CN111062128A - 一种流域汇流模拟估测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种流域汇流模拟估测方法，引入分布式水文模型，基于下垫面与降雨参数，模拟流域产流过程。再根据模拟获得的产流量以及下垫面参数，模拟流域汇流过程，从而实现汇流估测，设计中有效体现了流域雨洪过程的空间分布差异与时间差异，对于小微流域的模拟具有较高的精度；而且方法无需流域出口的水文站历史数据就可以进行雨洪模拟，可以实现对大范围流域中任意一点的上游集水区流域进行模拟，具有较高的灵活性与实用性；同时设计方法完全基于栅格计算原理进行模拟运算，运算速度快；并且依据应用需求通过调整栅格数据的分辨率可以进一步加快模拟运算速度，以便于进行快速的大量实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种流域汇流模拟估测方法，属于水文预测技术领域。
背景技术
随着中国海绵城市建设理念的发展与转变，海绵城市规划开始关注城市周边集水区流 域在降雨时对城市河道产生的影响。对于山地丘陵地区，这些地区流域由于地形复杂、平 均坡度较大等因素，使得流域内降雨所形成的径流过程具有时间段、水流强度大等特点， 极易使得下游城市建成区内部河道水位的快速上涨，从而影响城市雨水排放功能，形成洪 涝灾害。因此模拟暴雨情景下城市周边集水区的小微流域的产汇流过程、以及模拟预测入 城河道断面的流量变化过程，可以为滞洪湿地、滞洪水库等大中型海绵体的规划建设提供 有效的数据与支持，这就需要引入水文学领域成熟的流域水文模型。
现有对此的应用方法包括传统单位线法、分布式单位线法、空间分布式汇流时间方法， 其中，传统单位线法是由Sherman于1932年提出的一种能够模拟径流过程的工具，该工 具基于历史水文监测资料，推算流域在单位时段内均匀分布的单位地面净雨量在该流域出 口断面形成的单位径流过程线。通过应用倍比假定与叠加假定解决降雨时长与净雨量的差 异，实现对未来降雨情景下流域出口断面流量过程线的模拟。传统单位线法通过对实测的 流域降雨和径流单位基础数据进行对比、统计和制图等常规技术的分析处理，就实现了最 简单的降雨和径流的一维过程模拟。但是此方法依旧存在着问题与缺点，该方法是一种集 总式模型，由于其没有体现流域降雨与下垫面的空间差异性，在小微流域的模拟预测误差 较大；而且该方法基于流域出口断面的实测径流资料，无法对于无水文资料的流域进行模 拟预测。
分布式单位线概念是由Maidment提出的，是一种能够反映流域几何特征与地形特征 的类单位线法。分布式单位线法通过流域DEM栅格数据确定每个格网单元的流向，使用固 定流速计算流域内各格网单元内产生净流汇流至流域出口的汇流时间，获得流域等流时面 (即在同一时段内汇流至流域出口的格网单元面)，进而计算得到单位线。但是此方法依 旧存在着问题与缺点，该方法没有表达流域各单元净雨量的空间差异性；而且由于采用固 定流速，无法表达汇流过程中河道流与坡面流的流速差异。
空间分布式汇流时间方法由谢华、都金康等所提出，该方法利用地表遥感覆盖信息和GIS作为支持，采用SCS-CN模型表达了流域净雨量的空间差异性。并引用国外相关研究成 果计算河道流流速与坡面流流速，进而得到更为准确的流域等流时面。大幅度的提高了模 拟精度。但是此方法依旧存在着问题与缺点，谢华、都金康等的文章中对方法描述较为笼 统，仅简单的描述了方法的基本思路与概念流程。缺乏对方法中所涉及的因子参数与计算 公式做深入的解读与分析，许多参数的取值方法依旧未知，难以将方法应用于其他流域与 降雨情景中，而且文章中虽然将流域格网单元划分为了河道流与坡面流，但并未给出不同 单元的判断方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种流域汇流模拟估测方法，引入分布式水文模型， 基于城市规划中所能获得的各种相关图件资料与电子数据，系统地构建基于流域下垫面空 间数据，不依赖于水文站监测数据，能够高效实现流域汇流过程的模拟与估测。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种流域汇流模拟估 测方法，用于实现对目标地区中流域的汇流估测，包括如下步骤：
步骤A.构建目标地区所对应的流域下垫面参数；
步骤B.构建目标地区所对应的累计时长降雨量参数；
步骤C.根据目标地区所对应的流域下垫面参数和累计时长降雨量参数，应用SCS-CN 模型进行栅格计算，获得目标地区所对应的分时段流域产流量栅格数据集；
步骤D.根据目标地区所对应的分时段流域产流量栅格数据集，采用空间分布式旅行 法进行处理，获得目标地区流域出口断面流量，实现目标地区中流域的汇流估测。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤A包括如下步骤：
步骤A1.获得目标地区所对应栅格数据集类型的高程参数，即表示目标地区各栅格像 元位置的高程值，然后进入步骤A2；
步骤A2.根据目标地区的高程参数，获得目标地区对应栅格数据集类型的坡降参数， 即表示目标地区各栅格像元位置的坡降值；
同时，根据目标地区的高程参数，获得目标地区对应栅格数据集类型的流向参数，即 表示目标地区各栅格像元位置的流向值；
然后进入步骤A3；
步骤A3.根据目标地区的流向参数，获得目标地区对应栅格数据集类型的无因次流量 累计参数，即表示目标地区各栅格像元位置的无因次流量累计值，然后进入步骤A4；
步骤A4.根据目标地区的流域土地利用现状图与植被分布图，获得目标地区对应面要 素矢量类型的土地利用参数，然后进入步骤A5；
步骤A5.根据目标地区的用地糙率对照表与土地利用参数，获得目标地区对应栅格数 据集类型的曼宁糙率参数，即表示目标地区各栅格像元位置的曼宁糙率值，然后进入步骤 A6；
