辽宁省中小河流设计暴雨洪水计算辅助系统研究与应用

2017-12-20刘蓬勃李云鹏

东北水利水电 2017年12期

关键词：场次产流雨量

刘蓬勃，李云鹏

刘蓬勃1，李云鹏2

（1.辽宁省水文局，辽宁沈阳110003；2.辽宁省江河流域管理局，辽宁沈阳110003）

修编《辽宁省中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法》，开发一套辅助计算系统，采用模块化的开发方式，主要用于设计暴雨、设计洪水的参数计算、成果验证等，解决了大量的数据运算问题，提高了数据计算的精度与效率，运算结果精确。

中小河流；设计暴雨；设计洪水；修编；辽宁省

1 概况

我国对于缺乏水文资料地区的设计洪水计算，一般都是通过本地区的“计算手册”、“查算图表”等方式计算。

辽宁省在20世纪50年代就开展了中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法研究工作，1964年首次编制《辽宁省无资料地区中小河流设计洪水计算方法》，1975年出版了《辽宁省水文图集》、《辽宁省水文手册》，1982年出版了《辽宁省暴雨洪水查算图表》，1995年开展《辽宁省暴雨洪水查算图表》修订工作，1998年出版了《辽宁省中小河流（无资料地区）设计暴雨洪水计算方法》。

2015年辽宁省水文局开始了新的修编工作，修编以基础水文数据库为基础，采用Java、VB等语言结合Arcgis二次开发技术研发了一套辅助计算系统，主要用于设计暴雨、设计洪水的参数计算、成果验证等。该系统采用模块化的开发方式，模块与模块之间互不依赖，解决了大量的数据运算问题，提高了数据计算的精度与效率。

2 设计暴雨模块

2.1 设计暴雨统计参数计算

系统通过读取基础水文数据库中年特征值表，对各雨量站10，30，60 min；1，3，6，12，24 ，72 h，共9个时段雨量特征值系列进行频率分析与计算，计算相应的暴雨统计参数均值、Cv，Cs。频率分析采用P-III型分布，参数计算采用残差平方和最小准则，Cs固定为3.5Cv。

2.2 暴雨等值线图绘制

利用各站多时段统计参数综合分析调整后的参数和测站位置，绘制不同时段的暴雨统计参数（Ex，Cv）等值线图，同时利用各站不同时段的暴雨统计参数，自动计算不同设计频率（0.01，0.001）设计点暴雨，并绘制设计暴雨等值线图。

利用散点值绘制等值线的方法比较多，工具软件提供3种方法：反距离加权（Inverse Distance Weighted，IDW）、自然邻域（Natural Neighbor）和克里金（Kriging）法。不同方法都有一定的优缺点，根据降雨量分布的实际情况，自然邻域法比较符合要求。

自然邻域插值方法实际上是双次泰森多边形法。先根据要素点生成泰森多边形，然后根据插值点与要素点再次生成泰森多边形，将两张泰森多边形进行叠加。计算出插值点与要素点泰森多边形重叠部分面积占要素点泰森多边形的面积比例，作为根据各要素点计算该插值点要素时的权重系数，如图1。

图1 自然邻域插值方法示意图

2.3 暴雨统计参数合理性分析

暴雨统计参数等值线合理性检查主要包括：均值Ex等值线图合理性检查；变差系数Cv等值线图合理性检查；各历时实测和调查最大点雨量重现期合理性检查以及对全部图表的整体综合评价等。

1）特大值重现期检查

特大暴雨是指某一地点或地区发生的历年最大雨量所相应的重现期N，远远大于该站或该地区最长雨量观测系列年数n实际发生的（实测和调查）暴雨。例如，某地区某场暴雨，其重现期为N，该地区暴雨系列年数为n，当N远大于n时，则该场暴雨称为特大暴雨。N可从均值Ex等值线查读的均值Ex和Cv等值线查读的Cv值，按Cs=3.5Cv的P-III型曲线进行计算。对所有测站（不论系列长短，包括调查暴雨）的历年最大雨量计算其重现期，并将超过某一标准（如100年）的N值标注在Cv等值线图上。如发现在面积有限的一个地区内，有多个地点的N远大于n，表明该地区的Cv等值线偏小，应予加大。

2）参数—历时关系检查

将辽宁省分成1 km为间距的网格，将9种历时暴雨参数等值线的值离散到各个网格上，并计算每个网格点千年一遇雨量值H0.01%。根据这些网格点的参数，可以进行参数～历时关系合理性检查。首先检查各网格点的均值，检查出长历时均值小于相邻短历时均值的那些网格，并勾出其范围，然后对照此网格或邻近网格内单站资料加以修改。在均值图改正后，继而进行千年一遇雨量H0.01%的雨量—历时关系检查。

