老挝无资料地区小流域设计洪水计算

来源:用户上传      作者:

　　【摘 要】老挝大多数小流域水文实测资料匮乏，无法满足工程设计洪水计算。针对这一问题，本文以老挝Nam Pae河小流域设计洪水计算为例，采用STRM90m的DEM资料，提出了基于Arcgis软件和林平一公式的小流域设计洪水计算方法，有效解决了林平一公式在计算小流域设计洪水时参数难以获取的问题，大大提高了该公式的实用性，使其能够广泛应用于老挝无资料小流域地区的设计洪水计算中。
　　【关键词】无资料地区；设计洪水；林平一公式；DEM；Arcgis
　　1 引言
　　老挝水资源丰富，其中流域面积在100km2以下的河流更是分布广泛，小河流之上修建小型水库、灌溉工程等对地区工业及农业都具有重要意义，而水利建筑物的设计需要依据小流域某种频率的设计洪水[1]。老挝社会经济发展较慢，科学技术水平不高，小河流上通常不设置水文站点，无法提供设计所需水文数据。林平一法计算小流域设计洪水在无资料地区广泛应用，但由于公式中汇流参数较多且不易获取，给水文工作者带来较大困难，随着DEM 数据的不断完善，应用Arcgis 软件计算的流域水文参数已日趋精确。鉴于此，本文以老挝Nam Pae河小流域设计洪水计算为例，提出了基于Arcgis软件和林平一公式的小流域设计洪水计算方法，以期为老挝无资料地区设计洪水计算提供一种行之有效的解决途径。
　　2 计算原理
　　林平一法在进行流域汇流的研究中，把流域的组成假定为具有一条坡度均匀的理想单干型的水道，其两侧为整齐而对称的坡面，即设想为矩形的模型，该法主要适用于150km?以下的小流域洪水计算。用此种成因法理论来推算流域汇流过程的核心是几个汇流参数的确定[2]。DEM数据通过有序数值阵列形式描述地面实体高程，能够定量反映地貌结构和水文过程等空间变化特征[3]，可利用Arcgis软件对DEM数据进行分析，计算林平一公式中的汇流参数。
　　2.1 林平一法
　　2.2 ArcGIS水文分析
　　基于DEM数据的Arcgis水文分析的主要内容是提取地表水流径流模型的水流方向、汇流累积量、河流网络以及对研究区的流域进行分割等。
　　2.2.1 无洼地DEM生成
　　DEM 是比较光滑的地形表面模型，但由于DEM 误差以及一些真实地形或特殊地形的影响，使得DEM 表面存在一些凹陷的区域。在进行水流方向计算时，由于这些区域的存在，往往得到不合理的甚至错误的水流方向。因此，在进行水流方向的计算之前，应该首先对原始DEM 数据进行洼地填充，得到无洼地的DEM。洼地填充的基本过程是先利用水流方向数据计算出 DEM 数据中的洼地区域，并计算洼地深度，然后，依据这些洼地深度设定填充阈值进行洼地填充。
　　2.2.2 水流方向的确定
　　水流方向是指水流离开每一个栅格单元时的指向。地表径流在流域空间内总是从地势高处向地势低处流动，最后经流域出口排出流域。为了准确地划定流域界线，首先要确定水流在每个栅格单元格内的流动方向。在ArcGIS 中通过将中心栅格的8 个邻域栅格编码，水流方向便可以以其中的某一值来确定。
　　2.2.3 汇流累积量计算
　　在地表径流模拟过程中，汇流累积量是基于水流方向数据计算得到的。首先基于无洼地DEM 生成水流方向图，利用该数据，采用Hydrology 工具集中的Flow Accumulation 工具计算出汇流累积量数据。
　　2.2.4 水流长度计算
　　水流长度指地面上一点沿水流方向到流向起点（或终点）间的最大地面距离在水平面上的投影长度。它分为顺流计算及溯流计算两种，可利用Hydrology 工具集中的FlowLength 工具实现，其中计算方向分别选择顺流计算Downstream 或溯流计算Upstream。
　　2.2.5河网的提取
