基于内涝淹没水深监测的岩溶洼地过水能力分析方法

1.本发明属于水利工程技术领域，具体涉及基于内涝淹没水深监测的岩溶洼地过水能力分析方法。


背景技术：

2.岩溶地区含水介质具有强烈的非均质性，下垫面地貌水文效应复杂，地表与地下水量交换频繁。洼地作为岩溶地区地表水与地下水的连接处，洼地内的地下岩溶裂隙、溶隙、管道发育，共同构成了洼地过水系统。岩溶含水系统所特有的二元三维空间结构系统使得岩溶流域水循环及产汇流较非岩溶流域更为复杂，汛期暴雨产生的洪水会通过洼地过水系统进入地下溶洞、地下河等岩溶储水系统，当进入储水系统的水量超过其过水能力时易引发洼地内涝灾害。因此，分析岩溶洼地过水能力对于岩溶地区山坡、洼地系统水文过程的模拟与预测对生态保护、水资源利用和洪涝灾害防治具有重要意义。
3.岩溶洼地地貌条件复杂，地下管道、溶洞普遍发育，目前难以直接测量洼地过水流量，大部分岩溶洼地既无实测流量也缺乏内涝监测水位资料。因此推求洼地过水能力常常采用间接概化计算的方法，部分学者借鉴调洪演算的思想分析岩溶洼地过水能力。张祖莲《清江利川落水洞过流能力分析[j]》根据岩溶地区特殊的地质条件，将进入洼地的洪水在落水洞前形成的滞蓄洪区视为“一个水库”，并将落水洞视为水库的“泄洪建筑物”，直接以落水洞邻近水文站修正后的水位-流量曲线作为落水洞的泄流曲线，结合历史实测淹没水位，根据水库调洪演算原理试算确定了清江利川落水洞的过流能力。蔡贵珍等《水库影响区溶蚀洼地排洪演算[j]》利用有压隧洞的水力学公式(q＝q为岩溶管道泄流量，μ为流量系数，w为岩溶管道过水面积，δh为近似管道进出口水位差描述岩溶洼地管道的泄流(过水)能力)，结合暴雨设计洪水过程线和洼地蓄积曲线，采用调洪演算原理试算得到了千师营溶蚀洼地的地下岩溶通道的最大过流能力。以上研究将岩溶洼地视为水库，地下溶洞视为水库的泄洪建筑物，采用简易的水力学公式计算或移用洼地邻近水文站水位-流量关系曲线的方式预定义洼地过水能力曲线，仅借鉴调洪演算的思想，验证洼地过水过程的合理性及预定义过水能力曲线的正确性。岩溶地貌中，裂隙、溶洞及管道均具备过水能力，因此岩溶洼地过水系统组成结构较为复杂，仅将落水洞和管道作为洼地的过水通道与实际并不完全相符。岩溶洼地过水系统中的水流大部分属于管道流，特点在于水动力特性复杂，目前关于准确描述岩溶地下管道水的汇流机制的理论尚不完善，且岩溶几何性质及水流运动路径难以探明，因此采用简易的水力学有压流隧洞计算公式通过试算得到的岩溶溶洞、管道过水过程结果具有较大的不确定性，同时也无法分析岩溶洼地裂隙中的渗流过水过程。李大成等《基于水量平衡的岩溶洼地泄流能力研究[j]》针对缺乏实测水位流量资料、滞洪时间长、淹没最高水位由多场次洪水叠加的岩溶洼地，提出了采用汛期径流资料，通过水量平衡方程试算确定贵州安龙县天盖海子岩溶洼地管道泄流(过水)能力的方法。但该研究中认为泄流(过水)能力是随着洼地内高程增加而均匀增加的假定与实际情况并不相符，某一高程(淹没水深)对应的岩溶洼地过水能力取决于该高程以下裂隙、溶隙与管道
等过水介质的分布，而各过水介质在各高程上分布并不均匀，因此高程变化对应的洼地过水能力变化并非均匀。李文兴等《岩溶浸没内涝灾害的物理(数学)模拟研究[j]》针对红水河梯级水电站的百龙滩、岩滩等库区岩溶洼地内涝灾害，将地下河管道作为岩溶洼地过水场所，构建物理(数学)模型模拟不同的大气降水、不同的地下河出口水位条件下岩溶洼地的内涝水位的变化规律。光耀华《关于岩溶浸没性内涝灾害初探[j]》、《岩滩水电站水库岩溶浸没性内涝的研究[j]》认为岩溶地下管道结构的制约是产生洼地内涝的内因，将暴雨设计洪水过程线作为洼地入流过程，结合退水阶段实测水位过程基于水量平衡方法计算谷地来水量与地下河排泄量之差，计算得到广西内涝区巴纳谷地的地下河排泄能力。但以上研究仅分析岩溶洼地内涝灾害退水过程中的地下河排泄能力，未考虑洼地内涝全过程中的岩溶过水系统对入流洪水过程的调蓄作用；且仅分析得到洼地最大过水能力，缺乏不同淹没水深-洼地过水能力曲线。


