CN108897715A - 一种基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法 - Google Patents

一种基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法，包括如下步骤：S1、分析研究流域：通过对研究流域的分析，得到模型流域和模型流域的平面比例尺；S2、分析流量：通过分析步骤S1中模型流域的洪水过程的流量，计算模型流域的比降；S3、计算垂直比例尺：根据步骤S2得到的模型流域的比降和实际比降，计算模型流域的垂直比例尺；S4、确定模型比例尺：根据步骤S1得到的平面比例尺和步骤S3得到的垂直比例尺，对水文实验模型进行缩放，确定水文实验模型的比例尺。本发明解决了现有技术存在的实用性低、准确性、相似性和一致性差的一系列问题。

Description

一种基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法
技术领域
本发明属于水文试验技术领域，具体涉及一种基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法。
背景技术
水文实验是为探求、研究水文现象和过程并对其作出成因分析的科学实验。实验研究可分为：径流形成过程的研究，包括降水、蒸发、降雨径流关系、径流过程、土壤水及地下水动态的研究；为环境保护服务的水化学平衡和植物生态实验研究；为水资源评价、为农田、森林、草原、都市建设和为水土保持服务，对不同自然地理条件和人类活动影响下的水文规律的试验研究；干旱半干旱地区、灌溉地区、内陆河地区以及某些特殊地区(如岩溶、冰川、冻土地区)和特殊径流形式(如泥石流)的水文实验研究等。
水文模型按模拟方式分为水文物理模型(实体模型、比尺模型)和水文数学模型两种基本类型。水文物理模型是具有原型(即研究对象)主要物理性质的模型，如在实验室中将一个流域按相似原理缩小，或将原土样搬到实验室所做的实验等；水文数学模型则是遵循数学表达式相似的原理来描述水文现象物理过程的模型，却不考虑原型的物理本质，如汇流，既不把河段搬到实验室，也不仿造一个人工河段进行实验，而是用一个物理本质与其不同却具有相同数学表达式的方程式表示汇流，从而描述出实际汇流的物理过程。这两种模型之间存在着密切的联系，因为物理模型的研究是数学模型的基础，而数学模型则是物理模型的有力表达方式。水文模型在水文理论研究和实践中具有重要意义。
现有技术存在以下问题：
(1)现有水文实验建立水文模型时，没有结合实际流域的物理本质，水文模型的相似性和一致性差；
(2)现有水文模型都是基于某一特征地形点或流量点进行建立，水文模型偏离实际地形，实验结果准确性差；
(3)现有水文实验建立水文模型的方法复杂，实用性低。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种实用性高、准确性好、相似性和一致性好的基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法，解决了现有技术存在的实用性低、准确性、相似性和一致性差的一系列问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法，包括如下步骤：
S1：分析研究流域：通过对研究流域的分析，得到模型流域和模型流域的平面比例尺；
S2：分析流量：通过分析步骤S1中模型流域洪水过程的流量，计算模型流域的比降；
S3：计算垂直比例尺：根据步骤S2得到的模型流域的比降和实际比降，计算模型流域的垂直比例尺；
S4：确定模型比例尺：根据步骤S1得到的平面比例尺和步骤S3得到的垂直比例尺，对水文实验模型进行缩放，确定水文实验模型的比例尺。
本方案的有益效果为：
提供了一种基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法，此方法基于区域洪水过程所建造的水文模型，能较好的拟合野外研究区域，具有较好的实用性、相似性和一致性，根据洪水过程的流量相似和研究区域的实际地形来确定水文模型的比例尺，有较高的可靠度和准确性；解决了现有技术存在的实用性低、准确性、相似性和一致性差的一系列问题。
