GIS支持下地表洪澇積水演進(jìn)的計(jì)算方法及分析

蘇炯恒 趙天宸 李阿婷

摘要：提出一種基于GIS支撐體系下的地表洪澇積水演進(jìn)計(jì)算方法?；贕IS的水文分析工具獲取地表水網(wǎng)結(jié)構(gòu)屬性；設(shè)定最優(yōu)閾值，通過柵格計(jì)算、疊置分析、空間聚合等相關(guān)工具提取洼地拓?fù)鋽?shù)據(jù)；以最佳空域結(jié)構(gòu)模型描述地表洼地特性，實(shí)現(xiàn)地表洼地的精細(xì)化表征；利用GIS空域數(shù)據(jù)庫進(jìn)行積水演進(jìn)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)洪澇模擬的二維淹沒顯示。該方法能夠利用有限數(shù)據(jù)，快速且較為精準(zhǔn)的模擬地表洪澇過程，獲取地表的易澇區(qū)域、危險(xiǎn)徑流通路及淹沒范圍的描述，適合運(yùn)用在數(shù)據(jù)有限、大尺度模擬且應(yīng)急評(píng)估的情形下，能夠?yàn)榉罎骋?guī)劃、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、災(zāi)害預(yù)警提供科學(xué)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：GIS；水文分析；演進(jìn)計(jì)算；二維淹沒；

中圖分類號(hào)：TU998.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）05（b）-0000-00

1 背景

城市內(nèi)澇是人民普遍關(guān)注的問題，它將直接影響著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展。近年來，氣象要素變化程度加劇，極端暴雨的發(fā)生愈加頻繁和強(qiáng)烈[1-2]。隨著城市化水平的不斷提高，下墊面條件悄無聲息地發(fā)生改變，不透性面積與日俱增。雖然城市在不斷發(fā)展，但是我國排水設(shè)施的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，排水管網(wǎng)能力不足，加上老化現(xiàn)象嚴(yán)重，難以滿足實(shí)際的排水需求。綜合以上因素，我國內(nèi)澇問題十分嚴(yán)峻[3-4]。然而，我國排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)匱乏且規(guī)模龐大，在應(yīng)急情況下，一種能夠利用有限的數(shù)據(jù)且能快速實(shí)現(xiàn)初步的洪澇模擬的方法顯得尤為重要。在此基礎(chǔ)上，若對地表空域結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)化表征，從而獲取地表易澇區(qū)域位置及淹沒范圍的描述，將大大提高洪澇模擬評(píng)估的精確性。本文提供了一種基于GIS空域建模技術(shù)的地表洪澇積水演進(jìn)計(jì)算方法，用于快速且較為精準(zhǔn)的模擬地表洪澇的淹沒特征，為防澇應(yīng)急規(guī)劃提供科學(xué)的依據(jù)[5-6]。主要技術(shù)流程見圖1。

2 積水演進(jìn)計(jì)算方法及分析

2.1 GIS水文分析

基于GIS的水文分析工具進(jìn)行水網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提取。在無偽洼地DEM（數(shù)字高程模型）的基礎(chǔ)上，采用D8法進(jìn)行流向分析（見圖2）。D8法假設(shè)單個(gè)柵格有八種流向的可能，采用最陡坡度法確定水流的單一流向，即計(jì)算中心柵格與各相鄰柵格間的距離權(quán)落差，取距離權(quán)落差最大的柵格為目標(biāo)柵格的流出對象，該方向即是中心柵格的最終流向。在此基礎(chǔ)上作匯流分析，得到水網(wǎng)結(jié)構(gòu)及屬性。通過對每個(gè)柵格計(jì)算匯流累積量，獲取該柵格的積水特征描述。在充分分析研究區(qū)現(xiàn)有的地形、路網(wǎng)、水系及用地類型的基礎(chǔ)上，通過多次試驗(yàn)和校核的方法設(shè)定合理的閾值，對匯流累積數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與篩選，得到精細(xì)化的水網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2.2 GIS空域表征

基于GIS的柵格計(jì)算、疊置分析、空間聚合等相關(guān)工具提取洼地的空間分布、數(shù)量、深度、面積及體積數(shù)據(jù)。在提取過程中，設(shè)定最優(yōu)閾值，準(zhǔn)確預(yù)測城市實(shí)際易澇點(diǎn)的空間分布及數(shù)量。此外，在洼地拓?fù)鋽?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用標(biāo)準(zhǔn)立體幾何模型構(gòu)建空域最佳結(jié)構(gòu)（見圖3），得到DAV（深度-面積-體積）洼地幾何描述曲線，獲取地表積水在每個(gè)洼地的淹沒深度隨淹沒范圍及儲(chǔ)水容量的變化規(guī)律，得到地表洼地屬性的精細(xì)化描述。

2.3 積水?dāng)U散及演進(jìn)方法

基于GIS空域數(shù)據(jù)庫進(jìn)行地表積水的演進(jìn)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)二維淹沒的動(dòng)態(tài)顯示。模擬極端暴雨情形下獲取地表每個(gè)蓄水單元淹沒特性，從而繪制流量曲線，將其形成數(shù)據(jù)庫并導(dǎo)入至GIS中，與DAV洼地幾何描述曲線進(jìn)行比較和分析，獲取不同水深的情況下每個(gè)洼地淹沒的幾何面積，即積水向周邊擴(kuò)散的范圍，完成洪澇淹沒的的二維擴(kuò)散分析及顯示（見圖4），更全面地對洪澇災(zāi)害進(jìn)行分析和評(píng)估。

3 結(jié)語

針對數(shù)據(jù)有限、大尺度模擬且應(yīng)急評(píng)估的情形，本文提供了一種基于GIS水文分析及空域精細(xì)建模下的地表洪澇積水演進(jìn)計(jì)算方法，該方法能夠快速且較為精準(zhǔn)地模擬地表洪澇演變過程，識(shí)別地表水流方向、淹沒位置及范圍和淹沒深度變化，為防澇規(guī)劃、預(yù)警預(yù)報(bào)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供科學(xué)的依據(jù)。該方法忽略地下管網(wǎng)的作用，筆者將在未來的研究中優(yōu)化管網(wǎng)模型的建模過程及描述，使洪澇模擬更加科學(xué)和準(zhǔn)確，也能保留運(yùn)算效率高的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

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