基于ArcGIS的平原河網(wǎng)地區(qū)洪水淹沒范圍快速模擬

王越　劉曙光

【摘 要】平原河網(wǎng)地區(qū)水系復(fù)雜，河湖眾多且暴雨內(nèi)澇災(zāi)害頻發(fā)，圩區(qū)從而成為了這部分地區(qū)抵御洪水災(zāi)害的典型代表。本文以杭嘉湖區(qū)（蘇）防洪保護(hù)區(qū)為例，根據(jù)區(qū)域內(nèi)圩區(qū)眾多的特點(diǎn)，分別考慮了暴雨形成的內(nèi)澇以及外來洪水造成潰口的情形。針對(duì)這兩類情況，本文分別采用ArcGIS的庫(kù)容計(jì)算模塊以及種子蔓延算法，模擬不同降雨條件下各區(qū)域的淹沒情況并得到潰口發(fā)生時(shí)圩區(qū)的淹沒情形。最后，借助ArcGIS技術(shù)快速展示各區(qū)域的淹沒范圍。

【關(guān)鍵詞】ArcGIS；洪水淹沒范圍；庫(kù)容計(jì)算模塊；種子蔓延算法；快速模擬

0 引言

長(zhǎng)江中下游平原洪澇災(zāi)害頻繁，每年造成的損失都非常巨大，嚴(yán)重影響了區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展。隨著我國(guó)對(duì)洪水治理重視程度的不斷加強(qiáng)以及科技水平的提高，在開展洪水本身的規(guī)律性研究、洪災(zāi)信息的采集、洪水預(yù)報(bào)和計(jì)算等方面，都已經(jīng)有了一些有效方法和手段。但是，快速進(jìn)行洪水淹沒范圍模擬依然是需要解決的重要問題。

分析平原河網(wǎng)地區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)，經(jīng)常采用數(shù)值模擬的方法對(duì)該地區(qū)復(fù)雜的水系以及水流運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行研究。但由于缺乏實(shí)測(cè)流量資料，較難對(duì)模型進(jìn)行率定和驗(yàn)證，且模型的計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)不利于進(jìn)行洪水快速模擬。因此，根據(jù)區(qū)域地形地貌，利用ArcGIS技術(shù)開展水文分析，快速、準(zhǔn)確地模擬洪災(zāi)，是評(píng)估洪水影響范圍的一種重要途徑。本文以數(shù)字模型高程（DEM）數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以GIS技術(shù)為手段，通過編程的方式形成一套有效的模擬暴雨內(nèi)澇和外洪潰口情形下洪水淹沒范圍的方法，能夠較為快速的進(jìn)行洪水淹沒范圍模擬。

1 洪水淹沒范圍算法介紹

造成洪水淹沒的原因有很多，但一般可以歸結(jié)為降雨形成的內(nèi)澇以及外來洪水造成的圩堤潰決。這就可以把洪水淹沒的成因分成一種是無源淹沒，另一種是有源淹沒。無源淹沒中，凡是高程低于給定水位的地方都視為淹沒區(qū)，算作淹沒范圍。這種情形適用于整個(gè)區(qū)域均勻降水，因而所有地勢(shì)低洼處都可能產(chǎn)生積水。有源淹沒情況下，水流從某一個(gè)點(diǎn)出發(fā)，受到實(shí)際地表起伏特征的影響，根據(jù)地勢(shì)自由流動(dòng)，最后形成的是一片相互連通的淹沒區(qū)域。這就適用于圩區(qū)潰口情形下的洪水淹沒模擬，洪水從潰口位置開始蔓延，最終形成一片洪水所能達(dá)到的連通淹沒區(qū)域。

