CN112231907A - 一种流域设计洪水时空分布推算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及系统软件技术领域，具体提供了一种流域设计洪水时空分布推算方法，首先，基于GIS技术对纸质版暴雨参数图集进行矢量化处理，其次利用水文分析工具生成流域网格及其中心点，随后通过生成暴雨参数栅格数据及空间插值分析获取流域中心相关参数值，之后连接数据库表，通过程序批量计算流域网格设计暴雨并进行时程分配，利用设计暴雨计算成果批量推算流域网格设计洪水，最后将流域网格的设计暴雨及设计洪水空间分布情况可视化展现。与现有技术相比，本发明不仅解决传统方法人工查阅暴雨参数的易错性和不准确性，同时大大提升设计洪水的计算效率，基于GIS实现流域网格设计暴雨及设计洪水的空间分布直观展现，为相关工程规划及防洪评价等工作提供决策依据。
Description
技术领域
本发明涉及系统软件技术领域，具体提供一种流域设计洪水时空分布推算方法。
背景技术
通常在水利工程、城市及厂矿排水工程等规划设计时,需要参考设计洪水计算成果。然而在小流域设计洪水的计算过程中，往往存在流域实测流量资料不足或缺乏的现象。
当前常用的推求方法为：首先推求设计暴雨，随后通过产流和汇流计算推求设计净雨、洪峰、洪量和设计洪水过程。
(1)推求设计暴雨
由于一般小流域水文资料匮乏，难以获取长系列暴雨数据，因此当前水文工作中常采用由暴雨图集推求设计暴雨过程的方法，主要步骤如下：
1、根据省(区)水文手册(包括有关的水文图集，如《暴雨径流查算图表》)中绘制的暴雨参数等值线图，插值查算设计流域中心点不同历时(10min、60min、6h、24h、3d)最大暴雨均值和变差系数Cv，通过暴雨点面关系获取统计历时不同设计频率的面雨量。
2、利用暴雨公式将统计历时的设计雨量转化为任一历时的设计雨量。
暴雨公式用来反映一定频率下选取历时的平均降雨强度与历时的关系，如以下指数方程：
式中，
表示历时为t，频率为P的平均暴雨强度，mm/h；SP表示t＝1h的平均雨强，mm/h；n表示暴雨参数或暴雨递减指数。
3、按分区概化雨型或移用的暴雨典型同频率控制放大，计算设计暴雨过程。
(2)推求设计净雨过程
设计暴雨扣除损失即是设计净雨。对于湿润地区，多采用较简单的前期影响雨量为参数的降雨径流相关法、平均损失法和扣除初损及后损法。
(3)推求设计洪水过程
采用推理公式及单位线法对设计净雨进行汇流计算，从而获取流域出口断面的设计洪水过程。
传统计算方法存在的问题和缺点：
1、不能对计算结果进行快速直观展示，不便于推算成果的检验及不同方案成果对比；
2、人工查阅暴雨图集进行插值计算工作效率低，且插值结果准确性较低；
3、每次只能对单个流域进行查阅推算，灵活性及效率较低。
发明内容
本发明是针对上述现有技术的不足，提供一种实用性强的流域设计洪水时空分布推算方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种流域设计洪水时空分布推算方法，首先，基于GIS技术对纸质版暴雨参数图集进行矢量化处理，其次利用水文分析工具生成流域网格及其中心点，随后通过生成暴雨参数栅格数据及空间插值分析获取流域中心相关参数值，之后连接数据库表，通过程序批量计算流域网格设计暴雨并进行时程分配，利用设计暴雨计算成果批量推算流域网格设计洪水，最后将流域网格的设计暴雨及设计洪水空间分布情况可视化展现。
进一步的，具体步骤如下：
S1、暴雨图集矢量化；
S2、生成流域网格及其中心点；
S3、生成暴雨参数栅格数据；
S4、流域网格特征参数插值；
S5、数据库表管理；
S6、设计暴雨及设计洪水推算；
S7、基于GIS的成果展示。
进一步的，在步骤S1中，将暴雨参数等值线图图像化后载入ArcMap，利用地理配准工具对暴雨图集空间位置进行校正，基于ArcGIS软件平台实现等值线栅格图像的矢量化并完成数值字段赋值。