技术实现要素：

[0004]
为了解决上述问题，本发明提供了基于内涝淹没水深监测的岩溶洼地过水能力分析方法，具体技术方案如下：
[0005]
基于内涝淹没水深监测的岩溶洼地过水能力分析方法，包括以下步骤：步骤s1，在监测区岩溶洼地内设置内涝监测站网，监测所述监测区岩溶洼地内涝淹没水深变化过程，得到监测区岩溶洼地逐时段(如1小时)内涝淹没水深z与对应时刻t的关系，即监测区岩溶洼地内涝淹没水深过程线z～t，同时也监测岩溶洼地逐时段(如1小时)降雨量与水面蒸发数据；
[0006]
步骤s2，采集监测区岩溶洼地高精度dem数据；
[0007]
步骤s3，基于监测区高精度dem数据确定监测区岩溶洼地各内涝淹没水深z对应的岩溶洼地蓄水容量v，从而得到监测区岩溶洼地内涝淹没水深-蓄水容量关系曲线v～z，并进一步得到监测区岩溶洼地蓄水容量v与洼地内涝淹没水深z的函数关系v＝f(z)；
[0008]
步骤s4，利用步骤s1得到的岩溶洼地内逐时段(如1小时)降雨量数据以及水面蒸发数据驱动水文模型，由水文模型计算得到洼地入流洪水过程线，即监测区岩溶洼地的入流量q
入
与时刻t的关系曲线q
入
～t；
[0009]
步骤s5，将监测区岩溶洼地过水系统视为虚拟的水库，同时考虑岩溶过水系统介质在洼地各高程上的分布不均匀性，基于水量平衡方程利用监测区岩溶洼地的入流洪水过程线q
入
～t及步骤s1获得的同时段相应的监测区岩溶洼地内涝淹没水深过程线z～t，即可求出虚拟水库的出流过程线q
过
～t，该过程即为监测区岩溶洼地过水系统的过水能力曲线q
过
～t；
[0010]
步骤s6，根据步骤s5得到的监测区岩溶洼地过水系统的过水能力曲线q
过
～t得到t时刻监测区岩溶洼地过水系统的过水能力q
过，t
，根据相应时段t时刻的监测区岩溶洼地内涝淹没水深z
t
即可点绘监测区岩溶洼地内涝淹没水深-过水能力关系曲线z～q
过
，分段拟合点绘得到的z～q
过
曲线，提取对应的函数关系表达式q
过
＝f(z)；并进一步利用步骤s3得到的监测区岩溶洼地内涝淹没水深-蓄水容量关系曲线v～z建立t时刻监测区岩溶洼地实时蓄水量v
t
与监测区岩溶洼地过水系统的过水能力q
过，t
的关系，经过插值得到监测区岩溶洼地各淹没水深z对应的监测区岩溶洼地实时蓄水量v，进而点绘监测区岩溶洼地实时蓄水量v与
对应的监测区岩溶洼地过水系统的过水能力q
过
的关系曲线v～q
过
，再通过分段拟合曲线的方式提取对应的函数关系表达式q
过
＝f(v)，如此分析得到监测区岩溶洼地过水能力。
[0011]
优选地，所述步骤s1中所述内涝监测站网包括若干水位计以及远程终端单元、雨量遥测站、蒸发遥测站、服务器；若干所述水位计分别设置在监测区岩溶洼地底部消水点和主要控制点；所述远程控制端分别与若干所述水位计连接，用于将若干水位计的监测数据实时上传至服务器；所述雨量、蒸发遥测站分别用于监测所述监测区岩溶洼地的逐时段(如1小时)降雨量以及水面蒸发数据；
[0012]
所述服务器分别与雨量遥测站、蒸发遥测站、远程控制端进行数据交互，用于根据若干水位计的监测数据分析得到监测区岩溶洼地内涝淹没水深z与对应时间时刻t的关系，以及获取区岩溶洼地内逐时段(如1小时)降雨量、内涝水淹没水深以及水面蒸发数据。
[0013]
优选地，所述步骤s3中确定监测区岩溶洼地各内涝淹没水深z对应的监测区岩溶洼地蓄水容量v具体为：调用arcgis软件中空值函数工具与表面体积工具的批处理功能，以一定淹没水深变化量δh(如0.1m)为间距，提取确定监测区岩溶洼地各内涝淹没水深z对应的监测区岩溶洼地蓄水容量v。
[0014]
