劉蓬勃，李云鵬

遼寧省中小河流設(shè)計暴雨洪水計算輔助系統(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110003；2.遼寧省江河流域管理局，遼寧沈陽110003）

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

中小河流；設(shè)計暴雨；設(shè)計洪水；修編；遼寧省

1 概況

我國對于缺乏水文資料地區(qū)的設(shè)計洪水計算，一般都是通過本地區(qū)的“計算手冊”、“查算圖表”等方式計算。

遼寧省在20世紀50年代就開展了中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計暴雨洪水計算方法研究工作，1964年首次編制《遼寧省無資料地區(qū)中小河流設(shè)計洪水計算方法》，1975年出版了《遼寧省水文圖集》、《遼寧省水文手冊》，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)計暴雨洪水計算方法》。

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)庫為基礎(chǔ)，采用Java、VB等語言結(jié)合Arcgis二次開發(fā)技術(shù)研發(fā)了一套輔助計算系統(tǒng)，主要用于設(shè)計暴雨、設(shè)計洪水的參數(shù)計算、成果驗證等。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)運算問題，提高了數(shù)據(jù)計算的精度與效率。

2 設(shè)計暴雨模塊

2.1 設(shè)計暴雨統(tǒng)計參數(shù)計算

系統(tǒng)通過讀取基礎(chǔ)水文數(shù)據(jù)庫中年特征值表，對各雨量站10，30，60 min；1，3，6，12，24 ，72 h，共9個時段雨量特征值系列進行頻率分析與計算，計算相應(yīng)的暴雨統(tǒng)計參數(shù)均值、Cv，Cs。頻率分析采用P-III型分布，參數(shù)計算采用殘差平方和最小準則，Cs固定為3.5Cv。

2.2 暴雨等值線圖繪制

利用各站多時段統(tǒng)計參數(shù)綜合分析調(diào)整后的參數(shù)和測站位置，繪制不同時段的暴雨統(tǒng)計參數(shù)（Ex，Cv）等值線圖，同時利用各站不同時段的暴雨統(tǒng)計參數(shù)，自動計算不同設(shè)計頻率（0.01，0.001）設(shè)計點暴雨，并繪制設(shè)計暴雨等值線圖。

利用散點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，根據(jù)降雨量分布的實際情況，自然鄰域法比較符合要求。

自然鄰域插值方法實際上是雙次泰森多邊形法。先根據(jù)要素點生成泰森多邊形，然后根據(jù)插值點與要素點再次生成泰森多邊形，將兩張?zhí)┥噙呅芜M行疊加。計算出插值點與要素點泰森多邊形重疊部分面積占要素點泰森多邊形的面積比例，作為根據(jù)各要素點計算該插值點要素時的權(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)計參數(shù)合理性分析

暴雨統(tǒng)計參數(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；各歷時實測和調(diào)查最大點雨量重現(xiàn)期合理性檢查以及對全部圖表的整體綜合評價等。

1）特大值重現(xiàn)期檢查

特大暴雨是指某一地點或地區(qū)發(fā)生的歷年最大雨量所相應(yīng)的重現(xiàn)期N，遠遠大于該站或該地區(qū)最長雨量觀測系列年數(shù)n實際發(fā)生的（實測和調(diào)查）暴雨。例如，某地區(qū)某場暴雨，其重現(xiàn)期為N，該地區(qū)暴雨系列年數(shù)為n，當N遠大于n時，則該場暴雨稱為特大暴雨。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型曲線進行計算。對所有測站（不論系列長短，包括調(diào)查暴雨）的歷年最大雨量計算其重現(xiàn)期，并將超過某一標準（如100年）的N值標注在Cv等值線圖上。如發(fā)現(xiàn)在面積有限的一個地區(qū)內(nèi)，有多個地點的N遠大于n，表明該地區(qū)的Cv等值線偏小，應(yīng)予加大。

2）參數(shù)—歷時關(guān)系檢查

將遼寧省分成1 km為間距的網(wǎng)格，將9種歷時暴雨參數(shù)等值線的值離散到各個網(wǎng)格上，并計算每個網(wǎng)格點千年一遇雨量值H0.01%。根據(jù)這些網(wǎng)格點的參數(shù)，可以進行參數(shù)～歷時關(guān)系合理性檢查。首先檢查各網(wǎng)格點的均值，檢查出長歷時均值小于相鄰短歷時均值的那些網(wǎng)格，并勾出其范圍，然后對照此網(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，繼而進行千年一遇雨量H0.01%的雨量—歷時關(guān)系檢查。

2.4 暴雨場次輔助選擇

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

2.5 暴雨時面深關(guān)系分析

根據(jù)選定的場次暴雨，分別采用定點定面、動點動面技術(shù)，計算不同場次的不同定面或動面的各種歷時的面雨量，將不同分區(qū)各歷時的暴雨點面關(guān)系點據(jù)綜合在一起，并進行綜合適線。

1）定點定面

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

2）動點動面

提供動點和場次暴雨選擇功能，根據(jù)選擇的場次暴雨和動點，計算場次暴雨各時段的點雨量和面雨量。動面形狀可選擇正方形、圓形和自定義形狀。

2.6 設(shè)計暴雨時程設(shè)計

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

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)庫中雨量站1 h雨量過程數(shù)據(jù)，對具有雨量資料的所有時段內(nèi)的每個小時，查詢各雨量站的1 h雨量，根據(jù)測站位置，利用ArcGIS空間分析功能，將測站1 h雨量插值到全省網(wǎng)格上。網(wǎng)格中每個單元格為正方形，邊長為0.03°（約3 km）。

2）面雨量計算

利用全省1 h雨量柵格圖，計算任意范圍任意時段的面雨量。利用ArcGIS的空間分析功能，對面雨量計算時段范圍內(nèi)的每個小時計算面雨量，最后累計得到時段總雨量。

3 設(shè)計洪水模塊

3.1 洪水場次輔助選擇

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，根據(jù)洪水資料的漲落情況初步設(shè)置洪水場次的起止時間，選擇條件和場次數(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

遼寧省流域匯流計算采用匯流單位線。匯流單位線包括：上漲歷時tn和單位線峰值qm兩個參數(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計算tn的參數(shù)D和G，利用流域幾何特征值G計算qm的參數(shù)A和B。

3.4 小流域推理公式參數(shù)率定

利用場次洪水降雨與流量過程數(shù)據(jù)，計算洪水總量W總、基流總量W基、產(chǎn)流總量Wh、凈雨深hR。對降雨過程，自強度最大的雨峰中心開始，按大小內(nèi)包排列，連續(xù)累積求得不同時段最大降雨量，繪制最大降水Pt～t曲線。由Pt～t曲線和hR計算平均損失率 μ。計算ht=Pt-μ·t，繪制ht～t曲線，查得匯流歷時τ值。由Pt～t和ht～t曲線，利用τ值查得匯流歷時降雨量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

利用場次洪水流量過程線，統(tǒng)計洪峰位置，計算各時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)計方式給出流域或水文分區(qū)的洪水過程線形狀。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)功能齊全、界面簡潔、運算結(jié)果精確，為《遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計暴雨洪水計算方法》修編工作提供了重要計算、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)計暴雨洪水計算方法的研究［J］.水土保持科技情報，2003（2）：38-40。

［2］耿華.遼寧省中小河流（無資料地區(qū)）設(shè)計暴雨洪水計算方法（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"> ［文獻標識碼］B

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1002—0624（2017）12—0045—03

2017-05-31