CN116401327A - 无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水文学与水资源技术领域，公开了无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统，矢量化地区暴雨洪水图集并存入创建的开源业务数据库PostgreSQL与空间数据库PostGIS相结合的数据库，构建无资料地区地理空间数据库，自动量取流域水文特征参数，设计暴雨历时，再根据地区暴雨洪水算法基础，实现设计暴雨、产流、汇流、洪水过程线全过程的自动化计算，并进行可视化展示。本发明结合开发工具与计算机语言，实现水文数值全自动化分析计算与可视化展示，在暴雨‑产流‑汇流‑河道洪水过程方面实现动态模拟，成本低、工作量小，且具备二维、三维显示功能，可大范围推广，为今后搭建具有丰富功能的水文数值分析平台提供了经验。
Description
技术领域
本发明属于水文学与水资源技术领域，具体涉及无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统。
背景技术
1、传统无资料地区水文计算依靠人工查算手段，成本高、工作量巨大，对边界条件依赖性强、参数变化敏感度高。
国外对无资料地区设计洪水研究起步较早，设计洪水的估算主要依靠水文气象法和数理统计法，前者通过暴雨资料来进行设计洪水的推求，后者则凭借实测系列流量数据进行计算。英国水文工作者通常会考虑利用移置法、超定量系列、流域特征法对年最大洪水中值进行计算，借用有资料地区水文参数，得到研究区的频率曲线，该方法在英国应用极其广泛。美国同样是共享水文相似区域的数据，但对于资料的借用主要是构建流域特征和洪峰流量的关系，根据流域特征求出研究区设计流量。
我国陆地面积广阔，水文站点密度处于世界平均水平，但分布不均，主要集中在经济发达、人口密集地区，而江河起源地和西部地区分布密度较少。上世纪50年代我国进行了大范围的水文调查，各省也相继完成了《水文图集》、《水文手册》以及《暴雨洪水图集》等编制成果。这些前期成果的积累为无资料地区中小流域设计洪水分析起到重要推动作用。地区暴雨洪水综合方法是根据各地区多年的实测资料，研究这些实测资料综合分析出各地暴雨洪水规律，进而建立起暴雨洪水规律与流域特征之间的经验性关系。在缺乏资料的流域可以此进行洪水估算，主要有推理公式法、瞬时单位线法和地区经验公式法。
目前国内无资料地区小流域设计洪水的分析计算方面，勘测设计项目仍旧普遍秉持上述方法，均按照省市地区水文部门编制出版的水文手册和暴雨洪水图集进行计算，具有“一地区一算法”，针对性强、普遍认可度高的特点，计算过程中涉及参数和计算步骤较多，参数选取及查算量较大，成果对边界条件依赖性较强，参数变化对结果的敏感性较高，不能适应当前高质量发展需求。
2、已有商业水文分析软件与插件的水文分析功能较强大，但非专业人士使用不便，且涉及版权与保密问题，难以大范围推广。
水文模型的应用随着自动化理论、计算机技术、数学模型、数理统计等的发展，对信息数据的处理速度得到了大幅度提高。目前使用水文模型计算流域的洪水已经成为了一种重要的手段，如SWAT模型、SCS模型、IHACRES模型、TOPMOOEL模型等。其中SCS模型是美国农业部水土保持局(Soil Conservation Service)于1954年专门为小流域而开发的模型。该模型包括产流和汇流两部分，产流部分引入一个无因次的参数fCN，反映了降雨前的流域特征，与土壤、坡度、植被、土地利用等密切相关；汇流部分采用一条无因次的单位线来计算径流过程。该模型已在无资料地区、城市水文等问题中得到应用并取得不错的效果。TOPMODEL模型、IHACRES模型及其他分布式水文模型在无资料地区也有应用。
美国陆军工程师团水文中心(HEC)基于旗下的HEC-1研发了水文计算程序HEC-HMS。该模型可以模拟不同地区和条件下的降水径流过程，由流域模型组件、气象模型组件以及控制设定组件三部分组成，具有强大的水文模拟能力，在洪水预报、洪泛区规划等方面具有广泛的应用。
MIKE软件是丹麦水资源及水环境研究所(DHI)的产品，是目前世界上经过实际工程验证最多的，被水资源研究人员广泛认同的软件。功能涉及范围从降雨-产流-河流-城市-河口-近海-深海，从一维到三维，从水动力到水环境和生态系统，从流域大范围水资源评估和管理的MIKE BASIN，到地下水与地表水联合的MIKE SHE，一维河网的MIKE11，城市供水系统的MIKE NET和城市排水系统的MIKE MOUSE，二维和地表水体的MIKE21，近海的沿岸流LITPACK，直到深海的三维MIKE3。但多个项目实践中表明该软件参数使用在我国无资料地区分析结果始终存疑，因此需要一个适用于我国无资料地区的中小流域水文数值分析平台。
