计算机技术在暴雨统计参数等值线绘制中应用

张 洵

(辽宁省水文局，辽宁 沈阳 110003)

暴雨等值线图被广泛用于水利水电、铁路、公路、厂矿、机场、城市防洪与排涝等工程规划、设计中用于推求设计洪水，它是用图表语言，系统、全面、科学地描述暴雨统计特征的水文专业图。

暴雨参数等值线图[1- 2]是利用水文气象站网历年实测雨量资料，以年最大选用法组成选定历时(标准时段)的雨量系列，用P-Ⅲ型曲线进行频率分析，计算各雨量站标准时段暴雨统计参数，在一定比例地图绘制而成。统计参数包括均值、变差系数Cv、偏态系数Cs。

暴雨参数等值线图绘制涵盖资料收集处理、统计参数计算与合理性检查、等值线图绘制与检查几项内容。手工完成统计参数计算、等值线图的绘制需要大量人员投入，花费时间较长。随着计算机、地理信息系统的不断发展，各种模型的开发应用，将计算机技术用于暴雨参数等值线绘制是一个新的发展方向。

1 软件基本结构

针对暴雨参数等值线工作内容，研制软件包括数据处理、暴雨统计参数2个模块。

数据处理模块主要功能是设置与数据库[2]的连接、测站信息导入、生成各测站时段长度为1h的雨量过程数据等。

暴雨统计参数模块主要完成暴雨统计参数计算、暴雨统计参数等值线绘制功能。

系统使用GIS作为操作平台，GIS采用ArcGIS系统。

软件系统框架由人机接口层、系统功能层和信息支持层3个层次组成。系统总体逻辑结构如图1所示。

第一层，人机接口层。主要由人机交互界面和界面内的总控菜单组成。

第二层，系统功能层。主要由数据处理、暴雨统计参数计算、暴雨统计参数等值线功能模块组成。

第三层，信息支持层。主要由扩展的基础水文数据库组成。

图1 暴雨统计参数分析软件总体逻辑结构

2 数据处理模块

数据处理模块包括数据库设置、雨量1h处理、雨量特征值统计和站点图层创建功能。

2.1 数据库设置

设置暴雨软件与工作数据库的连接参数，界面如图2所示。

图2 数据库设置界面

在界面中可设置工作数据库连接的相关参数，包括数据库系统、数据库服务器、数据库名称、用户名、用户登录密码等。

数据库设置完成后，其连接参数保存到本地计算机，数据处理模块、暴雨模块启动时自动获取数据库参数，不再需要设置。

2.2 雨量1h时段处理

雨量1h时段处理功能是生成雨量测站的1h等时段雨量过程。

首先搜索数据库中所有具有雨量摘录的雨量站及其年份，对每一个测站的每1年份雨量摘录数据进行1h等时段处理，并将处理结果存入工作数据库中。

由于雨量摘录数据量比较大，处理时间相对较长，本项功能提供分时间段处理，即只处理指定年份的数据。

2.3 雨量特征值统计

雨量特征值统计功能是计算雨量测站年雨量特征值，包括最大10、30、60min，1、3、6、12、24h，1、3d雨量和年降雨总量。

首先搜索数据库中所有具有雨量摘录、日雨量的雨量站及其年份，对每一个测站的每1年份雨量摘录数据进行年最大10、30、60min，1、3、6、12、24h雨量统计计算，对日雨量数据进行年最大1、3d雨量计算，并将统计计算结果存入工作数据库中。

由于雨量摘录数据量及日雨量比较大，处理时间相对较长，本项功能提供分时间段处理，即只处理指定年份的数据。

利用数据库管理软件对站点属性表站点的经纬度数据、暴雨特征数据表和年最大点雨量表进行合理性分析和检查。

根据站点的经纬度，利用ArcGIS系统创建站点对象图层，打印出站点位置分布图，对比已有雨量站网分布图，据此检查站点的经纬度数据。

暴雨特征数据表和年最大雨量表的合理性检查，重点是检查不同历时之间雨量数据和发生时间的合理性，可根据不同历时的雨量强度来检查，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，如果不满足短历时的雨量强度大于或等于长历时的雨量强度、短历时雨量不得大于相邻长历时雨量要求，则需要核对数据，直到满足要求。

2.4 站点图层创建

利用数据库中的水文测站基本信息数据创建测站工作图层。从工作数据库中搜索所有具有经纬度信息的测站，根据测站经纬度，利用ArcGIS的相关功能创建站点图层。站点图层创建成功后，将自动加载到系统中。

3 暴雨统计参数模块

3.1 暴雨统计参数计算子模块

暴雨统计参数计算子模块是分站进行，各时段的统计参数初值计算由工具软件自动完成，同站的多个时段统计参数对比分析调整由工具软件辅助用户完成。

单个时段的统计参数自动计算采用P-III型分布，均值(Ex)直接选用矩法估计值，偏态系数(Cs)固定为变差系数(Cv)的3.5倍，Cv的计算采用约束准则适线法，具体采用残差平方和最小准则适线。

单站多时段对比分析则提供辅助专家调整界面，将9种历时的频率曲线和经验点据绘制在同一张图中，并列出9种历时的统计参数及其拟合残差。专家通过该软件界面可直接查看估算的统计参数所对应的理论频率曲线，并可对比经验点据，从而查看拟合情况，同时，可人工调整其中任一历时的统计参数，相应的频率曲线和残差同时改变，辅助专家确定最终的统计参数，保证各历时的频率曲线不相交。

