高精度DEM在邕江水位提升對城區(qū)內(nèi)澇影響評估中的應(yīng)用

漆小英，晏明星

(南寧市勘察測繪地理信息院，廣西 南寧 530001)

高精度DEM在邕江水位提升對城區(qū)內(nèi)澇影響評估中的應(yīng)用

漆小英*，晏明星

(南寧市勘察測繪地理信息院，廣西 南寧 530001)

邕江，是珠江流域西江支流郁江自西向東流經(jīng)南寧市及邕寧區(qū)河段的別稱，水位一旦提升，沿江的南寧市城區(qū)勢必受到內(nèi)澇甚至淹沒的威脅。因此，洪水淹沒分析對南寧市城區(qū)的防洪排澇、內(nèi)澇影響評估都具有重要意義。在給定洪水水位條件下，應(yīng)用數(shù)字高程模型(DEM)和城市地下排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)，利用GIS空間分析技術(shù)，得出城區(qū)淹沒和內(nèi)澇及排水管道倒灌出流的分析結(jié)果，為政府的排水防澇整改計(jì)劃提供輔助決策。根據(jù)分析結(jié)果制作出專題內(nèi)澇數(shù)字地圖，可以為南寧市城區(qū)防澇減災(zāi)及區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

DEM；洪水淹沒；內(nèi)澇分析；GIS空間分析

1 引 言

近年，廣西壯族自治區(qū)提出打造西江“億噸黃金水道”的重大戰(zhàn)略決策，計(jì)劃投入逾百億元，改善內(nèi)河基礎(chǔ)設(shè)施，使西江運(yùn)輸?shù)呢浳锬晖掏履芰_(dá)到1億噸以上，讓西江這條“黃金水道”成為推動珠三角西岸城市群一體化發(fā)展的重要通道。

邕江流域上現(xiàn)存的西津梯級樞紐當(dāng)時建成后，為避免淹沒較多地區(qū)，大壩水位一直不高，導(dǎo)致邕江南寧市中心區(qū)段多年各月平均水位均不足 62 m，部分河道水深不足 2 m，不能滿足“三級航道水深至少 2 m”的要求，不利于航運(yùn)和城市的發(fā)展。邕江斷面為典型河沿下切斷面，常水位連景觀水位的要求都未能滿足，這種天然資源未能充分利用，通過學(xué)習(xí)總結(jié)桂林、柳州的經(jīng)驗(yàn)，研究利用梯級樞紐提高水位，進(jìn)一步打造“水城南寧”。

但當(dāng)邕江水位提升之后，沿江的城區(qū)勢必受到嚴(yán)重內(nèi)澇甚至淹沒的威脅，為了避免這些危險(xiǎn)的發(fā)生，應(yīng)用先進(jìn)、科學(xué)的GIS空間分析技術(shù)，對邕江水位提升至不同水位程度時對城區(qū)產(chǎn)生的內(nèi)澇影響的分析評估工作十分重要，它是打造西江“億噸黃金水道”這項(xiàng)重大戰(zhàn)略決策的可行性研究工作的重要組成部分，直接關(guān)系到該項(xiàng)決策成功、科學(xué)的實(shí)施。

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)源

邕江沿岸的南寧市地處東南沿海山地平原過渡帶，四周群山環(huán)繞，中部構(gòu)成“南寧盆地”，最高點(diǎn)標(biāo)高約 143 m，最低標(biāo)高約 66 m，高差 77 m。這個盆地向東開口，南、北、西三面均為山地丘陵圍繞。盆地中央成為各河流集中地點(diǎn)，右江從西北來，左江從西南來，良鳳江從南來，心圩江從北來，組成向心水系。主干流為邕江，河道全長 78 km，另外還有18條比較大的支流(南寧市內(nèi)河)，邕江洪水特性與暴雨特性、流域特性密切相關(guān)，具有峰高、量大、歷時長的特點(diǎn)。年最高水位多發(fā)生在7月下旬～8月份，其發(fā)生頻率高達(dá)40%。