　　河网提取采用地表径流漫流模型计算。首先是在无洼地DEM上利用最大坡降的方法得到每一个栅格的水流方向，然后利用水流方向栅格数据计算出每一个栅格在水流方向上累积的栅格数，即汇流累积量，所得到的汇流累积量则代表在一个栅格位置上有多少个栅格的水流方向流经该栅格；假设每一个栅格处携带一份水流，那么栅格的汇流累积量则代表着该栅格的水流量。基于上述思想，当汇流量达到一定值的时候，就会产生地表水流，那么所有那些汇流量大于那个临界数值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络，就是河网。
　　2.2.6流域划分
　　在河网提取时通过设置不同的阈值可以得到不同尺度的河网，然后利用watershed 工具生成集水区，即可以得到不同细化的集水区域，通过对比可以得到适合的流域划分结果[4]。
　　3 实例分析
　　老挝川圹省某硅厂取水口位于Nam Pae上，该河流域面积约90km2，河道上无水文观测站，属于典型无资料小流域地区，本研究以该硅厂取水口设计洪水计算为例。
　　3.1 流域划分及地形参数确定
　　根据STRM90m的数字高程资料（DEM资料），采用Acrgis软件的ArcHydro工具进行流域划分，得到Nam Pae流域的水系图及Nam Pae流域地形图，分别见图1、图2。
　　在Arcgis软件中计算出Nam Pae流域的面积为88.9km2，其中厂址取水口处断面控制流域面积为40.39km2，主河道平均坡度Jc为9.4‰，河长L为8.663km。Nam Pae流域气候温热湿润，河槽中水草蔓生，河道两侧及坡面上植被茂密，根据小流域河道汇流糙率系数表，汇流糙率系数Nc取0.1，流域内土壤主要为黏土、肥黏土质土壤、山地草甸土，根据下渗系数值表，稳定下渗率μ取0.12 mm/min。
　　3.2 暴雨参数确定
　　根据收集到的川圹气象站1982～2015年最大一日降水量资料，采用Gumbel分布进行适线，分析得出不同重现期所对应的一日降水量，最大24h降雨量H24由最大一日降雨量乘以系数1.1得到，雨力Sp根据公式6求出，暴雨衰減指数n取0.8，见表1。
　　3.3 暴雨洪水计算结果
　　根据林平一法计算公式求出Nam Pae河流硅厂取水口处不同重现期对应暴雨洪水流量，见表2。
　　3.4 洪水水位计算
　　采用曼宁公式进行计算分析，该处河床为砾石、卵石组成，底坡尚均匀，床面不平整，河槽部分糙率取0.033，左侧河滩长有稠密的植被，糙率取0.180，右侧河滩3/4地带长满茂密的杂草、灌木，糙率取0.130，实测该处河道比降为0.004，根据实测水水口处河道横断面断面采用曼宁公式求出Nam Pae河流硅厂取水口处断面不同重现期洪水流量对应的洪水位
　　4 结语
　　本研究以老挝川圹省Nam Pea流域的DEM 为基础数据，采用Arcgis软件提取出该流域的水文特征，如控制流域面积、主河道平均坡度，河长等参数，有效解决了林平一公式在计算小流域设计洪水时参数难以获取的问题，大大提高了该公式的实用性，使其能够广泛应用于老挝无资料小流域地区的设计洪水计算中。
　　参考文献：
　　[1] 綦晶，薛莲.无资料地区特小流域设计洪水计算方法分析[J]，黑龙江水利科技.2017；45（10）：41-2，50.
　　[2] 晁锐.两种常用小流域洪水计算方法的灵敏度分析 [D]：长安大学；2014.
　　[3] 毕晓玲，李小娟，胡卓玮，赖晗.DEM网格尺寸对地形因子精度的影响分析[J]，测绘科学.2012；37（6）：150-2，88.
　　[4] 程峥，李永胜，高微微.基于ArcGIS的DEM流域划分[J].地下水，2011，33（06）：128-130.
　　作者简介：
　　贾春强（1988-），男，河南省人，硕士研究生。主要从事工程水文气象研究。E-mail：125320825@qq.com
　　（作者单位：1.机械工业勘察设计研究院有限公司；2.中国机械设备工程股份有限公司）
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-14738106.htm