进一步的，在步骤S2中，利用ArcGIS的水文分析工具，基于DEM数据及研究区域边界图层进行操作，最终形成所需研究尺度的流域网格；
进一步利用流域网格生成流域中心点，用于流域特征参数插值分析。
进一步的，在步骤S3中，利用研究区域边界及暴雨参数等值线图层创建TIN三角网，利用TIN转栅格工具生成年最大时段雨量及变差系数栅格。
进一步的，在步骤S4中，根据需要选用适当的插值算法，利用步骤S3生成的栅格数据及步骤S2生成的流域中心点进行流域雨量值及变差系数Cv插值计算。
进一步的，在步骤S5中，结合流域设计暴雨及设计洪水推求方法的数据需求，完成数据库表结构设计，如下，
(1)设计暴雨推算相关数据表：《皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数Kp值表》、《流域网格年最大点雨量计算成果表》、《流域网格年最大点雨量变差系数计算成果表》、《流域网格设计暴雨时段分配计算成果表》、《定点定面关系表》、《基础参数表》；
(2)设计洪水推算相关数据表：《流域网格设计净雨计算成果表》、《流域网格设计洪水计算成果表》。
进一步的，在步骤S6中，从传统水文计算方法中选取适合研究区域的设计洪水推求公式，将传统计算方法转换为程序代码，通过步骤S5创建的数据库表获取相关计算参数并将计算结果存放于相应成果表，实现多流域网格设计暴雨及设计洪水的批量推算。
作为优选，在步骤S6中进一步包括：
(1)设计暴雨推求
根据流域面积和统计历时以程序读取《定点定面关系表》，查取各历时暴雨点面系数α，由S4插值所得各历时点暴雨均值计算面暴雨均值：
H面p＝α·H点p
取Cs/Cv＝3.5，根据S4插值所得各历时Cv求得Cs，结合所需研究的设计频率，通过程序读取《皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数Kp值表》，查得模比系数Kp。
由模比系数Kp和面暴雨均值求得设计频率下各种历时的设计面雨量：
HP＝KP·H面p
分段计算不同频率暴雨衰减指数n：
t＝10min-60min：n10，60＝1+1.285lg(H10/H60)；H＝H10(t/10)1-n 10,60
t＝1-6h：n1，6＝1+1.285lg(H1/H6)；H＝H1t1-n 1,6
t＝6-24h：n6，24＝1+1.661lg(H6/H24)；H＝H6(t/6)1-n 6,24
t＝1-3d：n24，3＝1+2.096lg(H24/H6)；H＝H24t1-n 24,3
按日程雨型及分配计算各天设计面雨量，按时程雨型及分配计算各天各历时设计面雨量；
(2)设计净雨推求
净雨推求可采取前期影响雨量为参数的降雨径流相关法、平均损失法和扣除初损及后损法，本技术通过编写程序将推求方法转化为代码形式；
(3)设计洪水推求
采用推理公式法及单位线法对设计净雨进行汇流计算，从而获取流域出口断面的设计洪水过程，本技术通过编写程序将推求方法转化为代码形式。
进一步的，在步骤S7中，通过将流域网格设计洪水计算成果表与流域网格矢量面图层关联，利用不同颜色符号实现设计洪水空间分布效果图渲染展示，并可进一步通过WebGIS实现基于网页的设计洪水动态播放演示。
本发明的一种流域设计洪水时空分布推算方法和现有技术相比，具有以下突出的有益效果：
1、基于GIS可批量实现多个流域的暴雨参数插值计算，对比现阶段水文工作者常用的人工查阅暴雨参数等值线图集，可极大地减少繁重的工作量，提高水文分析计算的工作效率。
2、以GIS技术代替人工判读，可降低由于人为因素导致的误差，提高计算成果准确性。
3、基于GIS进行推算成果的可视化展示，实现设计暴雨及设计洪水的空间分布效果灵活渲染，为防汛应急指挥等相关工作提供更为直观的参考依据与决策辅助。
4、相比于现有计算方法的单一性，在本技术研究过程中，可通过调整程序代码实现多种方法推算方案设置，结合可视化成果图进行方案对比，从而获取最优解。
