基于ArcGIS的洪水淹沒分析與三維模擬

孫 君,奚賽英,尤 迪,鄭付濤

(常州市規(guī)劃設(shè)計(jì)院,江蘇常州 213003)

0 引言

我國是一個(gè)洪水災(zāi)害頻發(fā)的國家,大約2/3的國土面積有著不同類型和不同危害程度的洪水災(zāi)害[1].因此,快速、準(zhǔn)確地模擬預(yù)測(cè)洪水淹沒范圍及面積,對(duì)防洪減災(zāi)具有重要意義.

防洪減災(zāi)工作自20世紀(jì)90年代以來,在水動(dòng)力-水文模型基礎(chǔ)上,利用ArcGIS強(qiáng)有力的空間分析和可視化功能,模擬顯示洪水淹沒區(qū),進(jìn)行非工程措施防洪減災(zāi),是研究熱點(diǎn).

結(jié)合相關(guān)學(xué)術(shù)文獻(xiàn),發(fā)現(xiàn)ArcGIS在洪水淹沒分析方面多有應(yīng)用[2-6].但需要編制復(fù)雜程序或應(yīng)用復(fù)雜算法,往往過于繁瑣.

本文提供了無需編程就可以簡單迅速地計(jì)算出洪水淹沒面積的方法.以ArcGIS為基本處理方法,以TIN數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),運(yùn)用ArcMap自身功能,對(duì)區(qū)域天然防洪能力進(jìn)行劃分,求得低于一定高程的洪水淹沒范圍,實(shí)現(xiàn)了洪水淹沒面積的計(jì)算,進(jìn)而建立洪水水位與淹沒面積間的關(guān)系公式,并運(yùn)用公式進(jìn)行淹沒面積快速預(yù)測(cè).運(yùn)用ArcScenen軟件,簡便建立了地形和洪水模型,并對(duì)洪水漸進(jìn)情況下的淹沒情況進(jìn)行了三維模擬.

1 洪水淹沒范圍分析

1.1 確定洪水淹沒分析方法

洪水淹沒是一個(gè)動(dòng)態(tài)而至平衡的過程.確定洪水最終淹沒范圍,有2種概化模型:(1)基于水位的洪水淹沒范圍計(jì)算:給定某一洪水水位H,由此推算出洪水的淹沒范圍.該模型相對(duì)簡便.(2)基于水量的洪水淹沒范圍計(jì)算:即在給定某一洪水水量Q的條件下,計(jì)算相應(yīng)的洪水淹沒范圍.在應(yīng)對(duì)非調(diào)度洪水災(zāi)情分析時(shí),往往需要利用獲取的淹沒區(qū)洪水水位或水量[7].因洪水水位數(shù)據(jù)的獲取較為容易,故采用基于水位的淹沒分析.

基于水位的淹沒分析,分兩種情形:(1)無源淹沒:凡是高程值低于給定水位的點(diǎn)均為淹沒區(qū),相當(dāng)于整個(gè)地區(qū)大面積均勻降水,所有低洼處都可能積水成災(zāi);(2)有源淹沒:考慮"流通"淹沒的情況,即洪水只淹沒它能流到的地方,相當(dāng)于高發(fā)洪水流域泛濫,例如洪水決堤,或局部暴雨引起的暴漲水向四周擴(kuò)散[8].對(duì)于洪水源頭不易確定、地勢(shì)相對(duì)平坦地區(qū),無源淹沒模型較為貼切.

依據(jù)上述分析方法適用范圍和本文研究對(duì)象的特點(diǎn),采用基于水位的洪水淹沒范圍計(jì)算中的無源淹沒模型進(jìn)行分析計(jì)算與三維模擬.

1.2 劃分區(qū)域天然防洪能力

防洪能力涉及因素較多,如地形地貌、地面高程、河道暢通性能、防洪排澇設(shè)施建設(shè)情況等.這里以某城市建成區(qū)為研究對(duì)象,根據(jù)地區(qū)防洪除澇水位控制標(biāo)準(zhǔn),只考慮利用地面高程評(píng)價(jià)防洪適宜性,對(duì)其天然防洪能力作定性劃分.研究區(qū)域內(nèi)高程-9.1m～107.6m,利用ArcMap,結(jié)合地區(qū)防洪水位要求,以50年防洪設(shè)防水位黃海標(biāo)高3.75m、200年防洪設(shè)防水位標(biāo)高4.05m為界劃分系統(tǒng)建設(shè)區(qū)內(nèi)各區(qū)域天然防洪能力(圖1),直觀展示發(fā)生各種級(jí)別的洪災(zāi)時(shí),可能淹沒的區(qū)域,以便有針對(duì)性地進(jìn)行規(guī)劃、決策.

