一种山区性水库库区河道水面宽度的估算方法技术

本发明专利技术一种山区性水库库区河道水面宽度的估算方法，在自然条件下构建的河宽模型的基础上进一步发展，提出了一种较为合理可靠地估算山区性水库库区河道宽度的方法，提高了分布式模型汇流计算的精度，解决了缺少观测资料的中小流域中山区性水库库区河道宽度的估算问题，为水库防洪调度、水力发电、河道整治等提供重要的基础数据，增强水库调度的科学性，能够更好地切实保护下游地区的安全。本发明专利技术提供的山区性水库库区河道水面宽度的估算方法，主要应用流域数字高程模型，数据来源稳定可靠、计算效率高、结果客观合理，有利于流域河道宽度的自动化生成和分布式水文预报模型的直接调用，促进数字水文学、分布式水文预报模型及水库科学管理的发展。

【技术实现步骤摘要】
一种山区性水库库区河道水面宽度的估算方法
本专利技术涉及水文
，具体涉及一种山区性水库库区河道水面宽度的估算方法。
技术介绍
我国流域面积200至3000km2的中小流域近9000个，这些中小流域多位于山区，流域中沿岸水土条件好，耕地多，人口密集，一旦发生洪灾，会严重威胁人民群众的生命安全和财产安全。在新的历史条件下，开展中小河流的治理工作和提升中小河流的防洪能力已经成为亟待解决的重大问题。建设水库是提高中小河流的防洪能力的重要方法，但随着水库的建设，流域中自然河道的地理条件改变，降雨—径流关系发生显著变化，流域洪水预报难度明显加大。要结合水库做出准确的洪水预报，进行洪水河道演算，关键的因素之一就是要得到水库库区逐个河道断面的宽度，而如何准确地估算出水库库区逐个河道断面的宽度就成为了防洪设计的关键问题。近年来，随着计算机、遥感和地理信息系统等信息技术的发展，人们能够较为容易地获取流域的空间变化信息(如地形、土壤和植被类型等)。基于数字高程模型(DEM，DigitalElevationModel)的分布式水文模型以其充分考虑降雨和下垫面条件空间变化的特点，现已成为流域水文模型的发展趋势。当构建分布式的水文模型进行水力学方法的河道演算时需要提供每一个栅格单元的河道宽度，这直接影响到汇流精度，因此研究河宽对汇流的影响具有重要意义，而有关这方面的研究还很少。为了进一步促进流域水文模型的发展，需要更深入研究河道宽度的计算方法。山区中小流域常常在上游修建水库，蓄水期水位明显上升，导致库区河道的河宽增大，不满足自然条件下的河相关系，对山区性水库库区河道宽度估算的不准确限制了河道宽度这个参数在分布式建模中的应用，不利于国内分布式水文模型的发展。针对以上不足，如何考虑山区性水库库区对河道宽度的影响，提取其客观合理的山区性水库库区的河道宽度，正是专利技术人需要解决的问题。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种山区性水库库区河道水面宽度的估算方法。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种山区性水库库区河道水面宽度的估算方法，包括以下步骤：步骤S1，利用流域DEM数据计算出流域中每一个栅格单元的坡度和汇流累计值A，得到流域的坡度栅格和汇流累计栅格，根据所有栅格单元的坡度绘制形成坡度栅格，根据所有栅格单元的汇流累计值A绘制形成汇流累计栅格，；步骤S2，提取流域中的河道栅格；步骤S3，以河道栅格单元为中心，逐栅格计算一定范围内的坡度一阶原点距，并将值赋给河道栅格单元；步骤S4，基于全流域的汇流累计栅格，提取每一个河道栅格中的汇流累计值；步骤S5，选取非库区河段上若干河道栅格单元作为样本，在数字地图中量取样本河道栅格单元内的河道宽度；步骤S6，基于选取的样本河道栅格单元的测量宽度，汇流累计值和一定范围内的坡度一阶原点距构建河宽模型；步骤S7，根据步骤S6建立的河宽模型，以库区河道的每一个栅格单元内的汇流累计值和一定范围内的坡度一阶原点距为河宽模型的输入，初步估算库区河道栅格单元内的河道宽度；步骤S8，基于库区大坝的坝高和库区河道栅格单元与坝址的高程差估算库区河道栅格单元中由于大坝的建造所增加的水深；步骤S9，提取库区河道栅格单元的边坡坡度；步骤S10，结合库区河道栅格单元的边坡坡度和增加的水深计算库区河道栅格单元由于大坝的建造所增加的水面宽度；步骤S11，使用计算出的增加的水面宽度对初步估算的库区河道栅格单元内的河道宽度进行校正，得到水库库区河道栅格单元中的河道水面宽度。