CN114723245B - 中常洪水下大堤决口风险的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中常洪水下大堤决口风险的评估方法，首先分析漫滩洪水易发性，计算河道每一公里河段出现超过该平滩流量的概率，以得到漫滩洪水易发指数；其次是分析不同河段的水流动力强度，计算每个河段的横比降、纵比降和曲率，以此得到水流倾向性参数，并对该参数进行标准化，得到水流动力指数；然后分析大堤的易损性，统计每个河段左、右岸的最大顺堤河深度，得到大堤易损性指数；最后，综合评估每一段河长所对应大堤的决口风险。本发明简单、便捷地评估了中常洪水下大堤决口风险时空分布特征，既能得到单一年份真实的决口风险的沿程分布规律，又能准确、客观地反映多年决口风险的演变过程，还能分析出中常洪水大堤决口风险的形成原因。

Description

中常洪水下大堤决口风险的评估方法

技术领域

本发明涉及于河床演变分析，具体涉及一种中常洪水下大堤决口风险的评估方法。

背景技术

目前，河道的大堤决口的方式主要分为三种：“溢决”、“冲决”和“溃决”。“溢决”是指河水水位超过两岸大堤的设防水位而漫溢决口；“冲决”是由于河势过度弯曲，出现“横”、“斜”河，水流顶冲大堤而导致决口；“溃决”则是由于大堤堤根或堤身不够牢固，在遭遇洪水顺堤行洪时引发渗流或管涌，进而引发大堤的决口。

以往的研究中，主要集中于大堤“溢决”风险的评估，即主要关注洪水位超过大堤特定水位(如设防水位、警戒水位、保证水位等)导致漫溢决口的风险，而对中常洪水下大堤的“冲决”和“溃决”风险关注较少。然而，随着人类活动的影响，包括干支流水库的联合调度运用，增高大堤高度等措施，使得出现大洪量洪水位超过大堤堤顶而发生“溢决”的概率逐渐降低，但中常洪水发生的频率和持续的时间却并没有减少，中常洪水下发生大堤“冲决”和“溃决”的风险依然严峻，而且大堤旁广泛存在着人为或天然形成的顺堤河也是造成大堤决口的重要隐患。目前对于中常洪水大堤决口风险的演变过程和形成原因尚不明晰，且缺乏有效的评估方法。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种中常洪水下大堤决口风险的评估方法，解决现有风险评估方法只能评估洪水位超过特定水位造成的大堤“溢决”风险，而不能评估中常洪水下大堤“冲决”和“溃决”的风险的问题。

技术方案：本发明所述的中常洪水下大堤决口风险的评估方法，包括以下步骤：

(1)对河道内所有断面形态进行划分，划分出每个断面主槽，左、右岸滩地的起点距范围，根据划分的形态计算河道内每一公里河段的平滩流量；

(2)统计河道每一公里河段出现超过其平滩流量的概率，得到每一公里河段漫滩洪水易发指数；

(3)计算每一公里河段的横比降、纵比降和曲率，将每一公里河段的曲率和横纵比降之比分别进行标准化，并将两者相乘，得到每一公里河段的水流的倾向性参数，对该水流的倾向性参数进行标准化，得到水流动力指数；

(4)统计左右岸大堤的最大顺堤河深度，进行标准化得到大堤易损性指数；

(5)将步骤(2)得到的漫滩洪水易发指数、步骤(3)得到的水流动力指数和步骤(4)得到的大堤易损性指数相乘并进行标准化，得到风险指数，根据风险指数判定风险级别。

其中，所述步骤(1)中平滩流量的计算过程具体如下：

首先计算河道的主要形态参数：平滩过流面积A基于积分法

得到；平均河底高程Z＝Z_b-H，其中H＝A/B，Z_b代表左、右岸滩唇的最低高程，B代表左、右岸滩唇之间的水平距离；根据河道范围内每个断面的主槽平均河底高程Z以及河道上断面的间距，在距离上进行线性回归，得到线性回归函数Z＝-kx+b，其中x代表研究范围内距首个断面的距离；b代表首断面的主槽平均高程；Z代表沿程断面主槽的平均高程；取线性函数斜率的相反数k作为河道的纵比降J_p；