1.3 洪水淹沒范圍分析與預(yù)測(cè)

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理

TIN to Raster:預(yù)先生成分析區(qū)數(shù)字高程模型TIN數(shù)據(jù),由于基于柵格的計(jì)算比較簡單,因此需要將TIN轉(zhuǎn)換成Raster: ArcMap下單擊【3D Analyst】,找到【Convert】的【TIN to Raster】項(xiàng),Attribute選擇Elevation;Cell Size輸入100;在Output Raster中輸入路徑,單擊OK.生成所需要的Raster,其屬性值表示高程值.

面積因子提取:在【Spatial Analyst】菜單中選擇【Raster Calculator】項(xiàng),設(shè)置"Raster <3.75",洪水淹沒的高程選擇的是分析區(qū)內(nèi)50年防洪設(shè)防水位高程.【Evaluate】生成Value值為0(代表Raster ≥3.75)和1 (代表Raster <3.75)區(qū)域.

(2)淹沒面積計(jì)算

將所有value值為1的區(qū)域進(jìn)行累加計(jì)算,即得出淹沒區(qū)的面積.

將Raster轉(zhuǎn)化成Features:【Spatial Analyst】中選擇【Convert】的【Raster to Features】項(xiàng),Input raster中選擇上面求出的低于3.75m的柵格圖像;在Output geometry type中選擇Polygon,并在Output features中寫入路徑,單擊OK,生成Features.

打開其屬性表,新建Name為Area,Type為Double字段,Area上右擊選擇Calculate Geometry,計(jì)算各區(qū)塊面積,選擇所有Gridcode值為1的多邊形,右擊Area選擇ΣStatistics項(xiàng),顯示淹沒區(qū)總面積直方圖,所求淹沒區(qū)面積為181306884m2,即約181.3km2,如圖2所示.

表1 淹沒面積統(tǒng)計(jì)

對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式回歸分析,如圖3所示,建立洪水水位高程Hf與淹沒面積Af之間關(guān)系公式:

值得一提的是,這里建立的洪水水位高程Hf與淹沒面積Af之間的關(guān)系,與分析區(qū)域內(nèi)高程分布情況密切相關(guān),會(huì)因分析區(qū)域的不同而有所差異,只對(duì)特定的分析區(qū)具有一定的代表性,進(jìn)行相關(guān)的淹沒面積預(yù)測(cè)計(jì)算.

(3)淹沒面積預(yù)測(cè)

基于洪水水位高程Hf與淹沒面積Af間的關(guān)系,可直接對(duì)分析區(qū)不同洪水水位下的淹沒面積進(jìn)行預(yù)測(cè),并與相應(yīng)洪水水位下由ArcMap計(jì)算所得淹沒面積進(jìn)行誤差分析,結(jié)果如表2所示:

表2 淹沒面積預(yù)測(cè)

通過以上公式預(yù)測(cè)淹沒面積與軟件計(jì)算淹沒面積之間的誤差比較,可見當(dāng)洪水水位高程在0.5～5.0m之間時(shí),公式預(yù)測(cè)淹沒面積與軟件計(jì)算淹沒面積之間的誤差較小,可控制在4%以內(nèi).當(dāng)洪水水位高程在此范圍外時(shí),誤差相對(duì)較大一些,建立的Hf與Af關(guān)系公式適用性略有欠缺,需作進(jìn)一步調(diào)整.

2 洪水漸進(jìn)淹沒三維模擬

基于分析區(qū)TIN數(shù)據(jù),采用ArcGIS 3D模塊ArcScene建立了地形三維模型,疊加逐步抬深的洪水水位面,實(shí)現(xiàn)了洪水無源演進(jìn)淹沒三維模擬,可以直觀比較不同水位的淹沒區(qū)域分布情況,局部效果如圖4所示:

3 結(jié)語

研究結(jié)果表明ArcGIS在洪水淹沒面積計(jì)算中的應(yīng)用為洪水災(zāi)害評(píng)估研究提供了一個(gè)有力的工具.根據(jù)本文提供的洪水淹沒區(qū)面積計(jì)算方法,便捷地計(jì)算了淹沒面積.根據(jù)洪水水位與淹沒面積間的關(guān)系公式,預(yù)測(cè)某一水位高程下的淹沒面積,為洪水災(zāi)害的快速預(yù)測(cè)提供了思路.基于ArcGIS的洪水漸進(jìn)淹沒三維模擬,直觀表達(dá)了洪水淹沒區(qū)的分布隨水位抬深的變化情況,為防洪減災(zāi)決策,為進(jìn)一步開展洪水治理提供了有效的服務(wù).

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