CN112199901A - 一种无径流资料山区小流域山洪设计暴雨洪水计算方法 - Google Patents

一种无径流资料山区小流域山洪设计暴雨洪水计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种无径流资料山区小流域山洪设计暴雨洪水计算方法，提高了山区小流域汇水计算精度。本发明的技术方案包括如下步骤：获取小流域DEM数据。按照河道或沟谷对汇水路径以小流域出口断面逆向划分进行分级的原则，对小流域DEM数据进行汇水路径分级网格化；提取汇水路径分级网格地形参数，按照地形要素对汇水路径分级网格进行离散网格化，获得离散网格。获取每个离散网格的降雨损失参数，结合设计暴雨时程分配计算每个离散网格降雨过程，计算离散网格设计洪水；利用单位线法，推求每个离散网格内地面径流过程线。进行汇水过程逐级推演，计算山区小流域山洪设计洪水汇水过程；建立山区小流域出口断面汇水过程。

Description

一种无径流资料山区小流域山洪设计暴雨洪水计算方法
技术领域
本发明涉及暴雨洪水计算技术领域，具体涉及一种无径流资料山区小流域山洪设计暴雨洪水计算方法。
背景技术
山洪灾害是我国比较突出的环境问题，尤其是山区，山洪灾害以其突发性强，破坏性大，严重威胁着人民的生命和财产安全，还会对国家基础建设设施以及国防设施造成严重威胁。对于复杂地形山区，尤其缺乏无径流小流域的设计暴雨洪水计算对山洪评价、监测及预警机制的建设起着至关重要的作用。随着我国经济形势渐趋乐观，人民对安定生活越发渴求，尤其是山区人民。加之我国路上边界绝大部分位于我国山区，对于山洪评价、监测及预警机制的建设，还关系着我国国防安全。
故对于无径流资料条件下，复杂地形山区小流域山洪设计洪水的计算，对提高小流域山洪计算精度，对山洪地质灾害预警，确定预警指标和阈值，及时、准确预警山洪地质灾害，保护人民生命及财产安全、保护国家基础建设设施及国防设施安全提供的重要支撑。
目前缺乏针对无径流资料的山区小流域山洪设计暴雨洪水计算的技术方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种无径流资料山区小流域山洪设计暴雨洪水计算方法，能够实现对无径流资料山区小流域山洪设计暴雨洪水的计算，其提高了山区小流域汇水计算精度，提高了山区小流域山洪计算精度。
为达到上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：
步骤1、利用山区小流域的纸质地形图扫描文件，采用数字地形矢量化程序，获取数字地形数据，并转化为小流域数字高程模型数据，即小流域DEM数据；山区小流域为面积小于50km2的独立或封闭式汇水区域。
步骤2、在山区小流域内，按照河道或沟谷对汇水路径以小流域出口断面逆向划分进行分级的原则，对小流域DEM数据进行汇水路径分级网格化，并划分汇水范围；提取汇水路径分级网格地形参数，按照地形要素对汇水路径分级网格进行离散网格化，获得离散网格。
步骤3、获取每个离散网格的降雨损失参数，结合设计暴雨时程分配计算每个离散网格降雨过程，计算离散网格设计洪水。
步骤4、利用单位线法，推求每个最低级别汇水路径内的地面径流过程线；进行汇水过程逐级推演，对离散网格进行汇水叠加，计算汇水路径分级网格汇水过程；对汇水路径分级网格进行汇水叠加，计算山区小流域山洪设计洪水汇水过程；建立山区小流域出口断面汇水过程。
进一步地，步骤1中，利用山区小流域的纸质地形图扫描文件，采用数字地形矢量化程序，获取数字地形数据，并转化为小流域数字高程模型数据，即小流域DEM数据，具体包括如下步骤：
S101、取山区小流域的纸质地形图扫描文件，利用数字地形矢量化程序，得到数字地形数据；数字地形数据包含离散点数据，离散点数据通过曲线拟合生成一系列曲线数据，曲线数据通过设置等高距生成具备三维数据属性的数字化等高线数据。
