基于ArcMap潰堰洪水風(fēng)險可視化建模及其應(yīng)用

程 毅，劉 全,3，胡志根，吳文洪，楊 虎(.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室，武漢 43007；.中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，長沙 4004；3.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 44300)

水電工程潰堰事故具有突發(fā)性，施工導(dǎo)流系統(tǒng)設(shè)計中預(yù)知圍堰潰決風(fēng)險，評估風(fēng)險損失有著重要意義，潰堰洪水風(fēng)險圖可直觀地反映潰堰后洪水淹沒程度及范圍，為分析風(fēng)險損失提供技術(shù)支撐。Van Alphen J、Meyer V、Todini E等[1-3]進行洪水風(fēng)險圖編制的研究，預(yù)見超標洪水災(zāi)害影響程度，國內(nèi)施工導(dǎo)流風(fēng)險研究取得較多成果，胡志根、范錫峨、張超、薛進平等[4-7]介紹多種施工導(dǎo)流風(fēng)險理論，提出不同施工環(huán)境導(dǎo)流風(fēng)險計算方法，但理論計算成果不具有直觀性，在社會教育及培育洪水風(fēng)險意識方面有著局限性；許有鵬、王艷艷、陳璐佳等[8-10]針對流域發(fā)生常規(guī)洪水，對洪水風(fēng)險圖在各流域中的應(yīng)用做有益探索，為非常規(guī)洪水風(fēng)險圖研究提供了參考，王曉航等[11]對水庫發(fā)生潰壩時，在Visual Basic平臺，利用ArcEngine組件編制下游河道洪水風(fēng)險圖，但針對壩體潰決且涉及GIS的二次開發(fā)，技術(shù)路徑復(fù)雜。

本文基于ArcMap平臺針對圍堰潰決下游河道洪水進行可視化研究，在潰堰洪水?dāng)?shù)值模擬基礎(chǔ)上，建立河道水面柵格數(shù)據(jù)模型耦合地形柵格數(shù)據(jù)模型進行空間分析及可視化表征，構(gòu)建潰堰風(fēng)險可視化模型，為優(yōu)選導(dǎo)流方案及工程安全管理提供高效的技術(shù)支撐。

1 潰堰洪水風(fēng)險可視化模型

1.1 基于ArcMap潰堰洪水風(fēng)險可視化模型

基于ArcMap潰堰洪水風(fēng)險可視化模型分析洪水水面和庫區(qū)地面的空間位置關(guān)系以及分析結(jié)果的可視化表征，分為兩個模塊，空間數(shù)據(jù)分析及分析結(jié)果可視化表征。潰堰洪水風(fēng)險可視化模型如圖1所示。

圖1 基于ArcMap潰堰洪水風(fēng)險可視化模型Fig.1 Visualization model in flood risk of cofferdam-break based on ArcMap

在空間數(shù)據(jù)分析模塊中，關(guān)鍵的兩類數(shù)據(jù)是水面柵格數(shù)據(jù)和地面柵格數(shù)據(jù)，兩者統(tǒng)一在空間數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)上，以規(guī)則的陣列數(shù)據(jù)組織表示空間地物分布，以二維數(shù)字矩陣分析法作為空間運算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。建立庫區(qū)地形柵格數(shù)據(jù)模型，確定基準坐標系統(tǒng)，配準數(shù)據(jù)位置，對重疊覆蓋區(qū)域進行空間位置分析，以數(shù)學(xué)矩陣運算規(guī)則求解庫區(qū)淹沒水深，進而運算庫區(qū)重疊范圍內(nèi)水深值，建立以水深為屬性量值的柵格數(shù)據(jù)模型，確定柵格數(shù)據(jù)模型最佳分辨率，模擬淹沒水深場?？臻g數(shù)據(jù)分析是潰堰洪水風(fēng)險可視化的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

