CN111339711B - 一种小流域设计洪水推求方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小流域设计洪水推求方法。确定小流域下游水文站点，获取包含该水文站点以上流域DEM图等信息。将获取的信息加载到GIS软件中，提取流域水系，剪切，划分为多个自然子流域，并赋予水文识别号，添加水文单元，概化流域图。获取水文站点以上流域出口断面年最大场次洪水的降雨径流过程，并建立水文站点以上流域的水文模型，从而获取能够反映待推求设计洪水的小流域的降雨径流过程信息的小流域水文模型参数，通过水文频率计算的方法计算小流域的设计暴雨，将设计暴雨带入到率定好的小流域水文模型中推求小流域的设计洪水过程线。本发明实现了在小流域通过简单的操作可以得到能够反映小流域降雨径流过程信息的较高精度的设计洪水。

Description

一种小流域设计洪水推求方法

技术领域

本发明涉及水文水利领域，尤其涉及小流域的水利工程，具体为一种小流域设计洪水推求方法。

背景技术

当前为在小流域上修建农田灌溉排水工程、公路和铁路的桥涵建筑、城市和工矿地区的防洪工程等，小流域设计洪水的推求是必不可少的步骤之一。现广泛使用的小流域设计洪水推求方法是推理公式法、经验公式法、综合单位线法等。推理公式法由暴雨公式计算小流域的设计暴雨，利用损失参数μ值得地区综合规律计算设计净雨，通过推理公式计算小流域设计洪峰流量。推理公式法计算简便，但是其只能计算洪峰流量，且损失参数u法的理论基础是计算干旱半干旱流域产流量的初损后损法，所以对于湿润半湿润地区的小流域，并不能很好的反映该小流域的降雨径流特性。经验公式法只适用于特定的小流域，推广效果不是很好。综合单位线法通过流域的几何特性，利用地区经验关系得到小流域的单位线要素，从而得到单位线，通过单位线汇流计算得到小流域设计洪水过程线。

然而综合单位线法推求设计洪水过程时，由于综合单位线并非由小流域的降雨径流过程推求得出，此时用该单位线推求小流域设计洪水结果准确性低，需要考虑小流域的降雨径流过程信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小流域设计洪水计算方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。为了实现上述目的，本发明的技术方案为一种小流域设计洪水推求方法，所述方法包括以下步骤：

S1，资料收集与处理：

1)确定待研究小流域下游水文站点，获取该水文站点以上流域DEM图、土地利用图、流域内雨量站点以及流域出口处水文站的经纬度信息，将上述信息通过GIS软件点绘在图层中将其制成面文件，文件名记为GageStation.shap，所述水文站点以上流域范围内应有5-10个雨量站且流域范围需覆盖整个待研究小流域；

2)将上步获取的DEM图的文件类型转化为栅格文件类型，在GIS软件中加载GeoHMS工具条，将该栅格文件通过GeoHMS工具进行水文分析及处理，得到目标流域的流域图面文件，记为model.shape，通过流域分割的方法将待研究小流域划分为一个单独的子流域；

3)基于所述水文站点以上流域范围及流域内所有雨量站绘制泰森多边形，获取计算待研究小流域面降雨量的各影响雨量站以及各自的泰森多边形权重；

4)将土地利用图与流域图面文件叠加，计算各个子流域的不透水率(不透水率用在初始常速率法进行产流计算中，在S4中)；

5)获取水文站点以上流域多场年最大洪水(按照洪峰流量年最大原则选取)的降雨径流数据：包括降水过程以及流域出口断面相应场次洪水的流量过程，并把降水过程和流量过程由不等间隔时间序列转化为等间隔时间序列；降水过程即表示为各雨量站的等间隔的降水数据；

6)获取待研究小流域的影响雨量站年最大1日、3日、7日雨量系列。

S2，生成流域模型：

在流域面文件中添加水文单元生成流域模型，并且为不同的水文单元选择不同的计算方法，所述水文单元包括子流域、河段、汇流点、水库；

S3，确定各子流域的降雨过程以及流域出口断面的流量过程：

各子流域的降雨过程以子流域的面雨量表示，根据S1中得到的各雨量站的等间隔的降水数据以泰森多边形法确定；

S4，确定小流域水文模型参数：

选取S1中获得水文站点以上流域多场年最大洪水(按照洪峰流量年最大原则选取)的降雨径流数据作为基础数据对水文站点以上流域水文模型进行参数率定，可以得到包含待研究小流域在内的各子流域的产汇流参数，提取其中的待研究小流域子流域的产汇流参数，结合小流域的流域面文件，建立小流域的水文模型；该水文模型能够反映待研究小流域降雨径流过程信息；