本文采用研究區(qū)域內(nèi)1∶500比例尺地形圖和城市地下排水管網(wǎng)為數(shù)據(jù)源，對于研究區(qū)內(nèi)的一些重點(diǎn)區(qū)域加測高程點(diǎn)和特征線以保證分析模型的精度要求。

3 技術(shù)路線及方法

3.1 技術(shù)路線

數(shù)字高程模型洪水淹沒仿真分析總體技術(shù)路線是：圍繞快速、準(zhǔn)確提取出城區(qū)內(nèi)澇范圍及出現(xiàn)洪水倒灌需進(jìn)行改造完善的排水設(shè)施的目標(biāo)和任務(wù)，充分利用現(xiàn)有最新的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)及排水管網(wǎng)、排水設(shè)施數(shù)據(jù)，在重點(diǎn)區(qū)域高程加密基礎(chǔ)上，通過GIS空間分析和疊置分析得出洪水淹沒范圍及需要改造的排水管網(wǎng)及排水設(shè)施。具體的技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 技術(shù)路線

3.2 技術(shù)方法

利用大比例尺地形圖中的高程信息及重點(diǎn)區(qū)域補(bǔ)測的高程點(diǎn)信息，制作高精度數(shù)字高程模型(DEM)如圖1所示，通過GIS軟件在給定的水位條件下，針對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行淹沒仿真分析，將分析結(jié)果以矢量區(qū)域的方式輸出，對結(jié)果地物多邊形與高程多邊形進(jìn)行疊置，提取土地使用為住宅和高程低于洪水水位的多邊形，通過數(shù)據(jù)分析計(jì)算出淹沒范圍；再結(jié)合地下排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行管道倒灌分析，將排放口低于洪水水位和管高低于水位的排水管線提出來，分析計(jì)算出需要改造的排水管道和閘門、閥門等排水設(shè)施。

(1)數(shù)字高程模型(DEM)制作

高程、特征信息提?。豪肁utoCAD平臺，通過編輯程序及人機(jī)結(jié)合的方式提取 1∶500大比例尺數(shù)字化地形圖上高程點(diǎn)、等高線信息以及河流和湖泊、山脊山谷線、斷裂線等地形特征點(diǎn)、線等數(shù)據(jù)。

檢查空值區(qū)域并補(bǔ)測高程點(diǎn)：對于部分高程點(diǎn)和等高線存在高程值空漏或偏差太大的現(xiàn)象，我們根據(jù)地形圖原始記錄文檔，賦以其正確的高程值。對于確實(shí)存在高程值缺漏或高程點(diǎn)密度不夠的情況以及研究區(qū)內(nèi)一些重要的關(guān)注點(diǎn)，采用實(shí)地補(bǔ)測的方式對研究區(qū)內(nèi)的高程點(diǎn)進(jìn)行加密，以保證制作的DEM成果的精度和準(zhǔn)確性。

建立高程數(shù)據(jù)庫：對高程信息進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)系統(tǒng)的變換等數(shù)據(jù)處理，將各塊數(shù)據(jù)進(jìn)行接邊、合并建立高程數(shù)據(jù)庫。

構(gòu)TIN：構(gòu)TIN前先利用軟件對地形信息數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理：檢查有無隱藏的高程粗差；對同一條等高線上采樣間距過大的高程點(diǎn)列進(jìn)行內(nèi)插加密處理，避免出現(xiàn)三角形跨越等高線；對山頭或凹地?zé)o高程點(diǎn)的閉合等高線，狹長而坡緩的谷底，無高程點(diǎn)的埡口等處，由軟件自動內(nèi)插特征點(diǎn)或特征線，用于構(gòu)TIN，避免出現(xiàn)不合理的“平三角形”。構(gòu)TIN的時候，檢查其合理性，并作優(yōu)化處理：將TIN三角網(wǎng)與等高線以不同顏色疊合顯示作屏幕檢查；將“平三角形”區(qū)域用顏色分級顯示；對不合理的平三角形內(nèi)部進(jìn)行加高程點(diǎn)編輯，然后再重構(gòu)TIN；對跨越中間等高線而構(gòu)成的非等坡三角形進(jìn)行檢查與加點(diǎn)處理。