进一步的，步骤S1中，利用流域DEM数据计算出流域中每一个栅格单元的坡度和汇流累计值，具体包括以下步骤：步骤1.1，以栅格单元Cell为中心，通过周围栅格的高程值与该栅格单元的高程值的对比，找出与其相比最低的栅格单元CellD；步骤1.2，计算栅格单元Cell和CellD之间的高程差DHmax和水平方向的投影距离Dis；步骤1.3，根据高程差DHmax和水平方向的投影距离Dis，通过如下公式一计算得到栅格单元Cell的坡度S：S＝DHmax/Dis公式一步骤1.4，将栅格单元Cell作出流栅格，最低的栅格单元CellD作入流栅格，入流栅格汇流累计值加1；步骤1.5，逐栅格循环，计算得到每一个栅格单元中的坡度和汇流累计值A，根据所有栅格单元的坡度得到坡度栅格，根据所有栅格单元的汇流累计值A得到汇流累计栅格。进一步的，步骤S2中，提取流域中的河道栅格，具体包括以下步骤：步骤2.1，结合流域实际自然地理情况，设置阈值T；步骤2.2，利用阈值T对步骤S1中的汇流累计栅格进行重分类，汇流累计栅格中汇流累计值A高于阈值T时，则判定为河道栅格，汇流累计值A低于阈值T时，则判定为坡地栅格。进一步的，步骤S3中，以河道栅格单元为中心，逐栅格计算一定范围内的坡度一阶原点距，并将值赋给河道栅格单元的步骤包括：步骤3.1，基于数字地图确定流域中最宽的河道断面宽度Bmax，根据公式二，利用Bmax计算得到搜索半径r；步骤3.2，逐次访问河道栅格中包含的每一个栅格单元，以河道栅格单元为中心，寻找河道栅格单元周围r范围内的所有栅格单元；步骤3.3，计算步骤3.2中已选择的且在河道栅格单元一定范围内的栅格单元坡度的一阶原点矩，并且将该原点矩的值赋予中心的河道栅格单元，计算公式如下：其中，Smean为河道栅格单元一定范围内的栅格单元的坡度一阶原点矩，i为r范围内栅格单元的编号，n为r范围内栅格单元的总数，Si为每一个栅格单元内的坡度。进一步的，步骤S4中，基于全流域的汇流累计栅格，提取每一个河道栅格中的汇流累计值的步骤包括：依据每一个河道栅格单元的位置，在步骤S1得到的汇流累计栅格中找到相应的汇流累计栅格单元，将汇流累计栅格单元中的汇流累计值赋给该河道栅格单元。进一步的，步骤S5中，选取非库区河段上若干河道栅格单元作为样本，在数字地图中量取样本河道栅格单元内的河道宽度的步骤包括：步骤5.1，依据水库的基本资料在数字地图中找到库区大坝坝址和上溯尾水影响终止的位置库尾，坝址至库尾之间的河道栅格单元位于库区中，其余河道栅格单元位于非库区中；在非库区中选择若干河道栅格单元，选择出的河道栅格单元从空间分布上要求既有主河道上的栅格单元，也要有支河道上的栅格单元，从河宽的数值上要求既有河宽较小的河道栅格单元也有河宽较大的河道栅格单元，使得选择出的河道栅格单元具有一定的代表性；步骤5.2，在数字地图上通过测量得到选择出的样本河道栅格单元内的河道断面宽度。进一步的，步骤S6中，基于选取的样本河道栅格单元的测量宽度，汇流累计值和一定范围内的坡度一阶原点距构建河宽模型的步骤包括：步骤6.1，统计坡度一阶原点距中最大值MaxS；步骤6.2，统计汇流累计量的最大值MaxA；步骤6.3，根据公式四计算河道栅格单元中坡度一阶原点距Smean与MaxS的比值RatioS：RatioS＝Smean/MaxS公式四步骤6.4，根据公式五计算坡度因子factors；factors＝1-RatioS公式五步骤6.5，根据公式六计算汇流累计因子factora；步骤6.6，根据公式七计算地形因子factorte；factorte＝factora×factors公式七步骤6.7，拟合选择出的河道栅格单元中的地形本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种山区性水库库区河道水面宽度的估算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，利用流域DEM数据计算出流域中每一个栅格单元的坡度和汇流累计值A，得到流域的坡度栅格和汇流累计栅格；步骤S2，提取流域中的河道栅格；步骤S3，以河道栅格单元为中心，逐栅格计算一定范围内的坡度一阶原点距，并将值赋给河道栅格单元；步骤S4，基于全流域的汇流累计栅格，提取每一个河道栅格中的汇流累计值；步骤S5，选取非库区河段上若干河道栅格单元作为样本，在数字地图中量取样本河道栅格单元内的河道宽度；步骤S6，基于选取的样本河道栅格单元的测量宽度，汇流累计值和一定范围内的坡度一阶原点距构建河宽模型；步骤S7，根据步骤S6建立的河宽模型，以库区河道的每一个栅格单元内的汇流累计值和一定范围内的坡度一阶原点距为河宽模型的输入，初步估算所需库区河道栅格单元内的河道宽度；步骤S8，基于库区大坝的坝高和库区河道栅格单元与坝址的高程差估算库区河道栅格单元中由于大坝的建造所增加的水深；步骤S9，提取库区河道栅格单元的边坡坡度；步骤S10，结合库区河道栅格单元的边坡坡度和增加的水深计算库区河道栅格单元由于大坝的建造所增加的水面宽度；步骤S11，根据步骤S10计算出的增加的水面宽度对初步估算的库区河道栅格单元内的河道宽度进行校正，得到所需水库库区河道栅格单元中的河道水面宽度。...

