一种无资料条件下蓄滞洪区内电力工程洪水估算方法与流程

1.本发明涉及电力工程的水文条件勘查领域，尤其是一种无资料条件下蓄滞洪区内电力工程洪水估算方法，用于无资料条件下对电力工程的洪水的预测。


背景技术：

2.由于当前土地资源紧张，受土地资源的限制，许多电力规划建设的工程地点不得不选在蓄滞洪区、行洪区或洪泛区等地势低洼地区，水文条件的设计成果直接影响到电力工程的安全性和经济性。输发变电工程的防排洪设计，需根据工程所在位置的洪水情势及工程设计标准，确定设计水文条件，如洪峰流量、水位、淹深、洪水总量和过程线等。依据水文成果，分析计算工程的建筑结构荷载，如工程基础结构、埋深、加高，工程主体结构、高度、防排洪能力等。除现场查勘、搜资，数值计算是帮助进行定量分析的必要手段，调查和计算成果的相互验证可以大大提高设计的安全性，进而保障电力工程设施安全可靠的运行。
3.然而，虽然数值模型能够提供丰富、精确的洪水信息，但其分析计算过程所需的资料数据量较大，搜资和处理的各类成本高昂是模型的主要缺点。矢量化的数字地形图是洪水计算所需的首要基础资料，通常依靠现场地物测绘或购买等形式，由于该资料不公开出售，采购申请程序繁琐，价格也执行严格的标准。根据所需地图比例尺、地物精细程度、成图时间的不同，费用差距较大。通常所涉及的蓄滞洪区等研究区域范围较大，因此购买总费用高昂。若没有采购途径，依靠测量人员通过传统地面测绘的形式获取，则人工、交通、设备、食宿等费用加起来，成本比直接购买高出不少，所需消耗的人力和时间代价更是高昂。此外模型边界的洪水出入流条件，如水位、流量过程等获取也较为困难，大多属于不经公开的内部成果，通常需通过水利部门取得。
4.为了解决模拟洪水演进的数值模型技术所需输入的边界条件成本较高这一难点。在缺乏部分资料时，研究提出相应的处理办法。在工程前期阶段，满足一定设计精度的条件下，突破无资料的限制，通过模拟洪水演进来分析和掌握电力工程周围的洪水态势和淹没状况，辅助项目对水文情势进行初步判断，所得到的成果能够用于专业人员开展蓄滞洪区等地势低洼地区内电力工程的前期水文条件分析工作。


技术实现要素：

5.本发明需要解决的技术问题是提供一种无资料条件下蓄滞洪区内电力工程洪水估算方法，用于解决无资料条件下电力工程进行模拟洪水演进的数值模型技术所需输入的边界条件成本高的问题。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
7.一种无资料条件下蓄滞洪区内电力工程洪水估算方法，包括以下步骤：
8.s1、确定电力工程所处蓄滞洪区作为研究区域，利用卫片影像得到蓄滞洪区的基本地形空间分布规律与地貌特征并形成地形参数；
9.s2、根据s1所得的地形参数与免费的dem数据源精度对比分析，确定采用的dem数
据源的类型；所述dem数据源包括srtm c波段数据、aster gdem数据、dlr的srtm x波段数据和gmted2010数据；
10.s3、设计洪水过程，确定边界洪水条件；
11.s4、通过专业地形数据处理工具提取s2中确定的dem数据源类型中覆盖整个研究区域的全部地面坐标和高程点；
12.s5、将s3中所得边界洪水条件和s4所得全部地面坐标和高程点输入mike21数值模型，对洪水演进形势进行模拟计算，获得完整的水文条件；
13.s6、依据s5中获取的无资料条件下蓄滞洪区内电力工程的水文条件进行电力工程设计。
14.本发明技术方案的进一步改进在于：s3中，设计洪水过程，确定边界洪水条件具体步骤如下：
15.s3.1对于研究区域有实测径流资料及调查成果的，直接采用自身典型洪水过程，确定洪水边界条件；
16.s3.2对于无实测径流资料及调查成果的，利用s2中确定的dem数据源作为基础地形数据，和暴雨参数间接设计洪水；具体包括以下步骤：
