一种基于GIS的中小流域设计洪水模型制造技术

本发明专利技术提供一种基于GIS的中小流域设计洪水模型，涉及暴雨洪水计算领域，所述模型包括步骤1.确定研究流域，提取研究流域的特征属性；2.设计研究流域水位及出口断面河宽的计算；3.根据暴雨洪水手册，确定T

【技术实现步骤摘要】
一种基于GIS的中小流域设计洪水模型


[0001]本专利技术涉及暴雨洪水计算领域，特别是涉及一种基于GIS的中小流域设计洪水模型。

技术介绍

[0002]中小流域，特别是缺资料或者无资料流域，设计洪水模型的基本思想是将降雨和地理特性资料通过产汇流分析计算转化为径流，主要研究途径分为三类：1.地区经验综合法；2.水文流域模型法；3.形态勘测法(洪水调查法)；其中，地区经验综合法是根据降雨、径流等实测资料建立区域的综合函数关系，再将综合函数关系外延到缺资料地区；该方法准确可靠，但是需要研究区内有充足的代表性水文站点，并且工作量较大。水文流域模型法是利用降雨资料模拟径流过程；该方法只要降雨资料充足，就能进行径流模拟，但是在计算缺资料地区的设计洪水时，由于受到非地区性规律参数的影响，计算精度不高。形态勘测法是通过历史洪水调查研究获取研究流域的数场历史洪峰流量；此方法的困难是历史洪水调查往往调查不到足够准确的多场洪水，因而带有估算性质。
[0003]目前，水文科学正面临着由传统水文学向现代水文学的过渡阶段，而现代水文学在缺资料流域水文研究的基本思路是充分利用计算机遥感技术获取流域的基本自然地理信息，运用系统论的现代科学手段，同时结合空间计算技术，探索地表信息流的动力学机制和时空特性，以便对流域的水文性状(降雨、产汇流规律等)进行数值模拟。