以某雨量站为例，采用交互式方式，由人工对测站的暴雨统计参数进行调整，分单站多时段、多站单时段2种方式，界面如图3所示。

图3 暴雨统计参数人工调整界面

在界面中，用户可根据单站多时段的频率曲线分布或多站单时段的统计参数情况，根据2.3节中检查要求，对暴雨统计参数[4]合理性检查和调整，调整结果存入数据库。

3.2 暴雨统计参数等值线子模块

在选定比例尺电子地图上，利用各雨量站位置以及已经综合分析、调整后的各时段暴雨统计参数，来分别绘制不同时段的暴雨统计参数，即均值(Ex)、变差系数(Cv)的等值线图，同时本模块可利用各测站的时段暴雨统计参数实现不同设计频率(例如：0.1%、1%、2%)设计点暴雨的自动计算，并自动绘制暴雨等值线图。

利用散点值绘制等值线的方法比较多，本次采用自然近邻法，即双次泰森多边形法。首先根据要素点利用ArcGIS软件[2- 3]中的分析工具首次生成泰森多边形，然后根据插值点与要素点二次生成泰森多边形，两次生成的泰森多边形相叠加即可完成。计算出各要素点泰森多边形占插值点与要素点泰森多边形的面积作为根据各要素点计算该插值点要素时的权重系数。

暴雨统计参数[6]等值线子模块主要包括等值线绘制、特征点检查、特大值检查、均值检查、设计值检查等功能。

3.2.1等值线绘制

根据各雨量站经过确认的暴雨统计参数，利用ArcGIS的空间插值功能，绘制各时段暴雨统计参数的等值线。

暴雨统计参数等值线绘制包括2个阶段，第一阶段利用各站的经人工调整的暴雨统计参数由软件自动绘制，第二阶段则由人工检查修改后的统计参数等值线，自动绘制参数等值线的界面如图4所示。

图4 暴雨统计参数等值线绘制界面

3.2.2特征控制点检查

特征控制点是指等值线的峰、谷、鞍形区域、舌形区域等位置的控制点，主要用于将等值线离散到网格点，生成暴雨统计参数格网图，便于相关软件使用。特征点检查主要是判别特征点的设置是否合理，检查手段是利用原等值线和特征点文件生成栅格图，再利用栅格图生成等值线，原等值线和生成的等值线应基本一致。

特征点检查功能根据特征点文件和原等值线生成新的还原等值线，用户可在ArcGIS系统中同时打开原等值线和还原等值线，检查两者是否基本一致，若具有明显差异，需要调整特征点的设置，重新检查。

3.2.3特大值检查

利用实际发生或历史调查的特大点暴雨数据，根据暴雨统计参数等值线，计算其发生重现期，与实际确认的重现期进行对比。若两者有较大的差别，则需要分析暴雨参数等值线是否存在问题，是否需要调整。同时若某个区域的特大值重现期普遍偏大或偏小，则其暴雨统计参数等值线需要调整。

特大值检查功能是特大值点文件中特大值发生位置，由暴雨统计参数等值线查出相应的统计参数，并计算特大值对应的重现期，将计算结果存入特大值点文件中。用户可利用ArcGIS系统打开特大值点文件，分析特大值的合理性，调整相应的暴雨统计参数等值线。特大值检查结果如图5所示。

图5 特大值检查结果示意图

3.2.4均值检查

根据暴雨统计参数等值线，计算任意点不同时段雨量的均值，并将不同时段的均值存放在一起，通过对比不同时段均值变化，检查暴雨统计参数等值线的合理性。如发现长时段雨量均值小于短时段雨量均值或某地区均值的变化趋势与其它区域明显不同，则需要调整暴雨参数等值线。

均值检查功能自动生成全省间隔0.03°(约3km)的网格点文件，计算每个网格点不同时段的雨量均值，并存入文件，用户可以使用ArcGIS系统打开均值检查结果文件，对暴雨统计参数等值线的合理性进行检查。均值检查结果文件如图6所示。

图6 均值检查结果示意图

3.2.5设计值检查

根据暴雨统计参数均值(Ex)、变差系数(Cv)等值线图，计算任意点各时段雨量的千年一遇设计值，并将各时段的设计值存放在一起，通过对比各时段设计值变化，检查暴雨统计参数等值线的合理性，即Cv等值线图合理性。如发现长时段设计值小于短时段设计值或某地区设计值的变化趋势与其它区域明显不同，则需要调整暴雨参数等值线。

设计值检查功能自动生成全省间隔0.03°(约3km)的网格点文件，计算每个网格点的不同时段的千年一遇设计值，并存入文件，用户可以使用ArcGIS系统打开设计值检查结果文件，对暴雨统计参数等值线的合理性进行检查。

4 结论

在ArcGIS[5]平台上利用空间分析处理技术进行等值线勾绘、合理性检查，专家判断定图方法，改变了以往以手工绘制为主的编图模式，实现了以往无法做到的技术设想，大大提高了等值线图的客观性、合理性和编图效率。尤其在等值线图合理性检查方面，在计算机和地理信息系统软件支持下，对全省间隔0.03°(约3km)的网格点逐一检查，真正实现全面、深入、细致地检查，保证了等值线图合理性和质量。

另外，地形对中长历时(如24h、3d)暴雨影响显著，有些地区尤为显著。编图中虽然就地形对暴雨统计参数的影响做了深入分析，但依然不足。不同尺度地形对不同历时暴雨的影响，是今后需加强研究课题。