无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统的制作方法

本发明属于水文学与水资源，具体涉及无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统。

背景技术：

1、1、传统无资料地区水文计算依靠人工查算手段，成本高、工作量巨大，对边界条件依赖性强、参数变化敏感度高。

2、国外对无资料地区设计洪水研究起步较早，设计洪水的估算主要依靠水文气象法和数理统计法，前者通过暴雨资料来进行设计洪水的推求，后者则凭借实测系列流量数据进行计算。英国水文工作者通常会考虑利用移置法、超定量系列、流域特征法对年最大洪水中值进行计算，借用有资料地区水文参数，得到研究区的频率曲线，该方法在英国应用极其广泛。美国同样是共享水文相似区域的数据，但对于资料的借用主要是构建流域特征和洪峰流量的关系，根据流域特征求出研究区设计流量。

3、我国陆地面积广阔，水文站点密度处于世界平均水平，但分布不均，主要集中在经济发达、人口密集地区，而江河起源地和西部地区分布密度较少。上世纪50年代我国进行了大范围的水文调查，各省也相继完成了《水文图集》、《水文手册》以及《暴雨洪水图集》等编制成果。这些前期成果的积累为无资料地区中小流域设计洪水分析起到重要推动作用。地区暴雨洪水综合方法是根据各地区多年的实测资料，研究这些实测资料综合分析出各地暴雨洪水规律，进而建立起暴雨洪水规律与流域特征之间的经验性关系。在缺乏资料的流域可以此进行洪水估算，主要有推理公式法、瞬时单位线法和地区经验公式法。

4、目前国内无资料地区小流域设计洪水的分析计算方面，勘测设计项目仍旧普遍秉持上述方法，均按照省市地区水文部门编制出版的水文手册和暴雨洪水图集进行计算，具有“一地区一算法”，针对性强、普遍认可度高的特点，计算过程中涉及参数和计算步骤较多，参数选取及查算量较大，成果对边界条件依赖性较强，参数变化对结果的敏感性较高，不能适应当前高质量发展需求。

5、2、已有商业水文分析软件与插件的水文分析功能较强大，但非专业人士使用不便，且涉及版权与保密问题，难以大范围推广。

6、水文模型的应用随着自动化理论、计算机技术、数学模型、数理统计等的发展，对信息数据的处理速度得到了大幅度提高。目前使用水文模型计算流域的洪水已经成为了一种重要的手段，如swat模型、scs模型、ihacres模型、topmooel模型等。其中scs模型是美国农业部水土保持局(soil conservation service)于1954年专门为小流域而开发的模型。该模型包括产流和汇流两部分，产流部分引入一个无因次的参数fcn，反映了降雨前的流域特征，与土壤、坡度、植被、土地利用等密切相关；汇流部分采用一条无因次的单位线来计算径流过程。该模型已在无资料地区、城市水文等问题中得到应用并取得不错的效果。topmodel模型、ihacres模型及其他分布式水文模型在无资料地区也有应用。

7、美国陆军工程师团水文中心(hec)基于旗下的hec-1研发了水文计算程序hec-hms。该模型可以模拟不同地区和条件下的降水径流过程，由流域模型组件、气象模型组件以及控制设定组件三部分组成，具有强大的水文模拟能力，在洪水预报、洪泛区规划等方面具有广泛的应用。

8、mike软件是丹麦水资源及水环境研究所(dhi)的产品，是目前世界上经过实际工程验证最多的，被水资源研究人员广泛认同的软件。功能涉及范围从降雨-产流-河流-城市-河口-近海-深海，从一维到三维，从水动力到水环境和生态系统，从流域大范围水资源评估和管理的mike basin，到地下水与地表水联合的mike she，一维河网的mike11，城市供水系统的mike net和城市排水系统的mike mouse，二维和地表水体的mike21，近海的沿岸流litpack，直到深海的三维mike3。但多个项目实践中表明该软件参数使用在我国无资料地区分析结果始终存疑，因此需要一个适用于我国无资料地区的中小流域水文数值分析平台。

