基于ArcGis的小流域設計暴雨參數快速量算方法

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.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051；3.湘西土家族苗族自治州水利水電勘測設計研究院，湖南吉首 416000）

0 前 言

小流域設計洪水通常采用暴雨洪水法［1］推求，往往需要量算設計流域重心處點暴雨參數。以四川省小流域設計洪水為例，需要量算小流域重心處年最大10 min點雨量，年最大10 min點雨量變差系數Cv，年最大1 h點雨量，年最大1 h點雨量變差系數Cv，年最大6 h點雨量，年最大6 h點雨量變差系數Cv，年最大24 h點雨量，年最大24 h點雨量變差系數Cv。暴雨洪水手冊提供的暴雨等值線圖，通常為柵格圖片數據，無投影信息，不能直接與設計流域直接疊圖，不便于直接量算估計。同時，對于公路等線性工程來說，需要量算的設計小流域數量眾多。采用傳統人工從暴雨等值線圖上直接估計讀取點暴雨參數的方法，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計暴雨參數快速量算方法，利用ArcGis對暴雨等值線圖進行處理，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數據。因暴雨等值線raster數據帶有投影信息，能夠與基于ArcGis的水文集水區劃分成果進行疊圖分析，可快速批量的量算小流域設計暴雨參數。

1 量算步驟

基于ArcGis的小流域設計暴雨參數快速量算方法有以下幾個步驟。

1.1 步驟1：量算基礎數據制作

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

1.2 步驟2：設計流域邊界提取

為快速準確地獲取設計流域邊界，需要對研究區域進行水文匯水區分析。本文建議先以ASTER GDEM 2 DEM為水文分析地形數據，利用ArcGis水文分析工具［2］進行水文集水區劃分。因小流域流域面積較小，利用ASTER GDEM 2［3］數據進行水文分析，其集水區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：設計暴雨參數快速量算

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

2 案例應用

2.1 項目概況

天府國際機場空港新城位于四川省簡陽市境內，區內絳溪南組團南中心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，發源于堅石村附近，先向北流，過馬草灣，于輝樓溝處轉向西流，過花廠村于老廟溝附近轉向北流，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，發源于泡東樹灣附近，大體自西南往東北流經毛家祠村，隨后轉向東流經老卓家灣、三個碑，于高廠村納入右岸支溝白石溝，隨后轉向北方向流經燒房碥，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，其設計洪水需要采用暴雨洪水法途徑進行計算，需要從暴雨等值線圖上量算橋梁設計流域點暴雨。本次以上述橋梁設計流域點暴雨量算為例說明本方法的實現過程。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《四川省中小流域暴雨洪水計算手冊》［4］設計流域點暴雨參數需要量算流域重心處年最大10 min點雨量值，年最大10 min點雨量變差系數Cv值，年最大1 h點雨量值，年最大1 h點雨量變差系數Cv值，年最大6 h點雨量值，年最大6 h點雨量變差系數Cv值，年最大24 h點雨量值，年最大24 h點雨量變差系數Cv值。

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

按前文步驟2方法利用ASTER GDEM 2 DEM及區域1∶1萬地形圖為基礎，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據。為保證后續點暴雨參數量算正確，需要將設計流域坐標統一變換為等值線圖raster數據所用坐標系。

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

將本次ArcGis量算成果與人工估計成果進行對比用以檢驗該方法的合理性。經對比分析可知，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，能夠應用于實際工作之中。

為進一步驗證量算成果的合理性，本文采用量算的點暴雨參數計算不同橋址處的設計洪峰流量，并選用P=2%和P=10%設計洪峰流量為代表在雙對數格紙上點繪50年和10年一遇設計洪峰流量與集水面積關系圖，分析設計洪峰流量計算成果合理性。具體數據如表1～2所示。

表1 不同量算方法橋梁點暴雨量算成果

小流域設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計洪峰流量，設計流域地處盆地丘陵區，因此按《手冊》查得μ=3.6F-0.19，Cv=0.18，Cs／Cv=3.5。匯流參數根據盆地丘陵區，0≤θ＜30時，m=0.40θ0.204，θ=30～300時，m=0.092θ0.636。

表2 不同橋址處設計洪水成果 單位：m3／s

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

圖4 50年一遇設計洪水洪峰地區綜合分析

從圖中可以看出，本次計算的各橋址處洪峰流量緊靠地區綜合線，說明以本文量算的點暴雨參數計算的設計洪水成果是較為合理，進一步論證了本文量算的點暴雨參數可有效用于工程實踐。

圖5 10年一遇設計洪水洪峰地區綜合分析

3 結 語

本文采用的基于ArcGis的小流域設計暴雨參數快速量算方法，具有量算速度快、精度高、計算簡單、基礎資料可重復使用等特點，可以有效提高設計人員的工作效率，特別是針對公路工程的小流域點暴雨參數量取效率提升有顯著效果，以此計算的小流域設計洪水與地區綜合線吻合較好，成果可靠，進而對提高小流域設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目，大大提高設計人員的工作效率。