步骤A6.针对目标地区的近红外光波段卫星影像与红光波段卫星影像，按所述数字高 程模型比例进行栅格计算，获得目标地区对应栅格数据集类型的归一化植被指数参数，即 表示目标地区各栅格像元位置的归一化植被指数值，然后进入步骤A7；
步骤A7.根据目标地区的归一化植被指数参数，获得目标地区对应栅格数据集类型的 植被覆盖率参数，即表示目标地区各栅格像元位置的植被覆盖率值，然后进入步骤A8；
步骤A8.按预设植被覆盖率区间对植被覆盖率划分级别，获得目标地区对应各栅格像 元位置的植被覆盖率分级值，然后进入步骤A9；
步骤A9.将目标地区对应各栅格像元位置的植被覆盖率分级值，转化为目标地区对应 面要素矢量类型的植被覆盖率分级参数，然后进入步骤A10；
步骤A10.根据目标地区的土壤渗水性，采用HSG分级法，获得目标地区对应面要素矢量类型的土壤渗水级别参数，则进入步骤A11；
步骤A11.由目标地区所对应的高程参数、坡降参数、流向参数、无因次流量累计参数、土地利用参数、曼宁糙率参数、植被覆盖率分级参数、土壤渗水级别参数，构成目标 地区所对应的流域下垫面参数。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤B包括如下步骤：
步骤B1.获得目标地区各雨量站空间坐标以及分时段降雨量监测数据，并通过对各分 时段降雨量采用反距离权重法进行插值分析，获得目标地区对应栅格数据集类型的各分时 段的降雨量参数，即表示目标地区各栅格像元位置分别对应各分时段的降雨量值，然后进 入步骤B2；
步骤B2.根据目标地区的各分时段的降雨量参数，通过栅格计算，获得各像元位置分 别对应各分时段的降雨量值的累加，获得目标地区对应栅格数据集类型的累计时长降雨量 参数，即表示目标地区各栅格像元位置的累计时长降雨量值。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤C包括如下步骤：
步骤C1.根据目标地区所对应的流域下垫面参数,获得目标地区分别对应土壤干状态、 平均土壤湿度状态、土壤湿状态的径流曲线数栅格数据集，然后进入步骤C2；
步骤C2.根据目标地区所对应的累计时长降雨量参数，以及目标地区分别对应土壤干 状态、平均土壤湿度状态、土壤湿状态的径流曲线数栅格数据集，应用SCS-CN模型，逐个降雨时段计算生成目标地区累计时长产流量参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的累计时长产流量，然后进入步骤C3；
步骤C3.根据目标地区对应各降雨时段的累计时长产流量参数栅格数据集，获得目标 地区对应栅格数据集类型的各降雨时段的产流量，即目标地区所对应的分时段流域产流量 栅格数据集。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤C1包括如下步骤：
步骤C1-1.将目标地区对应面要素矢量类型的植被覆盖率分级参数、土壤渗水级别参 数、土地利用参数进行叠加、并相互标识，获得目标地区对应植被覆盖率分级、土壤渗水 级别、土地利用类型的综合分类数据，然后进入步骤C1-2；
步骤C1-2.在综合分类数据中建立新属性字段CNII，并根据目标地区的综合分类数 据，获得平均土壤湿度状态下的径流曲线数，录入目标地区综合分类数据的CNII字段中， 然后进入步骤C1-3；
步骤C1-3.将目标地区的综合分类数据转化为以CNII字段为值的栅格数据集，即表 示目标地区各栅格像元位置的CNII值，然后进入步骤C1-4；
步骤C1-4.针对目标地区各栅格像元位置的CNII值进行修正更新，然后进入步骤C1-5；
步骤C1-5.根据目标地区综合分类数据中对应平均土壤湿度状态下CNII值，获得综 合分类数据中对应土壤干状态下CNI值、以及对应土壤湿状态下的CNIII值，即目标地区分别对应干状态、平均状态、湿状态的流域径流曲线数栅格数据集。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤D包括如下步骤：
步骤D1.根据目标地区累计时长产流量参数栅格数据集、以及目标地区的坡降参数、 曼宁糙率参数，获得目标地区的坡面流单元汇流时间成本参数栅格数据集、以及河道流单 元汇流时间成本参数栅格数据集，并通过彼此整合，获得目标地区的全流域汇流时间成本 参数栅格数据集，然后进入步骤D2；
步骤D2.根据目标地区的全流域汇流时间成本参数栅格数据集，结合目标地区所对应 的流向参数，获得目标地区的流域汇流时间参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元 位置所产生地表径流汇流至目标地区流域出口所要花费的时间，然后进入步骤D3；
步骤D3.根据目标地区所对应的分时段流域产流量栅格数据集、以及目标地区的流域 汇流时间参数栅格数据集，逐个降雨时段计算该时段降雨所产生地表径流、汇流至流域出 口河道断面所形成的流量过程线，构成目标地区所对应的分时段流量过程线，并生成目标 地区所有降雨分时段的汇流时间-流量的关系表，然后进入步骤D4；
步骤D4.根据目标地区所有降雨分时段的汇流时间-流量的关系表，进行叠加运算求 得目标地区流域出口断面流量过程线，即获得目标地区流域出口断面流量，实现目标地区 中流域的汇流估测。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤D1包括如下步骤：
步骤D1-1.根据目标地区对应栅格数据集类型的无因次流量累计参数，结合预设河道 提取阈值，实现目标地区中坡面流单元与河道流单元的划分，获得目标地区中河道流单元 栅格数据集、以及坡面流单元栅格数据集，然后进入步骤D1-2；