3、已有二次开发水文分析平台只能进行公式化参数计算，不具备自动量取流域水文特征参数的功能，只是半自动化的计算，三维显示功能严重不足。
水文分析平台的二次开发不断发展。山西省水文水资源勘测局开发的山西省水文计算手册实用程序实现了产流、汇流计算，并实现了雨面量合理性检查，但是没有对目标流域特征参数进行量取。河南省中小流域设计暴雨洪水自动查算平台是使用《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》(1984河南省水利勘测设计院主编)进行数字化，利用GIS(Geographic Information System)即地理信息系统建模并将转换后的数据存入数据库，根据输入的地理坐标自动查图获取计算点暴雨参数。该平台已经很好的解决了自动化查算，但该平台没有进行图集矢量化，计算结果需要反复验证，只是半自动化计算，对于用户使用并不友好。
搭建具有水文特色的空间数据库管理系统，是实现数字水文的前提与必经之路，根据综合比选，确定采用基于GIS的组件包底层开发模式。传统的地理信息系统不但独立封闭，而且功能复杂，信息冗余，很多功能与企业和用户需求相关性不大，对于系统的开发也必须掌握相应的二次开发语言、熟悉相应的方法和类库，导致其系统的开发成本和周期也成倍增加。GIS完全独立开发过程复杂，效率低下，基于GIS的二次开发虽然弥补了效率低下的缺点，但系统运行必须依赖专业的GIS软件，不利于推广，而基于组件的地理信息开发，利用封装好的GIS组件包(如Arc Engine组件)进行底层开发，操作简单，适用性广，更加灵活。为更好的实现水文水资源信息的提取，应融入计算机技术，积极开发三维立体GIS技术。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统，矢量化地区暴雨洪水图集构建无资料地区地理空间数据库，自动量取流域水文特征参数，设计暴雨历时，再根据地区暴雨洪水算法基础，实现设计暴雨、产流、汇流、洪水过程线全过程自动化计算，并进行动态模拟，成本低、工作量小、具备二维、三维显示功能，可实现大范围推广。
本发明采取的技术方案是无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统，包括数据库、图集矢量化入库模块、洪水计算模块、可视化展示模块；
数据库用于存储数据；
图集矢量化入库模块用于对地区纸质暴雨洪水图集进行数据格式转换，将转换后的数据进行地理配准，并对图件进行点线面要素的矢量化，最后将矢量化的数据写入数据库构建图集的地理空间数据库；
洪水计算模块用于通过自动量算流域水文特征参数、判断暴雨历时、设计点雨量计算、设计面雨量分析、流域形状改正、入渗量、前期影响雨量、潜流量的自动计算、根据流域特征参数适配选用推理公式法或瞬时单位线法进行分析计算，得到设计洪峰流量及设计洪水过程线，实现设计暴雨、产流、汇流、洪水过程线全过程自动化计算；
可视化展示模块用于实现水文数值分析计算与可视化展示，在暴雨-产流-汇流-河道洪水过程方面实现动态模拟。
进一步地，所述数据库为开源业务数据库PostgreSQL与空间数据库PostGIS相结合。
进一步地，所述图集矢量化入库模块步骤包括：
⑴图像扫描；
⑵图像预处理；
⑶地理配准；
⑷数据分层；
⑸图形数据追踪；
⑹属性录入。
进一步地，所述图形数据追踪步骤包括：
⑴图像分割；
⑵图像二值化；
⑶膨胀与腐蚀；
⑷矢量化。
进一步地，所述洪水计算模块包括流域水文特征参数提取单元、设计暴雨历时单元、设计暴雨计算单元，流域水文特征参数提取单元用于依据河流目标倾泄点和DEM高程数据自动勾勒目标流域，提取流域特征参数：流域面积F、主河道长度L、河道平均比降J；设计暴雨历时单元用于根据目标流域面积大小，以地区经验类别划分，自动确定设计暴雨历时；设计暴雨计算单元用于通过目标流域识别的形心位置自动识别暴雨相似区，以内插法计算点雨量、折算点面系数、分析暴雨衰减指数，自动适配暴雨时程分配雨型、分析面雨量及流域形状改正。
进一步地，所述流域水文特征参数提取单元中，河道平均比降J需要在GIS区域中根据等高线地形图读取每个特征点高程以及相应的相邻两特征点间距离后，再根据下式进行计算：
式中，Z0、Z1、…、Zn为自出口断面至分水岭沿主河槽各特征点高程；L1、L2、…、Ln为各特征点间距离；L为主河道长度。
进一步地，所述洪水计算模块还包括产流分析单元和汇流分析单元，产流分析单元用于根据识别的目标流域，区分蓄满产流和超渗产流模式，自动分析入渗量及土壤前期影响雨量，以目标区域的潜流百分比扣除潜流得到地面净雨过程；汇流分析单元用于根据目标流域面积大小，适配选择推理公式法或瞬时单位线法进行分析计算，通过流域特征参数、汇流参数、单位线形态参数、非线性改正系数、雨强与滞时系数的自动计算，得到设计洪峰流量及设计洪水过程线。
进一步地，选用推理公式法计算需要补充设计洪水过程线的概化计算，回加潜流及基流。