然后基于曼宁公式求出河道范围内每个断面的平滩流量：

其中A代表平滩过流面积，R代表水力半径，J_p代表河道的纵比降，n代表糙率，一般取该水文站测量值或经验数值；最后基于反距离加权插值法求出每公里河段的平滩流量Q。

所述步骤(2)中漫滩洪水易发指数的具体计算过程如下：

利用数理统计方法中的皮尔逊III型频率分布，对每年的单日或连续3日或连续5日最大流量进行频率分析，得到频率分布曲线；在频率分布曲线上查询每一公里河段超过该平滩流量的相应频率，将该频率作为每一公里河段中常洪水决口的漫滩洪水易发指数S。

所述步骤(3)水流动力指数D计算过程具体如下：

基于地理配准后的卫星遥感影像，画出河道中泓线；

利用地理信息系统平台Arcgis沿着河道的中泓线设置若干近似等距的原始控制点，提取原始控制点的平面坐标(x_i,y_i)，用数值分析方法当中的三次样条插值法拟合中泓线的样条曲线，对于a＝x₀＜…x_i＜…x_n＝b，其中，a代表原始控制点中横坐标的最小值，b代表原始控制点中横坐标的最大值，构造的三次样条函数S(x)如下：

其中，x∈[x_i-1,x_i]，h_i＝x_i-x_i-1，i＝1,2,…,n.，M_i＝S”(x_i)，M_i-1＝S”(x_i-1)；

按照公式

计算样条曲线S(x)在X坐标方向上每个原始控制点的曲率；

通过反距离加权插值法得到每公里河段的曲率K；

根据公式J＝h/L计算每个大断面的左、右岸最大滩地横比降，h代表滩唇与临堤滩面高程的差值，L代表滩唇至临堤滩面边缘的距离，然后进行空间插值，得到每公里河段的最大滩地横比降J，用每公里河段的最大滩地横比降除以该年份的河道纵比降，得到每一公里河段的横纵比降之比ξ；

将得到的每公里河段的曲率K和横纵比降之比ξ分别进行标准化处理，并将两者相乘，得到每公里河段的水流的倾向性参数M，对该水流的倾向性参数M进行标准化即得到水流动力指数D。

所述步骤(1)和步骤(3)中反距离加权插值法公式为：

n代表大断面个数，P_i为第i个断面的属性值，D_i为待插点与第i个断面间的距离，i＝1，2，3，…，n。

所述步骤(5)中根据公式R＝S×D×E计算每一段河长所对应大堤的决口风险指数，并进行标准化，其中，R为风险，S为每一公里河段漫滩洪水易发指数，D为水流动力指数，E为大堤易损性指数；

根据标准化后的风险进行判定，当0<R<0.2时，为低风险，当0.2<R<0.4时，为中低风险，当0.4<R<0.6时，为中风险，当0.6<R<0.8时，为中高风险，当0.8<R<1时，为高风险。

所述步骤(3)、(4)、(5)中进行准化的公式如下：

其中，X_i代表每一年份每一公里河段的属性值，X_min代表所有年份所有河段当中最小的属性值，X_max代表所有年份所有河段当中最大的属性值，A_i代表标准化之后每一年份每一公里河段的属性值。

