計算機技術在暴雨統計參數等值線繪制中應用

張 洵

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110003)

暴雨等值線圖被廣泛用于水利水電、鐵路、公路、廠礦、機場、城市防洪與排澇等工程規劃、設計中用于推求設計洪水，它是用圖表語言，系統、全面、科學地描述暴雨統計特征的水文專業圖。

暴雨參數等值線圖[1- 2]是利用水文氣象站網歷年實測雨量資料，以年最大選用法組成選定歷時(標準時段)的雨量系列，用P-Ⅲ型曲線進行頻率分析，計算各雨量站標準時段暴雨統計參數，在一定比例地圖繪制而成。統計參數包括均值、變差系數Cv、偏態系數Cs。

暴雨參數等值線圖繪制涵蓋資料收集處理、統計參數計算與合理性檢查、等值線圖繪制與檢查幾項內容。手工完成統計參數計算、等值線圖的繪制需要大量人員投入，花費時間較長。隨著計算機、地理信息系統的不斷發展，各種模型的開發應用，將計算機技術用于暴雨參數等值線繪制是一個新的發展方向。

1 軟件基本結構

針對暴雨參數等值線工作內容，研制軟件包括數據處理、暴雨統計參數2個模塊。

數據處理模塊主要功能是設置與數據庫[2]的連接、測站信息導入、生成各測站時段長度為1h的雨量過程數據等。

暴雨統計參數模塊主要完成暴雨統計參數計算、暴雨統計參數等值線繪制功能。

系統使用GIS作為操作平臺，GIS采用ArcGIS系統。

軟件系統框架由人機接口層、系統功能層和信息支持層3個層次組成。系統總體邏輯結構如圖1所示。

第一層，人機接口層。主要由人機交互界面和界面內的總控菜單組成。

第二層，系統功能層。主要由數據處理、暴雨統計參數計算、暴雨統計參數等值線功能模塊組成。

第三層，信息支持層。主要由擴展的基礎水文數據庫組成。

圖1 暴雨統計參數分析軟件總體邏輯結構

2 數據處理模塊

數據處理模塊包括數據庫設置、雨量1h處理、雨量特征值統計和站點圖層創建功能。

2.1 數據庫設置

設置暴雨軟件與工作數據庫的連接參數，界面如圖2所示。

圖2 數據庫設置界面

在界面中可設置工作數據庫連接的相關參數，包括數據庫系統、數據庫服務器、數據庫名稱、用戶名、用戶登錄密碼等。

數據庫設置完成后，其連接參數保存到本地計算機，數據處理模塊、暴雨模塊啟動時自動獲取數據庫參數，不再需要設置。

2.2 雨量1h時段處理

雨量1h時段處理功能是生成雨量測站的1h等時段雨量過程。

首先搜索數據庫中所有具有雨量摘錄的雨量站及其年份，對每一個測站的每1年份雨量摘錄數據進行1h等時段處理，并將處理結果存入工作數據庫中。

由于雨量摘錄數據量比較大，處理時間相對較長，本項功能提供分時間段處理，即只處理指定年份的數據。

2.3 雨量特征值統計

雨量特征值統計功能是計算雨量測站年雨量特征值，包括最大10、30、60min，1、3、6、12、24h，1、3d雨量和年降雨總量。

首先搜索數據庫中所有具有雨量摘錄、日雨量的雨量站及其年份，對每一個測站的每1年份雨量摘錄數據進行年最大10、30、60min，1、3、6、12、24h雨量統計計算，對日雨量數據進行年最大1、3d雨量計算，并將統計計算結果存入工作數據庫中。

