本發(fā)明屬于潰壩洪水淹沒分析，涉及一種基于dem的山丘區(qū)中小型水庫潰壩洪水淹沒范圍及水深提取方法。

背景技術：

1、隨著全球氣候變化加劇，極端天氣事件頻發(fā)，由此引發(fā)的洪水災害發(fā)生頻率和影響范圍也顯著擴大。目前，我國中小河流洪水災害已呈現(xiàn)多發(fā)、頻發(fā)、重發(fā)態(tài)勢，嚴重威脅人民群眾生命財產(chǎn)安全和社會經(jīng)濟發(fā)展。同時，我國山丘區(qū)地形復雜，為滿足灌溉、發(fā)電、供水等生產(chǎn)生活需求修建了大量中小型水庫。據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有水庫約9.8萬座，其中95%以上為中小型水庫，廣泛分布于山丘區(qū)，呈現(xiàn)“點多面廣”特點。這些水庫在防洪減災、水資源利用等方面發(fā)揮了重要作用，但也存在一些安全隱患。山丘區(qū)中小型水庫大多建于上世紀，受當時技術條件限制，部分水庫存在安全隱患。一旦發(fā)生潰壩，將對下游地區(qū)造成毀滅性打擊。此外，水庫調(diào)度不當、泄洪設施不完善等因素也可能加劇水庫下游區(qū)的洪水災害風險。因此，快速、準確地開展?jié)魏樗蜎]分析，對于洪水預警、風險評估等具有極其重要的意義。

2、傳統(tǒng)的潰壩洪水淹沒分析計算方法主要依賴于水動力模型或簡易淹沒模型，通過概化建模與圣維南方程組求解，得到區(qū)域內(nèi)洪水淹沒范圍及水深信息。然而，水動力模型建模依賴高精度基礎地理信息數(shù)據(jù)，且建模過程繁瑣，存在模型求解易發(fā)散、計算耗時長等問題，特別是水庫潰壩下高速水流的求解更不穩(wěn)定（中國發(fā)明專利202311154591.3）。傳統(tǒng)簡易淹沒模型雖然不需要復雜建模，且相較于水動力模型較簡單，但只能粗略計算河道沿程淹沒范圍，無法推求淹沒水深空間分布（中國發(fā)明專利202210895949.7）。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術存在的問題，立足于提升潰壩洪水分析的計算效率與穩(wěn)定性，提出一種基于dem的山丘區(qū)中小型水庫潰壩洪水淹沒范圍及水深提取方法，此處的dem（digital?elevation?model）指數(shù)字高程模型。本發(fā)明能夠解決傳統(tǒng)簡易淹沒模型無法推求淹沒水深空間分布問題，實現(xiàn)水庫下游區(qū)潰壩洪水淹沒及水深快速計算分析。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：

3、一種基于dem的山丘區(qū)中小型水庫潰壩洪水淹沒范圍及水深提取方法，本發(fā)明通過融合傳統(tǒng)經(jīng)驗公式和地形柵格分析方法，首先計算水庫壩址處潰壩流量；其次提取中小型水庫下游的河道橫斷面推求潰壩洪水洪峰流量及其演進至下游河道沿程各控制斷面的峰值流量；然后根據(jù)斷面峰值流量推求各河道橫斷面最高水位，并由淹沒水位獲取洪水淹沒范圍；最后基于柵格型dem地形數(shù)據(jù)，批量計算淹沒范圍內(nèi)各地形柵格單元的淹沒水深，從而實現(xiàn)水庫下游區(qū)潰壩洪水淹沒及水深快速計算分析。具體包括以下步驟：

4、步驟1，計算水庫壩址處潰壩流量。

5、步驟1.1，根據(jù)水庫淤積庫容、總庫容、壩前水深，確定潰壩后壩體平均高度，計算公式如下：

6、（1）；

7、式中：潰壩后壩體平均高度；為潰壩前的壩前水深，單位m，由于淤堤壩潰壩前的壩前水深通常難以獲取，本發(fā)明進行簡化處理取壩高作為潰壩前的壩前水深；v淤為已淤積庫容；v設為總庫容，單位均為m3。

8、步驟1.2，在步驟1.1的基礎上，采用肖克利契公式計算水庫壩址處潰壩流量，通過壩前水深和潰壩后壩體平均高度以及壩址斷面平均寬度計算水庫壩址處潰壩流量，計算公式如下：

9、（2）；

10、式中：為壩址處潰壩流量，單位m3/s；b為壩址斷面的平均寬度，單位m。

11、步驟2，提取中小型水庫下游的河道橫斷面。

12、步驟2.1，基于數(shù)字高程dem地形數(shù)據(jù)批量提取下游河道橫斷面（以下簡稱河道橫斷面），得到河道橫斷面矢量數(shù)據(jù)、河道橫斷面數(shù)據(jù)（txt格式）。設置參數(shù)為河道橫斷面間隔、河道橫斷面提取寬度、河道橫斷面提取點水平間隔，其中，河道橫斷面間隔根據(jù)河流沿程走勢進行設置；河道橫斷面提取寬度根據(jù)壩頂長度的1.5倍提取，并在河流轉彎、存在堰壩構筑物及流經(jīng)村落、城鎮(zhèn)時加密布設河道橫斷面；河道橫斷面提取點水平間隔根據(jù)dem地形數(shù)據(jù)精度選取。最終提取的各個河道橫斷面數(shù)據(jù)是河道橫斷面上包含x、z屬性的點，其中x表示河道橫斷面上各點距河道橫斷面最左側點的水平距離，z表示河道橫斷面各點的地形高程。

