准确度较高。
附图说明
图1是山洪临界雨量计算云服务平台框架结构示意图；
图2是江西于都县山洪点分布图及山洪流域边界图；
图3是于都县20个山洪点地貌瞬时单位线；图中，横坐标表示时间，纵坐标表示出口断面流量。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
一种基于暴雨特征山洪临界雨量计算方法，所述计算方法包括如下步骤：
地理位置的选取：选取的位置为江西省于都县地处赣州市东部，总面积2893平方公里，年均降水量1507毫米。境内地貌复杂，南、东、北地势较高，逐渐向中西部倾斜，形成一个封闭式的以低山、丘陵、盆地为主、大小河流汇集贡水的丘陵低山地貌。于都县位于赣江源流的贡水中游，汇集梅江、澄江、濂水、小溪河等4条较大支流。
据江西省赣州市水文局山洪调查评价成果，于都县境内有124个山洪点。本次选取20个山洪点用于案例分析。详见表1。
表1江西省于都县20个山洪点位置信息
| 序号 | 山洪点 | 经度 | 纬度 |
| 1 | 黄麟乡前塘村 | 115.698 | 25.79782 |
| 2 | 盘古山镇下增村 | 115.4482 | 25.62995 |
| 3 | 盘古山镇下增村 | 115.4601 | 25.62277 |
| 4 | 盘古山镇下增村 | 115.4673 | 25.61497 |
| 5 | 盘古山镇长龙村 | 115.4846 | 25.58493 |
| 6 | 盘古山镇长龙村 | 115.4873 | 25.58342 |
| 7 | 靖石乡田东村 | 115.5023 | 25.67397 |
| 8 | 靖石乡杨梅村 | 115.4886 | 25.64961 |
| 9 | 靖石乡靖东村 | 115.5189 | 25.65011 |
| 10 | 铁山垄镇丰田村 | 115.5238 | 25.7336 |
| 11 | 沙心乡东布村坝上 | 115.7583 | 26.02221 |
| 12 | 沙心乡东布村坝下 | 115.758 | 26.02165 |
| 13 | 沙心乡沙新村坝上 | 115.7703 | 25.99398 |
| 14 | 沙心乡沙新村坝下 | 115.7684 | 25.99437 |
| 15 | 沙心乡高屋村 | 115.7725 | 25.97777 |
| 16 | 沙心乡沙塘村 | 115.7528 | 25.98558 |
| 17 | 葛坳乡澄江村坝上 | 115.7653 | 26.28774 |
| 18 | 葛坳乡澄江村坝下 | 115.7643 | 26.28534 |
| 19 | 葛坳乡澄江村澄山 | 115.7647 | 26.27659 |
| 20 | 葛坳乡牛颈村坝上 | 115.7279 | 26.27362 |
具体分析过程如下：
1、依据表1中是山洪点的经纬度信息提取山洪点流域边界，详见图1。
2、依据山洪点位置信息和流域边界，提取山洪点地貌瞬时单位线，详见图2。根据地貌瞬时单位线的峰现时间也就是最大值确定最大汇流时间D，详见表2中汇流时间，以小时(h)计。
3、依据《中国暴雨统计参数图集》，根据此山洪区出口断面经纬度地理信息，采用空间距离插值方法，提取10min、1h、6h、24h和3d共5种时段相应雨量均值
变差系数Cv，根据公式Cs＝3.5Cv计算出偏差系数，详见表2；
4、采用P-III型频率法，依据不同时段雨量均值
变差系数Cv和偏差系数Cs，分别计算获得不同时段5年一遇设计雨量x；详见表2。
5、根据《中国暴雨统计参数图集》使用方法，确定与汇流时间D相应的5年一遇山洪临界雨量，详见表2。
表2江西省于都县20个山洪点5年一遇山洪临界雨量计算表
具体人工计算过程如下：
1、盘古山镇长龙村马(汇水时间3h)
