一种山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法技术

本发明专利技术公开了山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，步骤：对沿河村落河道纵、横断面以及沿河居民户进行平面和高程测量；将沿河居民户投影到河道中泓线，计算沿河各居民户高程‑起点距离关系；计算沿河村落河道控制断面处不同频率暴雨对应的洪峰流量；计算沿河村落控制断面水位～流量关系；计算不同频率下控制断面水位，绘制不同频率流量对应的洪水水面线；建立沿河居民户‑洪水水面线判定公式，判定沿河村落居民户与不同频率洪水水面线关系，确定不同频率洪水水面线下的居民户；根据沿河村落居民户与不同频率洪水水面线关系，筛选沿河路径上最容易受灾的居民户，转化为控制断面处的成灾水位，划定沿河居民不同等级危险区。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，属于防灾减灾领域。
技术介绍
近年来，由于受复杂地质地形条件、气候因素、密集的人口分布和人类活动等多种因素共同影响，我国突发局地极端强降雨引发山洪灾害频繁，导致大量人员伤亡。2016年7月19日，由于上游突降暴雨，河北邢台七里河突发洪水，洪水漫过河堤决口造成大贤村人民生命和财产损失。山丘区小流域暴雨山洪因强降雨形成，且山丘区沟(河)道比降一般较大，故山丘区小流域暴雨山洪具有短历时、强降雨、大比降、陡涨陡落等特点，与大流域暴雨洪水之间有着很大差异。众多沿河村落分布于小流域山区河道周边，易于受暴雨山洪影响，是山洪防治的重点防灾对象；另一方面，每个沿河村落由于河道断面、居民户分布、村内地形不同，受山洪灾害威胁程度也有所区别。对于小流域山洪灾害来说，沿河村落的成灾水位和危险区是判定村落防洪能力和危险程度的重要指标。因此，采用一种简单、可靠的方法对各个沿河村落的成灾水位进行确定和危险区进行划分，从而筛选威胁较高的沿河村落及居民户作为防御重点是十分必要的。现有山洪灾害防御的研究，一方面多以较大流域为研究对象，计算河道整体防洪能力，较少精确到沿河村落，无法针对局部特殊地形地貌、小流域特征及河道断面数据，给出每个沿河村落的现状防洪能力并进行量化评估。另一方面，部分研究以沿河村落为研究对象，但其在成灾水位确定和危险区划定时未考虑河道和洪水比降以及居民户沿河分布的因素，每个沿河村落仅给定一个水平面高程作为成灾(预警)水位，导致村落危险区范围和成灾水位精度较差。另一方面，也有一些学者通过建立一、二维水力学模型，利用高精度DEM数据GIS空间分析功能进行危险区划分，但这种方法计算流程繁琐，且对资料要求较高，在对于工程应用实践而言适用性不足，推广应用时存在一定困难。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述问题，提供一种山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，它利用相对简单的数据资料，综合了断面测绘、河道调查、暴雨洪水计算、水位流量关系计算、点投影、点线关系判断等多学科不同方法，主要包括沿河村落不同洪水频率水面线计算、居民户高程～起点距离关系计算、水面线/居民户高程关系判定(危险区绘制)、最危险居民户判定(成灾水位确定)、危险区划分五个大的环节。本专利技术针对的对象是沿河村落，对沿河村落及其河道进行说明如下，山丘区很多村落依河分布，称为沿河村落；本专利技术中的河道指村域范围内的河段；为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，包括如下步骤：步骤(1)：首先对山丘区河道进行现场调查，对沿河村落河道纵、横断面以及沿河居民户进行平面和高程测量，采用平面坐标系记录；然后将沿河居民户投影到河道中泓线，计算沿河各居民户高程-起点距离关系；步骤(2)：计算沿河村落河道控制断面处不同频率暴雨对应的洪峰流量；利用曼宁公式计算沿河村落控制断面水位～流量关系；计算不同频率下控制断面水位，绘制不同频率流量对应的洪水水面线；步骤(3)：建立起点距-高程坐标系X-Z，其中X轴定义为起点距离，Z轴定义为高程；根据步骤(1)和(2)将沿河村落纵、横断面以及沿河居民户，不同频率洪水水面线统一于起点距-高程坐标系X-Z内，建立沿河居民户-洪水水面线判定公式，判定沿河村落居民户与不同频率洪水水面线关系，确定不同频率洪水水面线下的居民户；步骤(4)：根据沿河村落居民户与不同频率洪水水面线关系，筛选沿河路径上最容易受灾的居民户，转化为控制断面处的成灾水位。