S102、采用Arcgis软件识别数字化等高线数据，在Arcgis软件中对数字化等高线数据进行地理坐标系自定义，利用Arcgis软件中Create TIN模块制作数字化等高线的TIN矢量数据，利用Arcgis软件中TIN to Raster模块将数字化等高线的TIN矢量数据生成小流域DEM数据。
进一步地，步骤2中，在山区小流域内，按照河道或沟谷对汇水路径以小流域出口断面逆向划分进行分级的原则，对小流域DEM数据进行汇水路径分级网格化，并划分汇水范围；提取汇水路径分级网格地形参数，按照地形要素对汇水路径分级网格进行离散网格化，获得离散网格，具体为：
S201、在山区小流域内，以出口断面为起点，按照汇水路径逆向确定各支流的汇流关系，划分各支流的汇水范围；其中山区小流域出口断面主河道为第一级汇水路径，直接汇入第一级汇水路径的支流为第二级汇水路径，直接汇入第二级汇水路径的支流为第三级汇水路径，依此类推；根据分水岭走向，确定每一级汇水路径的汇水范围，其中各级汇水路径的汇水范围互不重叠，本级汇水路径的汇水包含上一级汇水路径的来水和本级汇水范围的汇流两个部分。
S202、利用Arcgis软件水文分析模块提取每一级汇水路径汇水范围的地形参数；根据地形变化将汇水范围进行离散，其中每个离散网格内地形坡度均匀分布。
进一步地，步骤3，获取每个离散网格的降雨损失参数，结合设计暴雨时程分配计算每个离散网格降雨过程，计算离散网格设计洪水；具体包括如下步骤：
S301、根据暴雨时程和降雨损失强度，确定离散网格降雨过程，降雨持续时间即产流时间为tc，利用公式(1)计算第i个离散网格的汇流时间tci，
Figure BDA0002681480970000031
其中，0.278为单位换算系数；Li为第i个离散网格的最长汇流长度；m为汇流参数；Ji为第i个离散网格的坡降；Qmi为第i个离散网格的洪峰流量。
S302、单个离散网格降雨时间和空间上均匀分布，利用公式(2)计算第i个离散网格的洪峰流量Qmi，
Figure BDA0002681480970000032
其中，Spi第i个离散网格重现期为p的雨力；tci为第i个离散网格的汇流时间；μi为第i个离散网格的损失强度；n为点-面暴雨折减系数；Fi为第i个离散网格的汇流面积。
Li、Ji、Fi等参数确定方法具体为：
Fi为第i个离散网格的汇流面积，以单个离散网格垂直投影面积为Fi，通过Arcgis中统计分析Reclassify模块，对小流域DEM数据进行分级统计，计算每个离散网格汇流面积；
Li为第i个离散网格的最长汇流长度，以单个网格流向最长距离的垂直投影长为Li，通过Arcgis中水文分析Flow Length模块提取最长汇流长度；Ji为第i个离散网格的坡降利用Arcgis中Find工具直接查询最长汇流长度起点和终点的高程值，利用Arcgis中RasterCalculator工具结合Ji定义，通过公式编辑获取；
m、μi、n、Spi的确定方法，m、μi及n参数通过查询水文手册确定；Spi参数利用公式(3)确定，
Spi＝(24)(n-1)Hpi公式(3)
其中，Spi第i个离散网格重现期为p的雨力(单位为mm)；Hpi为第i个离散网格重现期为p的年最大24h暴雨量(单位为mm)，Hpi通过雨量资料查询符合设计所要求重现期-P的年最大24h暴雨量获取。
S306、绘制公式(1)与公式(2)中的Qmi曲线图，两条曲线相交，交点对应的Qmi即为第i个离散网格的设计洪水。
进一步地，步骤4中，利用单位线法，推求每个最低级别汇水路径内的地面径流过程线；行汇水过程逐级推演，对离散网格进行汇水叠加，计算汇水路径分级网格汇水过程；对汇水路径分级网格进行汇水叠加，计算山区小流域山洪设计洪水汇水过程；建立山区小流域出口断面汇水过程，具体为：
