遼寧省中小河流設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算輔助系統(tǒng)研究與應(yīng)用

劉蓬勃，李云鵬

遼寧省中小河流設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算輔助系統(tǒng)研究與應(yīng)用

劉蓬勃1，李云鵬2

（1.遼寧省水文局，遼寧沈陽(yáng)110003；2.遼寧省江河流域管理局，遼寧沈陽(yáng)110003）

修編《遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》，開發(fā)一套輔助計(jì)算系統(tǒng)，采用模塊化的開發(fā)方式，主要用于設(shè)計(jì)暴雨、設(shè)計(jì)洪水的參數(shù)計(jì)算、成果驗(yàn)證等，解決了大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算問題，提高了數(shù)據(jù)計(jì)算的精度與效率，運(yùn)算結(jié)果精確。

中小河流；設(shè)計(jì)暴雨；設(shè)計(jì)洪水；修編；遼寧省

1 概況

我國(guó)對(duì)于缺乏水文資料地區(qū)的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算，一般都是通過本地區(qū)的“計(jì)算手冊(cè)”、“查算圖表”等方式計(jì)算。

遼寧省在20世紀(jì)50年代就開展了中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法研究工作，1964年首次編制《遼寧省無資料地區(qū)中小河流設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法》，1975年出版了《遼寧省水文圖集》、《遼寧省水文手冊(cè)》，1982年出版了《遼寧省暴雨洪水查算圖表》，1995年開展《遼寧省暴雨洪水查算圖表》修訂工作，1998年出版了《遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》。

2015年遼寧省水文局開始了新的修編工作，修編以基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，采用Java、VB等語(yǔ)言結(jié)合Arcgis二次開發(fā)技術(shù)研發(fā)了一套輔助計(jì)算系統(tǒng)，主要用于設(shè)計(jì)暴雨、設(shè)計(jì)洪水的參數(shù)計(jì)算、成果驗(yàn)證等。該系統(tǒng)采用模塊化的開發(fā)方式，模塊與模塊之間互不依賴，解決了大量的數(shù)據(jù)運(yùn)算問題，提高了數(shù)據(jù)計(jì)算的精度與效率。

2 設(shè)計(jì)暴雨模塊

2.1 設(shè)計(jì)暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)計(jì)算

系統(tǒng)通過讀取基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)庫(kù)中年特征值表，對(duì)各雨量站10，30，60 min；1，3，6，12，24 ，72 h，共9個(gè)時(shí)段雨量特征值系列進(jìn)行頻率分析與計(jì)算，計(jì)算相應(yīng)的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)均值、Cv，Cs。頻率分析采用P-III型分布，參數(shù)計(jì)算采用殘差平方和最小準(zhǔn)則，Cs固定為3.5Cv。

2.2 暴雨等值線圖繪制

利用各站多時(shí)段統(tǒng)計(jì)參數(shù)綜合分析調(diào)整后的參數(shù)和測(cè)站位置，繪制不同時(shí)段的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)（Ex，Cv）等值線圖，同時(shí)利用各站不同時(shí)段的暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)，自動(dòng)計(jì)算不同設(shè)計(jì)頻率（0.01，0.001）設(shè)計(jì)點(diǎn)暴雨，并繪制設(shè)計(jì)暴雨等值線圖。

利用散點(diǎn)值繪制等值線的方法比較多，工具軟件提供3種方法：反距離加權(quán)（Inverse Distance Weighted，IDW）、自然鄰域（Natural Neighbor）和克里金（Kriging）法。不同方法都有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)降雨量分布的實(shí)際情況，自然鄰域法比較符合要求。

自然鄰域插值方法實(shí)際上是雙次泰森多邊形法。先根據(jù)要素點(diǎn)生成泰森多邊形，然后根據(jù)插值點(diǎn)與要素點(diǎn)再次生成泰森多邊形，將兩張?zhí)┥噙呅芜M(jìn)行疊加。計(jì)算出插值點(diǎn)與要素點(diǎn)泰森多邊形重疊部分面積占要素點(diǎn)泰森多邊形的面積比例，作為根據(jù)各要素點(diǎn)計(jì)算該插值點(diǎn)要素時(shí)的權(quán)重系數(shù)，如圖1。

圖1 自然鄰域插值方法示意圖

2.3 暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)合理性分析

暴雨統(tǒng)計(jì)參數(shù)等值線合理性檢查主要包括：均值Ex等值線圖合理性檢查；變差系數(shù)Cv等值線圖合理性檢查；各歷時(shí)實(shí)測(cè)和調(diào)查最大點(diǎn)雨量重現(xiàn)期合理性檢查以及對(duì)全部圖表的整體綜合評(píng)價(jià)等。