进一步地，步骤S1中，研究流域的分析方法，包括如下步骤：
S1-1：确定矢量信息：将研究流域的数据输入到地理信息系统GIS平台中，确定研究流域边界的矢量文件；
S1-2：确定模型流域：将室内自定义坐标的矢量文件与研究流域的边界矢量文件进行匹配，确定模型流域；
S1-3：确定平面比例尺：根据缩小比例确定模型流域的平面比例尺。
进一步地，步骤S2中，流量的分析方法，包括如下步骤：
S2-1：分析洪水过程线：分析模型流域的洪水过程线，得到模型流域出口断面的洪峰流量；
S2-2：计算目标洪峰流量：根据室内降雨区域的最大流量确定流量比例，确定目标洪水过程线，计算目标洪峰流量；
S2-3：计算模型流域的比降：设计洪水过程，确定设计洪水过程线，通过调节比降来使设计洪水过程线与目标洪水过程线拟合，计算模型流域的比降。
进一步地，步骤S2-2中，目标洪峰流量的计算公式为：
Q'n＝kQn
式中，Qn为模型流域出口断面的洪峰流量；Q'n为目标洪峰流量；k为流量比例。
进一步地，步骤S2-3中，模型流域的比降的确定方法，包括如下步骤：
S2-3-1：根据模型流域的资料，计算平均洪峰流量，计算公式为：
式中，为平均洪峰流量；C为经验性参数；H24为日降雨量；J'为模型流域的比降；f为模型流域形状系数；F为模型流域的集水面积；
模型流域形状系数f的计算公式为：
f＝F/L2
式中，f为模型流域形状系数；F为模型流域的集水面积；L为主河流长度；
S2-3-2：确定模比系数；
S2-3-3：根据步骤S2-3-1得到的平均洪峰流量和步骤S2-3-2确定的模比系数，计算设计洪峰流量，确定设计洪水过程线，计算公式为；
式中，Qmp为设计洪峰流量；为平均洪峰流量；Kp为模比系数。
S2-3-4：将目标洪水过程线与设计洪水过程线进行匹配，计算公式为：
Qmp＝Q'n
式中，Q'n为目标洪峰流量；Qmp为设计洪峰流量；
S2-3-5：计算模型流域的比降，计算公式为：
J'＝(kQn/(CH24f1/3F0.7Kp))3
式中，C为经验性参数；H24为日降雨量；J'为模型流域的比降；f为模型流域形状系数；F为模型流域的集水面积；Kp为模比系数；Qn为模型流域出口断面的洪峰流量；k为流量比例。
进一步地，步骤S2-3-2中，模比系数的确定方法，包括如下步骤：
S2-3-2-1：在洪峰流量变差系数等值图中，查取流域重心处的Cv值；
S2-3-2-2：根据当地的水文手册，查取偏差系数Cs值；
S2-3-2-3：根据洪水的设计标准或校核标准、Cv值和Cs值，在皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数Kp值表中确定对应的模比系数Kp值。
进一步地，步骤S3中，模型流域的垂直比例尺的计算公式为：
式中，K2为垂直比例尺；K1为平面比例尺；J'为模型流域的比降；J为实际比降。
附图说明
图1为基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法流程图；
图2为研究流域的分析方法流程图；
图3为流量的分析方法流程图；
图4为模型流域的比降的确定方法流程图；
图5为模比系数的确定方法流程图；
图6为流域形状矢量图；
图7为模型流域示例图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本发明实施例中，一种基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1：分析研究流域：通过对研究流域的分析，得到模型流域和模型流域的平面比例尺；
研究流域的分析方法，如图2所示，包括如下步骤：
S1-1：确定矢量信息：将研究流域的数据输入到地理信息系统GIS平台中，确定研究流域边界的矢量文件，包括形状、大小和雨量站的信息，如图6所示；
S1-2：确定模型流域：将室内自定义坐标的矢量文件与研究流域的边界矢量文件进行匹配，确定模型流域；
S1-3：确定平面比例：由于模型流域的多样性以及我们实验室的布局，分三种情况来讨论，如图7所示：
(1)模型流域南北(或东西)走向，将研究区域正南正北(或正东正西)摆放，如图7(a)所示，确定该模型流域的比例尺为1：429；
