综合水力梯度与预警水位基于DEM的无源淹没分析方法

综合水力梯度与预警水位基于dem的无源淹没分析方法
技术领域
1.本发明涉及地理信息系统、水文和洪涝灾害风险评估技术领域，尤其涉及 一种综合水力梯度与预警水位基于dem的无源淹没分析方法。


背景技术：

2.洪水淹没范围及水深估算模型包括动态模型和静态模型。动态模型通过求 解水文水力学模型来获取水面高程，再与数字高程模型(dem)作相减运算，计 算淹没水深；静态模型在已知洪水淹没范围的条件下，利用离散化的水位高程 数据、数字高程模型，通过空间内插计算得到淹没水深，但该方法前提是要实 地踏勘淹没范围和抽样调查淹没水深，失去了预测预警的意义，一般只用于淹 没灾后损失评估。
3.基于dem的洪水淹没分析方法，则主要分为有源淹没和无源淹没。无源淹 没算法比较简单，用一个水位高程对应的平面去切割dem，低于该平面的就是淹 没区，结果将导致下游的水深误差巨大，而且有许多不连通的淹没区；有源淹 没一般采用种子蔓延算法，适用于局部突发的洪水向周边蔓延的情况，需要顾 及地形的连通性，当流域范围增大时，分析过程会比较复杂，而且在下游误差 很大的问题仍然没有很好解决。
4.因此，有必要提出一种改进，以克服现有技术的缺陷。