本发明的有益效果在于：
1.基于组件的GIS开发实用性强、适用范围广
现有的商业软件和插件虽然水文分析功能强大，但是过于臃肿，针对性不明确，且在应用时灵活性不够。基于组件的GIS开发，也就是调用GIS中的工具，利用封装好的GIS组件包，如ArcEngine组件进行底层开发，更好的服务水文分析。该技术不仅开发快速便捷，且本身依赖的环境较少，相比于独立开发和单纯的二次开发而言，该方式更加灵活，不用学习复杂的编程入门语言也可以实现，同时也降低了企业的研发成本。
2.B/S架构成本低、维护方便、分布性强、开发简单
B/S(Browser/Server)即浏览器/服务器可以实现客户端零维护，系统易扩展，无论用户的规模有多大、有多少分支机构都不会增加任何维护升级的工作量，所有的操作只需要针对服务器进行。如果是异地，只需要把服务器连接专网即可，实现远程维护、升级和共享，节省了大量人力、物力、时间即费用。凡使用B/S架构的应用管理软件，只需安装在Linux服务器上即可，而且安全性高，所以服务器操作系统的选择不设限，且Linux操作系统、数据库均是免费的。
3.实现水文设计工作数字化及高效化。
编写产汇流算法编译文件，矢量化水文图集及查算表格，构建陕西省河流水系框架，研究分解产汇流计算中常用函数S曲线及皮尔逊Ⅲ型函数，实现流域自动提取及水文特征参数自动量算，拓展强化平台的可视化应用，替代传统的人为搭建概念模型，简化项目的实践操作，建立用户授权的管理机制，搭建水文数值分析平台，完成系统平台测试及验证，提高无资料地区中小流域设计洪水分析计算的准确度及效率。
4.为今后搭建具有丰富功能的水文数值分析平台提供经验
在业务领域，对水文数值平台进行逐步实践应用，拓展完善各功能模块在不同区域实例项目中洪水演算的准确性和适用性，实时更新并丰富平台组成模块的多元版本功能。总结水文分析数值平台研发成果，全阶段各类各项资料的整理，以期模拟水文现象，揭示水文规律，为新兴智慧水利、流域孪生业务发展作出贡献。
附图说明
图1为本发明实施例提供的图集矢量化入库模块整体流程示意图；
图2为本发明实施例提供的洪水计算模块整体流程示意图；
图3为本发明实施例提供的流域水文特征参数提取单元流程示意图；
图4为本发明实施例提供的设计暴雨计算单元流程示意图；
图5为本发明实施例提供的产流分析单元流程示意图；
图6为本发明实施例提供的汇流分析单元选用推理公式法计算设计洪水的流程示意图；
图7为本发明实施例提供的使用推理公式法设计洪峰流量的结果图；
图8为本发明实施例提供的汇流分析单元选用瞬时单位线法计算设计洪水的流程示意图；
图9为本发明实施例提供的无资料地区中小流域水文数值分析平台二维系统界面；
图10为本发明实施例提供的无资料地区中小流域水文数值分析平台三维系统界面。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面将结合实施例以及实施例附图对本发明的技术方案作进一步详细描述。应当理解，以下实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明的无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统包括数据库、图集数量化入库模块、洪水计算模块、可视化展示模块。
数据库
本发明的数据库为开源业务数据库PostgreSQL与空间数据库PostGIS相结合。PostgreSQL是一种对象-关系型数据库管理系统，PostGIS在对象关系型数据库PostgreSQL上增加了存储管理空间数据的能力，并且实现了OpenGIS的一些规范。
⑴PostGIS作为PostgreSQL的扩展，使得PostgreSQL支持业务和空间数据的存储和使用。
⑵依据PostGIS空间数据库所支持的数据存取方法如GeomFromText()、AsBinary()、GeometryN()等和一些复杂分析功能函数实现空间分析运算。
⑶PostgreSQL使用函数和条件索引，使得PostGIS数据库的调用非常灵活。
⑷“关系型数据库+空间数据引擎”的技术方案访问迅速且与GIS联系紧密，在应用中占有一定的优势，满足了无资料地区中小流域暴雨洪水计算的需要。
图集矢量化入库模块
图集矢量化入库模块对地区纸质暴雨洪水图集进行数据格式转换，将转换后的数据进行地理配准，并对图件进行点线面要素的矢量化，最后构建图集的地理空间数据库，并撰写元数据，具体流程参照图1：
⑴图像扫描
采用扫描仪将纸质图集扫描为电子图像。
⑵图像预处理
对扫描的电子图像进行旋转、精度判断预处理。
⑶地理配准
扫描得到的地图数据通常不包括空间参考信息，数据的位置精度也较低，通过具有较高位置精度的控制点将这些数据匹配到指定的地理坐标系中，通过多项式最小二乘拟合(LSF)算法和控制点构建的多项式将扫描的图像中各点位置与标准空间参考中已知的地理坐标点位置相连接，从而确定图像中任一点的地理坐标，完成数据的配准。