由于雨量摘錄數據量及日雨量比較大，處理時間相對較長，本項功能提供分時間段處理，即只處理指定年份的數據。

利用數據庫管理軟件對站點屬性表站點的經緯度數據、暴雨特征數據表和年最大點雨量表進行合理性分析和檢查。

根據站點的經緯度，利用ArcGIS系統創建站點對象圖層，打印出站點位置分布圖，對比已有雨量站網分布圖，據此檢查站點的經緯度數據。

暴雨特征數據表和年最大雨量表的合理性檢查，重點是檢查不同歷時之間雨量數據和發生時間的合理性，可根據不同歷時的雨量強度來檢查，如10min雨量值的3倍要大于或等于30min的雨量值；30min雨量值的2倍要大于或等于1h的雨量值，如果不滿足短歷時的雨量強度大于或等于長歷時的雨量強度、短歷時雨量不得大于相鄰長歷時雨量要求，則需要核對數據，直到滿足要求。

2.4 站點圖層創建

利用數據庫中的水文測站基本信息數據創建測站工作圖層。從工作數據庫中搜索所有具有經緯度信息的測站，根據測站經緯度，利用ArcGIS的相關功能創建站點圖層。站點圖層創建成功后，將自動加載到系統中。

3 暴雨統計參數模塊

3.1 暴雨統計參數計算子模塊

暴雨統計參數計算子模塊是分站進行，各時段的統計參數初值計算由工具軟件自動完成，同站的多個時段統計參數對比分析調整由工具軟件輔助用戶完成。

單個時段的統計參數自動計算采用P-III型分布，均值(Ex)直接選用矩法估計值，偏態系數(Cs)固定為變差系數(Cv)的3.5倍，Cv的計算采用約束準則適線法，具體采用殘差平方和最小準則適線。

單站多時段對比分析則提供輔助專家調整界面，將9種歷時的頻率曲線和經驗點據繪制在同一張圖中，并列出9種歷時的統計參數及其擬合殘差。專家通過該軟件界面可直接查看估算的統計參數所對應的理論頻率曲線，并可對比經驗點據，從而查看擬合情況，同時，可人工調整其中任一歷時的統計參數，相應的頻率曲線和殘差同時改變，輔助專家確定最終的統計參數，保證各歷時的頻率曲線不相交。

以某雨量站為例，采用交互式方式，由人工對測站的暴雨統計參數進行調整，分單站多時段、多站單時段2種方式，界面如圖3所示。

圖3 暴雨統計參數人工調整界面

在界面中，用戶可根據單站多時段的頻率曲線分布或多站單時段的統計參數情況，根據2.3節中檢查要求，對暴雨統計參數[4]合理性檢查和調整，調整結果存入數據庫。

3.2 暴雨統計參數等值線子模塊

在選定比例尺電子地圖上，利用各雨量站位置以及已經綜合分析、調整后的各時段暴雨統計參數，來分別繪制不同時段的暴雨統計參數，即均值(Ex)、變差系數(Cv)的等值線圖，同時本模塊可利用各測站的時段暴雨統計參數實現不同設計頻率(例如：0.1%、1%、2%)設計點暴雨的自動計算，并自動繪制暴雨等值線圖。

利用散點值繪制等值線的方法比較多，本次采用自然近鄰法，即雙次泰森多邊形法。首先根據要素點利用ArcGIS軟件[2- 3]中的分析工具首次生成泰森多邊形，然后根據插值點與要素點二次生成泰森多邊形，兩次生成的泰森多邊形相疊加即可完成。計算出各要素點泰森多邊形占插值點與要素點泰森多邊形的面積作為根據各要素點計算該插值點要素時的權重系數。

暴雨統計參數[6]等值線子模塊主要包括等值線繪制、特征點檢查、特大值檢查、均值檢查、設計值檢查等功能。

3.2.1等值線繪制

根據各雨量站經過確認的暴雨統計參數，利用ArcGIS的空間插值功能，繪制各時段暴雨統計參數的等值線。

暴雨統計參數等值線繪制包括2個階段，第一階段利用各站的經人工調整的暴雨統計參數由軟件自動繪制，第二階段則由人工檢查修改后的統計參數等值線，自動繪制參數等值線的界面如圖4所示。