13、步驟2.2，在步驟2.1的基礎上，根據(jù)步驟2.1獲得的z（地形高程）值與河道橫斷面間隔統(tǒng)計分析河道沿程各河道橫斷面的深泓點高程及河道橫斷面距壩址斷面的距離，各個河道橫斷面的深泓點高程為該河道斷面數(shù)據(jù)中最小的z值，河道橫斷面距壩址斷面的距離為該河道橫斷面之前所有相鄰河道橫斷面間隔之和。

14、步驟3，推求各個河道橫斷面處的潰壩流量。

15、根據(jù)總庫容、已淤積庫容、各河道橫斷面距壩址斷面距離、各河道橫斷面最大流速，計算得到各個河道橫斷面處的潰壩流量，計算公式如下：

16、（3）；

17、式中：為總庫容，為已淤積庫容，單位為m3；l為壩址斷面至居民點的距離，單位為m；為洪水期河道橫斷面的最大流速，單位m/s；k是經(jīng)驗系數(shù)；為壩址處潰壩流量，單位m3/s；為河道橫斷面處的潰壩流量。

18、步驟4，計算各個河道橫斷面淹沒水位。

19、步驟4.1，每個河道橫斷面取多個高程（水位），從最低水位取至兩岸皆能達到的最高水位，根據(jù)河道橫斷面形狀提取不同高程（水位）下對應的過水斷面面積、水力半徑、濕周。

20、步驟4.2，利用謝才公式計算各個河道橫斷面不同水位下的過流流量，由水位、流量兩個參數(shù)提取得到河道橫斷面水位-流量關系曲線，其中橫坐標為水位，縱坐標為流量。河道橫斷面流量計算公式如下：

21、（4）；

22、（5）；

23、式中：為河道橫斷面處的潰壩流量；為居民點斷面過水面積，單位m2；c為謝才系數(shù)；r為居民點斷面的水力半徑，單位m；i為水力比降，由壩址處河道最低點高程與河道橫斷面最低點高程的差值與河道橫斷面距壩址斷面的距離的比值得到；n為糙率，根據(jù)溝道特征選用。

24、步驟4.3，計算河道橫斷面潰壩流量淹沒水位。

25、根據(jù)步驟4.2提取的河道橫斷面水位-流量關系曲線，在曲線上找到河道橫斷面處潰壩流量對應的淹沒水位，得到潰壩洪水對應的潰壩洪水淹沒水位。

26、步驟5，提取潰壩洪水淹沒范圍。

27、步驟5.1，在步驟4.3的基礎上，基于dem地形數(shù)據(jù)，提取各個河道橫斷面淹沒水位對應的等高線，再結合步驟2.1提取的河道橫斷面矢量數(shù)據(jù)，開展高程相交分析，獲取各河道橫斷面淹沒水位與左右兩岸地形高程的相交點，該相交點作為淹沒范圍邊界點；

28、步驟5.2，沿河流走勢連接相鄰河道橫斷面左右岸淹沒范圍邊界點，獲取潰壩洪水下水庫下游區(qū)的洪水淹沒范圍（以下簡稱洪水淹沒范圍）。

29、步驟6，推求潰壩洪水淹沒水深。

30、步驟6.1，基于步驟5.2獲取的洪水淹沒范圍，根據(jù)dem地形數(shù)據(jù)將洪水淹沒范圍柵格化；

31、步驟6.2，根據(jù)河道走勢，將步驟6.1獲得的洪水淹沒范圍內(nèi)柵格單元沿縱向或橫向劃分為若干組，河道走勢為橫向時，柵格單元按縱向分組，同一縱列柵格單元為一組，河道走勢為縱向時，柵格單元按橫向分組，同一橫列柵格單元為一組，每組柵格單元的兩端柵格單元淹沒水位值等于其地形高程，中間柵格單元的淹沒水位值由兩端柵格單元高程線性插值得到。

32、步驟6.3，在步驟6.2基礎上，由各柵格單元的淹沒水位值與dem地形數(shù)據(jù)的地形高程相減，得到潰壩洪水淹沒水深，提取淹沒范圍內(nèi)淹沒水深空間分布。

33、本發(fā)明的有益效果為：

34、本發(fā)明在傳統(tǒng)簡易淹沒范圍模型的基礎上，通過步驟1及步驟3結合傳統(tǒng)經(jīng)驗公式使模型能夠應用于潰壩洪水計算，又通過步驟6所述的淹沒范圍柵格化及插值處理得到淹沒水深空間分布，解決了傳統(tǒng)簡易淹沒模型無法計算淹沒水深的問題，同時本發(fā)明是基于dem地形數(shù)據(jù)進行的淹沒范圍及水深計算，較于傳統(tǒng)水動力模型計算更簡便、模型結果更穩(wěn)定。