老撾無資料地區(qū)小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算

賈春強(qiáng)　劉尚

【摘 要】老撾大多數(shù)小流域水文實(shí)測資料匱乏，無法滿足工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。針對這一問題，本文以老撾Nam Pae河小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算為例，采用STRM90m的DEM資料，提出了基于Arcgis軟件和林平一公式的小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法，有效解決了林平一公式在計(jì)算小流域設(shè)計(jì)洪水時(shí)參數(shù)難以獲取的問題，大大提高了該公式的實(shí)用性，使其能夠廣泛應(yīng)用于老撾無資料小流域地區(qū)的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中。

【關(guān)鍵詞】無資料地區(qū)；設(shè)計(jì)洪水；林平一公式；DEM；Arcgis

1 引言

老撾水資源豐富，其中流域面積在100km2以下的河流更是分布廣泛，小河流之上修建小型水庫、灌溉工程等對地區(qū)工業(yè)及農(nóng)業(yè)都具有重要意義，而水利建筑物的設(shè)計(jì)需要依據(jù)小流域某種頻率的設(shè)計(jì)洪水[1]。老撾社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展較慢，科學(xué)技術(shù)水平不高，小河流上通常不設(shè)置水文站點(diǎn)，無法提供設(shè)計(jì)所需水文數(shù)據(jù)。林平一法計(jì)算小流域設(shè)計(jì)洪水在無資料地區(qū)廣泛應(yīng)用，但由于公式中匯流參數(shù)較多且不易獲取，給水文工作者帶來較大困難，隨著DEM 數(shù)據(jù)的不斷完善，應(yīng)用Arcgis 軟件計(jì)算的流域水文參數(shù)已日趨精確。鑒于此，本文以老撾Nam Pae河小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算為例，提出了基于Arcgis軟件和林平一公式的小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法，以期為老撾無資料地區(qū)設(shè)計(jì)洪水計(jì)算提供一種行之有效的解決途徑。

2 計(jì)算原理

林平一法在進(jìn)行流域匯流的研究中，把流域的組成假定為具有一條坡度均勻的理想單干型的水道，其兩側(cè)為整齊而對稱的坡面，即設(shè)想為矩形的模型，該法主要適用于150km2以下的小流域洪水計(jì)算。用此種成因法理論來推算流域匯流過程的核心是幾個匯流參數(shù)的確定[2]。DEM數(shù)據(jù)通過有序數(shù)值陣列形式描述地面實(shí)體高程，能夠定量反映地貌結(jié)構(gòu)和水文過程等空間變化特征[3]，可利用Arcgis軟件對DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，計(jì)算林平一公式中的匯流參數(shù)。

2.1 林平一法

2.2 ArcGIS水文分析

基于DEM數(shù)據(jù)的Arcgis水文分析的主要內(nèi)容是提取地表水流徑流模型的水流方向、匯流累積量、河流網(wǎng)絡(luò)以及對研究區(qū)的流域進(jìn)行分割等。

2.2.1 無洼地DEM生成

DEM 是比較光滑的地形表面模型，但由于DEM 誤差以及一些真實(shí)地形或特殊地形的影響，使得DEM 表面存在一些凹陷的區(qū)域。在進(jìn)行水流方向計(jì)算時(shí)，由于這些區(qū)域的存在，往往得到不合理的甚至錯誤的水流方向。因此，在進(jìn)行水流方向的計(jì)算之前，應(yīng)該首先對原始DEM 數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充，得到無洼地的DEM。洼地填充的基本過程是先利用水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算出 DEM 數(shù)據(jù)中的洼地區(qū)域，并計(jì)算洼地深度，然后，依據(jù)這些洼地深度設(shè)定填充閾值進(jìn)行洼地填充。

2.2.2 水流方向的確定

水流方向是指水流離開每一個柵格單元時(shí)的指向。地表徑流在流域空間內(nèi)總是從地勢高處向地勢低處流動，最后經(jīng)流域出口排出流域。為了準(zhǔn)確地劃定流域界線，首先要確定水流在每個柵格單元格內(nèi)的流動方向。在ArcGIS 中通過將中心柵格的8 個鄰域柵格編碼，水流方向便可以以其中的某一值來確定。

2.2.3 匯流累積量計(jì)算

在地表徑流模擬過程中，匯流累積量是基于水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算得到的。首先基于無洼地DEM 生成水流方向圖，利用該數(shù)據(jù)，采用Hydrology 工具集中的Flow Accumulation 工具計(jì)算出匯流累積量數(shù)據(jù)。

2.2.4 水流長度計(jì)算

水流長度指地面上一點(diǎn)沿水流方向到流向起點(diǎn)（或終點(diǎn)）間的最大地面距離在水平面上的投影長度。它分為順流計(jì)算及溯流計(jì)算兩種，可利用Hydrology 工具集中的FlowLength 工具實(shí)現(xiàn)，其中計(jì)算方向分別選擇順流計(jì)算Downstream 或溯流計(jì)算Upstream。

