基于ArcGis的小流域設(shè)計暴雨參數(shù)快速量算方法

冉 鴻，劉 剛，李紹平

（1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610065；2.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650051；3.湘西土家族苗族自治州水利水電勘測設(shè)計研究院，湖南吉首 416000）

0 前 言

小流域設(shè)計洪水通常采用暴雨洪水法［1］推求，往往需要量算設(shè)計流域重心處點(diǎn)暴雨參數(shù)。以四川省小流域設(shè)計洪水為例，需要量算小流域重心處年最大10 min點(diǎn)雨量，年最大10 min點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cv，年最大1 h點(diǎn)雨量，年最大1 h點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cv，年最大6 h點(diǎn)雨量，年最大6 h點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cv，年最大24 h點(diǎn)雨量，年最大24 h點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cv。暴雨洪水手冊提供的暴雨等值線圖，通常為柵格圖片數(shù)據(jù)，無投影信息，不能直接與設(shè)計流域直接疊圖，不便于直接量算估計。同時，對于公路等線性工程來說，需要量算的設(shè)計小流域數(shù)量眾多。采用傳統(tǒng)人工從暴雨等值線圖上直接估計讀取點(diǎn)暴雨參數(shù)的方法，工作量大、耗時長、易出錯。基于上述弊端，本文基于ArcGis提出了一種小流域設(shè)計暴雨參數(shù)快速量算方法，利用ArcGis對暴雨等值線圖進(jìn)行處理，制作帶投影信息的暴雨等值線圖，采用Arc-Gis軟件的3D Analyst Tools工具制作帶投影信息暴雨等值線raster數(shù)據(jù)。因暴雨等值線raster數(shù)據(jù)帶有投影信息，能夠與基于ArcGis的水文集水區(qū)劃分成果進(jìn)行疊圖分析，可快速批量的量算小流域設(shè)計暴雨參數(shù)。

1 量算步驟

基于ArcGis的小流域設(shè)計暴雨參數(shù)快速量算方法有以下幾個步驟。

1.1 步驟1：量算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)制作

目前，設(shè)計使用的各省暴雨等值線圖基本均為柵格數(shù)據(jù)，無投影信息，該數(shù)據(jù)不能直接與設(shè)計流域快速疊圖分析，需要進(jìn)行地圖配準(zhǔn)。采用ArcGis軟件的Georeferencing工具對暴雨等值線圖進(jìn)行配準(zhǔn)，投影坐標(biāo)系設(shè)置為暴雨等值線圖相同的投影坐標(biāo)系。考慮到暴雨等值線圖作為后續(xù)操作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為保證等值圖的精度，建議采用網(wǎng)逐點(diǎn)校正。以配準(zhǔn)后的暴雨等值圖為基礎(chǔ)，數(shù)字化等值線圖，并給等值線賦予相應(yīng)的值，得到暴雨等值線圖矢量數(shù)據(jù)。以暴雨等值線圖矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以省行政界限數(shù)據(jù)為邊界，利用Create Tin和TIN to Raster工具制作等值線raster數(shù)據(jù)。量算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)制作流程示意如圖1所示。

1.2 步驟2：設(shè)計流域邊界提取

為快速準(zhǔn)確地獲取設(shè)計流域邊界，需要對研究區(qū)域進(jìn)行水文匯水區(qū)分析。本文建議先以ASTER GDEM 2 DEM為水文分析地形數(shù)據(jù)，利用ArcGis水文分析工具［2］進(jìn)行水文集水區(qū)劃分。因小流域流域面積較小，利用ASTER GDEM 2［3］數(shù)據(jù)進(jìn)行水文分析，其集水區(qū)劃分成果可能存在較大偏差，可采用該流域附近1∶50 000或1∶10 000掃描地形圖為底圖，校正流域邊界。

1.3 步驟3：設(shè)計暴雨參數(shù)快速量算

利用ArcGis中Feature To Point工具獲取設(shè)計流域重心位置［4］，利用Extract Multi Values to Points批量提取設(shè)計流域點(diǎn)暴雨參數(shù)。

2 案例應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

天府國際機(jī)場空港新城位于四川省簡陽市境內(nèi)，區(qū)內(nèi)絳溪南組團(tuán)南中心13號路支路、3號路（絳溪二線）、2號路（南一線）道路配套工程涉及4座跨河橋梁，分別為13號路白石溝橋、3號路白石溝橋、2號路白石溝橋、3號路廟兒溝橋。白石溝為廟兒溝右岸一級支溝，發(fā)源于堅(jiān)石村附近，先向北流，過馬草灣，于輝樓溝處轉(zhuǎn)向西流，過花廠村于老廟溝附近轉(zhuǎn)向北流，最終在高廠村附近流入廟兒溝，溝口集雨面積為5.86 km2。廟兒溝為絳溪河右岸一級支流，發(fā)源于泡東樹灣附近，大體自西南往東北流經(jīng)毛家祠村，隨后轉(zhuǎn)向東流經(jīng)老卓家灣、三個碑，于高廠村納入右岸支溝白石溝，隨后轉(zhuǎn)向北方向流經(jīng)燒房碥，隨后向東流，在板板橋村附近匯入絳溪河，流域面積為14.87 km2。上述橋梁流域面積均較小，其設(shè)計洪水需要采用暴雨洪水法途徑進(jìn)行計算，需要從暴雨等值線圖上量算橋梁設(shè)計流域點(diǎn)暴雨。本次以上述橋梁設(shè)計流域點(diǎn)暴雨量算為例說明本方法的實(shí)現(xiàn)過程。涉河橋梁工程位置示意圖見圖2。