這兩種方法所用到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)都是數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，數(shù)字高程模型是一種離散化的模型，用來表征地面上一點(diǎn)（x，y）關(guān)于某一參考平面的相對(duì)高度z，它能根據(jù)自身精度反映地形的起伏情況，因此又叫地形模型。DEM最主要的3種表示模型是：規(guī)則矩形格網(wǎng)（Grid）模型、不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型和等高線模型。這三種模型實(shí)質(zhì)上是能互相轉(zhuǎn)換的，但是規(guī)則矩形格網(wǎng)（Grid）模型較為容易被使用，因而本文采用的DEM數(shù)據(jù)是精度為1：10000的規(guī)則矩形格網(wǎng)（Grid）模型數(shù)據(jù)。

1.1 無源淹沒模擬

無源淹沒考慮的是降雨條件下區(qū)域的淹沒情況。假定某區(qū)域降水量為V，淹沒區(qū)洪水水位為H，規(guī)則矩形格網(wǎng)（Grid）模型數(shù)據(jù)每個(gè)離散單元的柵格面積為S，柵格數(shù)量為n，對(duì)應(yīng)第i個(gè)柵格的高程為hi，則可由下式來表示降水量V和水位H之間的關(guān)系：

上述公式實(shí)質(zhì)是一種基于水位得到該水位下總體積的方法，是將洪水水位簡(jiǎn)化成了一個(gè)平面。這就類似于求取水庫(kù)庫(kù)容的過程，得到一個(gè)水位和庫(kù)容之間的關(guān)系。在ArcGIS中，對(duì)于庫(kù)容計(jì)算，提供了一個(gè)基于數(shù)字高程模型（DEM）的庫(kù)容計(jì)算模塊（Polygon Volume），該模塊只要給定了水位和DEM地形數(shù)據(jù)就能求得庫(kù)容。

運(yùn)用該模塊，可以得到一種計(jì)算區(qū)域淹沒水深的編程算法。首先假定洪水水位為H，H可以取為計(jì)算區(qū)域地面高程的最小值，隨后應(yīng)用ArcGIS中的庫(kù)容模塊計(jì)算淹沒量V，并將淹沒量V與實(shí)際降雨量W進(jìn)行比較，若兩者數(shù)值的誤差超過了一定范圍則對(duì)H進(jìn)行累加。一直重復(fù)該過程，當(dāng)V與W的值兩者接近就能得到所要求的淹沒水深H。該算法基于ArcGIS for Python進(jìn)行編寫，可以直接調(diào)用ArcGIS中已有的模塊，因此較為簡(jiǎn)便。算法計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 無源淹沒水深計(jì)算流程

在得到研究區(qū)域的淹沒水深后，就能對(duì)整個(gè)淹沒范圍進(jìn)行提取。提取淹沒范圍的方式是獲得DEM地形數(shù)據(jù)中所有高程不大于淹沒水深的柵格。這可以通過ArcGIS中的柵格計(jì)算器（Raster Calculator）功能實(shí)現(xiàn)。對(duì)于多個(gè)區(qū)域不同水深的淹沒范圍提取，可以通過ArcGIS for Python的算法實(shí)現(xiàn)，計(jì)算流程如圖2所示。

1.2 有源淹沒模擬

有源淹沒針對(duì)的問題是堤防潰決形成的洪水，洪水從某一點(diǎn)出發(fā)向四周擴(kuò)散，凡是地形低于給定洪水位的都將被計(jì)入淹沒區(qū)。這種思想比較容易由種子蔓延算法來模擬。種子蔓延算法的核心是給定一個(gè)種子點(diǎn)作為對(duì)象，賦予其某一特定屬性，使其在平面區(qū)域沿四個(gè)（或八個(gè)）方向擴(kuò)散，求得符合條件的連通區(qū)域。

對(duì)于堤防潰決的情況，假定潰口處的洪水為種子點(diǎn)，把潰口處的水位作為種子的屬性，讓種子點(diǎn)在DEM地形數(shù)據(jù)上進(jìn)行擴(kuò)散。比較水位與地形高程之差，如果水位高于地形高程，則該點(diǎn)視為淹沒。隨后，將該點(diǎn)計(jì)入淹沒區(qū)并且作為下一個(gè)種子點(diǎn)，讓下一個(gè)種子點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)散。依此類推，直至所有種子點(diǎn)都擴(kuò)散完畢為止，就能得到整個(gè)淹沒范圍。以上算法流程如圖3所示。