⑷数据分层
依据配准的结果数据，按照空间数据的要素进行分层归类。
⑸图形数据追踪
采用跨平台的计算机视觉和机器学习软件库OpenCV，按照图像颜色信息、饱和度及亮度区间的色彩值来分割图像，筛选出矢量化图像区域。同时对图像按照黑白显示效果进行二值化及膨胀与腐蚀处理，去除边缘噪点，弥补矢量化过程中的噪点干扰及缺陷，使计算机程序更易识别。
⑹属性录入
最后对预处理的二值图像通过GDAL库矢量化，将二值图像转换为矢量文件shp，并写入空间数据库PostGIS。
洪水计算模块
参照图2，洪水计算模块包括流域水文特征参数提取单元、设计暴雨历时单元、设计暴雨计算单元、产流分析单元、汇流分析单元。
我国洪水的成因主要是暴雨，对于无资料地区，通常采用暴雨资料推求设计洪水，计算过程主要分为设计暴雨计算、产流计算、汇流计算、设计洪水过程线等步骤。同时认为暴雨和洪水同频率，即某一频率的暴雨形成同一频率的洪水。本次主要研究陕西省中小流域暴雨洪水计算程序编译工作，主要计算方法和流程依据《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》(1985.5)，各模块算法参看表1：
表1洪水算法编译框架
| 计算流程步骤 | 使用方法 |
| ①设计暴雨计算 | 图册综合分析法 |
| ②产流计算 | 图册综合分析法 |
| ③汇流计算 | 推理公式法/瞬时单位线法 |
| ④洪水过程线 | 概化法 |
流域水文特征参数提取单元
参照图3，根据河道目标倾泄点的位置以及DEM高程数据自动勾勒目标流域，通过填洼、流向计算、汇流量统计、河网提取等系列后台操作，识别目标流域汇水范围，自动计算流域水文特征参数：流域面积F、主河道长度L、河道平均比降J。
其中，流域面积是指流域周围分水线与河口(或坝、闸址)断面之间所包围的面积，一般指地表水的集水面积，其单位km2计。流域的分水线即山脊线，由分水岭所围的区域即为流域的范围。主河道长度为从流域分水岭到流域出口断面的河流主河道长度，单位一般为km。河道平均比降需要在GIS区域中根据等高线地形图读取每个特征点高程及相应的相邻两特征点间距离后，再根据公式1进行计算：
式中，Z0、Z1、…、Zn为自出口断面至分水岭沿主河槽各特征点高程(m)；L1、L2、…、Ln为各特征点间距离(m)；L为主河道长度(km)。
设计暴雨历时单元
根据目标流域面积大小，以地区经验类别划分，自动确定设计暴雨历时。根据《陕西省中小流域设计暴雨洪水图集》，根据计算流域面积选择合适的设计历时，具体分类如下：
流域面积F>300km2，设计暴雨历时采用24h；
流域面积300km2≥F＞100km2，设计暴雨历时采用12h；
流域面积100km2≥F＞50km2，设计暴雨历时采用6h；
流域面积50km2≥F＞10km2，设计暴雨历时采用3h；
流域面积10km2≥F，设计暴雨历时采用1h。
且设计历时过小时，根据陕西省中小流域设计暴雨时程分配雨型数据过少，即当选择的设计暴雨历时小于6h时按6h来进行计算。
设计暴雨计算单元
参照图4，通过目标流域识别的形心位置，自动识别暴雨相似区，以内插法计算点雨量、折算点面系数、分析暴雨衰减指数，自动适配暴雨时程分配雨型、分析面雨量及流域形状改正。
⑴暴雨分区
暴雨相似区的划分，将全省分为陕北分区(I)、关中分区(Ⅱ)和陕南分区(Ⅲ)三个暴雨相似区。陕北分区又分为I1、I2两个副区，陕南分区分为Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3三个副区，关中分区将原东西两个副区改为以渭河为界，分为南、北(Ⅱ南、Ⅱ北)两个副区。
⑵点雨量查算
根据GIS区域获取的流域形状找出流域形心位置，对应陕西省年最大各历时点雨量等值线图和变差系数Cv等值线图，量取时段暴雨均值和Cv值，其目的是计算不同时段设计暴雨成果。
查图时一般读取设计流域几何中心点的量值，当流域面积较大时，可读取常见暴雨中心的量值。如果设计流域的等值线梯度较大，可在流域中心附近多取几个量值，分别计算不同频率的点雨量，通过比较，选取合理值。查图时要注意结合等值线的变化趋势进行内插，若流域几何中心在高值中心区，其查图值应大于等值线最高值，但不超过一个量级。反之，若在低值中心区，则应小于等值线最低值，但不低于一个量级。
内插时可过流域几何中心点做相邻两级等值线的垂线，然后根据几何中心点距两侧等值线的长度比例和等值线的差值内插得到较为准确地点雨量均值。
由等值线图可查得设计流域1h、6h、24h点雨量均值及各时段变差系数Cv值，点雨量以1、3、6、12、24小时五个历时作为控制时段，但由于只有1、6、24小时的等值线图，则3、12小时设计点雨量需通过公式2、公式3计算：
H12＝(H24·H6)0.5 公式3