技术实现要素：

5.本发明的目的是解决现有技术中的问题，提供一种综合水力梯度与预警水 位基于dem的无源淹没分析方法。
6.本发明的技术方案是：
7.综合水力梯度与预警水位基于dem的无源淹没分析方法，包括以下步骤：
8.s1、输入dem，提取河网水系，以水库、水坝、瀑布、支流汇流点、水文站 为节点划分河段；
9.s2、按照给定的间距在所有河段上提取采样点，不足间距的即为端点；
10.s3、对提取的所有采样点进行合并，输出点位及其水位属性图层；
11.s4、通过公式计算各个采用点的水位；
12.s5、对采样点的水位进行空间插值，输出水位图层；
13.s6、将水位图层与dem叠加输出淹没区图层及水深格网。
14.本发明的综合水力梯度与预警水位基于dem的无源淹没分析方法，显著改 善了连片淹没的巨大误差，同时整个分析计算过程无需复杂的水文模型计算， 无需较多参数，即可实现，应用范围广，计算快速，该方法考虑了河流上下游 的自然坡度，对河流上各个水文站的某个年遇水平的预警水位值(如保证水位、 警戒水位)或实测水位值在考虑该坡降的情况下进行空间插值，将插值结果与 流域数字高程模型进行叠加分析，从而提取出淹没区范围。该方法既避免了现 有的无源淹没方法以一个水位点无限延伸的水平面去切割数字高程模型，导致 其上游和下游的误差都非常大的缺陷，又省略了有源淹没方法中复杂的水
文过 程模拟，具有综合优势。
附图说明
15.图1为本发明总体分析流程图。
具体实施方式
16.为了使本发明实现的技术手段、技术特征、发明目的与技术效果易于明白 了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
17.实施例一：
18.综合水力梯度与预警水位基于dem的无源淹没分析方法，包括以下步骤：
19.s1、输入dem，提取河网水系，以水库、水坝、瀑布、支流汇流点、水文站 为节点划分河段；
20.s2、按照给定的间距在所有河段上提取采样点，不足间距的即为端点；
21.s3、对提取的所有采样点进行合并，输出点位及其水位属性图层；
22.s4、通过公式h＝h0 i*l0计算各个采用点的水位；
23.s5、对采样点的水位进行空间插值，输出水位图层；
24.s6、将水位图层与dem叠加输出淹没区图层及水深格网。
25.详细步骤如下：(1)数据准备：评估流域的数字高程模型，根据分析计算 的需要，分辨率2米至30米均可，但分辨率越粗，误差也越大；各个水文站、 水位站的地理位置坐标，统计的各个年遇水平的预警水位值，如十年一遇的保 证水位、百年一遇的警戒水位等；水文站点所控制河段的坡降比数据；流域内 的瀑布、水库大坝的位置、高程落差；沿河堤坝矢量线图层及堤顶高程数据；
26.(2)在没有河流矢量数据的情况下，利用dem数据提取河流水系，提取流 程见图1所示，目前常见的地理信息系统软件工具都有这个功能，具体为：洼 地填充、水流流向计算、汇流累积计算、确定阈值、生成水系；
27.图1.基于dem提取河流水系的技术流程
28.(3)根据给定的间距，沿着河流生成等间距采样点；
29.(4)根据相邻水文站点位置、区间内的河流长度、水位差，基于水力坡度 均匀变化假设，线性推算各插值点的水位；
30.h＝h0 i*l0-----
(1)
31.其中h为推求出的插值点的水位，h0为处于下游的水文站的水位，l0为根 据河流图层直接计算得到的相邻水文站之间水流沿河道流动距离，i为水力坡 降，i＝(di-di-1)/l
-----
(2)
32.其中，di为第i条河段上游水文站的50年一遇的水位预警值，di-1为第i 条河段下游水文站的50年一遇的水位预警值，l为这两个水文站之间的河流长 度；如果两个水文站之间有大坝、瀑布，要分开两段计算，并在大坝或瀑布位 置减去相应的落差，以保证整条河段的水力梯度是均匀变化的根；
33.(5)利用步骤(4)得到的各个插值点水位值，基于地理学第一定律，利 用反距离加权空间插值方法生成水位面；
34.(6)利用gis软件工具，将生成的水位面与dem进行差分叠置分析，即每 个格网的水位值减去dem高程值，得到淹没水深，该水深大于0的为淹没区；
35.(7)对于有防洪堤的情况，将防洪堤的图层叠加上去作为空间内插的障碍 线，当堤顶高程大于水位高程时，限制淹没区不向堤外漫延。
36.下面以求取50年一遇的洪水淹没风险区为例，说明详细步骤。
37.(1)数据准备：流域的数字高程模型，根据分析计算的需要，分辨率2米 至30米均可，但分辨率越粗，误差也越大；各个切分点的地理位置坐标；各个 年遇水平的预警水位值，如十年一遇的保证水位、百年一遇的警戒水位等；水 文站点所控制河段的坡降比数据；流域内的瀑布、水库大坝的位置、高程落差； 沿河堤坝矢量线图层及堤顶高程数据；
38.(2)在没有河流矢量数据的情况下，利用dem数据提取河流水系，目前常 见的地理信息系统软件工具都有这个功能，勿须赘述；
39.(3)根据设定的间距，沿着河流生成等间距采样点；一般来说，这个间距 越小，结果精度越高，但一般不会小于dem的分辨率；
40.(4)切分点将整个河流水系切分为许多河段；
41.(5)根据公式(2)计算某河段的平均水力梯度i；
42.i＝(di-di-1)/l
-----
(2)
43.其中，di为第i条河段上游水文站的50年一遇的水位预警值，di-1为第i 条河段下游水文站的50年一遇的水位预警值，l为这两个水文站之间的河流长 度；如果两个水文站之间有大坝、瀑布，要分开两段计算，并在大坝或瀑布位 置减去相应的落差，以保证整条河段的水力梯度是均匀变化的；
44.(6)针对每一条河段，根据相邻水文站点位置、区间内的河流长度、水位 差，基于水力坡度均匀变化假设，线性推算各插值点的水位h(公式1)；
45.h＝h0 i*l0-----
(1)
46.其中为推求出的插值点的水位，为处于下游的水文站的水位，为根据河流 图层直接计算得到的插值点到该河段下游端点的水流沿河道流动距离；
47.(7)利用步骤(6)得到的沿河道各个插值点水位值，基于地理学第一定 律，利用反距离加权空间插值方法生成水位面；
48.(8)对于有防洪堤的情况，将防洪堤的图层叠加上去作为空间内插的障碍 线，当堤顶高程大于水位高程时，限制淹没区不向堤外漫延。
49.(9)利用gis软件工具，将生成的水位面与dem进行差分叠置分析，即每 个格网的水位值减去dem高程值，得到淹没水深，该水深大于0的为淹没区；
50.(10)在生成的水位面多边形中，凡是与河道不连通的孤立多边形，都查 找删除。最后得到的一个面，就是淹没区计算结果。
51.综上所述仅为本发明较佳的实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即 凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化及修饰，皆应属于本发明的技 术范畴。