技术原理：本发明用时空分布图来表征中常洪水决口的漫滩洪水易发指数、水流动力指数、大堤易损性指数以及风险分布，既能得到单一年份决口风险的沿程分布规律，又能反映多年决口风险的演变过程，还能分析出中常洪水大堤决口风险的形成原因；提出了每一公里河段中常洪水决口的漫滩洪水易发指数S，该指标用每一公里河段发生平滩流量的概率，反映了每一公里河段形成漫滩洪水灾害的可能性；用数值分析方法当中的三次样条插值法拟合中泓线的样条曲线，该方法不仅使曲线能够与原始控制点更准确地的拟合，而且使曲线和曲率都能连续且光滑；提出了水流倾向性参数M，该指标由样条曲线曲率K和横纵比降之比分别标准化后相乘得到，样条曲线曲率K反映了中常洪水水流“冲决”风险，横纵比降之比ξ反映了中常洪水大堤的“溃决”风险，因此水流倾向性参数M能够综合判别中常洪水对大堤的“冲决”、“溃决”的危害；用顺堤河深度h_p来表示大堤的易损性，该指标简便易得，能够直观地反映大堤的安全状况。

有益效果：本发明简单便捷地从“漫滩洪水易发性”，水流动力强度”，“大堤易损性”三个方面综合评估了中常洪水下大堤“冲决”、“溃决”的风险时空分布，本发明所利用的河道大断面数据、流量数据等数据作为水文部门的常规测验数据，容易获取且客观真实。同时，本发明既能得到单一年份真实的决口风险的沿程分布规律，又能准确、客观地反映多年决口风险的演变过程，还能分析出中常洪水大堤决口风险的形成原因，从而为防汛决策提供实时、客观的依据。

附图说明

图1是本发明中常洪水下大堤决口风险评估的流程图；

图2是本发明研究范围示意图；

图3是河道断面形态取值示意图；

图4河道纵比降取值示意；

图5是发明实例当中河道纵比降年际变化过程；

图6是发明实例当中平滩流量时空分布图；

图7是发明实例当中年单日最大流量P-III型频率分布图；

图8是发明实例当中漫滩洪水易发指数S时空分布图；

图9是发明实例当中河道中泓线曲率沿程分布；

图10是沿程每一公里河段的曲率分布柱状图；

图11是发明实例当中水流动力指数D时空分布图；

图12是发明实例当中大堤易损性指数E时空分布图；

图13是发明实例当中1986-2016年中常洪水下大堤决口风险R时空分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明中常洪水下大堤决口风险的评估方法的流程如下：

以图2所示的黄河口利津以下河道为例

(1)从利津断面至其下游约83km为有大堤河段，选取该河段1986-2016年共15个汛后大断面资料，对河道每个大断面的河道形态进行划分：通过目估方式划分出每个断面主槽，左、右岸滩地的起点距范围，结果如图3所示，主槽的起点距范围为3191m～4032m，左岸滩地的起点距范围为300m～3191m，右岸滩地的起点距范围为4032m～5150m。

(2)基于积分法，

计算主槽的平滩过流面积A，如图3阴影面积所示，同时求出主槽的湿周长度C，按照公式R＝A/C得到主槽水力半径R，由主槽左右岸滩唇的水平距离得到主槽宽度B，按照公式Z＝Z_b-H，其中H＝A/B，得到主槽的平均高程Z如图3所示。根据每个断面的主槽的平均河底高程Z以及河道上断面的间距，在距离上进行线性回归，得到线性回归函数Z＝-kx+b，取该线性函数斜率的相反数k作为河道纵比降J_p如图4所示，河道纵比降J_p年际变化过程如图5所示。

(3)利用曼宁公式

计算出每个大断面的平滩流量Q，n代表该河道的糙率，一般取该水文站测量值或经验数值，利用反距离加权插值法

将每个断面的平滩流量在空间上插值，n代表大断面个数，P_i为第i个断面的属性值，D_i为待插点与第i个断面间的距离，i＝1，2，3，…，n，得到如图6所示的每年份每公里河段平滩流量的时空分布。

(4)统计利津水文站1950-2017年年内单日最大流量，绘制皮尔逊III型(P-III)频率曲线图，拟合得出理论频率分布如图7所示，在该频率曲线上查找出每一公里河段所对应的平滩流量的出现概率，并以此绘制出漫滩洪水易发指数S的时空分布图如图8所示。

