賈春強(qiáng)　劉尚

【摘 要】老撾大多數(shù)小流域水文實(shí)測(cè)資料匱乏，無法滿足工程設(shè)計(jì)洪水計(jì)算。針對(duì)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(duì)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(huì)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(duì)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(gè)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(duì)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(duì)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(cuò)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(duì)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(gè)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(shì)高處向地勢(shì)低處流動(dòng)，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(gè)柵格單元格內(nèi)的流動(dòng)方向。在ArcGIS 中通過將中心柵格的8 個(gè)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(gè)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(gè)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(gè)柵格位置上有多少個(gè)柵格的水流方向流經(jīng)該柵格；假設(shè)每一個(gè)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(huì)產(chǎn)生地表水流，那么所有那些匯流量大于那個(gè)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(duì)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(cè)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?，河槽中水草蔓生，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(duì)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(duì)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(cè)該處河道比降為0.004，根據(jù)實(shí)測(cè)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(duì)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(duì)地形因子精度的影響分析[J]，測(cè)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）