2.4 暴雨场次辅助选择

以1 d和1 h雨量为主要条件，在各测站的雨量系列资料中，挑选出日雨量或小时雨量最大的测站及其发生时间，根据雨量摘录资料的连续情况初步确定暴雨场次的起止时间，再分析测站临近的其它雨量站本场暴雨发生的起止时间范围，最后综合所有测站的分析成果，得出场次暴雨的起止时间，再计算该场次暴雨的发生范围、最大点雨量、最大面雨量、暴雨总量等。

2.5 暴雨时面深关系分析

根据选定的场次暴雨，分别采用定点定面、动点动面技术，计算不同场次的不同定面或动面的各种历时的面雨量，将不同分区各历时的暴雨点面关系点据综合在一起，并进行综合适线。

1）定点定面

定点和定面根据不同分区的暴雨特性确定，软件根据选定的定点和定面，计算所有年份的各时段的定点雨量和定面雨量。其中定点雨量由相应测站直接统计，定面雨量则需要计算全年不同时段的最大面雨量。点面关系分析提供序号对应和频率对应2种方式。

2）动点动面

提供动点和场次暴雨选择功能，根据选择的场次暴雨和动点，计算场次暴雨各时段的点雨量和面雨量。动面形状可选择正方形、圆形和自定义形状。

2.6 设计暴雨时程设计

利用场次暴雨，综合分析暴雨的时程分配，给出设计暴雨雨型的初步成果。首先计算场次暴雨时段长度为 1 h的面雨量过程，按照 1，3，6，12，24，72 h包含原则，确定不同时段的位置及各小时雨量比例。综合分析各水文分区不同场次暴雨的时程分配，给出相应的暴雨时程分配初步成果。

2.7 全省1 h雨量分布网格图

提供全省1 h雨量栅格图生成和利用栅格图计算面平均雨量功能。

1）1 h雨量栅格图生成

利用数据库中雨量站1 h雨量过程数据，对具有雨量资料的所有时段内的每个小时，查询各雨量站的1 h雨量，根据测站位置，利用ArcGIS空间分析功能，将测站1 h雨量插值到全省网格上。网格中每个单元格为正方形，边长为0.03°（约3 km）。

2）面雨量计算

利用全省1 h雨量栅格图，计算任意范围任意时段的面雨量。利用ArcGIS的空间分析功能，对面雨量计算时段范围内的每个小时计算面雨量，最后累计得到时段总雨量。

3 设计洪水模块

3.1 洪水场次辅助选择

以洪峰流量和1 d洪量为主要条件，在各站的洪水资料系列中，分别挑选出洪峰和一日洪量最大的10场，根据洪水资料的涨落情况初步设置洪水场次的起止时间，选择条件和场次数量可调整。

3.2 产流参数率定

根据辽宁省自然地理特征和产汇流具体情况，中小流域产流计算模型分为4种：饱和产流、非饱和产流、P+Pa～R相关和三水转化模型。

饱和产流模型的参数主要包括上层土壤饱和含水量（Um）、土壤饱和含水量（Im）、流域蓄水容量曲线参数a。其中参数a=1/Im，因此，饱和产流模型需要率定的参数为Um和Im。

非饱和产流模型的参数主要包括上层土壤饱和含水量（Um）、土壤饱和含水量（Im）、流域稳定下渗率 fc和下渗公式经验指数β。

P+Pa～R相关模型的主要参数为Um，与饱和模型相同。

3.3 汇流参数率定

辽宁省流域汇流计算采用汇流单位线。汇流单位线包括：上涨历时tn和单位线峰值qm两个参数，与流域的大小、形状等有关。因此，汇流模型参数的率定需要首先确定各流域的tn和qm，再通过相关图分析，利用流域几何特征值M计算tn的参数D和G，利用流域几何特征值G计算qm的参数A和B。

3.4 小流域推理公式参数率定

利用场次洪水降雨与流量过程数据，计算洪水总量W总、基流总量W基、产流总量Wh、净雨深hR。对降雨过程，自强度最大的雨峰中心开始，按大小内包排列，连续累积求得不同时段最大降雨量，绘制最大降水Pt～t曲线。由Pt～t曲线和hR计算平均损失率 μ。计算ht=Pt-μ·t，绘制ht～t曲线，查得汇流历时τ值。由Pt～t和ht～t曲线，利用τ值查得汇流历时降雨量Pτ和径流量hτ，求得洪峰径流系数ψ。由hR和PtR求得洪量径流系数α。