山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，还包括如下步骤：步骤(5)：利用ArcGIS绘制沿河村落山洪灾害危险区。所述步骤(1)中首先对山丘区河道进行现场调查，对沿河村落河道纵、横断面以及沿河居民户进行平面和高程测量，采用平面坐标系记录；包括如下步骤：对山丘区河道进行现场调查，对沿河村落河道进行纵断面和横断面测量，按照设定间距沿河村落河道上、中、下游选取3个横断面，以及河道纵断面进行测量；同时设置沿河村落河道中游断面为控制断面；同时对沿河居民户进行平面测量和高程测量；测量结果采用北京54或西安80平面坐标系记录；所述步骤(1)的将沿河居民户投影到河道中泓线步骤如下：建立平面坐标系X-Y，利用点线投影的方法将沿河居民户坐标点投影到河道中泓线：由居民户坐标点向河道中泓线做垂线，并确定交点坐标值，投影原理如下：过A和B两点的河道中泓线AB段的方程式为：y-yA＝k*(x-xA)(1)假定已知居民户坐标点的平面坐标为C(xc,yc)，过居民户坐标点向中泓线AB段做垂线CC′，斜率为-1/k，则直线CC′方程式为：联立直线AB和直线CC′方程，解得直线AB和直线CC′两线交点为投影点C′(xc′,yc′)由xc′作为x代入直线CC′方程计算得到对应的y值，为yc′。所述步骤(1)的计算沿河各居民户高程-起点距离关系的步骤如下：计算河道纵断面、控制断面和居民户投影点的起点距；将河道纵断面的第一个测点或最后一个测点定义为起点，利用平面两点距离公式，计算纵断面上的其余测点与起点之间的起点距；同理，根据各居民户中泓线上的投影点坐标值，利用平面两点距离公式，计算每个居民户投影点距离起点的起点距；根据控制断面与中泓线的交点，计算控制断面距离起点的起点距。所述步骤(1)中首先对山丘区河道进行现场调查，对沿河村落河道纵、横断面以及沿河居民户进行平面和高程测量，采用平面坐标系记录；河道上、中、下游横断面间距，视河段坡降大小、断面变化程度而定，一般300～500米左右，横断面应能反应河道形状，尽量选择河势平稳，河道顺直段。纵断面测量一般沿沟(河)道深泓线(山谷线)布置，并向上下游断面外各延伸100m～200m。典型山丘区河道横、纵断面布设及沿河居民户测量点见图3。起点距的计算流程：从所需计算的纵断点或投影点开始，沿起点方向，逐一计算两点间的距离，直至起点，然后将两点距逐一进行累加，最终获得控制断面与中泓线交点的起点距、河道纵断点距离起点的起点距和居民户投影点距离起点的起点距。地球表面两点距离计算原理及公式如下：根据地球表面任意两点的经纬度计算出两点间的地表距离，设第一点A的经纬度为(LonA,LatA)，第二点B的经纬度为(LonB,LatB)，按照0度经线的基准，东经取经度的正值(Longitude)，西经取经度负值(-Longitude)，北纬取90-纬度值(90-Latitude)，南纬取90+纬度值(90+Latitude)，则经过处理过后的两点被计为(MLonA,MLatA)和(MLonB,MLatB)，Pi为圆周率。地球的平均半径记为R(6371.004千米)，根据三角推导，得到计算平面两点距离的公式：C＝sin(MLatA)*sin(MLatB)*cos(MLonA-MLonB)+cos(MLatA)*cos(MLatB)(4)Distance＝R*Arccos(C)*Pi/180(5)。所述步骤(2)中计算沿河村落河道控制断面处不同频率暴雨对应的洪峰流量：首先进行沿河村落控制断面处的短历时设计暴雨洪水计算，选取5年、10年、20年、50年、100年一遇五种频率；其中汇流计算采用推理公式法，计算沿河村本文档来自技高网...

