基于ArcGis的小流域设计暴雨参数快速量算方法

冉 鸿，刘 刚，李绍平

（1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610065；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；3.湘西土家族苗族自治州水利水电勘测设计研究院，湖南吉首 416000）

0 前 言

小流域设计洪水通常采用暴雨洪水法［1］推求，往往需要量算设计流域重心处点暴雨参数。以四川省小流域设计洪水为例，需要量算小流域重心处年最大10 min点雨量，年最大10 min点雨量变差系数Cv，年最大1 h点雨量，年最大1 h点雨量变差系数Cv，年最大6 h点雨量，年最大6 h点雨量变差系数Cv，年最大24 h点雨量，年最大24 h点雨量变差系数Cv。暴雨洪水手册提供的暴雨等值线图，通常为栅格图片数据，无投影信息，不能直接与设计流域直接叠图，不便于直接量算估计。同时，对于公路等线性工程来说，需要量算的设计小流域数量众多。采用传统人工从暴雨等值线图上直接估计读取点暴雨参数的方法，工作量大、耗时长、易出错。基于上述弊端，本文基于ArcGis提出了一种小流域设计暴雨参数快速量算方法，利用ArcGis对暴雨等值线图进行处理，制作带投影信息的暴雨等值线图，采用Arc-Gis软件的3D Analyst Tools工具制作带投影信息暴雨等值线raster数据。因暴雨等值线raster数据带有投影信息，能够与基于ArcGis的水文集水区划分成果进行叠图分析，可快速批量的量算小流域设计暴雨参数。

1 量算步骤

基于ArcGis的小流域设计暴雨参数快速量算方法有以下几个步骤。

1.1 步骤1：量算基础数据制作

目前，设计使用的各省暴雨等值线图基本均为栅格数据，无投影信息，该数据不能直接与设计流域快速叠图分析，需要进行地图配准。采用ArcGis软件的Georeferencing工具对暴雨等值线图进行配准，投影坐标系设置为暴雨等值线图相同的投影坐标系。考虑到暴雨等值线图作为后续操作的基础数据，为保证等值图的精度，建议采用网逐点校正。以配准后的暴雨等值图为基础，数字化等值线图，并给等值线赋予相应的值，得到暴雨等值线图矢量数据。以暴雨等值线图矢量数据为基础，以省行政界限数据为边界，利用Create Tin和TIN to Raster工具制作等值线raster数据。量算基础数据制作流程示意如图1所示。

1.2 步骤2：设计流域边界提取

为快速准确地获取设计流域边界，需要对研究区域进行水文汇水区分析。本文建议先以ASTER GDEM 2 DEM为水文分析地形数据，利用ArcGis水文分析工具［2］进行水文集水区划分。因小流域流域面积较小，利用ASTER GDEM 2［3］数据进行水文分析，其集水区划分成果可能存在较大偏差，可采用该流域附近1∶50 000或1∶10 000扫描地形图为底图，校正流域边界。

1.3 步骤3：设计暴雨参数快速量算

利用ArcGis中Feature To Point工具获取设计流域重心位置［4］，利用Extract Multi Values to Points批量提取设计流域点暴雨参数。

2 案例应用

2.1 项目概况

天府国际机场空港新城位于四川省简阳市境内，区内绛溪南组团南中心13号路支路、3号路（绛溪二线）、2号路（南一线）道路配套工程涉及4座跨河桥梁，分别为13号路白石沟桥、3号路白石沟桥、2号路白石沟桥、3号路庙儿沟桥。白石沟为庙儿沟右岸一级支沟，发源于坚石村附近，先向北流，过马草湾，于辉楼沟处转向西流，过花厂村于老庙沟附近转向北流，最终在高厂村附近流入庙儿沟，沟口集雨面积为5.86 km2。庙儿沟为绛溪河右岸一级支流，发源于泡东树湾附近，大体自西南往东北流经毛家祠村，随后转向东流经老卓家湾、三个碑，于高厂村纳入右岸支沟白石沟，随后转向北方向流经烧房碥，随后向东流，在板板桥村附近汇入绛溪河，流域面积为14.87 km2。上述桥梁流域面积均较小，其设计洪水需要采用暴雨洪水法途径进行计算，需要从暴雨等值线图上量算桥梁设计流域点暴雨。本次以上述桥梁设计流域点暴雨量算为例说明本方法的实现过程。涉河桥梁工程位置示意图见图2。