技术实现思路

[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于GIS的中小流域设计洪水模型，使模型的参数客观化，尽量避免人为调试或选取参数的主观性，从而加强模型的通用性，以解决缺资料地区中小流域设计洪水精度不高的问题。
[0005]本专利技术提供一种基于GIS的中小流域设计洪水模型，所述模型包括以下步骤：
[0006]1.确定研究流域，提取研究流域的特征属性；
[0007]1.1.通过收集研究流域的自然地域资料和水文气象资料，分析影响汇流的主要因素，包括流域的形状、地形地势、河流长度、地表和河床特征；
[0008]1.2.利用GIS技术，通过遥感数据提取研究领域的地理参数，包括研究流域的面积、河道长度、坡度的分布作为研究流域的特征属性；
[0009]2.设计研究流域水位及出口断面河宽的计算；
[0010]2.1.根据实测洪水流量资料，运用适线法分析计算T
s
年一遇的设计洪水流量；
[0011]2.2.根据实测的出口断面资料，运用曼宁公式计算出口断面流量，并绘制水位-流量曲线、水位-河宽曲线；
[0012]2.3.根据研究流域的设计洪峰流量查找水位-流量曲线，得到对应的出口断面水位，再根据出口断面水位查找水位-河宽曲线，得到对应的出口断面河宽；
[0013]3.根据暴雨洪水手册，确定设计频率为p的设计暴雨量及其时间分配；
[0014]4.设计研究流域产流量计算；
[0015]4.1.根据暴雨洪水同频率的思想，设计暴雨强度计算公式；
[0016]4.2.利用GIS技术，提取流域地形、土壤、植被的特征数据，并根据流域地形、土壤、植被的特征数据计算降雨的蒸发量、填洼量、植物截流量、下渗量；
[0017]4.3.判断暴雨强度是否大于研究流域下垫面土壤的下渗量，若大于，研究流域有产流量，否则，研究流域没有产流量；
[0018]5.设计研究流域汇流量计算；
[0019]5.1.设计河网的蓄泄过程；
[0020]5.2.设计河网的出流过程；
[0021]6.设计研究流域退水过程。
[0022]于本专利技术的一实施例中，设计暴雨强度计算公式为：
[0023][0024]或者H
p
＝S
p
·
t
1-n
ꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0025]其中，为设计频率为p平均暴雨强度；S
p
为雨力；t为设计暴雨的历时；n暴雨指数；H
p
为设计频率为p的设计暴雨量。
[0026]于本专利技术的一实施例中，判断暴雨强度是否大于研究流域下垫面土壤的下渗强度的计算公式为：
[0027][0028]其中，i
t
为t时刻的暴雨强度，f
t
为研究流域在t时刻的土壤下渗量。
[0029]于本专利技术的一实施例中，土壤下渗量f
t
的计算公式为：
[0030][0031]其中，f
t
为t时刻的土壤下渗量；η为经验参数；f
c
为土壤趋于田间持水量时的稳定下渗量；
[0032]使用霍顿公式将公式(4)转化为：
[0033]f
t
＝f
c
+(f
0-f
c
)e-βt
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0034]其中，f0为干旱土壤的初始下渗量；β为下渗公式经验指数。
[0035]于本专利技术的一实施例中，设计河网的蓄泄过程包括以下步骤：
[0036]5.1.1计算河网的蓄水量：
[0037][0038]其中，W
t
为时间为t的河网蓄水量，单位为m3；L
w
为河网总长，单位为m；为河网平均河宽，单位为m；为河网平均水位，单位为m；
[0039]5.1.2采用曼宁公式计算出口断面的流量：
[0040][0041]其中，Q
t
为时间为t时间的出口断面流量，单位为m3/s，n为糙率；A为出口断面面积,
m2；R为出口断面水力半径，单位为m；χ为出口断面湿周，单位为m；J为出口河段比降；
[0042]5.1.3假定：则建立出口断面流量Q
t
与河网的蓄水量W
t
的函数关系，转换出口断面的流量计算公式(7)为：
[0043][0044]得到W
t
＝β-0.6
Q
t0.6
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0045]其中，式中系数：
[0046][0047]于本专利技术的一实施例中，设计河网的出流过程包括以下步骤：
[0048]5.2.1联解河网的蓄泄关系式(8)和河网水量平衡式(9)，得到：
[0049][0050]其中，I
t
为t时刻的河流入流流量；
[0051]5.2.2对公式(10)取差分，得到：
[0052][0053]并将上式改写为：
[0054][0055]5.2.3联解(8)和(11)，得到：
[0056][0057]5.2.4根据公式(12)已知入流过程，利用迭代计算求出出流过程。
[0058]于本专利技术的一实施例中，设计研究流域退水过程具体步骤为：
[0059]6.1退水时河网入流停止，水量平衡式：
[0060][0061]6.2将公式(8)代入公式(13)，整理积分得到河网退水方程，得本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于GIS的中小流域设计洪水模型，其特征在于，所述模型包括以下步骤：1.确定研究流域，提取研究流域的特征属性；1.1.通过收集研究流域的自然地域资料和水文气象资料，分析影响汇流的主要因素，包括流域的形状、地形地势、河流长度、地表和河床特征；1.2.利用GIS技术，通过遥感数据提取研究领域的地理参数，包括研究流域的面积、河道长度、坡度的分布作为研究流域的特征属性；2.设计研究流域水位及出口断面河宽的计算；2.1.根据实测洪水流量资料，运用适线法分析计算T
s
年一遇的设计洪水流量；2.2.根据实测的出口断面资料，运用曼宁公式计算出口断面流量，并绘制水位-流量曲线、水位-河宽曲线；2.3.根据研究流域的设计洪峰流量查找水位-流量曲线，得到对应的出口断面水位，再根据出口断面水位查找水位-河宽曲线，得到对应的出口断面河宽；3.根据暴雨洪水手册，确定设计频率为p的设计暴雨量及其时间分配；4.设计研究流域产流量计算；4.1.根据暴雨洪水同频率的思想，设计暴雨强度计算公式；4.2.利用GIS技术，提取流域地形、土壤、植被的特征数据，并根据流域地形、土壤、植被的特征数据计算降雨的蒸发量、填洼量、植物截流量、下渗量；4.3.判断暴雨强度是否大于研究流域下垫面土壤的下渗量，若大于，则研究流域有产流量，否则，研究流域没有产流量；5.设计研究流域汇流量计算；5.1.设计河网的蓄泄过程；5.2.设计河网的出流过程；6.设计研究流域退水过程。2.根据权利要求1所述的基于GIS的中小流域设计洪水模型，其特征在于，设计暴雨强度计算公式为：或者H
p
＝S
p
·
t
1-n
(2)其中，为设计频率为p平均暴雨强度；S
p
为雨力；t为设计暴雨的历时；n暴雨指数；H
p
为设计频率为p的设计暴雨量。3.根据权利要求2所述的基于GIS的中小流域设计洪水模型，其特征在于，判断暴雨强度是否大于研究流域下垫面土壤的下渗量的计算公式为：其中，i
t
为t时刻的暴雨强度，f
t
为研究流域在t时刻的土壤下渗量。4.根据权利要求3所述的基于GIS的中小流域设计洪水模型，其特征在于，土壤下渗量ft的计算公式为：

【专利技术属性】
技术研发人员：黎小东，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：