步骤D1-2.根据目标地区各栅格像元位置的流向值，获得目标地区的原始水流长度参 数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的原始水流长度，并进一步获得目标地区 的水流长度参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的地表径流通过该栅格像元 位置所途径的长度，然后进入步骤D1-3；
步骤D1-3.根据目标地区各栅格像元位置的累计时长产流量，获得目标地区的平均净 雨强度参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的平均净雨强度，然后进入步骤 D1-4；
步骤D1-4.以目标地区各栅格像元位置的平均净雨强度与栅格像元面积的乘积、作为 地表径流权重，结合目标地区的流向参数，获得目标地区的平均出流体积参数栅格数据集， 即表示目标地区各栅格像元位置在整场降雨时长中，通过该栅格像元水流体积的平均强度， 然后进入步骤D1-5；
步骤D1-5.根据目标地区的无因次流量累计参数，获得目标地区河道有效宽度参数栅 格数据集，然后进入步骤D1-6；
步骤D1-6.将目标地区中河道流单元栅格数据集转换为矢量河道数据，并按预设河道 分级法对所获矢量河道数据进行分段分级，进一步获得目标地区中各段河道的坡降值，然 后进入步骤D1-7；
步骤D1-7.根据目标地区分别所对应的曼宁糙率参数、水流长度参数栅格数据集、平 均净雨强度参数栅格数据集、累计时长产流量参数栅格数据集、无因次流量累计参数，获 得坡面流单元汇流时间成本参数栅格数据集，然后进入步骤D1-8；
步骤D1-8.根据目标地区中各段河道的坡降值、以及目标地区分别所对应的曼宁糙率 参数、有效宽度参数栅格数据集、无因次流量累计参数，获得河道流单元汇流时间成本参 数栅格数据集，然后进入步骤D1-9；
步骤D1-9.针对目标地区的坡面流单元汇流时间成本参数栅格数据集、以及河道流单 元汇流时间成本参数栅格数据集，进行彼此整合，获得目标地区的全流域汇流时间成本参 数栅格数据集。
作为本发明的一种优选技术方案，所述步骤D3包括如下步骤：
步骤D3-1.针对目标地区的流域汇流时间参数栅格数据集，按照预设时段进行等间隔 重分类，获得目标地区对应栅格数据集类型的流域等流时面参数，即表示目标地区各栅格 像元位置的产流汇流至目标地区流域出口断面的对应时段，然后进入步骤D3-2；
步骤D3-2.以目标地区对应栅格数据集类型的流域等流时面参数作为分区图层、目标 地区所对应的分时段流域产流量栅格数据集作为赋值栅格，统计各分区下赋值栅格的栅格 值总和，即获得各等流时分区内的分时段产流量之和，进一步逐个降雨时段计算该时段降 雨所产生地表径流、汇流至流域出口河道断面所形成的流量过程线，构成目标地区所对应 的分时段流量过程线，并生成目标地区所有降雨分时段的汇流时间-流量的关系表。
本发明所述一种流域汇流模拟估测方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以 下技术效果：
本发明所设计流域汇流模拟估测方法，引入分布式水文模型，能够高效实现流域汇流 过程的模拟与估测，设计中有效体现了流域雨洪过程的空间分布差异与时间差异，并相较 背景技术的相关模型进行多种优化，使其更为接近现实情况，对于小微流域的模拟具有较 高的精度，可以运用于较为详细的规划建设工作中；而且方法无需流域出口的水文站历史 数据就可以进行雨洪模拟，可以实现对大范围流域中任意一点的上游集水区流域进行模拟， 具有较高的灵活性与实用性；同时设计方法完全基于栅格计算原理进行模拟运算，运算速 度快，并且依据应用需求通过调整栅格数据的分辨率可以进一步加快模拟运算速度，以便 于进行快速的大量实验；此外，设计方法构建了一套面向对象建模逻辑模型框架，可以通 过调整输入的因子参数，运用于不同的流域及降雨情景中；整个设计能较为方便的通过GIS 软件或是Python编程实现工具化。降低了使用门槛，极大方便了规划人员的应用。
附图说明
图1是本发明设计中流向参数的栅格像元位置示意图；
图2是本发明设计中无因次流量累计参数的栅格像元位置示意图；
图3是本发明设计应用实施例中的分时段流量过程线示意图；
图4是本发明设计应用实施例中目标地区所有降雨分时段的汇流时间-流量的关系表示意；
图5是本发明设计应用实施例中目标地区流域出口断面流量过程线。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了一种流域汇流模拟估测方法，用于实现对目标地区中流域的汇流估测， 包括如下步骤A至步骤D。
步骤A.执行如下步骤A1至步骤A11，构建目标地区所对应的流域下垫面参数，然后进入步骤B。
步骤A1.获得目标地区所对应栅格数据集类型的高程参数，即表示目标地区各栅格像 元位置的高程值，实际应用中，高程参数由国家公开的卫星影像下载获取，或是由地理测 绘的数字线画图(DLG)插值而成，然后进入步骤A2。在步骤A1之后所有步骤中所涉及的 栅格数据集中的栅格像元大小、都需与此步骤中栅格数据集类型的栅格像元大小保持一致。
步骤A2.根据目标地区的高程参数，通过ArcGIS中的“Slope”地理处理工具，获得目标地区对应栅格数据集类型的坡降参数，即表示目标地区各栅格像元位置的坡降值，即栅格像元位置坡度的正切值；同时，根据目标地区的高程参数，通过ArcGIS中的“FlowDirection”地理处理工具，获得目标地区对应栅格数据集类型的流向参数，即表 示目标地区各栅格像元位置的流向值，实际应用中，流向值采用8个整数表达8个方向， 诸如图1所示；然后进入步骤A3。
步骤A3.根据目标地区的流向参数，通过ArcGIS中的“FlowAccumulation”地理处理 工具，获得目标地区对应栅格数据集类型的无因次流量累计参数，即表示目标地区各栅格 像元位置的无因次流量累计值，然后进入步骤A4。