单个最低级别汇水路径的设计洪水为当前最低级别汇水路径所划分的所有离散网格的设计洪水组合。
单个高一级汇水路径的设计洪水为所有最低级别汇水路径的设计洪水组合。
依次类推，每个级别汇水路径的设计洪水均为其下一级别汇水路径的设计洪水组合，由此推出山区小流域出口断面的山洪设计洪水。
进一步地，单个最低级别汇水路径的设计洪水为当前最低级别汇水路径所划分的所有离散网格的设计洪水组合，具体为：
单个最低级别汇水路径划分得到n′个离散网格；
则最低级别汇水路径的单位出流量为
Figure BDA0002681480970000051
其中，Γ(n′)为n′的伽玛函数，n′为调节次数，即为线性水库的个数；K为小流域汇流时间参数，即为线性水库的调蓄流量系数；e为自然对数底；t为计算时刻。
将汇水路径的单位出流量u(t)作为瞬时单位线，将瞬时单位线转换为无因次时段出流量：
U(Δt,t)＝u(t)-u(t-Δt) (5)
其中，U(Δt，t)为Δt汇流时段单位线；u(t)为t时刻的瞬时单位线，u(t-△t)为(t-△t)时刻瞬时单位线，Δt为净雨时段。
将无因次时段出流量即Δt时段单位线u(Δt，t)转换成10mm净雨的时段出流量qz
Figure BDA0002681480970000052
上述公式中，qz为10mm净雨时段单位线第z个时刻的流量；Uz(Δt,t)为Δt汇流时段单位线第z个时刻的无因次流量。
利用马斯京根法对汇水路径的河道槽蓄流量进行演进计算，流量演算方程为：
Q(z+Δt)＝C0I(z+Δt)+C1Iz+C2Qz (7)
Figure BDA0002681480970000061
Figure BDA0002681480970000062
Figure BDA0002681480970000063
C0+C1+C2＝1 (11)
其中，Qz和Q(z+Δt)分别为z、(z+Δt)时刻汇水路径的河道出流量(单位为m3/s)；Iz和I(z+Δt)分别为z、(z+Δt)时刻汇水路径的河道入流量(单位为m3/s)，K′为蓄量流量系数，x为流量比重系数。
定义z＝0时刻所对应Q0与q0取值为0。
K′、x等参数确定方法为：K′参数由公式(12)确定，x参数由公式(13)确定，
K′＝Li/Vω (12)
Figure BDA0002681480970000064
Figure BDA0002681480970000065
Figure BDA0002681480970000066
Figure BDA0002681480970000067
其中，Vω为洪水波速(m3/s)；A为洪水过水断面面积(单位为m2)；R为洪水过水断面水力半径；Iz和I(z+Δt)分别为z、(z+Δt)时刻由n个最低级别汇水路径经汇水路径，汇入单个较高级别汇水路径的河道入流量(m3/s)；q(Z+Δt)10mm净雨时段单位线第(z+Δt)个时刻的流量。
有益效果：
1、本发明提供的一种无径流资料山区小流域山洪设计暴雨洪水计算方法，相比较现有技术，利用数字地形矢量化化程序，可在脱密条件下，实现数字地形图矢量化；按汇水路径及地形参数离散计算区域，可以更准确的描述地形条件，提高小流域汇水计算准确度；利用线型水库泄洪模型及马斯京根法逐级叠加计算汇水过程，计算山区小流域山洪设计洪水汇水过程；即可节省人力、物力计算山区小流域山洪设计暴雨洪水，又可提高小流域山洪计算精度。
2、本方法各计算步骤所涉及公式根据成熟公式，但整体计算步骤又不同于传统方法，以数字地形矢量化程序实现扫描地形图的脱密和矢量化为基础，根据汇水路径及地形参数离散计算区域，以成熟暴雨、洪水计算，线型水库泄洪模型及马斯京根法计算为工具，实现无径流资料山区小流域山洪设计暴雨洪水叠加汇水过程的计算。省去了很多人力、物力资源，操作性、实用性、数据可靠性强，避免了重复性劳动，具有较好的参考和实用价值。