根据陕西省中小流域设计暴雨洪水图集可知，陕西省境内一般采用Cs＝3.5Cv，通过查皮尔逊Ⅲ型曲线的模比系数Kp表，根据相应历时的变差系数Cv值和选定的某一频率P，即可得到对应的模比系数Kp值。然后通过计算即可得到设计流域某一频率的设计点雨量，计算如公式4：
Htp＝Ht×KP 公式4
式中，Htp为某一历时某一频率下的设计点雨量(mm)；Ht为该历时下的年最大设计点雨量均值；Kp为该历时的某一频率下的模比系数。
⑶点面系数折算
得到流域点雨量后，通过点面系数换算成流域平均面雨量，当流域面积较小时，用该流域中心的点雨量来代表面雨量，不乘点面系数，具体区分如下：
当流域面积F<50km2时，设计面雨量＝流域中心的点雨量。
当流域面积F≥50km2时，设计面雨量＝设计点雨量×点面折算系数α。点面折算系数
其中：F为流域面积；a、b为点面系数参数。
⑷暴雨时程分配雨型
①推求设计暴雨雨型，就是通过大暴雨时程分配特征的分析研究，以给出既可能出现，又对工程安全不利的暴雨时程分配。由于主要为中小流域计算服务，一般汇流历时较短，加之我省大暴雨多在24小时以内的特点，故着重分析24小时暴雨的时程分配。
②设计雨型是参照暴雨相似区进行划分，即基本上按陕南、关中(渭河南、渭河北)和陕北三个分区进行综合。考虑设计暴雨雨型应是出现次数较多而分配形式对工程安全较为不利的。故选定陕北、渭河北为“偏前”雨型；陕南、渭河南为“居中”雨型。对各分区选定的雨型，应再进行定位调整，以主雨峰出现的具体时段作控制。且一般应保持主雨段降雨时序不变，调整雨型应呈单峰，经分析得出各分区可能最大和设计暴雨时程分配雨型作为对1、3、6、12、24小时五种历时同频率雨量百分数的控制。
③根据设计暴雨时程分配雨型表及计算流域几何中心在“陕西省暴雨相似区分区图”中所在分区能够确定采用的设计暴雨的时程分配雨型。
⑸设计流域的面降雨过程
①通过前述步骤得到设计流域不同历时下的年设计面雨量值Ht。各时段面雨量为两相邻控制时段面雨量的差值乘以相应历时分配比例得。即：某小时面雨量＝该小时两相邻控制时段设计面雨量之差×该小时时程分配比例。
②将计算出的某小时面雨量放在相应的百分比所在时间位置上，以此类推，即可求得设计流域在设计频率下某一历时的面降雨过程。某一控制时段所在行的所有面降雨过程雨量数值之和应等于该控制时段的两相邻设计面雨量之差。设计流域在设计频率下某一历时的面降雨过程中每小时面雨量的总数应等于设计流域在该历时下的年设计面雨量值Ht。
⑹流域形状改正
①分别求得实际流域面积F的最大面雨量与相应该流域面积的雨图面雨量之比值r即流域形状改正系数，并建立r～F经验关系式：
r＝1.086F-0.036 公式5
②陕北(Ⅰ)及关中渭河北(Ⅱ北)经分析认为需采用上式进行面雨量的形状改正；而渭河南(Ⅱ南)及陕南(Ⅲ)地区暴雨笼罩面积大而均匀，经推流成果验算检查，不进行流域形状改正亦能满足精度要求，故渭河南、陕南地区不再进行流域形状改正。
③改正后某历时设计面雨量＝改正前设计面雨量×形状改正系数r；改正量＝改正前设计面雨量×(1-形状改正系数r)。
④算出设计历时每小时平均改正量，即：设计历时每小时平均改正量＝改正量÷计算流域所选设计历时；如设计历时为24小时的面雨量，其每小时平均改正量为
⑤从各小时面雨量中扣除平均改正量，即得考虑形状改正后的面降雨过程。当某小时面雨量小于平均改正量时，应在改正前设计面雨量中扣除其面雨量并在所选设计历时总数中除去该小时，再重新计算平均改正量，以保证总量平衡。即：改正前设计面雨量＝改正后面降雨过程总量+改正量。
产流分析单元
参照图5，根据识别的目标流域，区分蓄满产流或超渗产流模式，自动分析入渗量及土壤前期影响雨量，以目标区域的潜流百分比扣除潜流，得到地面净雨过程，完成产流分析的全过程数字化。
⑴产流特性分析
①影响产流的主要因素是降雨强度(i)，其次是降雨量(P)及前期影响雨量(Pa)。根据上述产流特性，按不同的产流方式进行分析计算时，有关产流参数的确定对不同的流域是有所区别的。为此，将全省分为:陕北(I)、渭河北(Ⅱ北)、渭河南(Ⅱ南)汉江北(Ⅲ北)以及汉江南(Ⅲ南)等产流分区。
②统计实测较大雨洪资料前期影响雨量Pa，按出现机率为25％考虑(即前期较湿润)，则陕北Pa为24mm，约等于土壤最大蓄水量的25％，即
关中渭河北为49mm，约等于
关中渭河南为49mm，约等于
陕南汉江北为50mm，约等于
汉江南为36mm，接近
⑵陕北及渭河北地区超渗产流分析
本区产流特性属于典型的“超渗产流”方式。对陕北及渭河北的扣损，查算方法是先由横座标截取一点S0等于Pa，其与曲线交点的纵座标f1即为第一时段的平均入渗率。
①若第一时段的降雨强度i大于入渗率f1，则第一时段的入渗量ΔS1＝f1·Δt1，其产流量R1＝(i1-f1)Δt1。
②若i1<f1，则该时段的入渗量ΔS1＝i1·Δt1，其产流量R1＝0。