(5)利用地理学常用的地理信息系统平台Arcgis，基于配准好的Landsat 8遥感影像，在北京1954坐标系下绘制出利津至其下游83km处的河道中泓线，并提取中泓线原始控制点的坐标，利用商业数学软件Matlab，对中泓线的原始控制点坐标进行三次样条插值拟合，使样条插值曲线与原始控制点能够完全拟合如图9，同时得到三次样条函数S(x)，对于a＝x₀＜…x_i＜…x_n＝b构造的三次样条函数S(x)如下：

其中，x∈[x_i-1,x_i]，h_i＝x_i-x_i-1，i＝1,2,…,n.，M_i＝S”(x_i)，M_i-1＝S”(x_i-1)；

按照公式

计算样条曲线S(x)在X坐标方向上每个原始控制点的曲率如图9所示，通过反距离加权插值法得到每公里河段的曲率K如图10。根据公式J＝h/L计算每个大断面的左、右岸最大滩地横比降，h代表滩唇与临堤滩面高程的差值，L代表滩唇至临堤滩面边缘的距离，然后进行空间插值，得到每公里河段的最大滩地横比降J，用每公里河段的最大滩地横比降除以该年份的河道纵比降，得到每一公里河段的横纵比降之比ξ，用每公里河段的最大滩地横比降除以该年份的河道纵比降，得到每公里河段的横纵比降之比ξ，将每公里河段的曲率K和横纵比降之比ξ分别用公式

进行标准化处理，两参数相乘之后即得到每一公里河段的水流的倾向性参数M，对该水流的倾向性参数M进行标准化，得到中常洪水大堤决口的水流动力指数D如图11所示。

(6)统计利津至其下游83km处的河道左右岸大堤的最大顺堤河深度h_p，用一侧滩地的平均高程减去该侧顺堤河最低点高程，得到其中一侧的顺堤河深度，然后依据最不利原则，选取左右岸大堤的最大顺堤河深度作为该断面的顺堤河深度如图2，对获取的顺堤河深度进行标准化，得到大堤的易损性指标E如图12所示。

(7)按照公式“风险(R)＝漫滩洪水易发指数(S)×水流动力指数(D)×大堤易损性指数(E)”来计算每一公里河长所对应大堤的决口风险R的时空分布特征，并对风险进行标准化，绘制中常洪水大堤决口风险时空分布图如图13所示，按照平均间隔进行分级，当0<R<0.2时，为低风险，当0.2<R<0.4时，为中低风险，当0.4<R<0.6时，为中风险，当0.6<R<0.8时，为中高风险，当0.8<R<1时，为高风险。从风险分布图中能够直观地看出中常洪水下，大堤决口的高风险和中高风险主要集中在1986-2005年利津以下10km～47km范围内的河道内，中风险集中在1987-2012年利津以下60km～70km范围内，2006-2016年无高风险和中高风险河段。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种中常洪水下大堤决口风险的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对河道内所有断面形态进行划分，划分出每个断面主槽，左、右岸滩地的起点距范围，根据划分的形态计算河道内每一公里河段的平滩流量；

(2)统计河道每一公里河段出现超过其平滩流量的概率，得到每一公里河段漫滩洪水易发指数；

(3)计算每一公里河段的横比降、纵比降和曲率，将每一公里河段的曲率和横纵比降之比分别进行标准化，并将两者相乘，得到每一公里河段的水流的倾向性参数，对该水流的倾向性参数进行标准化，得到水流动力指数；