3、本发明提供的一种无径流资料山区小流域山洪设计暴雨洪水计算方法，主要包括纸质版地形图到数字化地形图的自动化部分、建立无径流资料复杂地形山区小流域山洪设计洪水计算离散网格部分、建立山区小流域出口断面汇水过程部分。基础在于地区雨量监测资料、水文手册已经过多年数据采集及实地验证，加之现场查勘，可获取计算所必要参数，分析时不需要对径流资料进行长期、重复实测、采集数据和进行观测区的重复性建设。目的在于以纸质版地形图到数字化地形图的自动化，进一步对无径流资料复杂地形山区小流域山洪设计洪水计算离散网格化，通过暴雨、洪水计算离散网格设计洪水，应用线型水库泄洪模型及马斯京根法进行汇水叠加计算山区小流域汇水过程，实现无径流资料山区小流域山洪设计暴雨洪水计算。因此本计算方法落脚点在于通过数字化地形图自动化、山区小流域山洪设计洪水计算离散网格化及逐级汇水过程计算，仅须收集高精度纸质版地形图、地区雨量监测资料、水文手册、现场查勘，以获取计算所必要参数，就可根据需要对无径流资料山区小流域山洪设计暴雨洪水进行计算，这对于无径流资料的复杂地形山区小流域山洪计算精度的提高，可以实现山洪地质灾害预警，为确定预警指标和阈值提供参考，实现及时、准确预警山洪地质灾害。
附图说明
图1为无径流资料山区小流域山洪设计暴雨洪水计算流程图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种无径流资料山区小流域山洪设计暴雨洪水预测方法，包括如下步骤：
步骤1、利用山区小流域的纸质地形图扫描文件，采用数字地形矢量化程序，获取数字地形数据，并转化为小流域数字高程模型数据，即小流域DEM数据；山区小流域为面积小于50km2的独立或封闭式汇水区域。
本发明实施例中，步骤1具体包括如下步骤：
S101、取山区小流域的纸质地形图扫描文件(可以是复杂地形或涉密级山区的高精度纸质地形图扫描文件)，利用数字地形矢量化程序，通过曲线跟踪及数字识别的方式，达到过滤地名、地理坐标等涉密内容，生成脱密地形数据，即为数字地形数据；数字地形数据包含离散点数据，离散点数据通过曲线拟合生成一系列曲线数据，曲线数据通过设置等高距生成具备三维数据属性的数字化等高线数据。
自主研发的地形数字化程序通过自定义坐标系，生成具备X、Y坐标数据的一系列离散点数据，离散点数据通过曲线拟合生成一系列曲线数据，曲线数据通过设置等高距生成具备三维数据属性的数字化等高线数据；
S102、采用Arcgis软件识别数字化等高线数据(该数字化等高线数据为dgw标准格式数据)，在Arcgis软件中对数字化等高线数据进行地理坐标系自定义，利用Arcgis软件中Create TIN模块制作数字化等高线的TIN矢量数据，利用Arcgis软件中TIN to Raster模块将数字化等高线的TIN矢量数据生成小流域DEM数据。
步骤2、在山区小流域内，按照河道或沟谷对汇水路径以小流域出口断面逆向划分进行分级的原则，对小流域DEM数据进行汇水路径分级网格化，并划分汇水范围；提取汇水路径分级网格地形参数，按照地形要素对汇水路径分级网格进行离散网格化，获得离散网格。
本发明实施例中，步骤2具体包括如下步骤：
S201、在山区小流域内，以出口断面为起点，按照汇水路径逆向确定各支流的汇流关系，划分各支流的汇水范围；其中山区小流域出口断面主河道为第一级汇水路径，直接汇入第一级汇水路径的支流为第二级汇水路径，直接汇入第二级汇水路径的支流为第三级汇水路径，依此类推；根据分水岭走向，确定每一级汇水路径的汇水范围，其中各级汇水路径的汇水范围互不重叠，本级汇水路径的汇水包含上一级汇水路径的来水和本级汇水范围的汇流两个部分；
S202、利用Arcgis软件水文分析模块提取每一级汇水路径汇水范围的地形参数；根据地形变化将汇水范围进行离散，其中每个离散网格内地形坡度均匀分布。