1）特大值重現(xiàn)期檢查

特大暴雨是指某一地點(diǎn)或地區(qū)發(fā)生的歷年最大雨量所相應(yīng)的重現(xiàn)期N，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該站或該地區(qū)最長(zhǎng)雨量觀測(cè)系列年數(shù)n實(shí)際發(fā)生的（實(shí)測(cè)和調(diào)查）暴雨。例如，某地區(qū)某場(chǎng)暴雨，其重現(xiàn)期為N，該地區(qū)暴雨系列年數(shù)為n，當(dāng)N遠(yuǎn)大于n時(shí)，則該場(chǎng)暴雨稱為特大暴雨。N可從均值Ex等值線查讀的均值Ex和Cv等值線查讀的Cv值，按Cs=3.5Cv的P-III型曲線進(jìn)行計(jì)算。對(duì)所有測(cè)站（不論系列長(zhǎng)短，包括調(diào)查暴雨）的歷年最大雨量計(jì)算其重現(xiàn)期，并將超過某一標(biāo)準(zhǔn)（如100年）的N值標(biāo)注在Cv等值線圖上。如發(fā)現(xiàn)在面積有限的一個(gè)地區(qū)內(nèi)，有多個(gè)地點(diǎn)的N遠(yuǎn)大于n，表明該地區(qū)的Cv等值線偏小，應(yīng)予加大。

2）參數(shù)—?dú)v時(shí)關(guān)系檢查

將遼寧省分成1 km為間距的網(wǎng)格，將9種歷時(shí)暴雨參數(shù)等值線的值離散到各個(gè)網(wǎng)格上，并計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)千年一遇雨量值H0.01%。根據(jù)這些網(wǎng)格點(diǎn)的參數(shù)，可以進(jìn)行參數(shù)～歷時(shí)關(guān)系合理性檢查。首先檢查各網(wǎng)格點(diǎn)的均值，檢查出長(zhǎng)歷時(shí)均值小于相鄰短歷時(shí)均值的那些網(wǎng)格，并勾出其范圍，然后對(duì)照此網(wǎng)格或鄰近網(wǎng)格內(nèi)單站資料加以修改。在均值圖改正后，繼而進(jìn)行千年一遇雨量H0.01%的雨量—?dú)v時(shí)關(guān)系檢查。

2.4 暴雨場(chǎng)次輔助選擇

以1 d和1 h雨量為主要條件，在各測(cè)站的雨量系列資料中，挑選出日雨量或小時(shí)雨量最大的測(cè)站及其發(fā)生時(shí)間，根據(jù)雨量摘錄資料的連續(xù)情況初步確定暴雨場(chǎng)次的起止時(shí)間，再分析測(cè)站臨近的其它雨量站本場(chǎng)暴雨發(fā)生的起止時(shí)間范圍，最后綜合所有測(cè)站的分析成果，得出場(chǎng)次暴雨的起止時(shí)間，再計(jì)算該場(chǎng)次暴雨的發(fā)生范圍、最大點(diǎn)雨量、最大面雨量、暴雨總量等。

2.5 暴雨時(shí)面深關(guān)系分析

根據(jù)選定的場(chǎng)次暴雨，分別采用定點(diǎn)定面、動(dòng)點(diǎn)動(dòng)面技術(shù)，計(jì)算不同場(chǎng)次的不同定面或動(dòng)面的各種歷時(shí)的面雨量，將不同分區(qū)各歷時(shí)的暴雨點(diǎn)面關(guān)系點(diǎn)據(jù)綜合在一起，并進(jìn)行綜合適線。

1）定點(diǎn)定面

定點(diǎn)和定面根據(jù)不同分區(qū)的暴雨特性確定，軟件根據(jù)選定的定點(diǎn)和定面，計(jì)算所有年份的各時(shí)段的定點(diǎn)雨量和定面雨量。其中定點(diǎn)雨量由相應(yīng)測(cè)站直接統(tǒng)計(jì)，定面雨量則需要計(jì)算全年不同時(shí)段的最大面雨量。點(diǎn)面關(guān)系分析提供序號(hào)對(duì)應(yīng)和頻率對(duì)應(yīng)2種方式。

2）動(dòng)點(diǎn)動(dòng)面

提供動(dòng)點(diǎn)和場(chǎng)次暴雨選擇功能，根據(jù)選擇的場(chǎng)次暴雨和動(dòng)點(diǎn)，計(jì)算場(chǎng)次暴雨各時(shí)段的點(diǎn)雨量和面雨量。動(dòng)面形狀可選擇正方形、圓形和自定義形狀。

2.6 設(shè)計(jì)暴雨時(shí)程設(shè)計(jì)

利用場(chǎng)次暴雨，綜合分析暴雨的時(shí)程分配，給出設(shè)計(jì)暴雨雨型的初步成果。首先計(jì)算場(chǎng)次暴雨時(shí)段長(zhǎng)度為 1 h的面雨量過程，按照 1，3，6，12，24，72 h包含原則，確定不同時(shí)段的位置及各小時(shí)雨量比例。綜合分析各水文分區(qū)不同場(chǎng)次暴雨的時(shí)程分配，給出相應(yīng)的暴雨時(shí)程分配初步成果。