17.s3.2.1推求设计暴雨,求得不同历时的雨量系列后,进行频率计算,推求设计暴雨量,然后根据典型暴雨过程进行放大,求得设计暴雨过程；所述暴雨过程利用历史降水、暴雨图集或地方水文手册中的暴雨成果内容和计算得出；
18.s3.2.2设计暴雨时，对地面径流、壤中径流和地下径流进行产流计算；所述产流计算结合电力工程水文气象计算手册、地方水文成果以及现场实际下垫面情况共同得出；
19.s3.2.3对产生的径流汇集到河网后自上游至下游流动，形成流域出口流量进行汇流计算；所述汇流计算结合电力工程水文气象计算手册、地方水文成果以及现场实际下垫面情况共同得出；
20.s3.2.4确定无实测径流资料及调查成果下的洪水边界条件。
21.本发明技术方案的进一步改进在于：s4中，专业地形数据处理工具为global mapper。
22.本发明技术方案的进一步改进在于：s4中，所述专业地形数据处理工具提取全部地面坐标和高程点时采用西安80大地坐标系、高斯3度带投影和高程基准为wgs84定义的似大地水准面。
23.本发明技术方案的进一步改进在于：s5中，对洪水演进形势进行模拟计算，具体包括以下步骤：
24.s5.1网格创建；
25.s5.2公路铁路桥涵隧道按模型内各类构筑物进行设置；
26.s5.3选定模拟算法、时间步长参数；
27.s5.4运行得到完整洪水过程。
28.本发明技术方案的进一步改进在于：所述s5.1中，网格创建根据s3中确定的边界洪水条件和s4中提取的全部地面坐标和高程点数据创建。
29.本发明技术方案的进一步改进在于：s5中，所述水文条件包括水位、淹深、流速、历时、淹没范围信息。
30.由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
31.1、本发明通过采用相对容易获取、覆盖范围较广的全球dem对蓄滞洪区进行分析和比较，能够提高基础地形数据的精度。
32.2、本发明利用全球dem数据、雨洪关系来确定无实测径流资料及调查成果的洪水边界条件，解决模拟洪水演进的数值模型技术所需输入的边界条件成本较高这一难点，并且相较以往需采取外业现场测绘或购买等形式获取流域的地形数据，以及需向水利行业获取其内部数据，极大的减小工程前期阶段对人力、物力、财力资源的投入。
33.3、本发明通过采用数值模型的方法进行洪水模拟研究，能够从时间和空间角度模拟洪水演进，确定不同时空下的水位、淹深、流速、历时、淹没范围信息，为电力工程的洪水防御提供科学合理的依据。
34.4、本发明通过应用mike21二维水动力模型，实现洪水演进模拟计算的便捷性与可靠性。
35.5、本发明通过结合dem数据与数值模型的方法，来分析蓄滞洪区内电力工程的水文条件，依据水文成果，分析计算工程的建筑结构荷载，如工程基础结构、埋深、加高，工程主体结构、高度、防排洪能力，改变了以往的资料获取途径，解决无资料条件下难以对电力工程的洪水进行预测的问题。
附图说明
36.图1是本发明估算方法流程图；
37.图2是本发明实测电子地形图中对应点据与dem中所提取点据间的高程偏差分布图；
38.图3是本发明实测电子地形图生成的等值线图(左)与dem生成的模拟地形等值线图(右)对比图；
39.图4是本发明利用实测电子地形图(左)和利用dem(右)计算的最大淹没水深等值线图对比图。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明：
41.如图1所示，一种无资料条件下蓄滞洪区内电力工程洪水估算方法，包括以下步骤：
42.s1、确定电力工程所处蓄滞洪区作为研究区域，利用卫片影像得到蓄滞洪区的基本地形空间分布规律与地貌特征并形成地形参数。
43.s2、根据s1所得的地形参数与免费的dem数据源精度对比分析，确定采用dem数据源的类型：