③然后再在横座标轴上截取一点S1(S1＝S0+ΔS1)，其与曲线交点纵座标即为f2，按上述方法即可求得第二时段的入渗量ΔS2及产流量R；依次类推，即可求得下渗过程及产流过程。
④结果验算：即面降雨过程总量＝产流过程总量+每一时段的入渗量。
⑶渭河南及陕南湿润、半湿润地区蓄满产流分析
本地区产流条件是降雨量满足流域最大蓄水量Im以后，全部降雨形成径流，亦称“蓄满产流”。这种产流方式可用下列简单水量平衡方程式表达：
R＝P+Pa-Im 公式6
①根据实测暴雨洪水资料计算流域平均面雨量P、相应的洪水径流深R以及前期影响雨量Pa，可点绘P+Pa～R关系曲线，用以推求设计暴雨产生的径流深。
②将面降雨过程按第一时段、第二时段…依次累加，当面降雨过程累计值小于初损(Ia＝Im-Pa)时，之前累加的时段均不产流。当面降雨过程累计值恰好大于初损时，该时段产流量为R＝P累计-I0；之后时段产流量R均等于该时段面降雨量。依次类推，即可求得产流过程。
③结果验算，即：面降雨过程总量＝产流过程总量+流域最大蓄水量Im-前期影响雨量Pa。
⑷潜流扣除及地面净雨过程
①将上一步产流过程各时段的产流量累加起来即为产流总量，乘以“潜流百分数”可得潜流总量，把潜流总量除以潜流历时即得时段平均潜流量。即：
潜流总量＝产流总量×该流域潜流百分数
潜流历时＝产流量R不为0的时段数量：
时段平均潜流量＝设计流域潜流总量÷潜流历时
②“潜流百分数”为潜流总量占产流量的比例，陕北(I)采用10％(黄土沟壑区小流域不计潜流)；陕南(Ⅲ)及关中渭河南(Ⅱ南)采用20％；而关中渭河北(Ⅱ北)则按汇流计算方法采用，对推理公式采用15％，对瞬时单位线采用30％。
③算出时段平均潜流量后，将产流过程各时段产流量扣除时段平均潜流量即得净雨过程(亦称地面径流过程)。当某一时段的产流量小于时段平均潜流量时，其产流量全部视为潜流，应首先从潜流总量中扣除该时段的产流量，并从净雨历时(即潜流历时)中扣除相应的时段，然后再重新计算时段平均潜流量和净雨过程。
④结果验算，即产流过程总量＝净雨过程总量+潜流总量。至此流域计算得到了地面径流过程，完成了产流部分的计算说明。
汇流分析单元
根据目标流域面积大小，适配选择推理公式法或瞬时单位线法进行分析计算，通过流域特征参数、汇流参数、单位线形态参数、非线性改正系数、雨强与滞时系数的自动计算，得到设计洪峰流量及设计洪水过程线，完成汇流分析的全过程数字化。其中，选用推理公式法计算需补充设计洪水过程线的概化计算，回加潜流及基流。
⑴推理公式法
参照图6，推理公式法是由暴雨资料推求设计洪峰流量的一种简化的计算方法，适用于流域范围小于300km2，300-500km2参考使用。
①确定各分区α、β值。小流域因其河道断面形状近似三角形，多采用
在渭河南及陕南地区，α、β指数仍延用这一数值；在渭河北及陕北地区α指数仍用1/3(因各类断面形状α均接近此值)，对β指数则进行了简略分析，根据各水文站实测资料，得出β变化均在0.33～0.4之间，其中在0.33左右占总站数的80％，因此该区β为1/3。
②确定汇流参数m。在划分汇流参数的分区时，基本上沿用这种自然区界、将全省分为陕北、关中以及陕南三个分区，在分区之内，下垫面条件又有明显差别的再划分副区和小区，参看表2：
表2陕北、渭河北汇流参数综合公式表
③选择该区域所适用的α、β、θ及m取值公式，得到具体的汇流参数m值，并计算设计洪峰流量Qm。汇流时间τ与洪峰流量Qm的关系式如公式7所示：
即给定任意一个汇流时间τ，即可算出相应的洪峰流量Qm。然后绘制出Qm～τ关系曲线。
④可得净雨时间t与洪峰流量Qm的关系式：
将相应的净雨时间t和净雨量hR代入上式，即可算出洪峰流量Qm。然后绘制出Qm～t关系曲线。
⑤将Qm～τ关系曲线和Qm～t关系曲线绘制在同一图中，参照图7，两条曲线的交点所对应的纵座标为所求得的设计洪峰流量Qm设，横座标为汇流历时τ。
⑥洪水过程线主雨段过程线用五点折腰三角形慨化，次雨段过程线用三角形慨化，然后叠加即为出口断面的地面径流过程线。五点慨化过程线形状系数的公式为:
式中，Qm为洪峰流量(m3/s)，Qa、Qb为涨水和退水段折点流量(m3/s)，Wr为涨水段洪量(m3)，W为洪水总量(m3)，τ为上涨历时，即流域汇流历时(h)，T为洪水总历时(h)，表3中Ka、Kb、KW、Kr为洪水过程线形状系数，均小于1。
表3五点概化过程线形状系数表
⑦若五点慨化洪水过程线起点的时程座标为t0，则按几何关系，可得出与各特征点流量相对应的时程座标为：
ta＝t0+(1-2KW+Ka)τ
tb＝t0+(2-Kb)τ
tr＝t0+τ
当计算出设计洪峰流量及主雨段的净雨量后，用以上关系式即可求出主雨段的地面径流过程。
⑧次雨段洪水过程线按三角形计算，洪峰流量Qm按下式计算：