圖2 涉河橋梁工程位置示意

2.2 量算過程

上述橋梁工程流域面積較小，依據(jù)《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》［4］設(shè)計流域點(diǎn)暴雨參數(shù)需要量算流域重心處年最大10 min點(diǎn)雨量值，年最大10 min點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cv值，年最大1 h點(diǎn)雨量值，年最大1 h點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cv值，年最大6 h點(diǎn)雨量值，年最大6 h點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cv值，年最大24 h點(diǎn)雨量值，年最大24 h點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cv值。

按前文步驟1方法制備四川省年最大10 min點(diǎn)雨量raster數(shù)據(jù)，年最大10 min點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cvraster數(shù)據(jù)，年最大1 h點(diǎn)雨量raster數(shù)據(jù)，年最大1 h點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cvraster數(shù)據(jù)，年最大6 h點(diǎn)雨量raster數(shù)據(jù)，年最大6 h點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cvraster數(shù)據(jù)，年最大24 h點(diǎn)雨量raster數(shù)據(jù)，年最大24 h點(diǎn)雨量變差系數(shù)Cvraster數(shù)據(jù)。其中，最后一步暴雨等值線圖矢量數(shù)據(jù)柵格化需要重復(fù)用到Create Tin和TIN to Raster工具，在ArcGis中可考慮利用模型構(gòu)建器將上述兩工具按流程連接起來構(gòu)建一個新的工具進(jìn)行使用［6］。暴雨等值線圖矢量數(shù)據(jù)柵格化工具模型流程如圖3所示。

圖3 暴雨等值線圖矢量數(shù)據(jù)柵格化工具模型流程

按前文步驟2方法利用ASTER GDEM 2 DEM及區(qū)域1∶1萬地形圖為基礎(chǔ)，得到13號路白石溝橋、3號路白石溝橋、2號路白石溝橋、3號路廟兒溝橋流域邊界數(shù)據(jù)。為保證后續(xù)點(diǎn)暴雨參數(shù)量算正確，需要將設(shè)計流域坐標(biāo)統(tǒng)一變換為等值線圖raster數(shù)據(jù)所用坐標(biāo)系。

按前文步驟3方法，以步驟1制作的點(diǎn)暴雨參數(shù)raster數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用ArcGis Feature To Point工具獲取設(shè)計流域重心位置，利用Extract Multi Values to Points即可批量量取設(shè)計流域點(diǎn)暴雨參數(shù)。其中Input point features為橋梁流域重心位置shp數(shù)據(jù)，Input rasters為前文制備的點(diǎn)暴雨等值線參數(shù)raster數(shù)據(jù)。

將本次ArcGis量算成果與人工估計成果進(jìn)行對比用以檢驗(yàn)該方法的合理性。經(jīng)對比分析可知，人工估計成果與ArcGis量算成果十分接近，表明本論文提出的ArcGis量算方法是合理可行的，量算成果也是可靠的，能夠應(yīng)用于實(shí)際工作之中。

為進(jìn)一步驗(yàn)證量算成果的合理性，本文采用量算的點(diǎn)暴雨參數(shù)計算不同橋址處的設(shè)計洪峰流量，并選用P=2%和P=10%設(shè)計洪峰流量為代表在雙對數(shù)格紙上點(diǎn)繪50年和10年一遇設(shè)計洪峰流量與集水面積關(guān)系圖，分析設(shè)計洪峰流量計算成果合理性。具體數(shù)據(jù)如表1～2所示。

表1 不同量算方法橋梁點(diǎn)暴雨量算成果

小流域設(shè)計洪水計算通常采用方法有推理公式法和瞬時單位線法等，對于四川而言，采用推理公式法居多。本文以推理公式法計算設(shè)計洪峰流量，設(shè)計流域地處盆地丘陵區(qū)，因此按《手冊》查得μ=3.6F-0.19，Cv=0.18，Cs／Cv=3.5。匯流參數(shù)根據(jù)盆地丘陵區(qū)，0≤θ＜30時，m=0.40θ0.204，θ=30～300時，m=0.092θ0.636。

表2 不同橋址處設(shè)計洪水成果 單位：m3／s

在雙對數(shù)格紙上點(diǎn)繪50年和10年一遇設(shè)計洪水洪峰流量與集水面積關(guān)系圖（見圖4～5），圖中“△”點(diǎn)為本次計算的各橋址處設(shè)計洪峰流量成果。

圖4 50年一遇設(shè)計洪水洪峰地區(qū)綜合分析

從圖中可以看出，本次計算的各橋址處洪峰流量緊靠地區(qū)綜合線，說明以本文量算的點(diǎn)暴雨參數(shù)計算的設(shè)計洪水成果是較為合理，進(jìn)一步論證了本文量算的點(diǎn)暴雨參數(shù)可有效用于工程實(shí)踐。

圖5 10年一遇設(shè)計洪水洪峰地區(qū)綜合分析

3 結(jié) 語

本文采用的基于ArcGis的小流域設(shè)計暴雨參數(shù)快速量算方法，具有量算速度快、精度高、計算簡單、基礎(chǔ)資料可重復(fù)使用等特點(diǎn)，可以有效提高設(shè)計人員的工作效率，特別是針對公路工程的小流域點(diǎn)暴雨參數(shù)量取效率提升有顯著效果，以此計算的小流域設(shè)計洪水與地區(qū)綜合線吻合較好，成果可靠，進(jìn)而對提高小流域設(shè)計洪峰流量有很大幫助，可廣泛用于線性工程等跨小流域較多的項(xiàng)目，大大提高設(shè)計人員的工作效率。