2.2.5河網(wǎng)的提取

河網(wǎng)提取采用地表徑流漫流模型計(jì)算。首先是在無洼地DEM上利用最大坡降的方法得到每一個柵格的水流方向，然后利用水流方向柵格數(shù)據(jù)計(jì)算出每一個柵格在水流方向上累積的柵格數(shù)，即匯流累積量，所得到的匯流累積量則代表在一個柵格位置上有多少個柵格的水流方向流經(jīng)該柵格；假設(shè)每一個柵格處攜帶一份水流，那么柵格的匯流累積量則代表著該柵格的水流量。基于上述思想，當(dāng)匯流量達(dá)到一定值的時(shí)候，就會產(chǎn)生地表水流，那么所有那些匯流量大于那個臨界數(shù)值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是河網(wǎng)。

2.2.6流域劃分

在河網(wǎng)提取時(shí)通過設(shè)置不同的閾值可以得到不同尺度的河網(wǎng)，然后利用watershed 工具生成集水區(qū)，即可以得到不同細(xì)化的集水區(qū)域，通過對比可以得到適合的流域劃分結(jié)果[4]。

3 實(shí)例分析

老撾川壙省某硅廠取水口位于Nam Pae上，該河流域面積約90km2，河道上無水文觀測站，屬于典型無資料小流域地區(qū)，本研究以該硅廠取水口設(shè)計(jì)洪水計(jì)算為例。

3.1 流域劃分及地形參數(shù)確定

根據(jù)STRM90m的數(shù)字高程資料（DEM資料），采用Acrgis軟件的ArcHydro工具進(jìn)行流域劃分，得到Nam Pae流域的水系圖及Nam Pae流域地形圖，分別見圖1、圖2。

在Arcgis軟件中計(jì)算出Nam Pae流域的面積為88.9km2，其中廠址取水口處斷面控制流域面積為40.39km2，主河道平均坡度Jc為9.4‰，河長L為8.663km。Nam Pae流域氣候溫?zé)釢駶櫍硬壑兴萋?，河道兩?cè)及坡面上植被茂密，根據(jù)小流域河道匯流糙率系數(shù)表，匯流糙率系數(shù)Nc取0.1，流域內(nèi)土壤主要為黏土、肥黏土質(zhì)土壤、山地草甸土，根據(jù)下滲系數(shù)值表，穩(wěn)定下滲率μ取0.12 mm/min。

3.2 暴雨參數(shù)確定

根據(jù)收集到的川壙氣象站1982～2015年最大一日降水量資料，采用Gumbel分布進(jìn)行適線，分析得出不同重現(xiàn)期所對應(yīng)的一日降水量，最大24h降雨量H24由最大一日降雨量乘以系數(shù)1.1得到，雨力Sp根據(jù)公式6求出，暴雨衰減指數(shù)n取0.8，見表1。

3.3 暴雨洪水計(jì)算結(jié)果

根據(jù)林平一法計(jì)算公式求出Nam Pae河流硅廠取水口處不同重現(xiàn)期對應(yīng)暴雨洪水流量，見表2。

3.4 洪水水位計(jì)算

采用曼寧公式進(jìn)行計(jì)算分析，該處河床為礫石、卵石組成，底坡尚均勻，床面不平整，河槽部分糙率取0.033，左側(cè)河灘長有稠密的植被，糙率取0.180，右側(cè)河灘3/4地帶長滿茂密的雜草、灌木，糙率取0.130，實(shí)測該處河道比降為0.004，根據(jù)實(shí)測水水口處河道橫斷面斷面采用曼寧公式求出Nam Pae河流硅廠取水口處斷面不同重現(xiàn)期洪水流量對應(yīng)的洪水位

4 結(jié)語

本研究以老撾川壙省Nam Pea流域的DEM 為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用Arcgis軟件提取出該流域的水文特征，如控制流域面積、主河道平均坡度，河長等參數(shù)，有效解決了林平一公式在計(jì)算小流域設(shè)計(jì)洪水時(shí)參數(shù)難以獲取的問題，大大提高了該公式的實(shí)用性，使其能夠廣泛應(yīng)用于老撾無資料小流域地區(qū)的設(shè)計(jì)洪水計(jì)算中。

參考文獻(xiàn)：

[1] 綦晶，薛蓮.無資料地區(qū)特小流域設(shè)計(jì)洪水計(jì)算方法分析[J]，黑龍江水利科技.2017；45（10）：41-2，50.

[2] 晁銳.兩種常用小流域洪水計(jì)算方法的靈敏度分析 [D]：長安大學(xué)；2014.

[3] 畢曉玲，李小娟，胡卓瑋，賴晗.DEM網(wǎng)格尺寸對地形因子精度的影響分析[J]，測繪科學(xué).2012；37（6）：150-2，88.

[4] 程崢，李永勝，高微微.基于ArcGIS的DEM流域劃分[J].地下水，2011，33（06）：128-130.

作者簡介：

賈春強(qiáng)（1988-），男，河南省人，碩士研究生。主要從事工程水文氣象研究。E-mail：125320825@qq.com

（作者單位：1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.中國機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司）