內(nèi)插DEM與DEM編輯： 在GIS軟件里輸入格網(wǎng)間距，內(nèi)插DEM，同時用內(nèi)插的DEM反生成等高線，使之與原始等高線按不同色疊合顯示，檢查同名等高線的偏離值，對超出限差的區(qū)域進(jìn)行加點(diǎn)處理，得出準(zhǔn)確無誤的高精度DEM，如圖2所示。

圖2 高精度數(shù)字高程模型(DEM)

(2)淹沒分析

在ArcGIS、GLOAL MAPER平臺上，基于大比例尺高精度數(shù)字高程模型DEM數(shù)據(jù)和排水管網(wǎng)、排水設(shè)施數(shù)據(jù)對給定的不同水位條件下進(jìn)行淹沒仿真分析，輸出不同水位條件下矢量淹沒區(qū)域。采用DEM淹沒分析得出的淹沒區(qū)域是因地勢低于給定水位會被淹沒的地區(qū)，也就是當(dāng)水位抬升時常年內(nèi)澇積水區(qū)。

(3)疊置分析

將淹沒區(qū)域與地形庫中的住宅等建筑物多邊形疊加，得出不同水位條件下出現(xiàn)淹沒、內(nèi)澇現(xiàn)象的住宅和其他城區(qū)淹沒范圍。再將淹沒區(qū)域與排水管網(wǎng)、排水設(shè)施數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，可以快速得出哪些排水管道會出現(xiàn)河水倒灌現(xiàn)象以及因河水倒灌而出現(xiàn)城區(qū)內(nèi)澇的路段及范圍、哪些重點(diǎn)區(qū)域和重點(diǎn)排水設(shè)施會受到影響。

4 淹沒分析技術(shù)在研究區(qū)中的應(yīng)用

將上述洪水淹沒技術(shù)應(yīng)用到邕江水位提升對城區(qū)內(nèi)澇影響評估中，分析得出邕江水位從 67 m提升至 71 m水位條件下，受影響排水管網(wǎng)的位置、數(shù)量以及城區(qū)被淹沒和出現(xiàn)內(nèi)澇情況的路段及范圍以及隨著水位的不斷提升，受影響排水管網(wǎng)數(shù)量的不斷增加以及城區(qū)被淹沒和出現(xiàn)內(nèi)澇情況的路段及范圍的不斷擴(kuò)大的動態(tài)過程，如圖3所示。

圖3 水位從 67 m提升至 71 m排水管網(wǎng)倒灌和城區(qū)內(nèi)澇情況對比

(1)水位從 67 m提升至 71 m過程中，城區(qū)內(nèi)澇及排水管網(wǎng)倒灌情況對比分析

當(dāng)水位從 67 m提升至 68 m時，市區(qū)少量低洼區(qū)出現(xiàn)內(nèi)澇，主要是心圩江、良鳳江、邕江、竹排沖等內(nèi)河河面水域外擴(kuò)而淹沒的河邊低洼地，淹沒面積由 1.2 km2增至 2.7 km2。受影響的排水管網(wǎng)由37條增至143條，受影響路段長達(dá) 9.8 km，在雨季容易出現(xiàn)內(nèi)澇現(xiàn)象的易澇區(qū)域增至 3.4 km2，主要分布在南湖西岸，東葛路近一半路段，沿朝陽溪至中華路段，亭江路周邊區(qū)域和大學(xué)東路一小片區(qū)域。