S5，小流域设计暴雨的推求：

根据S1中获取的待研究小流域各雨量站的年最大1日雨量、年最大3日雨量以及年最大7日雨量，通过泰森多边形法计算各自的年最大面雨量系列，通过水文频率计算方法计算年最大面暴雨值；选取主雨峰集中在雨期最后的暴雨分配形式，作为设计暴雨的典型暴雨，通过同频率分段控制的方法(公式10-12)，依据典型暴雨过程的百分比对设计暴雨进行时程分配，从而得到小流域的设计暴雨；S6，小流域设计洪水的推求：

将步骤S5得到的小流域设计暴雨代入到S4得到的小流域水文模型中，推求小流域的设计洪水。

进一步的，步骤S1的2)步中将栅格文件通过GeoHMS工具进行水文分析和处理包括以下操作：经过填洼、生成流向、计算累积流、定义河流、河流分段、集水区划分、集水区多边形处理、排水线处理、流域聚合、提取目标流域。

进一步的，步骤S2为不同的水文单元选择不同的计算方法：对于子流域水文单元需要确定产流计算的方法为初始常速率法、汇流计算的方法为斯奈德单位线法；对于河段水文单元确定洪水演进的方法为马斯京根法；对于水库水文单元需要确定水库的蓄泄关系；对于汇流点需要确定其上下相连接的水文单元。

初始常速率损失模型的计算公式为：

式中：pe_t表示第t时段的净雨量；p_i表示第i时段的降雨量；I_a表示初始损失；f_c表示常损失速率；P_t表示t时段的面平均雨量。

斯奈德单位线的计算公式为：

t_p＝5.5×t_r (2)

式中：t_r为降雨历时；t_p为集水区洪峰延时；U_p为标准单位线的峰值；A为集水区的面积；C_p为单位线峰值系数；C为转换常数，国际单位制时为2.75；

马斯京根法的计算公式为：

Q_下，2＝C₀×Q_上，2+C₁×Q_上，1+C₂×Q_下，1 (4)

式中：Q_下，2表示下断面时段末的流量；Q_上，2表示上断面时段末的流量；

Q_下，1表示下断面时段初的流量；Q_上，1表示上断面时段初的流量。

其中，

式中：C₀、C₁、C₂为中间参数；x为流量比重系数；K为蓄量流量关系曲线的坡度；Δt为计算时段的长度。

进一步的，步骤S3以泰森多边形法确定子流域的面雨量的计算公式为：

式中，

表示流域面平均雨量；F表示流域面积；n表示流域内雨量站的个数；p_i表示第i个雨量站的观测雨量值；f_i表示第i各雨量站所在的泰森多边形面积。

进一步的，步骤S4各子流域的产汇流参数包括流域产流计算参数、地面径流计算参数、地下径流参数，所述流域产流计算参数包括常损失速率，所述地面径流计算参数包括斯奈德单位线标准滞时、洪峰系数，所述地下径流参数包括衰退常数、峰比阈值；

S4中各子流域的产汇流参数参数率定过程为：先根据参数的物理意义及经验确定一个参数的初始值，然后确定定量描述模型计算结果与实测流量拟合优度的目标函数为残差平方和函数，然后通过遗传算法确定目标函数的最小值，当目标函数的值最小时，即可得到各个子流域的上述产汇流参数，目标函数公式如下：

式中，NQ为实测流量过程的流量个数；q₀(i)为第i个实测流量值；q_s(i)为第i个计算流量值；Z即残差平方和，Z为函数，称为目标函数。

进一步的，步骤S5中同频率法计算公式为：

式中，K₁为最大1日暴雨量放大倍比；K_3-1为在放大最大3日中，1日以外的2日暴雨量的放大倍比；k_7-3为放大最大7日中，3日以外的4日暴雨量的放大倍比；X_1P指的是年最大1日设计面雨量，X_1d指典型暴雨的最大1日雨量；X_3P指的是年最大3日设计面雨量，X_3d指典型暴雨的最大3日雨量；X_7P指的是年最大7日设计面雨量；X_7d指典型暴雨的最大7日雨量；放大倍比系数K₁、k_3-1、k_7-3求得之后，按照公式(10)～(11)对典型暴雨各个时段的暴雨量乘以相应的放大倍比进行放大，即可得到设计暴雨过程。