无因次流量累计栅格像元位置是指不提供任何权重栅格，将权重1应用到每个栅格 像元位置，并且输出栅格像元位置中的无因次流量累计值是流入每个栅格像元位置的栅格 像元数，如图2所示，左图显示了每个栅格像元位置的流动方向，右图显示了流入每个栅 格像元位置的像元数。
步骤A4.根据目标地区的流域土地利用现状图与植被分布图，获得目标地区对应面要 素矢量类型的土地利用参数，然后进入步骤A5。
步骤A5.根据目标地区的用地糙率对照表与土地利用参数，获得目标地区对应栅格数 据集类型的曼宁糙率参数，即表示目标地区各栅格像元位置的曼宁糙率值，然后进入步骤 A6。其中，用地糙率对照表可以从相关研究文献获取。
步骤A6.针对目标地区的近红外光波段卫星影像(NIR)与红光波段卫星影像(R)，通过ArcGIS中的“RasterCalculator”地理处理工具，按所述数字高程模型比例进行栅 格计算，按如下公式：
获得目标地区对应栅格数据集类型的归一化植被指数参数(NDVI)，即表示目标地区 各栅格像元位置的归一化植被指数值(NDVI)，然后进入步骤A7。
步骤A7.按杨胜天等(2006)的研究内容，根据目标地区的归一化植被指数参数(NDVI)， 按如下公式：
获得目标地区对应栅格数据集类型的植被覆盖率参数(VFC)，即表示目标地区各栅格 像元位置的植被覆盖率值(VFC)，然后进入步骤A8。其中，NDVImax表示各栅格像元位置的归一化植被指数值(NDVI)中的最大值，NDVImin各栅格像元位置的归一化植被指数 值(NDVI)中的最小值。
步骤A8.通过ArcGIS中的“Reclassify”地理处理工具，按预设植被覆盖率区间对植被 覆盖率划分级别，获得目标地区对应各栅格像元位置的植被覆盖率分级值，实际应用中， 诸如划分为好、中、差三个级别，然后进入步骤A9。
步骤A9.通过ArcGIS中的“RasterToPolygon_conversion”工具，将目标地区对应各栅格像元位置的植被覆盖率分级值，转化为目标地区对应面要素矢量类型的植被覆盖率分级参数，然后进入步骤A10。
步骤A10.根据目标地区的土壤渗水性，采用HSG分级法，获得目标地区对应面要素矢量类型的土壤渗水级别参数，实际应用中，包括由A至D的各个HSG级别，则进入步骤 A11。
步骤A11.由目标地区所对应的高程参数、坡降参数、流向参数、无因次流量累计参数、土地利用参数、曼宁糙率参数、植被覆盖率分级参数、土壤渗水级别参数，构成目标 地区所对应的流域下垫面参数。
步骤B.执行如下步骤B1至步骤B2，构建目标地区所对应的累计时长降雨量参数，然后进入步骤C。
步骤B1.获得目标地区各雨量站空间坐标以及分时段降雨量监测数据，如图下表1所 示。
表1
通过ArcGIS中的“Idw”地理分析工具，对各分时段降雨量采用反距离权重法进行插 值分析，获得目标地区对应栅格数据集类型的各分时段的降雨量参数，即表示目标地区各 栅格像元位置分别对应各分时段的降雨量值，然后进入步骤B2。
步骤B2.根据目标地区的各分时段的降雨量参数，通过栅格计算，获得各像元位置分 别对应各分时段的降雨量值的累加，获得目标地区对应栅格数据集类型的累计时长降雨量 参数，即表示目标地区各栅格像元位置的累计时长降雨量值。
对于历时m小时的降雨场次α，则有其中第n小时(1≤n≤m)的累计时长降雨量(Pn)为n小时降雨量之和，公式如下：
式中Pn——第n小时降雨的累计时长降雨量(mm)，pi——第i小时降雨的降雨量(mm)。
步骤C.执行如下步骤C1至步骤C3，根据目标地区所对应的流域下垫面参数和累计时长降雨量参数，应用SCS-CN模型进行栅格计算，获得目标地区所对应的分时段流域产 流量栅格数据集，然后进入步骤D。
SCS-CN模型是美国农业部水土保持局在上世纪50年代提出的流域水文模型，是目前 应用较为广泛的流域水文模型之一。模型结构简单，所需要的参数较为符合当前中国城市 可获取的资料，同时模型可以运用于空间分布式数据的计算，体现空间差异性；并且可以 通过将降雨划分为多个时段，计算各个时段的产流量，体现时间差异性。
步骤C1.根据目标地区所对应的流域下垫面参数,获得目标地区分别对应土壤干状态、 平均土壤湿度状态、土壤湿状态的径流曲线数栅格数据集，然后进入步骤C2。
具体设计中，上述步骤C1包括如下步骤C1-1至步骤C1-5。
步骤C1-1.通过两次应用ArcGIS中的“Identity_analysis”，将目标地区对应面要素矢量类型的植被覆盖率分级参数、土壤渗水级别参数、土地利用参数进行叠加、并相互标识，获得目标地区对应植被覆盖率分级、土壤渗水级别、土地利用类型的综合分类数据，然后进入步骤C1-2。
步骤C1-2.通过查阅美国农业部在网络发布的说明文件《National EngineeringHandbook Hydrology Chapters》中的表格以及国内专家学者基于中国土壤与土地利用条件下进行的CN值研究，在综合分类数据中建立新属性字段CNII，并根据目标地区的综合 分类数据，获得平均土壤湿度状态下的径流曲线数，录入目标地区综合分类数据的CNII 字段中，然后进入步骤C1-3。
诸如实施例流域中等湿润程度下CN值，如下表2所示。
表2
步骤C1-3.通过ArcGIS中的“FeatureToRaster_conversion”地理处理工具，将目标地区的综合分类数据转化为以CNII字段为值的栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的CNII值，然后进入步骤C1-4。
步骤C1-4.坡降作为水文学中影响径流的重要因子，在地形变化较大的山地丘陵地区 应用SCS-CN模型时还应考虑坡度影响并对径流的影响，通过ArcGIS中的“RasterCalculator” 地理处理工具，按如下公式：
针对目标地区各栅格像元位置的CNII值进行修正更新，slp表示栅格像元位置的坡降 值，然后进入步骤C1-5。