优选地，所述步骤s4中的水文模型可以为适用于岩溶流域径流过程模拟的分布式水文模型或集总式水文模型，基于水文模型的洼地入流洪水预报方案的精度满足现行《水文情报预报规范》中乙级及以上精度等级采用岩溶洼地入流洪水实测资料率定预报方案参数，若岩溶洼地缺乏入流洪水实测资料，则采用邻近小型岩溶流域实测洪水资料率定预报方案参数。
[0015]
优选地，所述步骤s5中，求出虚拟水库的出流过程线q
过
：t具体如下：v
t
＝f(z
t
)；
[0016]
δv＝v
t-v
t-1
＝f(z
t
)-f(z
t-1
)；
[0017][0018]
其中，z
t
为t时刻内涝监测站网的水位计监测得到的监测区岩溶洼地的实时内涝淹没水深；z
t-1
为t-1时刻内涝监测站网的水位计监测得到的监测区岩溶洼地的实时内涝淹没水深；v
t
为t时刻由监测区岩溶洼地内涝淹没水深-蓄水容量关系曲线v:z计算得到的监测区岩溶洼地实时蓄水量；v
t-1
为t-1时刻由监测区岩溶洼地内涝淹没水深-蓄水容量关系曲线v～z计算得到的监测区岩溶洼地实时蓄水量；δt为单位时段；δv为单位时段内监测区岩溶洼地蓄水量的变化量；q
入,t
为t时刻岩溶水文模型计算得到的监测区岩溶洼地的实时入流量；e
t
为t时刻内涝监测站网的蒸发遥测站监测得到的监测区岩溶洼地的实时水面蒸发量；q
过,t
为t时刻监测区岩溶洼地过水系统的过水能力。
[0019]
本发明的有益效果为：相比于现有技术，本发明采用水位计实时监测洼地内涝淹没水深变化过程，结合洼地内涝淹没水深-蓄水容量关系曲线，考虑岩溶过水系统介质在洼地各高程上的分布不均匀性，根据水量平衡原理直接计算得到洼地各时段过水量，能够有效规避移用简易水力学方法间接概化计算洼地地下管道过水能力试算时的误差，减少计算结果的不确定性，从而更直接、准确地计算出洼地过水能力；另一方面该方法对数据要求程度相对较低、简便易行，能够适用于各类型岩溶洼地过水能力分析，为岩溶洼地内涝灾害过程预报预警提供技术支撑。
附图说明
[0020]
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
[0021]
图1为本发明的原理示意图；
[0022]
图2为岩溶洼地内涝淹没水深-蓄水容量关系曲线；
[0023]
图3为基于水量平衡方程构建岩溶洼地过水系统虚拟水库对入流洪水调蓄-排泄过程的计算分析方法示意图；
[0024]
图4为基于实测内涝淹没水深及模拟入流数据的洼地时段过水能力计算方法示意图；
[0025]
图5岩溶洼地内涝淹没水深-过水能力关系曲线示意图；
[0026]
图6为岩溶洼地内涝淹没水深-过水能力关系推求流程图；
[0027]
图7为本发明的内涝监测站网原理图。
具体实施方式
[0028]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0029]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0030]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0031]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
[0032]
如图1所示，本发明的具体实施方式提供了基于内涝淹没水深监测的岩溶洼地过水能力分析方法，包括以下步骤：
[0033]
步骤s1，在监测区岩溶洼地内设置内涝监测站网，监测所述监测区岩溶洼地内涝淹没水深变化过程，得到监测区岩溶洼地逐时段(如1小时)内涝淹没水深z与对应时刻t的关系，即监测区岩溶洼地内涝淹没水深过程线z～t，同时也监测岩溶洼地逐时段(如1小时)降雨量与水面蒸发数据。
[0034]