44.dem为数字高程模型(digital elevation model)的英文简称为，在当前可免费取得的主流全球dem中包括srtm c波段数据、aster gdem数据、dlr的srtm x波段数据和gmted2010数据；
45.srtm c波段数据，是美国航空航天局nasa在2000年时利用奋进号航天飞机上的雷达测观测所得，是以前用得最多的高程数据，覆盖了全球南北纬60度以内的区域；
46.aster gdem数据，是根据nasa的新一代对地观测卫星terra的观测结果制作完成的,其数据覆盖范围为北纬83
°
到南纬83
°
之间的所有陆地区域，陆地表面99％覆盖,这是目前覆盖最广的高精度全球高程数据,垂直精度20米，水平精度30米，噪点较高；
47.dlr数据，即srtm x波段数据，dlr是德国宇航的中心缩写，该数据同样由2000年在奋进号航天飞机开展航天飞机雷达地形测绘任务时测得的，dlr用更高精度的雷达(x波段)，但只是呈网状覆盖全球，国内40％覆盖，带宽50千米，空白宽100千米，精度为1角秒，高程相对精度6米，绝对精度16米，噪点高；
48.gmted2010数据，是美国地质勘探局usgs和美国国家地理空间情报局nga联合研发，精度为30角秒、15角秒和7.5角秒，对应的最高精度也在250米；
49.对于无资料条件的洪水计算，众多流域地形参数中最为关心的是主河道平均坡度、河长、坡向和汇水面积等，不同精度dem在各流域地形特征信息提取中是存在差别的。
50.s3、设计洪水过程，确定边界洪水条件：
51.s3.1对于研究区域有实测径流资料及调查成果的，直接采用自身典型洪水过程，确定洪水边界条件；；
52.s3.2对于无实测径流资料及调查成果的，利用s2中确定的dem数据源作为基础地形数据，和暴雨参数间接设计洪水：
53.s3.2.1推求设计暴雨,求得不同历时的雨量系列后,进行频率计算,推求设计暴雨量,然后根据典型暴雨过程进行放大,求得设计暴雨过程；所述暴雨过程利用历史降水、暴雨图集或地方水文手册中的暴雨成果等内容和计算得出；
54.s3.2.2设计暴雨时，对地面径流、壤中径流和地下径流进行产流计算；所述产流计算结合电力工程水文气象计算手册、地方水文成果以及现场实际下垫面情况共同得出；
55.s3.2.3对产生的径流汇集到河网后自上游至下游流动，形成流域出口流量进行汇流计算；所述汇流计算结合电力工程水文气象计算手册、地方水文成果以及现场实际下垫面情况共同得出；
56.s3.2.4确定无实测径流资料及调查成果下的洪水边界条件。
57.s4、通过专业地形数据处理工具提取s2中确定的dem数据源类型中覆盖整个研究区域的全部地面坐标和高程点。
58.s5、将s3中所得边界洪水条件和s4所得全部地面坐标和高程点输入mike21数值模型，对洪水演进形势进行模拟计算，获得完整的水文条件：
59.s5.1网格创建；
60.s5.2公路铁路桥涵隧道按模型内各类构筑物进行设置；
61.s5.3选定模拟算法、时间步长等参数；
62.s5.4运行得到完整洪水过程。
63.s6、依据s5中获取的无资料条件下蓄滞洪区内电力工程的水文条件进行电力工程设计。
64.实施例
65.选择河北省某较为典型的复杂蓄滞洪区作为案例进行研究，无资料条件下蓄滞洪区内电力工程洪水估算方法主要操作步骤如下：
66.s1、确定河北省某较为典型的复杂蓄滞洪区为电力工程研究区域，利用卫片影像
得到蓄滞洪区的基本地形空间分布规律与地貌特征；通过空间分辨率、比例尺、等高距获取得到地形参数。
67.s2、地形参数与免费的dem数据源精度对比分析，针对该研究区域从空间分辨率、适宜比例尺、等高距、地形参数影响、洪水演进影响等角度进行对比分析和论证，确定采用的dem数据源为aster gdem
‑
v3。
68.s3、设计洪水过程，确定边界洪水条件：