本发明的有益效果是：

本发明所述小流域设计洪水推求方法，考虑了小流域的降雨径流过程信息，设计洪水是通过设计暴雨代入到小流域水文模型中计算而得。本发明所述方法，在掌握资料较少的情况下通过简单的操作仍旧可以得到能够反映小流域降雨径流过程信息的较高精度的小流域设计洪水。

附图说明

图1为小流域流域图；

图2为小流域下游水文站以上流域图；

图3小流域泰森多边形划分图；

图4为流域土地利用图；

图5为花园水文站以上流域流域模型；

图6为小流域百年一遇设计暴雨；

图7为小流域设计洪水过程线。

具体实施方式

本发明公开了一种小流域设计洪水推求方法，涉及水文水利计算领域。总体来说，首先确定该小流域下游水文站点，获取包含该水文站点以上流域DEM图，土地利用图，以及水文站点以上流域内雨量站点以及该水文站点的经纬度信息。将DEM图和雨量站点以及流域出口点位置图加载到GIS软件中，通过GIS水文分析工具提取流域水系，剪切原DEM图为本流域的DEM图，按照自然流域的划分方法将该流域划分为多个自然子流域，通过流域分割的方法将所要推求设计洪水的小流域划分为一个单独的子流域，给每个子流域赋予水文识别号，添加水文单元，概化流域图。获取水文站点以上流域出口断面年最大场次洪水(按洪峰流量年最大原则选取)的降雨径流过程，通过参数优化率定、参数验证等过程建立水文站点以上流域的水文模型，从而获取能够反映待推求设计洪水的小流域的降雨径流过程信息的小流域水文模型参数，即得到小流域水文模型，通过水文频率计算的方法计算小流域的设计暴雨，将设计暴雨带入到率定好的小流域水文模型中推求小流域的设计洪水过程线。本发明实现了在小流域通过比较简单的操作可以得到能够反映小流域降雨径流过程信息的较高精度的设计洪水。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例以湖北孝感地区某小流域的设计洪水推求为实例，来表现本发明达到的效果。

小流域位于湖北省长江以北，大别山南麓，汉江平原北部，流域界于东经113°79＇～113°95＇，北纬31°24＇～31°45＇之间。干流全长5.6km，流域面积193km²，流域地势西北高东南低，地貌以丘陵山地为主，海拔在35～285米之间。流域内无雨量站和水文站，但其下游4.4公里处有花园水文站，该水文站有降雨径流资料，而花园水文站以上流域内有7个雨量站，A、B、C、D、E、F、G，这些雨量站有降雨量资料。实施例以起止时间为1969至1989年七个雨量站的年最大洪峰流量场次洪水降雨信息以及花园水文站年最大洪峰流量场次洪水的径流过程信息为基础，计算小流域的设计洪水。本实施例小流域设计洪水推求方法的步骤如下：

步骤一：获取待推求设计洪水的小流域下游水文站点花园水文站的经纬度坐标，获取包含该水文站点以上流域DEM图，以及流域内雨量站点以及流域出口处水文站的位置信息，并将这些点位信息通过GIS软件点绘在图层中将其制成面文件，文件名记为GageStation.shap；收集花园水文站以上流域范围的DEM图，并将该文件类型转化为栅格文件类型，在GIS软件中加载GeoHMS工具条，将该栅格文件通过GeoHMS工具进行水文分析，经过填洼、生成流向、计算累积流、定义河流、河流分段、集水区划分、集水区多边形处理、排水线处理、流域聚合、提取目标流域等操作，得到目标流域的按照自然流域划分的流域图面文件，通过流域分割的方法将待求设计洪水的小流域划分为一个单独的子流域记为W160，获取计算小流域面降雨量的影响雨量站为A和G，其各自的泰森多边形权重为57.57％和42.43％。流域面文件记为model.shape，小流域流域图见图1。花园水文站以上流域流域图见图2。小流域泰森多边形划分图见图3。获取包含水文站点以上流域的土地利用图，通过GIS空间分析工具将其剪切成流域的形状，然后通过GIS统计工具，计算各个子流域的不透水率。水文站点以上流域的土地利用图见图4。