其中，如图7所示，内涝监测站网包括若干水位计以及远程终端单元(rtu)、雨量遥测站、蒸发遥测站、服务器；若干所述水位计分别设置在监测区岩溶洼地底部消水点和主要控制点；所述远程控制端分别与若干所述水位计连接，用于将若干水位计的监测数据实时上传至服务器；所述雨量、蒸发遥测站分别用于监测所述监测区岩溶洼地的逐时段(如1小时)降雨量以及水面蒸发数据。
[0035]
所述服务器分别与雨量遥测站、蒸发遥测站、远程控制端进行数据交互，用于根据
若干水位计的监测数据分析得到监测区岩溶洼地内涝淹没水深z与对应时间时刻t的关系，以及获取区岩溶洼地内逐时段(如1小时)降雨量、内涝水淹没水深以及水面蒸发数据。
[0036]
步骤s2，由开源数据库采集监测区岩溶洼地dem数据，下载时空间分辨率为12.5m的nasa earthdata alos高精度dem数据。
[0037]
步骤s3，根据步骤s2中采集的监测高精度dem数据，调用arcgis软件中空值函数工具与表面体积工具的批处理功能，以一定淹没水深变化量δh为间距，在本实施可以选择0.1m，提取确定监测区岩溶洼地各内涝淹没水深z对应的监测区岩溶洼地蓄水容量v，从而得到监测区岩溶洼地内涝淹没水深-蓄水容量关系曲线v～z，并进一步得到监测区岩溶洼地蓄水容量v与洼地内涝淹没水深z的函数关系v＝f(z)，如图2所示。
[0038]
步骤s4，利用步骤s1得到的岩溶洼地内逐时段降雨的雨量数据水面蒸发数据数据驱动水文模型，由水文模型计算得到洼地入流洪水过程线，即监测区岩溶洼地的入流量q
入
与时刻t的关系曲线q
入
～t。水文模型可以为适用于岩溶流域径流过程模拟的分布式水文模型或集总式水文模型，基于水文模型的洼地入流洪水预报方案的精度应满足现行《水文情报预报规范》中乙级及以上精度等级；采用岩溶洼地入流洪水实测资料率定预报方案参数，若岩溶洼地缺乏入流洪水实测资料，则采用邻近小型岩溶流域实测洪水资料率定预报方案参数。
[0039]
步骤s5，将监测区岩溶洼地过水系统视为虚拟的水库，同时考虑岩溶过水系统介质在洼地各高程上的分布不均匀性，基于水量平衡方程，如图3-4所示，当洪水进入监测区岩溶洼地时，监测区岩溶洼地内涝淹没水深(蓄水位)与监测区岩溶洼地底部过水系统入口齐平，q
入
～t为监测区岩溶洼地入流洪水过程，q
过
～t为监测区岩溶洼地过水系统过水过程，z～t为监测区岩溶洼地内涝淹没水深变化过程。监测区岩溶洼地过水系统对洪水的调蓄过程分为以下三个阶段：
①
洪水进入监测区岩溶洼地时刻t0对应水库调蓄-排泄洪水过程中的初始时刻，此时“初始水位”z0对应监测区岩溶洼地底部过水系统入口被淹没的高程，监测区岩溶洼地过水系统过水量q
过，0
＝q
洞
，q
洞
为洼地底部主要落水洞本身的过水能力，与落水洞的直径及位置有关，可根据实地测量数据确定；
②
在t0～t2时段，由于q
入，t
＞q
过，t
，监测区岩溶洼地始终处于蓄水状态，内涝淹没水深z
t
不断升高，进入监测区岩溶洼地过水系统的过水量q
过
也相应增大。至t2时刻，q
入，2
＝q
过，2
，此时监测区岩溶洼地达到最大淹没水深z2与最大蓄洪量，监测区岩溶洼地过水系统的过水量也达到最大；t2时刻以后，由于q
入，t
＜q
过，t
，上一时段暂蓄的洪水逐渐通过监测区岩溶洼地过水系统下泄至地下岩溶储水系统，洼地内涝淹没水深z
t
逐渐下降，过水系统泄水量q
过，t
也随之减小。至t4时刻，监测区岩溶洼地内涝水位降至底部消水点被淹没的高程，调蓄-排泄过程结束。
[0040]
利用监测区岩溶洼地的入流洪水过程线q
入
～t及步骤s1获得的同时段相应的监测区岩溶洼地内涝淹没水深过程线z～t，即可求出虚拟水库的出流过程线q
过
～t，该过程即为监测区岩溶洼地过水系统的过水过程曲线q
过
～t；具体如下：
[0041]vt
＝f(z
t
)；
[0042]
δv＝v
t-v
t-1
＝f(z
t
)-f(z
t-1
)；