69.所选蓄滞洪区包含多条河流，因此具有多个洪水入口。计算模拟为某场典型的历史洪水过程。对于无实测资料河流，利用暴雨参数和dem地形间接推求设计洪水，包括设计暴雨、产流计算和汇流计算三个环节。其中设计频率最大降水可利用历史降水、暴雨图集或地方水文手册中的暴雨成果等内容和计算得出，产汇流参数则结合电力工程水文气象计算手册、地方水文成果以及现场实际下垫面情况共同得出。选择相应的典型站进行缩放，按历史洪量组成进行分配得到洪水过程。部分平原河道沥水过程以相应洪量为控制，采用当地平原地区水文手册的方法推求。
70.s4、通过global mapper等专业地形数据处理工具，提取dem数据源中覆盖整个蓄滞洪区的全部地面坐标和高程点，过程采用西安80大地坐标系，高斯3度带投影，高程基准为wgs84定义的似大地水准面。蓄滞洪区内部和边界各出入口的调度规则依据当地主管水利部门所公布的具体办法执行。
71.s5、将s3中所得边界洪水条件和s4所得全部地面坐标和高程点输入mike21数值模型，对洪水演进形势进行模拟计算，获得完整的水文条件：
72.目前国内有多款水力学数值模型软件，但由于软件研制机构和使用者所侧重的领域不同，各软件在实际应用上往往需要不同的处理方式。其中丹麦dhi公司所研制的mike系列是一款较为成熟的商业产品，在各类大中型工程中均有广泛应用，其可靠、通用和便捷性已取得国内各行业的认可。本次采用mike21二维水动力模型，对洪水演进形势进行模拟计算。模型经过前后处理，网格创建、底部阻力划分，公路铁路桥涵隧道按模型内各类构筑物进行设置，选定模拟算法、时间步长等参数后，运行得到完整洪水过程。
73.s6、依据s5中获取的无资料条件下蓄滞洪区内电力工程的水文条件进行电力工程设计。
74.为便于成果对比，搜集了覆盖上述典型案例的1:5000实测电子地形图。从aster gdem
‑
v3中提取与电子地图间对应的超过2.5万个点据的地面横纵坐标和高程数据，对数据进行高程系统偏差的修正，删除部分失真点据后进行比较。两者的偏差值分布如图2所示，约80％点据在1m误差范围内。
75.补充已掌握的部分河道实测河底地形数据来提高图形和计算精度，生成地形图的对比效果图3所示。
76.采用前述的洪水计算手段，针对多条入流河道按有资料和无资料分别推求各自设计洪水过程。电力工程选址于蓄滞洪区等地势低洼地区时，最关心的是最大淹没深度。将各参数代入模型后计算的整个区域最大淹没水深对比效果如下图4所示。
77.在整个淹没区域内，上述两成果的最大淹没水深平均值分别为3.07m和3.45m，利用dem地形得到的计算成果较利用电子地形数据得到的成果略大。为进一步进行效果比对，在此区域内选取5个规划变电站的拟选站址，对比淹没结果如下表。
78.表1规划站址计算的最大淹没水深差距对比表
[0079][0080]
可见上表5个拟选站址计算的淹没深度差距在
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0.53～0.06m间，虽有一定差距，但相较2～5m的最大淹没水深来说均在可接受的范围内。特别是在电力工程前期方案比选时，采用该技术模拟计算能够帮助设计人员对淹没水深做出较为合理的判断。
[0081]
综上所述，本发明通过采用相对容易获取、覆盖范围较广的全球dem对蓄滞洪区进行分析和比较，能够提高基础地形数据的精度；通过利用全球dem数据、雨洪关系来确定无实测径流资料及调查成果的洪水边界条件，解决模拟洪水演进的数值模型技术所需输入的边界条件成本较高这一难点；通过采用数值模型的方法进行洪水模拟研究，能够从时间和空间角度模拟洪水演进，确定不同时空下的水位、淹深、流速、历时、淹没范围等信息，为电力工程的洪水防御提供科学合理的依据；通过应用mike21二维水动力模型，实现洪水演进模拟计算的便捷性与可靠性。