上述洪峰流量对应的时程座标分别按次雨段的位置确定：当次雨段在主雨段前面时，可置于主峰起涨点；当在主雨段后面时，可置于主峰的退水拐点。三角形过程线的起涨点均为相应次雨段起始时刻。把主、次雨段产生的洪水过程相叠加，即得地面径流过程线。
⑨回加地下径流。潜流的峰值Q潜及潜流历时T潜按下式计算。
T潜＝2T 公式14
其中T为径流过程总历时。潜流过程的起点应与地面径流过程的起点对应，峰值则置于地面径流过程的终止点。
基流的回加：在设计洪水过程中的基流仍按等流量加入。
渭河南 Q0＝0.235F0.5
陕南 Q0＝0.31F0.5
陕北及渭河北Q0值甚小，设计条件下忽略不计。
则最终设计洪水过程线即为上述主雨段、次雨段和地下径流三部分径流过程叠加，得到设计洪水过程线。
⑵瞬时单位线法
参照图8，所谓瞬时单位线，就是历时趋于无限小时流域内单位净雨在出口断面形成的径流过程线。规定瞬时单位线法适用面积范围为300～1000平方公里，而1000～1500平方公里供参考使用。
①n值查算。结合参看表4，n值计算式如下：
式中，m2--反映瞬时单位线形态的度量参数；m2反映流域的调节能力和汇流特性，因而与流域特征和暴雨特性有关。对于固定流域来说，它主要与暴雨特性有关。
表4陕西省各分区瞬时单位线参数(m2)综合成果
②滞时m1值查算。结合参看表5、表6，滞时m1用于计算k值，其相当于入流过程的形心到出流过程的形心之间的时距。m1反映流域的调节能力和汇流特性，因而与流域特征和暴雨特性有关。对于固定流域来说，它主要与暴雨特性有关。
式中：m1,i＝10--雨强i＝10mm时的m1值；b--非线性改正指数；i--时段内平均降雨强度。
表5陕西省各分区瞬时单位线参数(m1,i＝10)综合成果
表6陕西省各分区瞬时单位线非线性改正指数b综合成果
③平均雨强i查算。首先查算造峰雨历时tp，根据陕南和渭河南的资料，建立经验关系式如下：
由于陕北和渭河北实测雨洪资料中，绝大多数场次的净雨历时小于等于2小时。故确定t，统一采用2小时。以造峰历时tp为控制，在净雨过程中滑动选取tp时段内的最大净雨量htp。
据实测资料分析，当雨强达到某一量级以后，m1值趋于稳定，表明按一定量级大暴雨资料分析所得的单位线，用之于超过此量级的更大暴雨时，不需要再作非线性影响的改正，计算临界雨强ik：
陕北、渭河北：
陕南、渭河南：
平均雨强i的确定。i表示造峰雨历时内的平均雨强，计算公式如下所示：
对比平均雨强i和临界雨强ik值的大小，当i≥ik时，取i＝ik；当i<ik时，取i＝i。
④k值查算。根据求得m1和n值，计算k值，公式如下：
⑤在实际应用中，必须从瞬时单位线经过S曲线转化为时段单位线，利用这条时段单位线，便可由设计净雨推求设计洪水过程线，时段单位线的公式为：
式中，Δt--时段长，Δt一般可取1，3，6，12，24小时；t--以t＝0起算的时刻；t-Δt--以t＝Δt起算的时刻；S(t)--以时刻t为自变量的S曲线纵高；S(t-Δt)--以时刻(t-Δt)为自变量的S曲线纵高。只要求出n、t/k，查S(t)曲线表，便可得出S(t)，而S(t-Δt)即为错后一个Δt的S(t)，两者相减可求得时段单位线u(Δt,t)。
⑥利用S曲线将瞬时单位线转换为时段单位线，单位线时段长Δt，可根据流域面积大小及洪水过程线的历时而定。一般采用洪水平均上涨历时的1/3～1/5为宜。按陕南、渭河南资料分析结果认为：面积在2000平方公里以上，Δt可取6小时；2000～1000方公里，可取3小时；1000平方公里以下，可取1小时。但对陕北、渭河北应根据暴雨观测时段的精度，Δt可取的更短一些单位线参数计算。
⑦地面径流计算。根据产流计算，已得到净雨过程，将各时段净雨量乘以时段单位线，再将计算结果依时序各错后一个时段相叠加，得到各时段地面径流深。地面径流深乘以F/3.6，得到地面径流过程。
⑧潜流、基流的确定与回加的计算。其过程与推理公式法求得洪水过程线最终回加潜流与基流一致。
可视化展示模块
可视化展示模块用于基于软件或网页形式对产汇流计算参数进行可视化开发，在暴雨-产流-汇流-河道洪水过程方面，实现可视化动态模拟。
参照图9、图10，基于GIS的二三维联动可视化展示，可视化界面支持并行计算和图形化界面操作，为计算提供参数化设置。结合高程数据、河流和汇水点位置信息，自动生成流域区域并在地图上可视化呈现。可视化动态计算暴雨、产流、汇流、河道洪水线，可视化界面实时预测洪水动画，并能依据不同分区和不同时段的产、汇流变化量，切换对象动画，展示洪水过程的淹浸情况，并能动画预警。中小流域设计暴雨洪水演进可视化功能的实现能够更直观解读水文数据，及时掌握并防范洪水带来的灾害影响，充分提高防洪决策响应时间。
Claims (8)
1.无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统，其特征在于，包括数据库、图集矢量化入库模块、洪水计算模块、可视化展示模块；
数据库用于存储数据；