步骤C1-5.取值根据模型针对我国的应用情况、以及在湿润地区降雨特点对土壤干湿 状态进行修正，根据目标地区综合分类数据中对应平均土壤湿度状态下CNII值，按如下 公式：
获得综合分类数据中对应土壤干状态下CNI值、以及对应土壤湿状态下的CNIII值， 即目标地区分别对应干状态、平均状态、湿状态的流域径流曲线数栅格数据集。
步骤C2.根据目标地区所对应的累计时长降雨量参数，以及目标地区分别对应土壤干 状态、平均土壤湿度状态、土壤湿状态的径流曲线数栅格数据集，应用SCS-CN模型，逐个降雨时段计算生成目标地区累计时长产流量参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的累计时长产流量，然后进入步骤C3。
首先通过ArcGIS中的“RasterCalculator”地理处理工具，根据所分析降雨情景前土壤 湿度，选择所使用的土壤干湿级别CN值，应用以下公式计算生成目标地区对应栅格数据 集的最大可能滞留量，即S值，公式如下：
式中S表示最大可能滞留量(mm)；CN表示径流曲线数。
其次引入SCS-CN模型中的产流计算公式，该公式由美国农业部土壤保持局在分析了大 量长期的实验结果基础上，经过一系列推导得到，公式如下：
式中P表示降雨量(mm)；R表示实际产流量(mm)；S表示最大可能滞留量(mm)。
通过ArcGIS中的“RasterCalculator”地理处理工具实现，逐个降雨时段计算生成目标 地区累计时长产流量参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的累计时长产流量。
步骤C3.通过ArcGIS中可以使用“RasterCalculator”地理处理工具，根据目标地区对 应各降雨时段的累计时长产流量参数栅格数据集，按如下公式：
逐个降雨时段计算生成该时段内的产流量栅格数据集，获得目标地区对应栅格数据集 类型的各降雨时段的产流量，即目标地区所对应的分时段流域产流量栅格数据集，式中， qn表示第n小时降雨的分时段产流量(mm)；Qn表示第n小时降雨的累计产流量(mm)。
步骤D.执行如下步骤D1至步骤D4，根据目标地区所对应的分时段流域产流量栅格数据集，采用空间分布式旅行法进行处理，获得目标地区流域出口断面流量，实现目标地区中流域的汇流估测。
步骤D1.根据目标地区累计时长产流量参数栅格数据集、以及目标地区的坡降参数、 曼宁糙率参数，获得目标地区的坡面流单元汇流时间成本参数栅格数据集、以及河道流单 元汇流时间成本参数栅格数据集，并通过彼此整合，获得目标地区的全流域汇流时间成本 参数栅格数据集，然后进入步骤D2。
在实际应用中，上述步骤D1具体执行如下步骤D1-1至步骤D1-9。
步骤D1-1.根据目标地区对应栅格数据集类型的无因次流量累计参数，结合预设河道 提取阈值，实现目标地区中坡面流单元与河道流单元的划分，获得目标地区中河道流单元 栅格数据集、以及坡面流单元栅格数据集，然后进入步骤D1-2。
应用中，当流域内某一栅格像元位置的集水面积大于预设河道提取阈值流域面积时， 该栅格像元位置为河道流栅格像元位置，反之则为坡面漫流栅格像元位置。由于无因次流 量累计参数的栅格像元值表达了流域内流入每个栅格像元的栅格像元数，即栅格像元位置 的集水区栅格像元数，则可以通过以下公式划分单元：
式中Cc表示栅格像元集水区的栅格像元数；Cw表示流域总栅格像元数；k表示预设流域提 取阈值。实际应用中，在ArcGIS中可以通过在后续时间成本计算时使用“RasterCalculator” 地理处理工具中的Con函数实现单元划分。
步骤D1-2.根据目标地区各栅格像元位置的流向值，获得目标地区的原始水流长度参 数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的原始水流长度，并进一步获得目标地区 的水流长度参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的地表径流通过该栅格像元 位置所途径的长度，然后进入步骤D1-3。
上述步骤D1-2在实际应用中，依据栅格像元位置水流方向计算其原始水流长度：当 流向为正南北向或正东西向的正流向时，取栅格像元边长大小；当流向为斜对角线的斜流 向时，取栅格像元斜对角线长度
在ArcGIS中可以通过对流向栅格数 据集使用“Reclassify”地理处理工具，将其重分类为正流向、斜流向两种栅格值的栅格数 据集，再使用“RasterCalculator”地理处理工具计算获得目标地区的原始水流长度参数栅 格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的原始水流长度。
其次，由于栅格像元越大计算得到的水流长度相比实际的越小，同时需要考虑坡度对 水流长度产生的影像。方法引入相关研究，通过在原始水流长度时，根据栅格像元大小乘 以一个栅格精度校正系数，使得计算结果更为逼近实际径流长度，该系数可以通过比较两 种不同比例尺地形图所绘制的汇水线长度差异比值获得；同时乘以该栅格像元位置的坡度 正割值，从而进行坡度修正，为减少数据冗余还可以根据三角函数转化为与坡降值(即栅 格像元位置的坡度正切值)。纠正公式如下：
式中ld表示栅格像元位置的水流长度；li表示栅格像元位置的原始水流长度；D表示地图精 度纠正系数；slp表示栅格像元位置的坡降值。
在ArcGIS中可以通过使用“RasterCalculator”地理处理工具实现，计算生成目标地区 的水流长度参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的地表径流通过该栅格像元 位置所途径的长度。
步骤D1-3.通过ArcGIS中的“RasterCalculator”地理处理工具，根据目标地区各栅格 像元位置的累计时长产流量，按如下公式：