获取花园水文站以上流域逐年最大洪峰流量场次洪水的降水过程以及流域出口断面相应场次洪水的流量过程，并把降水过程和流量过程由不等间隔时间序列转化为时间间隔为1小时的等间隔序列；获取小流域影响雨量站年最大1日、3日、7日降雨系列。

步骤二：在花园水文站以上流域面文件中添加水源、河段、汇流点等水文单元，生成流域模型，并且为不同的水文单元选择不同的计算方法：子流域水文单元确定产流计算方法为初始常速率法、汇流计算方法为斯奈德单位线法、河段单元确定洪水演进方法为马斯京根法。流域模型见图5。

步骤三：应用泰森多边形法计算各个子流域面平均雨量，得到场次洪水的面雨量过程。场次洪水的流量过程取步骤一中得到花园水文站场次洪水等间隔的流量过程。此步骤为水文模型率定参数提供基础数据。

步骤四：花园水文站以上流域水文模型参数估算时先根据参数的物理意义及经验确定一个参数的初始值，然后确定定量描述模型计算结果与实测流量拟合优度的目标函数为残差平方和函数，然后通过遗传算法计算目标函数的最小值，目标函数取最小值时对应的模型参数，待研究的小流域对应的水文模型参数即为能够反映小流域降雨径流信息的小流域水文模型的最优参数，从而建立小流域水文模型

步骤五：统计雨量站A和G的年最大1日雨量、年最大3日雨量以及年最大7日雨量，通过泰森多边形法计算小流域年最大面雨量系列，通过水文频率计算方法计算设计标准P为1％的设计时段(1日、3日、7日)年最大暴雨值；选取主雨峰集中在雨期最后的暴雨分配形式，作为设计暴雨的典型暴雨，通过同频率分段控制的方法，依据典型暴雨过程的百分比对设计暴雨进行时程分配，从而得到小流域的设计暴雨。小流域的设计暴雨过程线见图6。

步骤六：将步骤五得到的小流域设计暴雨代入到步骤四得到的率定好参数的小流域水文模型中，推求小流域的设计洪水。小流域设计洪水过程线见图7。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明所述小流域设计洪水推求方法，考虑了小流域的降雨径流过程信息，设计洪水是通过设计暴雨代入到小流域水文模型中计算而得。本发明所述方法，在掌握资料较少的情况下通过简单的操作可以得到能够反映小流域降雨径流过程信息的较高精度的小流域设计洪水。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种小流域设计洪水推求方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1，资料收集与处理：

1)确定待研究小流域下游水文站点，获取该水文站点以上流域DEM图、土地利用图、流域内雨量站点以及流域出口处水文站的经纬度信息，将上述信息通过GIS软件点绘在图层中将其制成面文件，所述水文站点以上流域范围内应有5-10个雨量站且流域范围需覆盖整个待研究小流域；

2)将上步获取的DEM图的文件类型转化为栅格文件类型，在GIS软件中加载GeoHMS工具条，将该栅格文件通过GeoHMS工具进行水文分析及处理，得到目标流域的流域图面文件，通过流域分割的方法将待研究小流域划分为一个单独的子流域；

3)基于所述水文站点以上流域范围及流域内所有雨量站绘制泰森多边形，获取计算待研究小流域面降雨量的各影响雨量站以及各自的泰森多边形权重；

4)将土地利用图与流域面文件叠加，计算各个子流域的不透水率；

5)获取水文站点以上流域多场年最大洪水的降雨径流数据：包括降水过程以及流域出口断面相应场次洪水的流量过程，并把降水过程和流量过程由不等间隔时间序列转化为等间隔时间序列；降水过程即表示为各雨量站的等间隔的降水数据；