【技术保护点】
山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，其特征是，包括如下步骤：步骤(1)：首先对山丘区河道进行现场调查，对沿河村落河道纵、横断面以及沿河居民户进行平面和高程测量，采用平面坐标系记录；然后将沿河居民户投影到河道中泓线，计算沿河各居民户高程‑起点距离关系；步骤(2)：计算沿河村落河道控制断面处不同频率暴雨对应的洪峰流量；利用曼宁公式计算沿河村落控制断面水位～流量关系；计算不同频率下控制断面水位，绘制不同频率流量对应的洪水水面线；步骤(3)：建立起点距‑高程坐标系X‑Z，其中X轴定义为起点距离，Z轴定义为高程；根据步骤(1)和(2)将沿河村落纵、横断面以及沿河居民户，不同频率洪水水面线统一于起点距‑高程坐标系X‑Z内，建立沿河居民户‑洪水水面线判定公式，判定沿河村落居民户与不同频率洪水水面线关系，确定不同频率洪水水面线下的居民户；步骤(4)：根据沿河村落居民户与不同频率洪水水面线关系，筛选沿河路径上最容易受灾的居民户，转化为控制断面处的成灾水位。

【技术特征摘要】
1.山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，其特征是，包括如下步骤：步骤(1)：首先对山丘区河道进行现场调查，对沿河村落河道纵、横断面以及沿河居民户进行平面和高程测量，采用平面坐标系记录；然后将沿河居民户投影到河道中泓线，计算沿河各居民户高程-起点距离关系；步骤(2)：计算沿河村落河道控制断面处不同频率暴雨对应的洪峰流量；利用曼宁公式计算沿河村落控制断面水位～流量关系；计算不同频率下控制断面水位，绘制不同频率流量对应的洪水水面线；步骤(3)：建立起点距-高程坐标系X-Z，其中X轴定义为起点距离，Z轴定义为高程；根据步骤(1)和(2)将沿河村落纵、横断面以及沿河居民户，不同频率洪水水面线统一于起点距-高程坐标系X-Z内，建立沿河居民户-洪水水面线判定公式，判定沿河村落居民户与不同频率洪水水面线关系，确定不同频率洪水水面线下的居民户；步骤(4)：根据沿河村落居民户与不同频率洪水水面线关系，筛选沿河路径上最容易受灾的居民户，转化为控制断面处的成灾水位。2.如权利要求1所述的山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，其特征是，还包括如下步骤：步骤(5)：利用ArcGIS绘制沿河村落山洪灾害危险区。3.如权利要求1所述的山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，其特征是，所述步骤(1)中首先对山丘区河道进行现场调查，对沿河村落河道纵、横断面以及沿河居民户进行平面和高程测量，采用平面坐标系记录；包括如下步骤：对山丘区河道进行现场调查，对沿河村落河道进行纵断面和横断面测量，按照设定间距沿河村落河道上、中、下游选取3个横断面，以及河道纵断面进行测量；同时设置沿河村落河道中游断面为控制断面；同时对沿河居民户进行平面测量和高程测量；测量结果采用北京54或西安80平面坐标系记录。4.如权利要求1所述的山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，其特征是，所述步骤(1)的计算沿河各居民户高程-起点距离关系的步骤如下：计算河道纵断面、控制断面和居民户投影点的起点距；将河道纵断面的第一个测点或最后一个测点定义为起点，利用平面两点距离公式，计算纵断面上的其余测点与起点之间的起点距；同理，根据各居民户中泓线上的投影点坐标值，利用平面两点距离公式，计算每个居民户投影点距离起点的起点距；根据控制断面与中泓线的交点，计算控制断面距离起点的起点距。5.如权利要求4所述的山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，其特征是，起点距的计算流程：从所需计算的纵断点或投影点开始，沿起点方向，逐一计算两点间的距离，直至起点，然后将两点距逐一进行累加，最终获得控制断面与中泓线交点的起点距、河道纵断点距离起点的起点距和居民户投影点距离起点的起点距。6.如权利要求1所述的山丘区沿河村落山洪灾害成灾水位及危险区划分方法，其特征是，所述步骤(2)中计算沿河村落河道控制断面处不同频率暴雨对应的洪峰流量：首先进行沿河村落控制断面处的短历时设计暴雨洪水计算，选取5年、10年、20年、50年、100年一遇五种频率；其中汇流计算采用推理公式法，计算沿河村落控制断面处的不同暴雨...

【专利技术属性】
技术研发人员：桑国庆，王豪，刘志鹏，闫飞，郭志彬，庞桂斌，武玮，宋淑馨，王英，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东;37