2 杭嘉湖區(qū)（蘇）防洪保護(hù)區(qū)洪水淹沒模擬

2.1 研究區(qū)域及對(duì)象

杭嘉湖區(qū)（蘇）防洪保護(hù)區(qū)屬太湖下游杭嘉湖區(qū)的一部分，總面積564km2。其地理位置處于杭嘉湖平原北部，全境無山地丘陵，絕大部分為低洼圩區(qū)。區(qū)域內(nèi)湖泊、河網(wǎng)密布，屬于江蘇省湖泊保護(hù)名錄內(nèi)的湖泊有26個(gè)，總面積52.38km2，占保護(hù)區(qū)面積的9.3%。杭嘉湖區(qū)（蘇）防洪保護(hù)區(qū)內(nèi)圩區(qū)密布，大的聯(lián)圩77個(gè)，占研究區(qū)域面積的84%。保護(hù)區(qū)內(nèi)年雨量豐沛，梅雨或暴雨引起的洪澇災(zāi)害較為嚴(yán)重。

根據(jù)區(qū)域內(nèi)圩區(qū)眾多，內(nèi)澇災(zāi)害嚴(yán)重的特點(diǎn)，本文主要以圩區(qū)為研究對(duì)象，研究在歷史降雨條件下各個(gè)圩區(qū)的受淹情況，進(jìn)而反映區(qū)域整體受災(zāi)狀況。

2.2 研究區(qū)域內(nèi)澇洪水模擬

本文模擬的內(nèi)澇洪水分別是杭嘉湖區(qū)（蘇）防洪保護(hù)區(qū)遭受1999年“630”梅雨和2013年“菲特”臺(tái)風(fēng)暴雨。模擬結(jié)果如圖5和圖6所示。

根據(jù)研究區(qū)域的基本特征，本文采取的模擬方式是以圩區(qū)為基本單元，利用無源淹沒計(jì)算程序逐個(gè)圩區(qū)進(jìn)行淹沒水深的計(jì)算模擬，再對(duì)各圩區(qū)淹沒范圍進(jìn)行提取，最后將所有圩區(qū)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行拼合，得到整個(gè)研究區(qū)域的淹沒范圍。具體流程如圖7所示。

2.3 圩區(qū)潰堤洪水模擬

圩區(qū)潰口的選擇一般結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況，按照“歷史上曾發(fā)生過的潰口”、“最可能出現(xiàn)的潰口”、“造成影響最不利的潰口”三個(gè)原則進(jìn)行選取。本文模擬的兩場(chǎng)歷史降雨都曾出現(xiàn)過圩區(qū)潰口的情況。1999年“630”梅雨期間，盛澤鎮(zhèn)吉橋聯(lián)圩清溪河附近圩堤發(fā)生潰決。2013年“菲特”臺(tái)風(fēng)期間，受浙江省嘉興市西雁蕩湖堤潰決的影響，與浙江共用包圍溪南聯(lián)圩部分村莊、社區(qū)遭到淹水。本文重點(diǎn)模擬這兩處潰口造成的影響。利用有源淹沒算法得到的吉橋聯(lián)圩和溪南聯(lián)圩潰堤洪水模擬情況如圖8和圖9所示。

運(yùn)用該算法的關(guān)鍵是對(duì)潰口位置的選取以及潰堤洪水位的確定。恰當(dāng)?shù)臐⒖谖恢媚茌^真實(shí)的反映圩區(qū)在潰堤洪水入侵后的淹沒情況，得到一個(gè)相對(duì)合理的結(jié)果。而潰堤洪水位的選取則是根據(jù)當(dāng)?shù)刿讌^(qū)堤防高度確定一個(gè)可能造成堤防潰決危險(xiǎn)的水位。在進(jìn)行完潰口位置的選取以及潰堤洪水位的確定之后，就是利用有源淹沒程序進(jìn)行淹沒范圍的模擬以及對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行提取。