當(dāng)水位由 68 m提升至 71 m時，市區(qū)較多低洼區(qū)出現(xiàn)內(nèi)澇，包括五一路周邊、星光大道、東葛路、長湖路、人民路、園湖路低洼處等地受淹，相比 68 m水位時總淹沒面積增加了 9.1 km2。同時有千余條排水管道受影響，建成區(qū)內(nèi)大部分主干道都受到不同程度的影響，江南沿江片區(qū)、竹溪片區(qū)、南湖片區(qū)、東葛片區(qū)等眾多片區(qū)都會出現(xiàn)內(nèi)澇現(xiàn)象。

從上述不同水位下排水管網(wǎng)倒灌和城區(qū)內(nèi)澇分析結(jié)果圖可以看出，隨著水位的不斷上升，受浸泡路段的數(shù)量、倒灌管線條數(shù)及易澇區(qū)域面積增加速度越來越大，而且當(dāng)水位從 67 m上升至 68 m過程中，受浸泡路段的數(shù)量變化較小，回涌管道數(shù)量增加速度也不大。但當(dāng)水位從 67 m上升至 70 m時，回涌管線數(shù)量大幅增加，由338條整加至792條。

(2)水位從 67 m提升至 71 m過程中，重點(diǎn)區(qū)域受影響情況對比水位從 67 m提升至 71 m過程中，民歌湖廣場淹沒情況動態(tài)變化，如圖4所示。

從上圖可以看出，當(dāng)水位抬至 68 m時，民歌廣場附近積水范圍很少，不會影響到民歌廣場的正常使用，但當(dāng)水位提升至 69 m時，民歌廣場附近積水面積大幅增加至 42 800 m2，隨著水位的逐漸提升，廣場附近淹沒面積不斷增大。

水位從 67 m提升至 71 m過程中，南湖周邊排水管道受影響情況動態(tài)變化，如圖5所示。

圖4 民歌湖廣場淹沒情況動態(tài)變化

圖5 南湖周邊排水管道倒灌情況動態(tài)變化

從圖5可以看出，隨著水位的不斷提升，南湖周邊出現(xiàn)倒灌現(xiàn)象(標(biāo)紅的管段)的排水管網(wǎng)逐漸增多，受影響的排水設(shè)施數(shù)量也逐漸升級。

5 結(jié)果分析

對上述不同水位條件下邕江沿岸受淹范圍和城區(qū)內(nèi)澇程度數(shù)字圖進(jìn)行對比可以看出，DEM洪水淹沒技術(shù)可以快速、科學(xué)地模擬、預(yù)測和顯示洪水淹沒范圍、城區(qū)內(nèi)澇影響程度，為洪水風(fēng)險(xiǎn)圖制作、防洪指揮調(diào)度和洪澇災(zāi)害的損失評估提供準(zhǔn)確的評判依據(jù)，對防洪減災(zāi)具有重要意義。

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The Application of the High Precision DEM in the Assessment about Raising Yongjiang River Water Level Impact Waterlogging in Urban Areas

Qi Xiaoying，Yan Mingxing

(Nanning Exploration & Survey Geoinformation Institute，Nanning 530022，China)

Yongjiang River，is another name of Yujiang River River flows through the Nanning City and Yongning District from west to east，，once the water level upgraded，urban district along the river will to be submerged or even submerged threat. Therefore，flood analysis is of great significance to the assessment of flood control and waterlogging in Nanning. Based on DEM and data of urban underground pipe network，the results of analysis of submergence and waterlogging in urban area and the outflow of drainage pipeline are obtained by using GIS spatial analysis technology. Waterlogging rectification plan to provide supplementary decision-making. According to the results of the analysis，a digital map of special waterlogging can be produced，which can provide reference for the prevention of waterlogging disaster and regional sustainable development in Nanning.

DEM；flood analysis；waterlogging analysis；GIS spatial analysis

1672-8262(2017)04-11-05

P208.2

A

2017—02—04

漆小英(1981—)，女，碩士，高級工程師，主要從事測繪信息化建設(shè)相關(guān)工作。

南寧市科技局2014科技計(jì)劃支撐項(xiàng)目