6)获取待研究小流域的各影响雨量站年最大1日、3日、7日雨量系列；

S2，生成流域模型：

在流域面文件中添加水文单元生成流域模型，并且为不同的水文单元选择不同的计算方法，所述水文单元为子流域、河段、汇流点、水库；步骤S2为不同的水文单元选择不同的计算方法：对于子流域水文单元需要确定产流计算的方法为初始常速率法、汇流计算的方法为斯奈德单位线法；对于河段水文单元确定洪水演进的方法为马斯京根法；对于水库水文单元需要确定水库的蓄泄关系；对于汇流点需要确定其上下相连接的水文单元；

S3，确定各子流域的降雨过程以及流域出口断面的流量过程：

各子流域的降雨过程以子流域的面雨量表示，根据S1中得到的各雨量站的等间隔的降水数据以泰森多边形法确定；

S4，确定小流域水文模型参数：

选取S1中获得水文站点以上流域多场年最大洪水的降雨径流数据作为基础数据对水文站点以上流域水文模型进行参数率定，可以得到包含待研究小流域在内的各子流域的产汇流参数，提取其中的待研究小流域子流域的产汇流参数，结合小流域的流域面文件，建立小流域的水文模型；该水文模型能够反映待研究小流域降雨径流过程信息；

步骤S4各子流域的产汇流参数为流域产流计算参数、地面径流计算参数、地下径流参数，所述流域产流计算参数包括常损失速率，所述地面径流计算参数包括斯奈德单位线标准滞时、洪峰系数，所述地下径流参数包括衰退常数、峰比阈值；

S4中各子流域的产汇流参数率定过程为：先根据参数的物理意义及经验确定一个参数的初始值，然后确定残差平方和函数作为参数率定的目标函数，残差平方和即模型计算的流量结果与实测流量的误差的平方和，再通过遗传算法确定目标函数的最小值，当目标函数的值最小时，即可得到各个子流域的上述产汇流参数，目标函数公式如下：

式中，NQ为实测流量过程的流量个数；q₀(i)为第i个实测流量值；q_s(i)为第i个计算流量值；Z即残差平方和，Z为函数，称为目标函数；

S5，小流域设计暴雨的推求：

根据S1中获取的待研究小流域各影响雨量站的年最大1日、3日、7日雨量系列，通过泰森多边形法计算年最大1日面雨量系列、年最大3日面雨量系列和年最大7日面雨量系列，通过水文频率计算方法计算年最大设计面暴雨值；选取主雨峰集中在雨期最后的暴雨分配形式，作为设计暴雨的典型暴雨，通过同频率分段控制的方法，依据典型暴雨过程的百分比对设计暴雨进行时程分配，从而得到小流域的设计暴雨；

S6，小流域设计洪水的推求：

将步骤S5得到的小流域设计暴雨代入到S4得到的小流域水文模型中，推求小流域的设计洪水。

2.根据权利要求1所述的小流域设计洪水推求方法，其特征在于，步骤S1的2)步中将栅格文件通过GeoHMS工具进行水文分析和处理包括以下操作：经过填洼、生成流向、计算累积流、定义河流、河流分段、集水区划分、集水区多边形处理、排水线处理、流域聚合、提取目标流域。

3.根据权利要求1所述的小流域设计洪水推求方法，其特征在于，步骤S3以泰森多边形法确定子流域的面雨量的计算公式为：

式中，

表示流域面平均雨量；F表示流域面积；n表示流域内雨量站的个数；p_i表示第i个雨量站的观测雨量值；f_i表示第i各雨量站所在的泰森多边形面积。

4.根据权利要求1所述的小流域设计洪水推求方法，其特征在于，

步骤s5中同频率法计算公式为：

式中，K₁为最大1日暴雨量放大倍比；k_3-1为在放大最大3日中，1日以外的2日暴雨量的放大倍比；k_7-3为在放大最大7日中，3日以外的4日暴雨量的放大倍比；X_1P指的是年最大1日设计面雨量，X_1d指典型暴雨的最大1日雨量；X_3P指的是年最大3日设计面雨量，X_3d指典型暴雨的最大3日雨量；X_7P指的是年最大7日设计面雨量；X_7d指典型暴雨的最大7日雨量；放大倍比系数K₁、k_3-1、k_7-3求得之后，按照公式(10)～(11)对典型暴雨各个时段的暴雨量乘以相应的放大倍比进行放大，即可得到设计暴雨过程。

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