9、3、已有二次开发水文分析平台只能进行公式化参数计算，不具备自动量取流域水文特征参数的功能，只是半自动化的计算，三维显示功能严重不足。

10、水文分析平台的二次开发不断发展。山西省水文水资源勘测局开发的山西省水文计算手册实用程序实现了产流、汇流计算，并实现了雨面量合理性检查，但是没有对目标流域特征参数进行量取。河南省中小流域设计暴雨洪水自动查算平台是使用《河南省中小流域设计暴雨洪水图集》(1984河南省水利勘测设计院主编)进行数字化，利用gis(geographic information system)即地理信息系统建模并将转换后的数据存入数据库，根据输入的地理坐标自动查图获取计算点暴雨参数。该平台已经很好的解决了自动化查算，但该平台没有进行图集矢量化，计算结果需要反复验证，只是半自动化计算，对于用户使用并不友好。

11、搭建具有水文特色的空间数据库管理系统，是实现数字水文的前提与必经之路，根据综合比选，确定采用基于gis的组件包底层开发模式。传统的地理信息系统不但独立封闭，而且功能复杂，信息冗余，很多功能与企业和用户需求相关性不大，对于系统的开发也必须掌握相应的二次开发语言、熟悉相应的方法和类库，导致其系统的开发成本和周期也成倍增加。gis完全独立开发过程复杂，效率低下，基于gis的二次开发虽然弥补了效率低下的缺点，但系统运行必须依赖专业的gis软件，不利于推广，而基于组件的地理信息开发，利用封装好的gis组件包(如arc engine组件)进行底层开发，操作简单，适用性广，更加灵活。为更好的实现水文水资源信息的提取，应融入计算机技术，积极开发三维立体gis技术。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统，矢量化地区暴雨洪水图集构建无资料地区地理空间数据库，自动量取流域水文特征参数，设计暴雨历时，再根据地区暴雨洪水算法基础，实现设计暴雨、产流、汇流、洪水过程线全过程自动化计算，并进行动态模拟，成本低、工作量小、具备二维、三维显示功能，可实现大范围推广。

2、本发明采取的技术方案是无资料地区中小流域设计暴雨洪水计算辅助系统，包括数据库、图集矢量化入库模块、洪水计算模块、可视化展示模块；

3、数据库用于存储数据；

4、图集矢量化入库模块用于对地区纸质暴雨洪水图集进行数据格式转换，将转换后的数据进行地理配准，并对图件进行点线面要素的矢量化，最后将矢量化的数据写入数据库构建图集的地理空间数据库；

5、洪水计算模块用于通过自动量算流域水文特征参数、判断暴雨历时、设计点雨量计算、设计面雨量分析、流域形状改正、入渗量、前期影响雨量、潜流量的自动计算、根据流域特征参数适配选用推理公式法或瞬时单位线法进行分析计算，得到设计洪峰流量及设计洪水过程线，实现设计暴雨、产流、汇流、洪水过程线全过程自动化计算；