5、本技术中基于水文分析工具生成流域网格的方法简便灵活，可通过调整流量阈值自定义多种尺度流域网格，根据实际使用情景进行不同尺度流域网格的成果推算。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
附图1是一种流域设计洪水时空分布推算方法的流程图；
附图2是一种流域设计洪水时空分布推算方法中生成流域网格及其中心点流程图；
附图3是一种流域设计洪水时空分布推算方法中设计暴雨推算流程图；
附图4是一种流域设计洪水时空分布推算方法中暴雨参数等值线矢量及栅格示意图；
附图5是一种流域设计洪水时空分布推算方法中设计暴雨推求程序界面示意图；
附图6是一种流域设计洪水时空分布推算方法中设计洪水空间分布示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明的方案，下面结合具体的实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都属于本发明保护的范围。
下面给出一个最佳实施例：
请参照图1-5，本实施例中的一种流域设计洪水时空分布推算方法，首先，基于GIS技术对纸质版暴雨参数图集进行矢量化处理，其次利用水文分析工具生成流域网格及其中心点，随后通过生成暴雨参数栅格数据及空间插值分析获取流域中心相关参数值，之后连接数据库表，通过程序批量计算流域网格设计暴雨并进行时程分配，利用设计暴雨计算成果批量推算流域网格设计洪水，最后将流域网格的设计暴雨及设计洪水空间分布情况可视化展现。
具体步骤如下：
S1、暴雨图集矢量化：
将暴雨参数等值图图像化后载入ArcMap，利用地理配准工具对暴雨图集空间位置进行校正，基于ArcGIS软件平台实现等值线栅格图像的矢量化并完成数值字段赋值。
如年最大时段(10min、60min、6h、24h、3d)点雨量变差系数等值线图、年最大时段(10min、60min、6h、24h、3d)点雨量均值等值线图。
S2、生成流域网格及其中心点：
利用ArcGIS的水文分析工具，基于DEM数据及研究区域边界图层进行流向分析、填充洼地、水流长度计算、汇流分析、河网生成、河网分级、分水岭生成等一系列操作，最终形成所需研究尺度的流域网格。
进一步利用流域网格生成流域中心点，用于流域特征参数插值分析。
S3、生成暴雨参数栅格数据：
利用研究区域边界及暴雨参数等值线图层创建TIN三角网，通过TIN转栅格工具生成年最大时段(10min、60min、6h、24h、3d)雨量及变差系数栅格。
S4、流域网格特征参数插值：
根据需要选用适当的插值算法，利用S3生成的栅格数据及S2生成的流域中心点进行流域雨量值及变差系数Cv插值计算。插值算法包括克里金插值法、反距离加权插值法、自然邻点插值法等。
S5、数据库表管理：
结合流域设计暴雨及设计洪水推求方法的数据需求，完成数据库表结构设计。主要包括如下表格：
(1)设计暴雨推算相关数据表：《皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数Kp值表》、《流域网格年最大(10min、60min、6h、24h、3d)点雨量计算成果表》、《流域网格年最大(10min、60min、6h、24h、3d)点雨量变差系数计算成果表》、《流域网格设计暴雨时段分配计算成果表》、《定点定面关系表》、《基础参数表》等。
(2)设计洪水推算相关数据表：《流域网格设计净雨计算成果表》、《流域网格设计洪水计算成果表》等。
S6、设计暴雨及设计洪水推算：
从传统水文计算方法中选取适合研究区域的设计暴雨及设计洪水推求公式，将传统计算方法转换为程序代码，通过连接步骤5创建的数据库表获取相关计算参数并将计算结果存放于相应成果表，实现多流域网格设计暴雨及设计洪水的批量推算。
(1)设计暴雨推求