图2 涉河桥梁工程位置示意

2.2 量算过程

上述桥梁工程流域面积较小，依据《四川省中小流域暴雨洪水计算手册》［4］设计流域点暴雨参数需要量算流域重心处年最大10 min点雨量值，年最大10 min点雨量变差系数Cv值，年最大1 h点雨量值，年最大1 h点雨量变差系数Cv值，年最大6 h点雨量值，年最大6 h点雨量变差系数Cv值，年最大24 h点雨量值，年最大24 h点雨量变差系数Cv值。

按前文步骤1方法制备四川省年最大10 min点雨量raster数据，年最大10 min点雨量变差系数Cvraster数据，年最大1 h点雨量raster数据，年最大1 h点雨量变差系数Cvraster数据，年最大6 h点雨量raster数据，年最大6 h点雨量变差系数Cvraster数据，年最大24 h点雨量raster数据，年最大24 h点雨量变差系数Cvraster数据。其中，最后一步暴雨等值线图矢量数据栅格化需要重复用到Create Tin和TIN to Raster工具，在ArcGis中可考虑利用模型构建器将上述两工具按流程连接起来构建一个新的工具进行使用［6］。暴雨等值线图矢量数据栅格化工具模型流程如图3所示。

图3 暴雨等值线图矢量数据栅格化工具模型流程

按前文步骤2方法利用ASTER GDEM 2 DEM及区域1∶1万地形图为基础，得到13号路白石沟桥、3号路白石沟桥、2号路白石沟桥、3号路庙儿沟桥流域边界数据。为保证后续点暴雨参数量算正确，需要将设计流域坐标统一变换为等值线图raster数据所用坐标系。

按前文步骤3方法，以步骤1制作的点暴雨参数raster数据为基础，采用ArcGis Feature To Point工具获取设计流域重心位置，利用Extract Multi Values to Points即可批量量取设计流域点暴雨参数。其中Input point features为桥梁流域重心位置shp数据，Input rasters为前文制备的点暴雨等值线参数raster数据。

将本次ArcGis量算成果与人工估计成果进行对比用以检验该方法的合理性。经对比分析可知，人工估计成果与ArcGis量算成果十分接近，表明本论文提出的ArcGis量算方法是合理可行的，量算成果也是可靠的，能够应用于实际工作之中。

为进一步验证量算成果的合理性，本文采用量算的点暴雨参数计算不同桥址处的设计洪峰流量，并选用P=2%和P=10%设计洪峰流量为代表在双对数格纸上点绘50年和10年一遇设计洪峰流量与集水面积关系图，分析设计洪峰流量计算成果合理性。具体数据如表1～2所示。

表1 不同量算方法桥梁点暴雨量算成果

小流域设计洪水计算通常采用方法有推理公式法和瞬时单位线法等，对于四川而言，采用推理公式法居多。本文以推理公式法计算设计洪峰流量，设计流域地处盆地丘陵区，因此按《手册》查得μ=3.6F-0.19，Cv=0.18，Cs／Cv=3.5。汇流参数根据盆地丘陵区，0≤θ＜30时，m=0.40θ0.204，θ=30～300时，m=0.092θ0.636。

表2 不同桥址处设计洪水成果 单位：m3／s

在双对数格纸上点绘50年和10年一遇设计洪水洪峰流量与集水面积关系图（见图4～5），图中“△”点为本次计算的各桥址处设计洪峰流量成果。

图4 50年一遇设计洪水洪峰地区综合分析

从图中可以看出，本次计算的各桥址处洪峰流量紧靠地区综合线，说明以本文量算的点暴雨参数计算的设计洪水成果是较为合理，进一步论证了本文量算的点暴雨参数可有效用于工程实践。

图5 10年一遇设计洪水洪峰地区综合分析

3 结 语

本文采用的基于ArcGis的小流域设计暴雨参数快速量算方法，具有量算速度快、精度高、计算简单、基础资料可重复使用等特点，可以有效提高设计人员的工作效率，特别是针对公路工程的小流域点暴雨参数量取效率提升有显著效果，以此计算的小流域设计洪水与地区综合线吻合较好，成果可靠，进而对提高小流域设计洪峰流量有很大帮助，可广泛用于线性工程等跨小流域较多的项目，大大提高设计人员的工作效率。