获得目标地区的平均净雨强度参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的平 均净雨强度，然后进入步骤D1-4。式中ie表示平均净雨强度(m/s)；Qmax表示总累计时长 产流量(m)；Tmax表示总降雨时长(s)
步骤D1-4.通过ArcGIS中的“FlowAccumulation”地理处理工具，以目标地区各栅格 像元位置的平均净雨强度与栅格像元面积的乘积、作为地表径流权重，结合目标地区的流 向参数，获得目标地区的平均出流体积参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置 在整场降雨时长中，通过该栅格像元水流体积的平均强度，然后进入步骤D1-5。
步骤D1-5.由于现实中河道宽度与其通过流量成正相关，则对于无因次流量累计参数 中的河道流单元而言，其汇积值越大，该像元的河道有效宽度越大。因此根据目标地区的 无因次流量累计参数，按如下公式：
获得目标地区河道有效宽度参数栅格数据集，式中Bi表示河道有效宽度参数；Bm表说 流域出口断面河道有效宽度值；Qi表示无因次流量累计参数；Qm表示流域出口断面无因次 流量累计值，然后进入步骤D1-6。
步骤D1-6.将目标地区中河道流单元栅格数据集转换为矢量河道数据，并按预设河道 分级法对所获矢量河道数据进行分段分级，即所有没有支流的连接线都被分为1级，它 们称为第一级别。当级别相同的河流交汇时，河网分级将升高。其次，生成各段河道线的首末点，并依据各个点所落在的DEM栅格单元，提取各点的高程值。最后，获取各段河道 的长度，结合首末点高程值，按如下公式：
进一步获得目标地区中各段河道的坡降值，式中slp表示栅格像元位置的河道坡降值； Hstart表示河道起始点高程值(m)；Hend表示河道终点高程值(m)；S表示河道长度(m)，然后进入步骤D1-7。
步骤D1-7.先应用ArcGIS中的“RasterCalculator”地理处理工具，通过Con函数与无 因次流量累计参数判断流域哪些单元是坡面流单元，然后根据目标地区分别所对应的曼宁 糙率参数、水流长度参数栅格数据集、平均净雨强度参数栅格数据集、累计时长产流量参 数栅格数据集、无因次流量累计参数，按如下公式：
获得坡面流单元汇流时间成本参数栅格数据集，式中τo表示坡面流单元时间成本(s)； ld表示栅格像元位置的水流长度(m)；n表示曼宁糙率；slp表示栅格像元位置的坡降值； ie表示平均净雨强度(m/s)；Qmax表示总累计时长产流量(m)；Tmax表示总降雨时长(s)，然后进入步骤D1-8。
步骤D1-8.先应用ArcGIS中的“RasterCalculator”地理处理工具，通过Con函数与无 因次流量累计参数判断流域哪些单元是坡面流单元，然后根据目标地区中各段河道的坡降 值、以及目标地区分别所对应的曼宁糙率参数、有效宽度参数栅格数据集、无因次流量累 计参数，按如下公式：
获得河道流单元汇流时间成本参数栅格数据集，式中τc表示河道流单元时间成本(s)； B表示河道有效宽度(m)；n表示曼宁糙率；ke表示平均流量累计(m3/s)；slp表示栅格像元位置的坡降值，然后进入步骤D1-9。
步骤D1-9.应用ArcGIS中的“Mosaic_management”地理处理工具，针对目标地区的坡面流单元汇流时间成本参数栅格数据集、以及河道流单元汇流时间成本参数栅格数据集， 进行彼此整合，获得目标地区的全流域汇流时间成本参数栅格数据集。
步骤D2.此步骤的目的是基于流域汇流时间成本参数与流向参数，计算获得流域各栅 格像元位置产生的地表径流汇流至流域出口所要花费的时间，通过流向参数可以为流域内 每一个栅格像元位置找到一条固定的流向流域出口的汇流路径，该路径经过m个单元；具 体操作是，应用ArcGIS中的“FlowLength”地理处理工具，根据目标地区的全流域汇流时 间成本参数栅格数据集，结合目标地区所对应的流向参数，按如下公式：
获得目标地区的流域汇流时间参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置所产 生地表径流汇流至目标地区流域出口所要花费的时间，式中，T表示流域内某一栅格像元 位置汇流至流域出口的汇流时间；τi表示汇流路径栅格像元位置的时间成本，然后进入步 骤D3。
步骤D3.根据目标地区所对应的分时段流域产流量栅格数据集、以及目标地区的流域 汇流时间参数栅格数据集，逐个降雨时段计算该时段降雨所产生地表径流、汇流至流域出 口河道断面所形成的流量过程线，构成目标地区所对应的分时段流量过程线，并生成目标 地区所有降雨分时段的汇流时间-流量的关系表，然后进入步骤D4。
上述步骤D3在实际应用当中，具体执行如下步骤D3-1至步骤D3-2。
步骤D3-1.针对目标地区的流域汇流时间参数栅格数据集，按照预设时段进行等间隔 重分类，获得目标地区对应栅格数据集类型的流域等流时面参数，即表示目标地区各栅格 像元位置的产流汇流至目标地区流域出口断面的对应时段，然后进入步骤D3-2。
步骤D3-2.以目标地区对应栅格数据集类型的流域等流时面参数作为分区图层、目标 地区所对应的分时段流域产流量栅格数据集作为赋值栅格，统计各分区下赋值栅格的栅格 值总和，即获得各等流时分区内的分时段产流量之和，进一步应用ArcGIS中的“ZonalStatisticsAsTable”工具，逐个降雨时段计算该时段降雨所产生地表径流、汇流至流 域出口河道断面所形成的流量过程线，具体实施例如图3所示，构成目标地区所对应的分 时段流量过程线，并生成目标地区所有降雨分时段的汇流时间-流量的关系表，实际应用 中诸如图4所示。
步骤D4.流域出口断面流量过程线基于舒尔曼单位线的叠加假定计算，即各时段净雨 深所形成的流量过程线间互不干扰，出口断面的流量过程线等于m个部分流量过程错开时 段叠加之和；即根据目标地区所有降雨分时段的汇流时间-流量的关系表，按如下公式：