6、可视化展示模块用于实现水文数值分析计算与可视化展示，在暴雨-产流-汇流-河道洪水过程方面实现动态模拟。

7、进一步地，所述数据库为开源业务数据库postgresql与空间数据库postgis相结合。

8、进一步地，所述图集矢量化入库模块步骤包括：

9、⑴图像扫描；

10、⑵图像预处理；

11、⑶地理配准；

12、⑷数据分层；

13、⑸图形数据追踪；

14、⑹属性录入。

15、进一步地，所述图形数据追踪步骤包括：

16、⑴图像分割；

17、⑵图像二值化；

18、⑶膨胀与腐蚀；

19、⑷矢量化。

20、进一步地，所述洪水计算模块包括流域水文特征参数提取单元、设计暴雨历时单元、设计暴雨计算单元，流域水文特征参数提取单元用于依据河流目标倾泄点和dem高程数据自动勾勒目标流域，提取流域特征参数：流域面积f、主河道长度l、河道平均比降j；设计暴雨历时单元用于根据目标流域面积大小，以地区经验类别划分，自动确定设计暴雨历时；设计暴雨计算单元用于通过目标流域识别的形心位置自动识别暴雨相似区，以内插法计算点雨量、折算点面系数、分析暴雨衰减指数，自动适配暴雨时程分配雨型、分析面雨量及流域形状改正。

21、进一步地，所述流域水文特征参数提取单元中，河道平均比降j需要在gis区域中根据等高线地形图读取每个特征点高程以及相应的相邻两特征点间距离后，再根据下式进行计算：

22、

23、式中，z0、z1、…、zn为自出口断面至分水岭沿主河槽各特征点高程；l1、l2、…、ln为各特征点间距离；l为主河道长度。

24、进一步地，所述洪水计算模块还包括产流分析单元和汇流分析单元，产流分析单元用于根据识别的目标流域，区分蓄满产流和超渗产流模式，自动分析入渗量及土壤前期影响雨量，以目标区域的潜流百分比扣除潜流得到地面净雨过程；汇流分析单元用于根据目标流域面积大小，适配选择推理公式法或瞬时单位线法进行分析计算，通过流域特征参数、汇流参数、单位线形态参数、非线性改正系数、雨强与滞时系数的自动计算，得到设计洪峰流量及设计洪水过程线。

25、进一步地，选用推理公式法计算需要补充设计洪水过程线的概化计算，回加潜流及基流。

26、本发明的有益效果在于：

27、1.基于组件的gis开发实用性强、适用范围广

28、现有的商业软件和插件虽然水文分析功能强大，但是过于臃肿，针对性不明确，且在应用时灵活性不够。基于组件的gis开发，也就是调用gis中的工具，利用封装好的gis组件包，如arcengine组件进行底层开发，更好的服务水文分析。该技术不仅开发快速便捷，且本身依赖的环境较少，相比于独立开发和单纯的二次开发而言，该方式更加灵活，不用学习复杂的编程入门语言也可以实现，同时也降低了企业的研发成本。

29、2.b/s架构成本低、维护方便、分布性强、开发简单

30、b/s(browser/server)即浏览器/服务器可以实现客户端零维护，系统易扩展，无论用户的规模有多大、有多少分支机构都不会增加任何维护升级的工作量，所有的操作只需要针对服务器进行。如果是异地，只需要把服务器连接专网即可，实现远程维护、升级和共享，节省了大量人力、物力、时间即费用。凡使用b/s架构的应用管理软件，只需安装在linux服务器上即可，而且安全性高，所以服务器操作系统的选择不设限，且linux操作系统、数据库均是免费的。

31、3.实现水文设计工作数字化及高效化。

32、编写产汇流算法编译文件，矢量化水文图集及查算表格，构建陕西省河流水系框架，研究分解产汇流计算中常用函数s曲线及皮尔逊ⅲ型函数，实现流域自动提取及水文特征参数自动量算，拓展强化平台的可视化应用，替代传统的人为搭建概念模型，简化项目的实践操作，建立用户授权的管理机制，搭建水文数值分析平台，完成系统平台测试及验证，提高无资料地区中小流域设计洪水分析计算的准确度及效率。

33、4.为今后搭建具有丰富功能的水文数值分析平台提供经验

34、在业务领域，对水文数值平台进行逐步实践应用，拓展完善各功能模块在不同区域实例项目中洪水演算的准确性和适用性，实时更新并丰富平台组成模块的多元版本功能。总结水文分析数值平台研发成果，全阶段各类各项资料的整理，以期模拟水文现象，揭示水文规律，为新兴智慧水利、流域孪生业务发展作出贡献。