步骤3、获取每个离散网格的降雨损失参数，结合设计暴雨时程分配计算每个离散网格降雨过程，计算离散网格设计洪水。
本发明实施例中，步骤3具体包括如下步骤：
S301、根据暴雨时程和降雨损失强度，确定离散网格降雨过程，降雨持续时间即产流时间为tc，利用公式(1)计算第i个离散网格的汇流时间tci，
Figure BDA0002681480970000101
其中，0.278为单位换算系数；Li为第i个离散网格的最长汇流长度，即为径流流向起点至终点最长距离的垂直投影长；m为汇流参数；Ji为第i个离散网格的坡降，即为径流流向起点至终点的高程差与径流流向起点至终点最长距离的垂直投影长的比值；Qmi为第i个离散网格的洪峰流量；
S302、单个离散网格降雨时间和空间上均匀分布，离散网格汇流出口处形成稳定的汇流洪峰流量，利用公式(2)计算第i个离散网格的洪峰流量Qmi，
Figure BDA0002681480970000102
其中，Spi第i个离散网格重现期为p的雨力(单位为mm)；tci为第i个离散网格的汇流时间(单位为h)；μi为第i个离散网格的损失强度(单位为mm/h)；n为点-面暴雨折减系数；Fi为第i个离散网格的汇流面积(单位为km2)；
S303、Li、Ji、Fi等参数确定方法具体为：
Fi为第i个离散网格的汇流面积，其中离散网格面积内全部径流均会流入本网格，则以单个离散网格垂直投影面积为Fi，通过Arcgis中统计分析Reclassify模块，对小流域DEM数据进行分级统计，计算每个离散网格汇流面积；
Li为第i个离散网格的最长汇流长度，假定是唯一确定的，则以单个网格流向最长距离的垂直投影长为Li，通过Arcgis中水文分析Flow Length模块提取最长汇流长度；Ji为第i个离散网格的坡降，则Ji即为单个网格Li的坡降，利用Arcgis中Find工具直接查询最长汇流长度起点和终点的高程值，利用Arcgis中Raster Calculator工具结合Ji定义，通过公式编辑获取；
S304、m、μi、n、Spi的确定方法，m、μi及n参数通过查询水文手册确定；Spi参数利用公式(3)确定，
Spi＝(24)(n-1)Hpi公式(3)
其中，Spi第i个离散网格重现期为p的雨力(单位为mm)；Hpi为第i个离散网格重现期为p的年最大24h暴雨量(单位为mm)，Hpi通过雨量资料查询符合设计所要求重现期-P的年最大24h暴雨量获取。
S306、绘制公式(1)与公式(2)中的Qmi曲线图，两条曲线相交，交点对应的Qmi即为第i个离散网格的设计洪水。
步骤4、利用单位线法，推求每个最低级别汇水路径内的地面径流过程线；进行汇水过程逐级推演，对离散网格进行汇水叠加，计算汇水路径分级网格汇水过程；对汇水路径分级网格进行汇水叠加，计算山区小流域山洪设计洪水汇水过程；建立山区小流域出口断面汇水过程。
本发明实施例中，步骤4具体为：
单个最低级别汇水路径的设计洪水为当前最低级别汇水路径所划分的所有离散网格的设计洪水组合；
单个高一级汇水路径的设计洪水为所有最低级别汇水路径的设计洪水组合；
依次类推，每个级别汇水路径的设计洪水均为其下一级别汇水路径的设计洪水组合，由此推出山区小流域出口断面的山洪设计洪水；
具体地包括如下步骤
单个最低级别汇水路径划分得到n′个离散网格；
则最低级别汇水路径的单位出流量为
Figure BDA0002681480970000111
其中，Γ(n′)为n′的伽玛函数，n′为调节次数，即为线性水库的个数；K为小流域汇流时间参数，即为线性水库的调蓄流量系数；e为自然对数底；t为计算时刻；n′、K为流域的调蓄参数，对瞬时单位线的形状影响基本一致，即随着n′、K值增大，瞬时单位线的峰值降低，峰现时间退后；n′、K值通过雨洪过程与瞬时单位线图形面积矩之间的关系来确定，同一流域的值n′、K相对稳定，其经验值可参考各地水文手册或暴雨洪水图集。