根据流域面积和统计历时以程序读取《定点定面关系表》，查取各历时暴雨点面系数α，由步骤4插值所得各历时点暴雨均值计算面暴雨均值：
H面p＝α·H点p
取Cs/Cv＝3.5，根据步骤4插值所得各历时Cv求得Cs，结合所需研究的设计频率，通过程序读取《皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数Kp值表》，查得模比系数Kp。
由模比系数Kp和面暴雨均值求得设计频率下各种历时的设计面雨量：
HP＝KP，H面，p
分段计算不同频率暴雨衰减指数n：
t＝10min-60min：n10，60＝1+1.285lg(H10/H60)；H＝H10(t/10)1-n 10,60
t＝1-6h：n1，6＝1+1.285lg(H1/H6)；H＝H1t1-n 1,6
t＝6-24h：n6，24＝1+1.661lg(H6/H24)；H＝H6(t/6)1-n 6,24
t＝1-3d：n24，3＝1+2.096lg(H24/H6)；H＝H24t1-n 24,3
按日程雨型及分配计算各天设计面雨量，按时程雨型及分配计算各天各历时设计面雨量。
(2)设计净雨推求
净雨推求可采取前期影响雨量为参数的降雨径流相关法、平均损失法和扣除初损及后损法，本技术通过编写程序将推求方法转化为代码形式。
如按初损、后损法扣损，初损定为10～20毫米，后损每小时0.3～1.0毫米(先大后小)，稳渗为每小时1.0～1.5毫米，稳渗形成的地下径流需回加。
(3)设计洪水推求
采用推理公式法及单位线法对设计净雨进行汇流计算，从而获取流域出口断面的设计洪水过程，本技术通过编写程序将推求方法转化为代码形式。
S7、基于GIS的成果展示
通过将流域网格设计洪水计算成果表与流域网格矢量面图层关联，利用不同颜色符号实现设计洪水空间分布效果图渲染展示，并可进一步通过WebGIS实现基于网页的设计洪水动态播放演示。
本发明一是实现暴雨图集的电子化管理，与传统纸质资料相比提高存储质量、延长存储时限；二是实现流域网格设计暴雨及设计洪水的批量推算，通过将传统计算方式转换为程序与数据库协同运行，可大大减少重复工作量；三是实现流域网格设计暴雨及设计洪水的时空分布展现，便于进行成果数据校验；四是用计算机代替人工进行插值计算，保证较高质量的推算成果。
不仅解决传统方法人工查阅暴雨参数的易错性和不准确性，同时大大提升设计洪水的计算效率，基于GIS实现流域网格设计暴雨及设计洪水的空间分布直观展现，为相关工程规划及防洪评价等工作提供决策依据。
上述具体的实施方式仅是本发明具体的个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体的实施方式，任何符合本发明的一种流域设计洪水时空分布推算方法权利要求书的且任何所述技术领域普通技术人员对其做出的适当变化或者替换，皆应落入本发明的专利保护范围。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种流域设计洪水时空分布推算方法，其特征在于，首先，基于GIS技术对纸质版暴雨参数图集进行矢量化处理，其次利用水文分析工具生成流域网格及其中心点，随后通过生成暴雨参数栅格数据及空间插值分析获取流域中心相关参数值，之后连接数据库表，通过程序批量计算流域网格设计暴雨并进行时程分配，利用设计暴雨计算成果批量推算流域网格设计洪水，最后将流域网格的设计暴雨及设计洪水空间分布情况可视化展现。
2.根据权利要求1所述的一种流域设计洪水时空分布推算方法，其特征在于，具体步骤如下：
S1、暴雨图集矢量化；
S2、生成流域网格及其中心点；
S3、生成暴雨参数栅格数据；
S4、流域网格特征参数插值；
S5、数据库表管理；
S6、设计暴雨及设计洪水推算；
S7、基于GIS的成果展示。