(2)模型流域南北(或东西)走向，将研究区域偏转90°垂直于走向摆放，如图7(b)所示，确定该模型流域的比例尺为1；326；
(3)模型流域南北(或东西)走向，按照对角线方向摆放，调节其方位、大小要求使得模型流域在将于区域的范围内能够占到最大的有效面积，如图7(c)所示，确定该模型流域的比例尺为1：288.6；本次实验选择第三种，此时得到平面比例尺K1为1：288.6；
S2：分析流量：通过分析步骤S1中模型流域洪水过程的流量，计算模型流域的比降；
流量的分析方法，如图3所示，包括如下步骤：
S2-1：分析洪水过程线：分析模型流域的洪水过程线，得到模型流域出口断面的洪峰流量；
S2-2：计算目标洪峰流量：根据室内降雨区域的最大流量确定流量比例，确定目标洪水过程线，计算目标洪峰流量；
目标洪峰流量的计算公式为：
Q'n＝kQn
式中，Qn为模型流域出口断面的洪峰流量；Q'n为目标洪峰流量；k为流量比例。
S2-3：计算模型流域的比降：设计洪水过程，确定设计洪水过程线，通过调节比降来使设计洪水过程线与目标洪水过程线拟合，计算模型流域的比降；
模型流域的比降的确定方法，如图4所示，包括如下步骤：
S2-3-1：根据模型流域的资料，计算平均洪峰流量，计算公式为：
式中，为平均洪峰流量；C为经验性参数；H24为日降雨量；J'为模型流域的比降；f为模型流域形状系数；F为模型流域的集水面积；
模型流域形状系数f的计算公式为：
f＝F/L2
式中，f为模型流域形状系数；F为模型流域的集水面积；L为主河流长度；
S2-3-2：确定模比系数，模比系数的确定方法，如图5所示，包括如下步骤：
S2-3-2-1：在洪峰流量变差系数等值图中，查取流域重心处的Cv值；
S2-3-2-2：根据当地的水文手册，查取偏差系数Cs值；
S2-3-2-3：根据洪水的设计标准或校核标准、Cv值和Cs值，在皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数Kp值表中确定对应的模比系数Kp值，如表1部分皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数Kp值表所示(P为设计频率)；
表1部分皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数Kp值表(Cs＝2Cv)
S2-3-3：根据步骤S2-3-1得到的平均洪峰流量和步骤S2-3-2确定的模比系数，计算设计洪峰流量，确定设计洪水过程线，计算公式为；
式中，Qmp为设计洪峰流量；为平均洪峰流量；Kp为模比系数。
S2-3-4：将目标洪水过程线与设计洪水过程线进行匹配，计算公式为：
Qmp＝Q'n
式中，Q'n为目标洪峰流量；Qmp为设计洪峰流量；
S2-3-5：计算模型流域的比降，计算公式为：
J'＝(kQn/(CH24f1/3F0.7Kp))3
式中，C为经验性参数；H24为日降雨量；J'为模型流域的比降；f为模型流域形状系数；F为模型流域的集水面积；Kp为模比系数；Qn为模型流域出口断面的洪峰流量；k为流量比例；
S3：计算垂直比例尺：根据步骤S2得到的模型流域的比降和实际比降，计算模型流域的垂直比例尺；
模型流域的垂直比例尺的计算公式为：
式中，K2为垂直比例尺；K1为平面比例尺；J'为模型流域的比降；J为实际比降；
S4：确定模型比例尺：根据步骤S1得到的平面比例尺和步骤S3得到的垂直比例尺，对水文实验模型进行缩放，确定水文实验模型的比例尺。
本发明提供了一种基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法，此方法基于区域洪水过程所建造的水文模型，能较好的拟合野外研究区域，具有较好的实用性、相似性和一致性，根据洪水过程的流量相似和研究区域的实际地形来确定水文模型的比例尺，有较高的可靠度和准确性；解决了现有技术存在的实用性低、准确性、相似性和一致性差的一系列问题。

Claims (7)

1.一种基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：分析研究流域：通过对研究流域的分析，得到模型流域和模型流域的平面比例尺；