进行叠加运算求得目标地区流域出口断面流量过程线，实施例应用中诸如图5所示， 即获得目标地区流域出口断面流量，实现目标地区中流域的汇流估测，式中，Qt表示流域 出口总汇流量(m)；q表示分时段汇流量(m)。
上述技术方案所设计流域汇流模拟估测方法，引入分布式水文模型，能够高效实现流 域汇流过程的模拟与估测，设计中有效体现了流域雨洪过程的空间分布差异与时间差异， 并相较背景技术的相关模型进行多种优化，使其更为接近现实情况，对于小微流域的模拟 具有较高的精度，可以运用于较为详细的规划建设工作中；而且方法无需流域出口的水文 站历史数据就可以进行雨洪模拟，可以实现对大范围流域中任意一点的上游集水区流域进 行模拟，具有较高的灵活性与实用性；同时设计方法完全基于栅格计算原理进行模拟运算， 运算速度快，并且依据应用需求通过调整栅格数据的分辨率可以进一步加快模拟运算速度， 以便于进行快速的大量实验；此外，设计方法构建了一套面向对象建模逻辑模型框架，可 以通过调整输入的因子参数，运用于不同的流域及降雨情景中；整个设计能较为方便的通 过GIS软件或是Python编程实现工具化。降低了使用门槛，极大方便了规划人员的应用。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式， 在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各 种变化。
Claims (8)
1.一种流域汇流模拟估测方法，用于实现对目标地区中流域的汇流估测，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A.构建目标地区所对应的流域下垫面参数；
步骤B.构建目标地区所对应的累计时长降雨量参数；
步骤C.根据目标地区所对应的流域下垫面参数和累计时长降雨量参数，应用SCS-CN模型进行栅格计算，获得目标地区所对应的分时段流域产流量栅格数据集；
步骤D.根据目标地区所对应的分时段流域产流量栅格数据集，采用空间分布式旅行法进行处理，获得目标地区流域出口断面流量，实现目标地区中流域的汇流估测。
2.根据权利要求1所述一种流域汇流模拟估测方法，其特征在于：所述步骤A包括如下步骤：
步骤A1.获得目标地区所对应栅格数据集类型的高程参数，即表示目标地区各栅格像元位置的高程值，然后进入步骤A2；
步骤A2.根据目标地区的高程参数，获得目标地区对应栅格数据集类型的坡降参数，即表示目标地区各栅格像元位置的坡降值；
同时，根据目标地区的高程参数，获得目标地区对应栅格数据集类型的流向参数，即表示目标地区各栅格像元位置的流向值；
然后进入步骤A3；
步骤A3.根据目标地区的流向参数，获得目标地区对应栅格数据集类型的无因次流量累计参数，即表示目标地区各栅格像元位置的无因次流量累计值，然后进入步骤A4；
步骤A4.根据目标地区的流域土地利用现状图与植被分布图，获得目标地区对应面要素矢量类型的土地利用参数，然后进入步骤A5；
步骤A5.根据目标地区的用地糙率对照表与土地利用参数，获得目标地区对应栅格数据集类型的曼宁糙率参数，即表示目标地区各栅格像元位置的曼宁糙率值，然后进入步骤A6；
步骤A6.针对目标地区的近红外光波段卫星影像与红光波段卫星影像，按所述数字高程模型比例进行栅格计算，获得目标地区对应栅格数据集类型的归一化植被指数参数，即表示目标地区各栅格像元位置的归一化植被指数值，然后进入步骤A7；
步骤A7.根据目标地区的归一化植被指数参数，获得目标地区对应栅格数据集类型的植被覆盖率参数，即表示目标地区各栅格像元位置的植被覆盖率值，然后进入步骤A8；
步骤A8.按预设植被覆盖率区间对植被覆盖率划分级别，获得目标地区对应各栅格像元位置的植被覆盖率分级值，然后进入步骤A9；
步骤A9.将目标地区对应各栅格像元位置的植被覆盖率分级值，转化为目标地区对应面要素矢量类型的植被覆盖率分级参数，然后进入步骤A10；
步骤A10.根据目标地区的土壤渗水性，采用HSG分级法，获得目标地区对应面要素矢量类型的土壤渗水级别参数，则进入步骤A11；
步骤A11.由目标地区所对应的高程参数、坡降参数、流向参数、无因次流量累计参数、土地利用参数、曼宁糙率参数、植被覆盖率分级参数、土壤渗水级别参数，构成目标地区所对应的流域下垫面参数。
3.根据权利要求2所述一种流域汇流模拟估测方法，其特征在于，所述步骤B包括如下步骤：
步骤B1.获得目标地区各雨量站空间坐标以及分时段降雨量监测数据，并通过对各分时段降雨量采用反距离权重法进行插值分析，获得目标地区对应栅格数据集类型的各分时段的降雨量参数，即表示目标地区各栅格像元位置分别对应各分时段的降雨量值，然后进入步骤B2；
步骤B2.根据目标地区的各分时段的降雨量参数，通过栅格计算，获得各像元位置分别对应各分时段的降雨量值的累加，获得目标地区对应栅格数据集类型的累计时长降雨量参数，即表示目标地区各栅格像元位置的累计时长降雨量值。
4.根据权利要求3所述一种流域汇流模拟估测方法，其特征在于，所述步骤C包括如下步骤：
步骤C1.根据目标地区所对应的流域下垫面参数,获得目标地区分别对应土壤干状态、平均土壤湿度状态、土壤湿状态的径流曲线数栅格数据集，然后进入步骤C2；
步骤C2.根据目标地区所对应的累计时长降雨量参数，以及目标地区分别对应土壤干状态、平均土壤湿度状态、土壤湿状态的径流曲线数栅格数据集，应用SCS-CN模型，逐个降雨时段计算生成目标地区累计时长产流量参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的累计时长产流量，然后进入步骤C3；
步骤C3.根据目标地区对应各降雨时段的累计时长产流量参数栅格数据集，获得目标地区对应栅格数据集类型的各降雨时段的产流量，即目标地区所对应的分时段流域产流量栅格数据集。
