[发明专利]一种区分坡面和沟道汇流速度差异的地貌单位线构建方法

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体涉及一种水文时段单位线计算方法，尤其涉及一种地貌时段单位线构建方法。

背景技术

随着我国大江大河防洪工程的完善，防洪标准得到了普遍提高，由大江大河工程失事或漫溢造成的洪水风险大大降低了。当前，山洪灾害已经成为我国洪涝灾害中造成人员伤亡的主要灾种。在山洪问题的防治工作中，很多科学问题亟待解决，如山洪危险区的划分问题、山洪预警指标阈值的确定问题、山洪风险图成图技术等，这些问题的解决都离不开山区小流域暴雨洪水分析计算技术。由于山洪产生过程的复杂性、山区流域特征的复杂性以及短历时强降雨的不确定性等因素，再加上山区流域的实测水文资料较少，造成山洪过程分析计算具有很高的难度。规划领域用的比较多的推理公式法和经验公式法等经验、半经验的方法一般多是关注洪峰值大小，无法推求任意降雨过程对应的山洪过程。常规的水文模型的应用一般需要实测的洪水数据来率定相关的模型参数，而山区小流域往往无实测的水文数据，造成了这类水文模型应用困难。因此，针对山洪过程模拟计算的特点，需要考虑新的对无水文资料或缺乏水文资料地区具有较好适用性的计算方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种仅依靠地形、地貌数据，同时考虑坡面和沟道汇流速度差异的地貌时段单位线计算方法，可克服山区小流域无水文资料或水文资料缺乏状态下无法进行准确洪水分析计算的问题，能够用于山区小流域洪水预报预警的业务中。本发明的目的是通过以下技术方案实现。

一种区分坡面和沟道汇流速度差异的地貌单位线构建方法，所述方法基于水文“粒子说”假定，设定每个栅格上均有一雨滴粒子，该粒子会有一条固定路径流到流域出口，所述方法包括以下步骤：

1)采集小流域数字高程模型数据；

2)采用D8算法计算小流域的流向数据，提取小流域的水系，将栅格区分为坡面栅格和沟道栅格；

3)确定时段单位线的计算时段Δt；

4)计算每个雨滴粒子沿着固定的流路到达流域出口的时间；

5)统计每个时段内到达流域出口的雨滴粒子数量以及其占总粒子数的相对百分比；

6)将各相对百分比依次相加得到S曲线；

7)根据S曲线计算该流域的无因次时段单位线，如式(1)

u(Δt,t)＝S(t)-S(t-Δt)(1)

式中：u(Δt,t)为时段为Δt的无因次单位线在t时刻的数值；S(t)为t时刻S曲线值；S(t-Δt)为t-Δt时刻S曲线值；

8)将无因次时段单位线转为时段单位线，如式(2)

式中：q(Δt,t)为时段为Δt的单位线在t时刻的数值；F为流域面积，单位为km²,Δt以小时计。

进一步的，山丘区流域集水面积大于2.5km²时，对步骤8)所获得的时段单位线采用线性水库法进行一次调蓄计算。

进一步的，步骤2)中将坡面栅格的属性赋值为0，将沟道栅格的属性赋值为1。

进一步的，步骤3)确定的计算时段Δt可以是任意时间步长，不局限于水文领域常用的以1h为时段的时间步长。

进一步的，步骤4)的具体计算方法为：根据粒子每一步运动的距离除以相应的汇流速度，得到粒子单步运动的时间；将粒子从开始位置运动到流域出口位置所经历的所有单步运动时间相加即可得到粒子汇流时间，即所述雨滴粒子沿着固定的流路到达流域出口的时间。

进一步的，当粒子在坡面上运动时，采用式(3)计算汇流速度，

式中：K_坡为坡面汇流系数，J_坡为流域坡面平均坡度；

而当粒子进入沟道后，采用式(4)进行计算汇流速度，

式中：K_沟为沟道汇流系数，J_沟为流域沟道平均坡度。

进一步的，粒子从一个栅格运动到另一个栅格的路径长度有两种，正向运动的距离是栅格的长度L，对角运动的距离为

进一步的，步骤5)计算出的各时段内到达流域出口的雨滴粒子数量占总粒子数的相对百分比依次累积相加得到的值即S曲线在Δt,2Δt,3Δt......nΔt时刻处的坐标值。