【技术特征摘要】
1.一种山区性水库库区河道水面宽度的估算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，利用流域DEM数据计算出流域中每一个栅格单元的坡度和汇流累计值A，得到流域的坡度栅格和汇流累计栅格；步骤S2，提取流域中的河道栅格；步骤S3，以河道栅格单元为中心，逐栅格计算一定范围内的坡度一阶原点距，并将值赋给河道栅格单元；步骤S4，基于全流域的汇流累计栅格，提取每一个河道栅格中的汇流累计值；步骤S5，选取非库区河段上若干河道栅格单元作为样本，在数字地图中量取样本河道栅格单元内的河道宽度；步骤S6，基于选取的样本河道栅格单元的测量宽度，汇流累计值和一定范围内的坡度一阶原点距构建河宽模型；步骤S7，根据步骤S6建立的河宽模型，以库区河道的每一个栅格单元内的汇流累计值和一定范围内的坡度一阶原点距为河宽模型的输入，初步估算所需库区河道栅格单元内的河道宽度；步骤S8，基于库区大坝的坝高和库区河道栅格单元与坝址的高程差估算库区河道栅格单元中由于大坝的建造所增加的水深；步骤S9，提取库区河道栅格单元的边坡坡度；步骤S10，结合库区河道栅格单元的边坡坡度和增加的水深计算库区河道栅格单元由于大坝的建造所增加的水面宽度；步骤S11，根据步骤S10计算出的增加的水面宽度对初步估算的库区河道栅格单元内的河道宽度进行校正，得到所需水库库区河道栅格单元中的河道水面宽度。2.根据权利要求1所述的一种山区性水库库区河道水面宽度的估算方法，其特征在于，步骤S1中，利用流域DEM数据计算出流域中每一个栅格单元的坡度和汇流累计值，具体包括以下步骤：步骤1.1，以栅格单元Cell为中心，通过周围栅格的高程值与该栅格单元的高程值的对比，找出与其相比最低的栅格单元CellD；步骤1.2，计算栅格单元Cell和CellD之间的高程差DHmax和水平方向的投影距离Dis；步骤1.3，根据高程差DHmax和水平方向的投影距离Dis，通过如下公式一计算得到栅格单元Cell的坡度S：S＝DHmax/Dis公式一步骤1.4，将栅格单元Cell作出流栅格，最低的栅格单元CellD作入流栅格，入流栅格汇流累计值加1；步骤1.5，逐栅格循环，计算得到每一个栅格单元中的坡度和汇流累计值A。3.根据权利要求1所述的一种山区性水库库区河道水面宽度的估算方法，其特征在于，步骤S2中，提取流域中的河道栅格，具体包括以下步骤：步骤2.1，结合流域实际自然地理情况，设置阈值T；步骤2.2，利用阈值T对步骤S1中的汇流累计栅格进行重分类，汇流累计栅格中汇流累计值A高于阈值T时，则判定为河道栅格，汇流累计值A低于阈值T时，则判定为坡地栅格。4.根据权利要求1所述的一种山区性水库库区河道水面宽度的估算方法，其特征在于，步骤S3中，以河道栅格单元为中心，逐栅格计算一定范围内的坡度一阶原点距，并将值赋给河道栅格单元的步骤包括：步骤3.1，基于数字地图确定流域中最宽的河道断面宽度Bmax，根据公式二，利用Bmax计算得到搜索半径r；步骤3.2，逐次访问河道栅格中包含的每一个栅格单元，以河道栅格单元为中心，寻找河道栅格单元周围r范围内的所有栅格单元；步骤3.3，计算步骤3.2中已选择的且在河道栅格单元一定范围内的栅格单元坡度的一阶原点矩，并且将该原点矩的值赋予中心的河道栅格单元，计算公式如下：其中，Smean为河道栅格单元一定范围内的栅格单元的坡度一阶原点矩，i为r范围内栅格单元的编号，n为r范围内栅格单元的总数，Si为每一个栅格单元内的坡度。5.根据权利要求1中所述的一种山区性水库库区河道水面宽度的估算方法，其特征在于，步骤S4中，基于全流域的汇流累计栅格，提取每一个河道栅格中的汇流累计值的步骤包括：依据每一个河道栅格单元的位置，在步骤S1得到的汇流累计栅格中找到相应的汇流累计栅格单元，将汇流累计栅格单元中的汇流累计值赋给该河道栅格单元。6.根据权利要求1中所述的一种山区性水库库区河道水面宽度的估算方法，其特征在于，步骤S5中，选取非库区河段上若干河道栅格单元作为样本，在数字地图中量取样本河道...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚成，童冰星，李致家，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32