3.根据权利要求2所述的一种流域设计洪水时空分布推算方法，其特征在于，在步骤S1中，将暴雨参数等值线图图像化后载入ArcMap，利用地理配准工具对暴雨图集空间位置进行校正，基于ArcGIS软件平台实现等值线栅格图像的矢量化并完成数值字段赋值。
4.根据权利要求2所述的一种流域设计洪水时空分布推算方法，其特征在于，在步骤S2中，利用ArcGIS的水文分析工具，基于DEM数据及研究区域边界图层进行操作，最终形成所需研究尺度的流域网格；
进一步利用流域网格生成流域中心点，用于流域特征参数插值分析。
5.根据权利要求2所述的一种流域设计洪水时空分布推算方法，其特征在于，在步骤S3中，利用研究区域边界及暴雨参数等值线图层创建TIN三角网，利用TIN转栅格工具生成年最大时段雨量及变差系数栅格。
6.根据权利要求2所述的一种流域设计洪水时空分布推算方法，其特征在于，在步骤S4中，根据需要选用适当的插值算法，利用步骤S3生成的栅格数据及步骤S2生成的流域中心点进行流域雨量值及变差系数Cv插值计算。
7.根据权利要求2所述的一种流域设计洪水时空分布推算方法，其特征在于，在步骤S5中，结合流域设计暴雨及设计洪水推求方法的数据需求，完成数据库表结构设计，如下，
(1)设计暴雨推算相关数据表：《皮尔逊Ⅲ型曲线模比系数Kp值表》、《流域网格年最大点雨量计算成果表》、《流域网格年最大点雨量变差系数计算成果表》、《流域网格设计暴雨时段分配计算成果表》、《定点定面关系表》、《基础参数表》；
(2)设计洪水推算相关数据表：《流域网格设计净雨计算成果表》、《流域网格设计洪水计算成果表》。
8.根据权利要求2所述的一种流域设计洪水时空分布推算方法，其特征在于，在步骤S6中，从传统水文计算方法中选取适合研究区域的设计洪水推求公式，将传统计算方法转换为程序代码，通过步骤S5创建的数据库表获取相关计算参数并将计算结果存放于相应成果表，实现多流域网格设计暴雨及设计洪水的批量推算。
9.根据权利要求8所述的一种流域设计洪水时空分布推算方法，其特征在于，在步骤S6中进一步包括：
(1)设计暴雨推求
根据流域面积和统计历时以程序读取《定点定面关系表》，查取各历时暴雨点面系数α，由S4插值所得各历时点暴雨均值计算面暴雨均值：
H面，P＝α·H点，P
取Cs/Cv＝3.5，根据S4插值所得各历时Cv求得Cs，结合所需研究的设计频率，通过程序读取《皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数Kp值表》，查得模比系数Kp。
由模比系数Kp和面暴雨均值求得设计频率下各种历时的设计面雨量：
HP＝KP·H面，P
分段计算不同频率暴雨衰减指数n：
t＝10min-60min：n10，60＝1+1.285lg(H10/H60)；H＝H10(t/10)1-n 10,60
t＝1-6h：n1，6＝1+1.285lg(H1/H6)；H＝H1t1-n 1,6
t＝6-24h：n6，24＝1+1.661lg(H6/H24)；H＝H6(t/6)1-n 6,24
t＝1-3d：n24，3＝1+2.096lg(H24/H6)；H＝H24t1-n 24,3
按日程雨型及分配计算各天设计面雨量，按时程雨型及分配计算各天各历时设计面雨量；
(2)设计净雨推求
净雨推求可采取前期影响雨量为参数的降雨径流相关法、平均损失法和扣除初损及后损法，本技术通过编写程序将推求方法转化为代码形式；
(3)设计洪水推求
采用推理公式法及单位线法对设计净雨进行汇流计算，从而获取流域出口断面的设计洪水过程，本技术通过编写程序将推求方法转化为代码形式。
10.根据权利要求2所述的一种流域设计洪水时空分布推算方法，其特征在于，在步骤S7中，通过将流域网格设计洪水计算成果表与流域网格矢量面图层关联，利用不同颜色符号实现设计洪水空间分布效果图渲染展示，并可进一步通过WebGIS实现基于网页的设计洪水动态播放演示。
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