1小时5年设计暴雨
Cv＝0.4Cs＝3.5Cv＝1.4查表
6小时5年设计暴雨
Cv＝0.4Cs＝3.5Cv＝1.4查表
转化公式：
得出5年一遇山洪临界雨量HD为74毫米。
2、靖石乡杨梅村(汇水时间1h)
Cv＝0.4Cs＝3.5Cv＝1.4查表
得出5年一遇山洪临界雨量HD为55毫米。
3、铁山垄镇丰田村(汇水时间1h)
Cv＝0.4Cs＝3.5Cv＝1.4查表
得出5年一遇山洪临界雨量HD为74毫米。
4、葛坳乡牛颈村坝上(汇水时间1h)
Cv＝0.4Cs＝3.5Cv＝1.4查表
得出5年一遇山洪临界雨量HD为60毫米。
5、宽田乡宽田村(汇水时间2h)
1小时5年设计暴雨
Cv＝0.4Cs＝3.5Cv＝1.4查表
6小时5年设计暴雨
Cv＝0.4Cs＝3.5Cv＝1.4查表
转化公式：
得出5年一遇山洪临界雨量HD为70毫米。
其余汇流时间为1h的计算方法同靖石乡杨梅村的计算方法。
其中，Φ值是从皮尔逊Ⅲ型曲线的离均系数Φ值表中根据偏差系数Cs和频率P％查出的，五年一遇降雨对应的频率P％是20,也就是1/0.2＝5，其中0.2就是频率，所以从表中可以查出，五年一遇暴雨的Φ值为0.71。
实施例2
采用云计算平台进行智能计算，首先搭建山洪临界雨量云计算平台，具体如下：
所述云计算平台包括数据层、应用层和展现层，数据层为应用层中的模块提供计算所用的数据；应用层将计算结果提供给展现层；展现层则是对山洪临界雨量计算结果进行展示，并支持显示设备显示。
所述数据层包括DEM数据库和暴雨统计参数数据库；应用层包括依次连接的流域边界提取模块、地貌瞬时单位线提取模块、p-III频率计算模块和山洪临界雨量计算模块，还包括暴雨统计参数计算模块；其中，所述流域边界提取模块、地貌瞬时单位线提取模块均与DEM数据库连接，所述暴雨统计参数计算模块分别与暴雨统计参数数据库和p-III频率计算模块连接，如图1所示。
所述流域边界提取模块调用DEM数据库中的数据计算山洪流域边界；地貌瞬时单位线提取模块运用山洪流域边界并提取DEM数据库中的DEM数据生成山洪站点地貌单位线，并计算汇流时间；暴雨统计参数计算模块调用雨统计参数数据库中的数据生成山洪站点暴雨参数；p-III频率计算模块运用汇流时间和山洪站点暴雨参数计算不同时段5年一遇设计雨量；山洪临界雨量计算模块用于计算山洪站点临界雨量；通过上述数据层、应用层和展现层交互，最终实现多用户、多平台实时操作并自动运算山洪站点临界雨量。
更具体地，
DEM数据库用于存储全国的数字地形模型，在应用的时候直接调取使用，暴雨统计参数数据库用于存储《中国暴雨统计参数图集》中的各种参数。
流域边界提取模块：内置数据为30DEM，需求数据为站点经纬度，通过经纬度确定汇水出口，然后用内置模型计算出流域边界，输出边界信息，存入数据库，并展现到前台；
地貌单位线计算模块：内置数据为30DEM，需求数据为站点经纬度。通过地貌单位线算法计算出流域地貌单位现，输出地貌单位线信息，并图形展现地貌单位线。
暴雨统计参数计算模块：内置中国暴雨图集地理参数文件，通过断面经纬度确认，断面所在位置的地理参数，输出地理参数。
p-III频率计算模块：通过公式计算时段设计暴雨雨量。
山洪临界雨量计算模块：用于确认汇流时段内的山洪站点临界雨量。
实施例1中的数据只需输入站点经纬度，然后自动计算得出流域边界、地貌单位线、暴雨参数，然后通过暴雨参数，地貌单位线确认的汇流时间计算出山洪临界雨量，相对于人工计算，大大节约时间。
对此，江西省赣州市水文局对于都县开展了山洪调查评价，其山洪临界雨量计算方法是以山洪点沿程最低防御点作为预警水位，通过水文水力学方法确定。对比其成果，5年一遇山洪临界雨量总体是接近但小于依据预警水位确定的山洪临界雨量，因此这种方法能够有效的对山洪爆发进行预警。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种基于暴雨特征山洪临界雨量计算方法，其特征在于，所述计算方法包括如下步骤：