(4)统计左右岸大堤的最大顺堤河深度，进行标准化得到大堤易损性指数；

(5)将步骤(2)得到的漫滩洪水易发指数、步骤(3)得到的水流动力指数和步骤(4)得到的大堤易损性指数相乘并进行标准化，得到风险指数，根据风险指数判定风险级别；

其中，所述步骤(1)中平滩流量的计算过程具体如下：

首先计算河道的主要形态参数：平滩过流面积A基于积分法

得到；平均河底高程Z＝Z_b-H，其中H＝A/B，Z_b代表左、右岸滩唇的最低高程，B代表左、右岸滩唇之间的水平距离；根据河道范围内每个断面的主槽平均河底高程Z以及河道上断面的间距，在距离上进行线性回归，得到线性回归函数Z＝-kx+b，其中x代表研究范围内距首个断面的距离；b代表首断面的主槽平均高程；Z代表沿程断面主槽的平均高程；取线性函数斜率的相反数k作为河道的纵比降J_p；

然后基于曼宁公式，求出河道范围内每个断面的平滩流量：

其中A代表平滩过流面积，R代表水力半径，J_p代表河道的纵比降，n代表糙率，取水文站测量值或经验数值；

最后基于反距离加权插值法求出每公里河段的平滩流量Q；

所述步骤(2)中漫滩洪水易发指数的具体计算过程如下：

利用数理统计方法中的皮尔逊III型频率分布，对每年的单日或连续3日或连续5日最大流量进行频率分析，得到频率分布曲线；在频率分布曲线上查询每一公里河段超过该平滩流量的相应频率，将该频率作为每一公里河段中常洪水决口的漫滩洪水易发指数S；

所述步骤(3)水流动力指数D计算过程具体如下：

基于地理配准后的卫星遥感影像，画出河道中泓线；

利用地理信息系统平台Arcgis沿着河道的中泓线设置若干等距的原始控制点，提取原始控制点的平面坐标(x_iy_i)，用数值分析方法当中的三次样条插值法拟合中泓线的样条曲线，对于a＝x₀<…x_i<…x_n＝b，其中a代表原始控制点中横坐标的最小值，b代表原始控制点中横坐标的最大值，构造的三次样条函数S(x)如下：

其中，x∈[x_i-x，x_i]，h_i＝x_i-x_i-1，i＝1，2，...，n.，M_i＝S”(x_i)，M_i-1＝S”(x_i-1)；

按照公式

计算样条曲线S(x)在X坐标方向上每个原始控制点的曲率；

通过反距离加权插值法得到每公里河段的曲率K；

根据公式J＝h/L计算每个大断面的左、右岸最大滩地横比降，h代表滩唇与临堤滩面高程的差值，L代表滩唇至临堤滩面边缘的距离，然后进行空间插值，得到每公里河段的最大滩地横比降J，用每公里河段的最大滩地横比降除以当前年份的河道纵比降，得到每一公里河段的横纵比降之比ξ；

将得到的每公里河段的曲率K和横纵比降之比ξ分别进行标准化处理，并将两者相乘，得到每公里河段的水流的倾向性参数M，对水流的倾向性参数M进行标准化即得到水流动力指数D；

所述步骤(5)中根据公式R＝S×D×E计算每一段河长所对应大堤的决口风险指数，并进行标准化，其中，R为风险，S为每一公里河段漫滩洪水易发指数，D为水流动力指数，E为大堤易损性指数；

根据标准化后的风险进行判定，当0<R<0.2时，为低风险，当0.2<R<0.4时，为中低风险，当0.4<R<0.6时，为中风险，当0.6<R<0.8时，为中高风险，当0.8<R<1时，为高风险。

2.根据权利要求1所述的中常洪水下大堤决口风险的评估方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(3)中反距离加权插值法公式为：

n代表大断面个数，P_i为第i个断面的属性值，D_i为待插点与第i个断面间的距离，i＝1，2，3，...，n。

3.根据权利要求1所述的中常洪水下大堤决口风险的评估方法，其特征在于，所述步骤(3)、(4)、(5)中进行准化的公式如下：

其中，X_i代表每一年份每一公里河段的属性值，X_min代表所有年份所有河段当中最小的属性值，X_max代表所有年份所有河段当中最大的属性值，A_i代表标准化之后每一年份每一公里河段的属性值。

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