2.7 全省1 h雨量分布網(wǎng)格圖

提供全省1 h雨量柵格圖生成和利用柵格圖計(jì)算面平均雨量功能。

1）1 h雨量柵格圖生成

利用數(shù)據(jù)庫(kù)中雨量站1 h雨量過程數(shù)據(jù)，對(duì)具有雨量資料的所有時(shí)段內(nèi)的每個(gè)小時(shí)，查詢各雨量站的1 h雨量，根據(jù)測(cè)站位置，利用ArcGIS空間分析功能，將測(cè)站1 h雨量插值到全省網(wǎng)格上。網(wǎng)格中每個(gè)單元格為正方形，邊長(zhǎng)為0.03°（約3 km）。

2）面雨量計(jì)算

利用全省1 h雨量柵格圖，計(jì)算任意范圍任意時(shí)段的面雨量。利用ArcGIS的空間分析功能，對(duì)面雨量計(jì)算時(shí)段范圍內(nèi)的每個(gè)小時(shí)計(jì)算面雨量，最后累計(jì)得到時(shí)段總雨量。

3 設(shè)計(jì)洪水模塊

3.1 洪水場(chǎng)次輔助選擇

以洪峰流量和1 d洪量為主要條件，在各站的洪水資料系列中，分別挑選出洪峰和一日洪量最大的10場(chǎng)，根據(jù)洪水資料的漲落情況初步設(shè)置洪水場(chǎng)次的起止時(shí)間，選擇條件和場(chǎng)次數(shù)量可調(diào)整。

3.2 產(chǎn)流參數(shù)率定

根據(jù)遼寧省自然地理特征和產(chǎn)匯流具體情況，中小流域產(chǎn)流計(jì)算模型分為4種：飽和產(chǎn)流、非飽和產(chǎn)流、P+Pa～R相關(guān)和三水轉(zhuǎn)化模型。

飽和產(chǎn)流模型的參數(shù)主要包括上層土壤飽和含水量（Um）、土壤飽和含水量（Im）、流域蓄水容量曲線參數(shù)a。其中參數(shù)a=1/Im，因此，飽和產(chǎn)流模型需要率定的參數(shù)為Um和Im。

非飽和產(chǎn)流模型的參數(shù)主要包括上層土壤飽和含水量（Um）、土壤飽和含水量（Im）、流域穩(wěn)定下滲率 fc和下滲公式經(jīng)驗(yàn)指數(shù)β。

P+Pa～R相關(guān)模型的主要參數(shù)為Um，與飽和模型相同。

3.3 匯流參數(shù)率定

遼寧省流域匯流計(jì)算采用匯流單位線。匯流單位線包括：上漲歷時(shí)tn和單位線峰值qm兩個(gè)參數(shù)，與流域的大小、形狀等有關(guān)。因此，匯流模型參數(shù)的率定需要首先確定各流域的tn和qm，再通過相關(guān)圖分析，利用流域幾何特征值M計(jì)算tn的參數(shù)D和G，利用流域幾何特征值G計(jì)算qm的參數(shù)A和B。

3.4 小流域推理公式參數(shù)率定

利用場(chǎng)次洪水降雨與流量過程數(shù)據(jù)，計(jì)算洪水總量W總、基流總量W基、產(chǎn)流總量Wh、凈雨深hR。對(duì)降雨過程，自強(qiáng)度最大的雨峰中心開始，按大小內(nèi)包排列，連續(xù)累積求得不同時(shí)段最大降雨量，繪制最大降水Pt～t曲線。由Pt～t曲線和hR計(jì)算平均損失率 μ。計(jì)算ht=Pt-μ·t，繪制ht～t曲線，查得匯流歷時(shí)τ值。由Pt～t和ht～t曲線，利用τ值查得匯流歷時(shí)降雨量Pτ和徑流量hτ，求得洪峰徑流系數(shù)ψ。由hR和PtR求得洪量徑流系數(shù)α。

3.5 小流域洪水形狀分析

利用場(chǎng)次洪水流量過程線，統(tǒng)計(jì)洪峰位置，計(jì)算各時(shí)段流量與洪峰流量的比值及形狀系數(shù)λ，采用平均值統(tǒng)計(jì)方式給出流域或水文分區(qū)的洪水過程線形狀。

4 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)功能齊全、界面簡(jiǎn)潔、運(yùn)算結(jié)果精確，為《遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法》修編工作提供了重要計(jì)算、分析功能，節(jié)省了大量人力物力資源、提高了工作效率與精度。

［1］唐繼業(yè)，單麗，江秋蘭.遼寧省無資料地區(qū)設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法的研究［J］.水土保持科技情報(bào)，2003（2）：38-40。

［2］耿華.遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計(jì)暴雨洪水計(jì)算方法（98版）應(yīng)用分析［J］.城市道橋與防洪，20159：119-120.

［3］王才.遼寧中部平原區(qū)“三水”轉(zhuǎn)化水文模型［J］.水文，2001，21（4）：18-21.

TV122 < class="emphasis_bold"> ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

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2017-05-31