可視化表征包括庫區(qū)數(shù)字地形可視化及淹沒水深場可視化，兩者對屬性量值差異的表達要求不同，數(shù)字地形可視化要求漸變表達地形高程分布差異，可直接給不同的地類賦以相應(yīng)的編碼，通過地物屬性碼與相應(yīng)符號編碼的匹配實現(xiàn)地形要素的符號化。而淹沒水深場可視化要求在一個較窄水深變化區(qū)間分級表現(xiàn)水深分布情況，先進行等深線勾畫，以等深線為依據(jù)將水深場屬性量值劃分若干級別，用隔斷色彩匹配不同數(shù)值范圍，反映淹沒水深場的定量差異。

1.2 基于ArcMap潰堰洪水風(fēng)險可視化模型構(gòu)建

1.2.1潰堰洪水?dāng)?shù)據(jù)

潰堰洪水演進基本問題是水力要素隨時間和空間的演變規(guī)律，鑒于潰堰洪水流量遠比常規(guī)河流入流量大，忽略側(cè)向入流影響，潰堰水流一維非恒定流控制方程：

(2)

式中：Sf為摩阻坡降；Sx為底坡正弦值；V為水流行進速度；x為河道沿程距離；Q為斷面流量。

采用6點Abbott隱式差分格式離散化處理，模擬潰堰洪水演進過程獲取沿程河道潰堰洪水水位數(shù)據(jù)。模擬計算初值條件采用圍堰設(shè)計標準洪水，包括洪峰流量及初始水深。

1.2.2柵格數(shù)據(jù)模型

空間數(shù)據(jù)(如水面線，等高線等)以矢量結(jié)構(gòu)儲存，以三維方式建立水面及地面矢量數(shù)據(jù)模型(TIN)。矢量模型包含高程、坡度等信息，用于處理在不同位置上多種數(shù)據(jù)復(fù)合分析十分復(fù)雜。因此為精簡顯示信息加快運算速度，將矢量模型轉(zhuǎn)化為以高程為屬性的水面及地面柵格數(shù)據(jù)模型(Grid)。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布：

(4)

Gf=L(Gg,Gw)

(5)

式中：Gf為淹沒水深場柵格數(shù)據(jù)模型；Gg、Gw分別為庫區(qū)地面柵格數(shù)據(jù)模型、水面柵格數(shù)據(jù)模型；aij、bij為各柵格數(shù)據(jù)模型像元屬性值；L表示柵格數(shù)據(jù)模型運算函數(shù)。柵格數(shù)據(jù)空間分析以二維數(shù)字矩陣分析法為基礎(chǔ)，具有相同輸入像元的兩個或多個柵格數(shù)據(jù)逐單元按照關(guān)系函數(shù)運算，淹沒水深場是對水面柵格模型和地面柵格數(shù)據(jù)模型空間位置分析后的成果。

淹沒水深場柵格數(shù)據(jù)模型具有與地面柵格數(shù)據(jù)模型相同分辨率，是以量化和近似離散數(shù)據(jù)模擬逼近面狀分布對象，對柵格表面進行反距離插值[12]以生成連續(xù)且規(guī)則的柵格面。設(shè)平面上分布N個離散點(Xi,Yi,Zi)其中(i=0,1,2,…,n)：

(6)

式中：Z為待估計值；Zi為第i個樣本的屬性量值；di為各離散點至待插值點的距離；參數(shù)p為距離的方次，取值1.0～6.0之間，本模型取值2.0。

1.2.3柵格模型最佳分辨率

水面柵格模型和庫區(qū)地形柵格模型位置匹配具有相同的分辨率。選取合適的分辨率既可使生成的柵格如實反映和描述地貌地形特征，又可避免引入新誤差。柵格模型最佳分辨率的研究成果較多。本文采用楊勤科等[13]提出基于地貌學(xué)原理，以讀取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)所有信息和有效表達地貌特征為目標，利用多種柵格坡度均方差-柵格尺寸曲線關(guān)系，結(jié)合對插值柵格上地貌特征的分析，確定最佳柵格模型分辨率。簡單滿足為兩個條件：與原生等高線吻合，如實反映地形特征；不能因分辨率過高出現(xiàn)沿等高線方向的明顯紋理特征。