5.根据权利要求4所述一种流域汇流模拟估测方法，其特征在于，所述步骤C1包括如下步骤：
步骤C1-1.将目标地区对应面要素矢量类型的植被覆盖率分级参数、土壤渗水级别参数、土地利用参数进行叠加、并相互标识，获得目标地区对应植被覆盖率分级、土壤渗水级别、土地利用类型的综合分类数据，然后进入步骤C1-2；
步骤C1-2.在综合分类数据中建立新属性字段CNII，并根据目标地区的综合分类数据，获得平均土壤湿度状态下的径流曲线数，录入目标地区综合分类数据的CNII字段中，然后进入步骤C1-3；
步骤C1-3.将目标地区的综合分类数据转化为以CNII字段为值的栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的CNII值，然后进入步骤C1-4；
步骤C1-4.针对目标地区各栅格像元位置的CNII值进行修正更新，然后进入步骤C1-5；
步骤C1-5.根据目标地区综合分类数据中对应平均土壤湿度状态下CNII值，获得综合分类数据中对应土壤干状态下CNI值、以及对应土壤湿状态下的CNIII值，即目标地区分别对应干状态、平均状态、湿状态的流域径流曲线数栅格数据集。
6.根据权利要求4所述一种流域汇流模拟估测方法，其特征在于，所述步骤D包括如下步骤：
步骤D1.根据目标地区累计时长产流量参数栅格数据集、以及目标地区的坡降参数、曼宁糙率参数，获得目标地区的坡面流单元汇流时间成本参数栅格数据集、以及河道流单元汇流时间成本参数栅格数据集，并通过彼此整合，获得目标地区的全流域汇流时间成本参数栅格数据集，然后进入步骤D2；
步骤D2.根据目标地区的全流域汇流时间成本参数栅格数据集，结合目标地区所对应的流向参数，获得目标地区的流域汇流时间参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置所产生地表径流汇流至目标地区流域出口所要花费的时间，然后进入步骤D3；
步骤D3.根据目标地区所对应的分时段流域产流量栅格数据集、以及目标地区的流域汇流时间参数栅格数据集，逐个降雨时段计算该时段降雨所产生地表径流、汇流至流域出口河道断面所形成的流量过程线，构成目标地区所对应的分时段流量过程线，并生成目标地区所有降雨分时段的汇流时间-流量的关系表，然后进入步骤D4；
步骤D4.根据目标地区所有降雨分时段的汇流时间-流量的关系表，进行叠加运算求得目标地区流域出口断面流量过程线，即获得目标地区流域出口断面流量，实现目标地区中流域的汇流估测。
7.根据权利要求6所述一种流域汇流模拟估测方法，其特征在于，所述步骤D1包括如下步骤：
步骤D1-1.根据目标地区对应栅格数据集类型的无因次流量累计参数，结合预设河道提取阈值，实现目标地区中坡面流单元与河道流单元的划分，获得目标地区中河道流单元栅格数据集、以及坡面流单元栅格数据集，然后进入步骤D1-2；
步骤D1-2.根据目标地区各栅格像元位置的流向值，获得目标地区的原始水流长度参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的原始水流长度，并进一步获得目标地区的水流长度参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的地表径流通过该栅格像元位置所途径的长度，然后进入步骤D1-3；
步骤D1-3.根据目标地区各栅格像元位置的累计时长产流量，获得目标地区的平均净雨强度参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置的平均净雨强度，然后进入步骤D1-4；
步骤D1-4.以目标地区各栅格像元位置的平均净雨强度与栅格像元面积的乘积、作为地表径流权重，结合目标地区的流向参数，获得目标地区的平均出流体积参数栅格数据集，即表示目标地区各栅格像元位置在整场降雨时长中，通过该栅格像元水流体积的平均强度，然后进入步骤D1-5；
步骤D1-5.根据目标地区的无因次流量累计参数，获得目标地区河道有效宽度参数栅格数据集，然后进入步骤D1-6；
步骤D1-6.将目标地区中河道流单元栅格数据集转换为矢量河道数据，并按预设河道分级法对所获矢量河道数据进行分段分级，进一步获得目标地区中各段河道的坡降值，然后进入步骤D1-7；
步骤D1-7.根据目标地区分别所对应的曼宁糙率参数、水流长度参数栅格数据集、平均净雨强度参数栅格数据集、累计时长产流量参数栅格数据集、无因次流量累计参数，获得坡面流单元汇流时间成本参数栅格数据集，然后进入步骤D1-8；
步骤D1-8.根据目标地区中各段河道的坡降值、以及目标地区分别所对应的曼宁糙率参数、有效宽度参数栅格数据集、无因次流量累计参数，获得河道流单元汇流时间成本参数栅格数据集，然后进入步骤D1-9；
步骤D1-9.针对目标地区的坡面流单元汇流时间成本参数栅格数据集、以及河道流单元汇流时间成本参数栅格数据集，进行彼此整合，获得目标地区的全流域汇流时间成本参数栅格数据集。
8.根据权利要求6所述一种流域汇流模拟估测方法，其特征在于，所述步骤D3包括如下步骤：
步骤D3-1.针对目标地区的流域汇流时间参数栅格数据集，按照预设时段进行等间隔重分类，获得目标地区对应栅格数据集类型的流域等流时面参数，即表示目标地区各栅格像元位置的产流汇流至目标地区流域出口断面的对应时段，然后进入步骤D3-2；
步骤D3-2.以目标地区对应栅格数据集类型的流域等流时面参数作为分区图层、目标地区所对应的分时段流域产流量栅格数据集作为赋值栅格，统计各分区下赋值栅格的栅格值总和，即获得各等流时分区内的分时段产流量之和，进一步逐个降雨时段计算该时段降雨所产生地表径流、汇流至流域出口河道断面所形成的流量过程线，构成目标地区所对应的分时段流量过程线，并生成目标地区所有降雨分时段的汇流时间-流量的关系表。
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