将汇水路径的单位出流量u(t)作为瞬时单位线，将瞬时单位线转换为无因次时段出流量：
U(Δt,t)＝u(t)-u(t-Δt) (5)
其中，U(Δt，t)为Δt汇流时段单位线；u(t)为t时刻的瞬时单位线，u(t-△t)为(t-△t)时刻瞬时单位线，Δt为净雨时段(单位为h)。
将无因次时段出流量即Δt时段单位线u(Δt，t)转换成10mm净雨的时段出流量qz
Figure BDA0002681480970000121
上述公式中，qz为10mm净雨时段单位线第z个时刻的流量；，△t为净雨时段(h)，当汇流面积较小时净雨时段以min计算，t为计算时刻，Fi为第i个离散网格面积(km2)；Uz(Δt,t)为Δt汇流时段单位线第z个时刻的无因次流量。
利用马斯京根法对汇水路径的河道槽蓄流量进行演进计算，流量演算方程为：
Q(z+Δt)＝C0I(z+Δt)+C1Iz+C2Qz (7)
Figure BDA0002681480970000122
Figure BDA0002681480970000123
Figure BDA0002681480970000124
C0+C1+C2＝1 (11)
其中，Qz和Q(z+Δt)分别为z、(z+Δt)时刻汇水路径的河道出流量(单位为m3/s)；Iz和I(z+Δt)分别为z、(z+Δt)时刻汇水路径的河道入流量(单位为m3/s)，K′为蓄量流量系数，x为流量比重系数；
定义z＝0时刻所对应Q0与q0取值为0；
K′、x等参数确定方法为：K′参数由公式(12)确定，x参数由公式(13)确定，
K′＝Li/Vω (12)
Figure BDA0002681480970000131
Figure BDA0002681480970000132
Figure BDA0002681480970000133
Figure BDA0002681480970000134
其中，K′为蓄量流量系数；x为流量比重系数；qz为z时段汇水路径的河道入流量(m3/s)；Vω为洪水波速(m3/s)；A为洪水过水断面面积(单位为m2)；R为洪水过水断面水力半径(单位为无量纲系数)；A与R通过现场查勘实测获取，假定同一级别汇流过程中A与R保持不变；Iz和I(z+Δt)分别为z、(z+Δt)时刻由n个最低级别汇水路径经汇水路径，汇入单个较高级别汇水路径的河道入流量(m3/s)。q(Z+Δt)10mm净雨时段单位线第(z+Δt)个时刻的纵坐标；
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无径流资料山区小流域山洪设计暴雨洪水预测方法，其特征在于，包括：
步骤1、利用山区小流域的纸质地形图扫描文件，采用数字地形矢量化程序，获取数字地形数据，并转化为小流域数字高程模型数据，即小流域DEM数据；所述山区小流域为面积小于50km2的独立或封闭式汇水区域；
步骤2、在所述山区小流域内，按照河道或沟谷对汇水路径以小流域出口断面逆向划分进行分级的原则，对所述小流域DEM数据进行汇水路径分级网格化，并划分汇水范围；提取汇水路径分级网格地形参数，按照地形要素对汇水路径分级网格进行离散网格化，获得离散网格；
步骤3、获取每个离散网格的降雨损失参数，结合设计暴雨时程分配计算每个离散网格降雨过程，计算离散网格设计洪水；
步骤4、利用单位线法，推求每个最低级别汇水路径内的地面径流过程线；进行汇水过程逐级推演，对离散网格进行汇水叠加，计算汇水路径分级网格汇水过程；对汇水路径分级网格进行汇水叠加，计算山区小流域山洪设计洪水汇水过程；建立山区小流域出口断面汇水过程。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中，利用山区小流域的纸质地形图扫描文件，采用数字地形矢量化程序，获取数字地形数据，并转化为小流域数字高程模型数据，即小流域DEM数据，具体包括如下步骤：