1.2.4淹沒水深場分級

淹沒水深場柵格面上根據(jù)淺點相近原則[14]劃定等深線，依據(jù)等深線確定水深分級等深線，分級等深線將淹沒水深場分成不同等級的淹沒水深區(qū)域。

1.2.5對象符號化

空間分析結(jié)果可視化表征關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對象符號化。據(jù)拓撲映射原理，設(shè)x∈A∈X是三維空間X中制圖區(qū)域A內(nèi)的制圖物體，存在從三維空間X到地球橢球面S的映射f：X→S和地球橢球面S到制圖者的認知結(jié)構(gòu)Y的映射g：S→Y以及從制圖者的認知結(jié)構(gòu)Y到二維平面Z映射q：Y→Z。x在f,g,q三重拓撲映射下的平面像qgf(x)∈qgf(Z)?Z稱為制圖對象x的地圖符號化[15]。

潰堰洪水風(fēng)險可視化模型分類分級及具象化，包括Gf、Gg；兩者對于量值差異可視化表達要求不同，數(shù)字地形Gg符號化較為常規(guī)，可直接采用國家地形圖圖示標準中的地理要素分類及編碼，直接給不同的地類賦以相應(yīng)的編碼，通過地物屬性碼與相應(yīng)符號編碼的匹配實現(xiàn)地形要素的符號化表達，如圖2所示。

圖2 地類要素符號化表達流程Fig.2 Technological process of symbolic expression for geographical elements

淹沒水深場Gf可視化表征要求較窄水深變化區(qū)間表現(xiàn)水深分布情況，在輪廓線(等深線)范圍內(nèi)配置不同的面狀符號，面狀地圖符號由邊界線和邊界線內(nèi)填充圖形組成。在1∶M比例尺條件下，面狀地圖符號描述如下：

P=Mqgf(L,F)

(7)

式中：P為面狀地圖符號；M為符號比例尺；qgf為符號生成函數(shù)；L為符號邊界線；F為符號邊界線內(nèi)所有填充圖形。

(8)

f(x)=M2qgf(x)

(9)

式中：F為面狀地圖符號邊界內(nèi)的所有填充圖形；Xi,Xk為構(gòu)成面狀地圖符號邊界線內(nèi)的填充圖形；R為面狀地圖符號邊界線內(nèi)填充圖形Xi,Xk之間的位置依賴關(guān)系；Yj為面狀地圖符號填充圖形的描述信息的屬性。

符合上述條件P為制圖物體x依比例面狀地圖符號，按照水深分布形狀確定P基本形狀，以P顏色區(qū)分屬性量值，明確淹沒區(qū)域間的水深定量差異，表達不同區(qū)域的水深分布。

2 工程實例

2.1 基礎(chǔ)資料

2.1.1工程概況

拉哇水電站是金沙江上游13級開發(fā)方案中第8級，上游為葉巴灘水電站，下游為巴塘水電站。設(shè)計方案推薦壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高234.00 m，裝機容量2 000 MW，水庫正常蓄水位2 702.00 m，相應(yīng)庫容19.93億m3，屬Ⅰ等大(1)型工程。經(jīng)綜合分析，拉哇水電站施工導(dǎo)流初擬一次攔斷河床、隧洞導(dǎo)流方式，使用土石類圍堰全年擋水，有兩種備選修筑方案：30年一遇擋水標準和50年一遇擋水標準，需對兩種修筑標準下的潰決洪水進行研究，制作潰堰洪水淹沒風(fēng)險圖，為后續(xù)風(fēng)險分析及優(yōu)選導(dǎo)流方案提供技術(shù)支撐。圍堰修筑結(jié)構(gòu)圖3所示。

圖3 圍堰修筑結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Cofferdam structure

2.1.2下游河道地形數(shù)據(jù)