(1)提取选取的山洪区流域边界；
(2)确定该山洪区流域的最大汇流时间D；
(3)依据《中国暴雨统计参数图集》，根据此山洪区出口断面经纬度地理信息，采用空间距离插值方法，提取不同时段相应雨量均值
变差系数Cv，根据公式Cs＝3.5Cv计算出偏差系数；
(4)依据不同时段雨量均值
变差系数Cv和偏差系数Cs，计算获得不同时段5年一遇设计雨量x，不同时段5年一遇设计雨量x的计算方法是采用皮尔逊Ш型频率计算方法，不同时段5年一遇设计雨量
其中，Φ为皮尔逊Ⅲ型频率曲线的离均系数；
(5)计算5年一遇山洪临界雨量：依据《中国暴雨统计参数图集》使用方法，当最大汇流时间D正好为其中一标准时段，直接采用该时段的设计雨量；当最大汇流时间D为中间任意时段，采用相邻的2个标准时段，其中较短标准时段为S、较长标准时段为L，采用标准时段的5年一遇短、长设计雨量Hs、HL，然后计算5年一遇山洪临界雨量HD，具体为：
其中，ns,l为暴雨强度递减指数，nS,L＝1+C*lg(HS/HL)，C为暴雨强度递减指数ns,l在不同时间范围内的概化取值，其中分段区间10～60min的C值为1.285，60min～6h的C值为1.285，6～24h的C值为1.661，24h～3d的C值为2.096。
2.根据权利要求1所述的基于暴雨特征山洪临界雨量计算方法，其特征在于，所述提取选取的山洪区流域边界是针对某一山洪区出口断面经纬度地理信息，基于全国30m的数字高程模型DEM数据库进行提取的。
3.根据权利要求1所述的基于暴雨特征山洪临界雨量计算方法，其特征在于，所述最大汇流时间D的确定方法是采用地貌瞬时单位线通用公式法，以1h为计算时段，提取该山洪区流域地貌瞬时单位线，地貌瞬时单位线上的峰现时间就是该流域最大汇流时间D。
4.根据权利要求1所述的基于暴雨特征山洪临界雨量计算方法，其特征在于，步骤(3)所述提取不同时段相应雨量均值
变差系数Cv的时段分别为10min、1h、6h、24h和3d。
5.根据权利要求1所述的基于暴雨特征山洪临界雨量计算方法，其特征在于，所述计算方法基于云计算平台实现，所述云计算平台包括数据层、应用层和展现层，数据层为应用层中的模块提供计算所用的数据；应用层将计算结果提供给展现层；展现层则是对山洪临界雨量计算结果进行展示，并支持显示设备显示。
6.根据权利要求5所述的基于暴雨特征山洪临界雨量计算方法，其特征在于，所述数据层包括DEM数据库和暴雨统计参数数据库；应用层包括依次连接的流域边界提取模块、地貌瞬时单位线提取模块、p-III频率计算模块和山洪临界雨量计算模块，还包括暴雨统计参数计算模块；其中，所述流域边界提取模块、地貌瞬时单位线提取模块均与DEM数据库连接，所述暴雨统计参数计算模块分别与暴雨统计参数数据库和p-III频率计算模块连接。
7.根据权利要求6所述的基于暴雨特征山洪临界雨量计算方法，其特征在于，所述流域边界提取模块调用DEM数据库中的数据计算山洪流域边界；地貌瞬时单位线提取模块运用山洪流域边界并提取DEM数据库中的DEM数据生成山洪站点地貌单位线，并计算汇流时间；暴雨统计参数计算模块调用暴雨统计参数数据库中的数据生成山洪站点暴雨参数；p-III频率计算模块运用汇流时间和山洪站点暴雨参数计算不同时段5年一遇设计雨量；山洪临界雨量计算模块用于计算山洪站点临界雨量；通过上述数据层、应用层和展现层交互，最终实现多用户、多平台实时操作并自动运算山洪站点临界雨量。
8.根据权利要求5所述的基于暴雨特征山洪临界雨量计算方法，其特征在于，所述展现层包括计算机、iPad或手机终端。
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