S2：分析流量：通过分析步骤S1中模型流域洪水过程的流量，计算模型流域的比降；
S3：计算垂直比例尺：根据步骤S2得到的模型流域的比降和实际比降，计算模型流域的垂直比例尺；
S4：确定模型比例尺：根据步骤S1得到的平面比例尺和步骤S3得到的垂直比例尺，对水文实验模型进行缩放，确定水文实验模型的比例尺。
2.根据权利要求1所述的基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法，其特征在于，所述步骤S1中，研究流域的分析方法，包括如下步骤：
S1-1：确定矢量信息：将研究流域的数据输入到地理信息系统GIS平台中，确定研究流域边界的矢量文件；
S1-2：确定模型流域：将室内自定义坐标的矢量文件与研究流域的边界矢量文件进行匹配，确定模型流域；
S1-3：确定平面比例尺：根据缩小比例确定模型流域的平面比例尺。
3.根据权利要求1所述的基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法，其特征在于，所述步骤S2中，流量的分析方法，包括如下步骤：
S2-1：分析洪水过程线：分析模型流域的洪水过程线，得到模型流域出口断面的洪峰流量；
S2-2：计算目标洪峰流量：根据室内降雨区域的最大流量确定流量比例，确定目标洪水过程线，计算目标洪峰流量；
S2-3：计算模型流域的比降：设计洪水过程，确定设计洪水过程线，通过调节比降来使设计洪水过程线与目标洪水过程线拟合，计算模型流域的比降。
4.根据权利要求3所述的基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法，其特征在于，所述步骤S2-2中，目标洪峰流量的计算公式为：
Q'n＝kQn
式中，Qn为模型流域出口断面的洪峰流量；Q'n为目标洪峰流量；k为流量比例。
5.根据权利要求3所述的基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法，其特征在于，所述步骤S2-3中，模型流域的比降的确定方法，包括如下步骤：
S2-3-1：根据模型流域的资料，计算平均洪峰流量，计算公式为：
式中，为平均洪峰流量；C为经验性参数；H24为日降雨量；J'为模型流域的比降；f为模型流域形状系数；F为模型流域的集水面积；
模型流域形状系数f的计算公式为：
f＝F/L2
式中，f为模型流域形状系数；F为模型流域的集水面积；L为主河流长度；
S2-3-2：确定模比系数；
S2-3-3：根据步骤S2-3-1得到的平均洪峰流量和步骤S2-3-2确定的模比系数，计算设计洪峰流量，确定设计洪水过程线，计算公式为；
式中，Qmp为设计洪峰流量；为平均洪峰流量；Kp为模比系数。
S2-3-4：将目标洪水过程线与设计洪水过程线进行匹配，计算公式为：
Qmp＝Q'n
式中，Q'n为目标洪峰流量；Qmp为设计洪峰流量；
S2-3-5：计算模型流域的比降，计算公式为：
J'＝(kQn/(CH24f1/3F0.7Kp))3
式中，C为经验性参数；H24为日降雨量；J'为模型流域的比降；f为模型流域形状系数；F为模型流域的集水面积；Kp为模比系数；Qn为模型流域出口断面的洪峰流量；k为流量比例。
6.根据权利要求4所述的基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法，其特征在于，所述步骤S2-3-2中，模比系数的确定方法，包括如下步骤：
S2-3-2-1：在洪峰流量变差系数等值图中，查取流域重心处的Cv值；
S2-3-2-2：根据当地的水文手册，查取偏差系数Cs值；
S2-3-2-3：根据洪水的设计标准或校核标准、Cv值和Cs值，在皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数Kp值表中确定对应的模比系数Kp值。
7.根据权利要求1所述的基于洪水过程的水文实验模型比例尺确定方法，其特征在于，所述步骤S3中，模型流域的垂直比例尺的计算公式为：
式中，K2为垂直比例尺；K1为平面比例尺；J'为模型流域的比降；J为实际比降。
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