拉哇水電站庫區(qū)數(shù)字地形圖等高距為5 m，比例尺為1∶5 000。下游河道處于高山峽谷中，沿岸地形陡峻，河谷斷面呈“V”型，蓄洪量小，洪水期水位變化劇烈。庫區(qū)河道幾處較大堆積體如圖4示，有出現(xiàn)滑坡的可能，確定為典型斷面，需要表達出水深等信息。

堰址至下游巴塘壩址(洪水研究邊界)共19 km，本次研究初擬50個斷面，根據(jù)不同地形變化條件適當(dāng)增減，最終確定56個計算斷面，采集各斷面地理位置信息，構(gòu)建下游河槽地形數(shù)字模型。

圖4 河道沿程典型斷面位置示意圖Fig.4 Diagram location of typical section in river

2.1.3潰堰洪水河槽沿程水面數(shù)據(jù)

經(jīng)潰堰洪水演算，得到兩種擋水標準下的圍堰漫頂潰決后河槽剖面洪水沿程最高水面線(如圖5示)。

圖5 不同擋水標準圍堰漫頂潰決洪水沿程水面線Fig.5 Water surface profile of cofferdam-break at different retaining standard

2.2 潰堰洪水風(fēng)險圖

參照參考文獻[13]中典型丘陵地區(qū)數(shù)字地形圖(比例尺為1∶1萬，等高距5 m)提出拉哇電站庫區(qū)柵格數(shù)據(jù)模型初始分辨率為2.5 m。經(jīng)合理性驗證，最終確定柵格模型最佳分辨率為1m。建立水面柵格數(shù)據(jù)模型，耦合庫區(qū)地形柵格數(shù)據(jù)模型空間分析，對分析成果可視化表征，編制潰堰洪水風(fēng)險圖(如圖6、圖7示)。

圖6 30年一遇擋水標準圍堰潰決洪水風(fēng)險圖Fig.6 The flood risk mapping of cofferdam-break at 30-years retaining standard

圖7 50年一遇擋水標準圍堰潰決洪水風(fēng)險圖Fig.7 The flood risk mapping of cofferdam-break at 50-years retaining standard

圖6、圖7中顯示2種不同擋水標準圍堰潰決對下游庫區(qū)影響，即潰堰洪水發(fā)生下游河道淹沒范圍及水深分布情況：洪水淹沒區(qū)域呈狹長帶狀分布，呈現(xiàn)從河道岸坡往河槽軸線方向顏色加深，水深逐漸變大現(xiàn)象，反映山區(qū)河流潰堰洪水集中河槽分布特點；對比兩幅圖，50年一遇的洪水風(fēng)險圖要比30年一遇的洪水風(fēng)險圖中洪水淹沒范圍及最大淹沒水深區(qū)域面積大，也說明50年一遇擋水標準圍堰比30年一遇擋水標準圍堰堰頂高程高，堰前庫容水量要大的特點。

3 結(jié) 語

本文利用ArcMap空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)聯(lián)合分析功能，建立水面及地面柵格模型，模擬淹沒水深場，構(gòu)建潰堰洪水風(fēng)險可視化模型：利用柵格數(shù)據(jù)模型替代矢量數(shù)據(jù)模型做空間分析，提高計算速度，實現(xiàn)復(fù)雜地形的適用性及空間分析位置配準方法的通用性；對淹沒水深場柵格模型進行表面插值處理，選取最佳柵格數(shù)據(jù)模型分辨率，考慮庫區(qū)淹沒區(qū)域的水深分布；同時提出劃定等深線作為判定淹沒水深分級的依據(jù)，使水深分級區(qū)域符號化更為準確客觀。拉哇工程實例說明模型的實用性，可為評估風(fēng)險損失及工程安全管理提供技術(shù)支持。

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致謝：中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司蔡昌光教高、石青春教高對本文進行了指導(dǎo)，武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室揚子、盧政佐、何文欽等研究生參與部分數(shù)據(jù)處理工作，在此一并感謝！

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