圖4 暴雨統計參數等值線繪制界面

3.2.2特征控制點檢查

特征控制點是指等值線的峰、谷、鞍形區域、舌形區域等位置的控制點，主要用于將等值線離散到網格點，生成暴雨統計參數格網圖，便于相關軟件使用。特征點檢查主要是判別特征點的設置是否合理，檢查手段是利用原等值線和特征點文件生成柵格圖，再利用柵格圖生成等值線，原等值線和生成的等值線應基本一致。

特征點檢查功能根據特征點文件和原等值線生成新的還原等值線，用戶可在ArcGIS系統中同時打開原等值線和還原等值線，檢查兩者是否基本一致，若具有明顯差異，需要調整特征點的設置，重新檢查。

3.2.3特大值檢查

利用實際發生或歷史調查的特大點暴雨數據，根據暴雨統計參數等值線，計算其發生重現期，與實際確認的重現期進行對比。若兩者有較大的差別，則需要分析暴雨參數等值線是否存在問題，是否需要調整。同時若某個區域的特大值重現期普遍偏大或偏小，則其暴雨統計參數等值線需要調整。

特大值檢查功能是特大值點文件中特大值發生位置，由暴雨統計參數等值線查出相應的統計參數，并計算特大值對應的重現期，將計算結果存入特大值點文件中。用戶可利用ArcGIS系統打開特大值點文件，分析特大值的合理性，調整相應的暴雨統計參數等值線。特大值檢查結果如圖5所示。

圖5 特大值檢查結果示意圖

3.2.4均值檢查

根據暴雨統計參數等值線，計算任意點不同時段雨量的均值，并將不同時段的均值存放在一起，通過對比不同時段均值變化，檢查暴雨統計參數等值線的合理性。如發現長時段雨量均值小于短時段雨量均值或某地區均值的變化趨勢與其它區域明顯不同，則需要調整暴雨參數等值線。

均值檢查功能自動生成全省間隔0.03°(約3km)的網格點文件，計算每個網格點不同時段的雨量均值，并存入文件，用戶可以使用ArcGIS系統打開均值檢查結果文件，對暴雨統計參數等值線的合理性進行檢查。均值檢查結果文件如圖6所示。

圖6 均值檢查結果示意圖

3.2.5設計值檢查

根據暴雨統計參數均值(Ex)、變差系數(Cv)等值線圖，計算任意點各時段雨量的千年一遇設計值，并將各時段的設計值存放在一起，通過對比各時段設計值變化，檢查暴雨統計參數等值線的合理性，即Cv等值線圖合理性。如發現長時段設計值小于短時段設計值或某地區設計值的變化趨勢與其它區域明顯不同，則需要調整暴雨參數等值線。

設計值檢查功能自動生成全省間隔0.03°(約3km)的網格點文件，計算每個網格點的不同時段的千年一遇設計值，并存入文件，用戶可以使用ArcGIS系統打開設計值檢查結果文件，對暴雨統計參數等值線的合理性進行檢查。

4 結論

在ArcGIS[5]平臺上利用空間分析處理技術進行等值線勾繪、合理性檢查，專家判斷定圖方法，改變了以往以手工繪制為主的編圖模式，實現了以往無法做到的技術設想，大大提高了等值線圖的客觀性、合理性和編圖效率。尤其在等值線圖合理性檢查方面，在計算機和地理信息系統軟件支持下，對全省間隔0.03°(約3km)的網格點逐一檢查，真正實現全面、深入、細致地檢查，保證了等值線圖合理性和質量。

另外，地形對中長歷時(如24h、3d)暴雨影響顯著，有些地區尤為顯著。編圖中雖然就地形對暴雨統計參數的影響做了深入分析，但依然不足。不同尺度地形對不同歷時暴雨的影響，是今后需加強研究課題。