S101、取所述山区小流域的纸质地形图扫描文件，利用数字地形矢量化程序，得到数字地形数据；所述数字地形数据包含离散点数据，离散点数据通过曲线拟合生成一系列曲线数据，曲线数据通过设置等高距生成具备三维数据属性的数字化等高线数据；
S102、采用Arcgis软件识别所述数字化等高线数据，在Arcgis软件中对所述数字化等高线数据进行地理坐标系自定义，利用Arcgis软件中Create TIN模块制作数字化等高线的TIN矢量数据，利用Arcgis软件中TIN to Raster模块将所述数字化等高线的TIN矢量数据生成小流域DEM数据。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，在所述山区小流域内，按照河道或沟谷对汇水路径以小流域出口断面逆向划分进行分级的原则，对所述小流域DEM数据进行汇水路径分级网格化，并划分汇水范围；提取汇水路径分级网格地形参数，按照地形要素对汇水路径分级网格进行离散网格化，获得离散网格，具体为：
S201、在所述山区小流域内，以出口断面为起点，按照汇水路径逆向确定各支流的汇流关系，划分各支流的汇水范围；其中所述山区小流域出口断面主河道为第一级汇水路径，直接汇入第一级汇水路径的支流为第二级汇水路径，直接汇入第二级汇水路径的支流为第三级汇水路径，依此类推；根据分水岭走向，确定每一级汇水路径的汇水范围，其中各级汇水路径的汇水范围互不重叠，本级汇水路径的汇水包含上一级汇水路径的来水和本级汇水范围的汇流两个部分；
S202、利用Arcgis软件水文分析模块提取每一级汇水路径汇水范围的地形参数；根据地形变化将汇水范围进行离散，其中每个离散网格内地形坡度均匀分布。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤3，获取每个离散网格的降雨损失参数，结合设计暴雨时程分配计算每个离散网格降雨过程，计算离散网格设计洪水；具体包括如下步骤：
S301、根据暴雨时程和降雨损失强度，确定离散网格降雨过程，降雨持续时间即产流时间为tc，利用公式(1)计算第i个离散网格的汇流时间tci，
Figure FDA0002681480960000031
其中，0.278为单位换算系数；Li为第i个离散网格的最长汇流长度；m为汇流参数；Ji为第i个离散网格的坡降；Qmi为第i个离散网格的洪峰流量；
S302、单个离散网格降雨时间和空间上均匀分布，利用公式(2)计算第i个离散网格的洪峰流量Qmi，
Figure FDA0002681480960000032
其中，Spi第i个离散网格重现期为p的雨力；tci为第i个离散网格的汇流时间；μi为第i个离散网格的损失强度；n为点-面暴雨折减系数；Fi为第i个离散网格的汇流面积；
Li、Ji、Fi等参数确定方法具体为：
Fi为第i个离散网格的汇流面积，以单个离散网格垂直投影面积为Fi，通过Arcgis中统计分析Reclassify模块，对所述小流域DEM数据进行分级统计，计算每个离散网格汇流面积；
Li为第i个离散网格的最长汇流长度，以单个网格流向最长距离的垂直投影长为Li，通过Arcgis中水文分析Flow Length模块提取最长汇流长度；Ji为第i个离散网格的坡降利用Arcgis中Find工具直接查询最长汇流长度起点和终点的高程值，利用Arcgis中RasterCalculator工具结合Ji定义，通过公式编辑获取；
m、μi、n、Spi的确定方法，m、μi及n参数通过查询水文手册确定；Spi参数利用公式(3)确定，
Spi＝(24)(n-1)Hpi公式(3)