3 基于庫(kù)容曲線的圩區(qū)洪澇風(fēng)險(xiǎn)分析

圩區(qū)庫(kù)容曲線反映了圩區(qū)蓄水量和圩區(qū)水位之間的關(guān)系。利用庫(kù)容曲線的方法進(jìn)行圩區(qū)內(nèi)澇的模擬，可以對(duì)圩區(qū)洪澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文選取了杭嘉湖區(qū)（蘇）防洪保護(hù)區(qū)中非常具有代表性的方橋聯(lián)圩和天亮聯(lián)圩作為例子進(jìn)行說明。方橋聯(lián)圩和天亮聯(lián)圩是兩個(gè)面積非常接近的圩區(qū)，大小分別是5.63km2和5.64km2，但是這兩個(gè)圩區(qū)的庫(kù)容曲線走勢(shì)卻有著一定的差別。利用圩區(qū)內(nèi)澇模擬的方法得到的兩個(gè)圩區(qū)庫(kù)容曲線如圖10和圖11所示。

上圖所示兩個(gè)圩區(qū)的庫(kù)容曲線斜率有著較大的不同。在兩者最大水位和最大庫(kù)容量相當(dāng)?shù)那闆r下，方橋聯(lián)圩的水位-庫(kù)容曲線走勢(shì)較緩，而天亮聯(lián)圩的水位-庫(kù)容曲線走勢(shì)較陡，這反映了當(dāng)洪澇災(zāi)害發(fā)生時(shí)，圩區(qū)受淹沒的情況。當(dāng)水位-庫(kù)容曲線的斜率較大時(shí)，圩區(qū)整體被淹沒的面積更大，發(fā)生災(zāi)害的可能性會(huì)增加。水位-庫(kù)容曲線的斜率較小時(shí)，圩區(qū)整體被淹沒的面積較小，不會(huì)發(fā)生圩區(qū)整體受淹的情況。此外，從圖上可以看出方橋聯(lián)圩的圩區(qū)底高程較低，而天亮聯(lián)圩的圩區(qū)底高程較高。這就說明方橋聯(lián)圩存在著一定數(shù)量的圩內(nèi)河道，提高了圩區(qū)的水面率，這在洪澇發(fā)生時(shí)能起到調(diào)蓄的作用，降低了圩區(qū)整體受淹的可能。

4 結(jié)論

本文提出的無源淹沒和有源淹沒的模擬方法以GIS技術(shù)為核心，DEM數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)資料，能較快速地進(jìn)行暴雨內(nèi)澇和外洪潰堤時(shí)的洪水淹沒模擬，方法便捷，易于實(shí)現(xiàn)。單個(gè)圩區(qū)的模擬時(shí)間大約在3分鐘左右（具體時(shí)長(zhǎng)視圩區(qū)地形的復(fù)雜程度而定）。這對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)洪水災(zāi)害的評(píng)估無論是從局部研究還是到整體分析都能有不錯(cuò)的效果。

本文對(duì)杭嘉湖區(qū)（蘇）防洪保護(hù)區(qū)的歷史洪水模擬基本能反映該地區(qū)的洪水淹沒情況，通過內(nèi)澇洪水模擬得到的圩區(qū)庫(kù)容曲線能對(duì)圩區(qū)的洪澇風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)然，該方法的準(zhǔn)確程度還依賴于DEM數(shù)據(jù)的精度，通過獲取更為精細(xì)的DEM數(shù)據(jù)，能更準(zhǔn)確的反映圩區(qū)受洪水影響的程度，從而為防洪決策給予一定幫助。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]