图集矢量化入库模块用于对地区纸质暴雨洪水图集进行数据格式转换，将转换后的数据进行地理配准，并对图件进行点线面要素的矢量化，最后将矢量化的数据写入数据库构建图集的地理空间数据库；
洪水计算模块用于通过自动量算流域水文特征参数、判断暴雨历时、设计点雨量计算、设计面雨量分析、流域形状改正、入渗量、前期影响雨量、潜流量的自动计算、根据流域特征参数适配选用推理公式法或瞬时单位线法进行分析计算，得到设计洪峰流量及设计洪水过程线，实现设计暴雨、产流、汇流、洪水过程线全过程自动化计算；
可视化展示模块用于实现水文数值分析计算与可视化展示，在暴雨-产流-汇流-河道洪水过程方面实现动态模拟。
2.根据权利要求1所述的无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统，其特征在于，所述数据库为开源业务数据库PostgreSQL与空间数据库PostGIS相结合。
3.根据权利要求1所述的无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统，其特征在于，所述图集矢量化入库模块步骤包括：
⑴图像扫描；
⑵图像预处理；
⑶地理配准；
⑷数据分层；
⑸图形数据追踪；
⑹属性录入。
4.根据权利要求3所述的无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统，其特征在于，所述图形数据追踪步骤包括：
⑴图像分割；
⑵图像二值化；
⑶膨胀与腐蚀；
⑷矢量化。
5.根据权利要求1所述的无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统，其特征在于，所述洪水计算模块包括流域水文特征参数提取单元、设计暴雨历时单元、设计暴雨计算单元，流域水文特征参数提取单元用于依据河流目标倾泄点和DEM高程数据自动勾勒目标流域，提取流域特征参数：流域面积F、主河道长度L、河道平均比降J；设计暴雨历时单元用于根据目标流域面积大小，以地区经验类别划分，自动确定设计暴雨历时；设计暴雨计算单元用于通过目标流域识别的形心位置自动识别暴雨相似区，以内插法计算点雨量、折算点面系数、分析暴雨衰减指数，自动适配暴雨时程分配雨型、分析面雨量及流域形状改正。
6.根据权利要求5所述的无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统，其特征在于，所述流域水文特征参数提取单元中，河道平均比降J需要在GIS区域中根据等高线地形图读取每个特征点高程以及相应的相邻两特征点间距离后，再根据下式进行计算：
式中，Z0、Z1、…、Zn为自出口断面至分水岭沿主河槽各特征点高程；L1、L2、…、Ln为各特征点间距离；L为主河道长度。
7.根据权利要求5所述的无资料地区中小流域设计暴雨计算辅助系统，其特征在于，所述洪水计算模块还包括产流分析单元和汇流分析单元，产流分析单元用于根据识别的目标流域，区分蓄满产流和超渗产流模式，自动分析入渗量及土壤前期影响雨量，以目标区域的潜流百分比扣除潜流得到地面净雨过程；汇流分析单元用于根据目标流域面积大小，适配选择推理公式法或瞬时单位线法进行分析计算，通过流域特征参数、汇流参数、单位线形态参数、非线性改正系数、雨强与滞时系数的自动计算，得到设计洪峰流量及设计洪水过程线。
8.根据权利要求7所述的无资料地区中小流域设计暴雨计算辅助系统，其特征在于，选用推理公式法计算需要补充设计洪水过程线的概化计算，回加潜流及基流。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Li Fei Inventor after: Bao Aruhan Inventor after: Cui Shugang Inventor after: Liu Yuan Inventor after: Zhou Xiaoping Inventor after: Wu Peipei Inventor after: Zhang Yun Inventor after: Gong Lingfeng Inventor after: Ma Huan Inventor after: Han Xin Inventor before: Li Fei Inventor before: Bao Aruhan Inventor before: Cui Shugang Inventor before: Liu Yuan Inventor before: Zhou Xiaoping Inventor before: Wu Peipei Inventor before: Zhang Yun Inventor before: Gong Lingfeng Inventor before: Ma Xin Inventor before: Han Xin |