其中，Spi第i个离散网格重现期为p的雨力；Hpi为第i个离散网格重现期为p的年最大24h暴雨量，Hpi通过雨量资料查询符合设计所要求重现期-P的年最大24h暴雨量获取；
S306、绘制公式(1)与公式(2)中的Qmi曲线图，两条曲线相交，交点对应的Qmi即为第i个离散网格的设计洪水。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，利用单位线法，推求每个最低级别汇水路径内的地面径流过程线；行汇水过程逐级推演，对离散网格进行汇水叠加，计算汇水路径分级网格汇水过程；对汇水路径分级网格进行汇水叠加，计算山区小流域山洪设计洪水汇水过程；建立山区小流域出口断面汇水过程，具体为：
单个最低级别汇水路径的设计洪水为当前最低级别汇水路径所划分的所有离散网格的设计洪水组合；
单个高一级汇水路径的设计洪水为所有最低级别汇水路径的设计洪水组合；
依次类推，每个级别汇水路径的设计洪水均为其下一级别汇水路径的设计洪水组合，由此推出山区小流域出口断面的山洪设计洪水。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述单个最低级别汇水路径的设计洪水为当前最低级别汇水路径所划分的所有离散网格的设计洪水组合，具体为：
单个最低级别汇水路径划分得到n′个离散网格；
则最低级别汇水路径的单位出流量为
Figure FDA0002681480960000041
其中，Γ(n′)为n′的伽玛函数，n′为调节次数，即为线性水库的个数；K为小流域汇流时间参数，即为线性水库的调蓄流量系数；e为自然对数底；t为计算时刻；
将汇水路径的单位出流量u(t)作为瞬时单位线，将瞬时单位线转换为无因次时段出流量：
U(Δt,t)＝u(t)-u(t-Δt) (5)
其中，U(Δt，t)为Δt汇流时段单位线；u(t)为t时刻的瞬时单位线，u(t-△t)为(t-△t)时刻瞬时单位线，Δt为净雨时段；
将无因次时段出流量即Δt时段单位线u(Δt，t)转换成10mm净雨的时段出流量qz
Figure FDA0002681480960000051
上述公式中，qz为10mm净雨时段单位线第z个时刻的流量；Uz(Δt,t)为Δt汇流时段单位线第z个时刻的无因次流量；
利用马斯京根法对汇水路径的河道槽蓄流量进行演进计算，流量演算方程为：
Q(z+Δt)＝C0I(z+Δt)+C1Iz+C2Qz (7)
Figure FDA0002681480960000052
Figure FDA0002681480960000053
Figure FDA0002681480960000054
C0+C1+C2＝1 (11)
其中，Qz和Q(z+Δt)分别为z、(z+Δt)时刻汇水路径的河道出流量(单位为m3/s)；Iz和I(z+Δt)分别为z、(z+Δt)时刻汇水路径的河道入流量(单位为m3/s)，K′为蓄量流量系数，x为流量比重系数；
定义z＝0时刻所对应Q0与q0取值为0；
K′、x等参数确定方法为：K′参数由公式(12)确定，x参数由公式(13)确定，
K′＝Li/Vω (12)
Figure FDA0002681480960000061
Figure FDA0002681480960000062
Figure FDA0002681480960000063
Figure FDA0002681480960000064
其中，Vω为洪水波速(m3/s)；A为洪水过水断面面积(单位为m2)；R为洪水过水断面水力半径；Iz和I(z+Δt)分别为z、(z+Δt)时刻由n个最低级别汇水路径经汇水路径，汇入单个较高级别汇水路径的河道入流量(m3/s)；q(Z+Δt)10mm净雨时段单位线第(z+Δt)个时刻的流量。
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