[0043][0044]
其中，z
t
为t时刻内涝监测站网的水位计监测得到的监测区岩溶洼地的实时内涝
淹没水深，m；z
t-1
为t-1时刻内涝监测站网的水位计监测得到的监测区岩溶洼地的实时内涝淹没水深，m；v
t
为t时刻由监测区岩溶洼地内涝淹没水深-蓄水容量关系曲线v:z计算得到的监测区岩溶洼地实时蓄水量，m3；v
t-1
为t-1时刻由监测区岩溶洼地内涝淹没水深-蓄水容量关系曲线v:z计算得到的监测区岩溶洼地实时蓄水量，m3；δt为单位时段，s；δv为单位时段内监测区岩溶洼地蓄水量的变化量，m3；q
入，t
为t时刻岩溶水文模型计算得到的监测区岩溶洼地的实时入流量，m3/s；e
t
为t时刻内涝监测站网的蒸发遥测站监测得到的监测区岩溶洼地的实时水面蒸发量，m；q
过，t
为t时刻监测区岩溶洼地过水系统的过水量，m3/s。
[0045]
步骤s6，如图5-6所示，根据步骤s5得到的监测区岩溶洼地过水系统的过水过程曲线q
过
～t得到t时刻监测区岩溶洼地过水系统的过水流量q
过，t
，根据相应时段t时刻的监测区岩溶洼地内涝淹没水深z
t
即可点绘监测区岩溶洼地内涝淹没水深-过水能力关系曲线z～q
过
，分段拟合点绘得到的z～q
过
曲线，提取对应的函数关系表达式q
过
＝f(z)；并进一步利用步骤s4得到的监测区岩溶洼地内涝淹没水深-蓄水容量关系曲线v～z建立t时刻监测区岩溶洼地实时蓄水量v
t
与监测区岩溶洼地过水系统的过水流量q
过，t
的关系，经过插值得到监测区岩溶洼地各淹没水深z对应的监测区岩溶洼地实时蓄水量v，进而点绘监测区岩溶洼地实时蓄水量v与对应的监测区岩溶洼地过水系统的过水流量q
过
的关系曲线v～q
过
，再通过分段拟合曲线的方式提取对应的函数关系表达式q
过
＝f(v)，如此分析得到监测区岩溶洼地过水能力。
[0046]
本发明将裂隙、溶隙及管道等含水介质共同构成的岩溶洼地过水系统概化为虚拟水库，布设岩溶洼地内涝监测站网，采集内涝过程中淹没水深等水文数据，基于水量平衡方程构建岩溶洼地过水系统虚拟水库模型，考虑岩溶过水系统介质在洼地各高程上的分布不均匀性，提出不同内涝淹没水深下岩溶洼地过水系统对入流洪水的调蓄-排泄过程计算方法，分析岩溶洼地过水系统过水能力。相比于现有技术，本发明采用水位计实时监测洼地内涝淹没水深变化过程，结合洼地内涝淹没水深-蓄水容量关系曲线，考虑岩溶过水系统介质在洼地各高程上的分布不均匀性，根据水量平衡原理直接计算得到洼地各时段过水量，能够有效规避移用简易水力学方法间接概化计算洼地地下管道过水能力试算与忽略岩溶过水介质在洼地各高程空间分布不均匀性带来的误差，减少计算结果的不确定性，从而更直接、准确地计算出洼地过水能力；另一方面该方法对数据要求程度相对较低、简便易行，能够适用于各类型岩溶洼地过水能力分析，为岩溶洼地内涝灾害过程预报预警提供技术支撑。
[0047]
针对现有技术中采用有限的洼地历史降雨洪痕、资料推求洼地过水能力代表性不强的问题，本发明根据岩溶洼地地形特点，在监测区岩溶洼地内布设水位计、远程终端单元、雨量遥测站、蒸发遥测站，构建内涝监测站网，收集多场洼地内涝区内房屋建筑、农田、道路等重要基础设施受淹的实测降雨-内涝淹没水深资料，为后续的分析计算过程提供高精度的实时基础数据。
[0048]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明
的范围。
[0049]
在本技术所提供的实施例中，应该理解到，单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元可结合为一个单元，一个单元可拆分为多个单元，或一些特征可以忽略等。
[0050]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。