基于GIS的潰壩洪水模擬

高瞇瞇，張永彬

(華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

引言

為了便于耕種灌溉、漁民養(yǎng)殖以及滿足日常用電需求等，人類在天然湖泊上修建了許多水庫(kù)大壩。地震、沙塵暴、洪澇等自然災(zāi)害的高頻發(fā)生，使得各類極端自然災(zāi)害事件大幅增加，在遍及全球的各種自然災(zāi)害中，危害最大的當(dāng)屬洪澇災(zāi)害，屬于一種最為尋常、破壞力極大的災(zāi)害。這種災(zāi)害發(fā)生的頻率極高，影響范圍極廣，歷年來(lái)導(dǎo)致了不可估量的經(jīng)濟(jì)損失，且一直有上升的趨勢(shì)[1]。我國(guó)大壩總量位居世界第一，潰壩率亦是世界第一。因此，國(guó)家將防洪工作作為關(guān)乎民生安全保障的一項(xiàng)重要事業(yè)，在水庫(kù)大壩的防洪建設(shè)方面提出了多種措施方案，在防洪減災(zāi)工作中具有巨大的影響力，為國(guó)家?guī)?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，與此同時(shí)也促進(jìn)了人民生活水平的改善和提升。人類為了更好地保證自身安全，使災(zāi)害損失達(dá)到最小化，應(yīng)該充分了解洪水活動(dòng)變化所有過(guò)程，深入研究洪水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，找出洪水的變化的特征，此類研究對(duì)人民生活和國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)與發(fā)展具有重要意義[2,3]。

現(xiàn)代技術(shù)在洪災(zāi)中的運(yùn)用越來(lái)越普及，因而產(chǎn)生了治理洪災(zāi)更多的可能性，愈來(lái)愈多學(xué)者關(guān)注并研究潰壩洪水淹沒(méi)問(wèn)題，并分別在研究的內(nèi)容、方法、范圍等方面獲得一定成就[4-6]。但該項(xiàng)研究仍有諸多不足之處，例如，一部分研究?jī)H展示了洪水的二維、三維可視化表達(dá)的效果，并沒(méi)有進(jìn)行詳細(xì)地分析；另一部分研究由于一些客觀條件的限制，比如：計(jì)算方法、實(shí)驗(yàn)條件等，僅僅是針對(duì)洪水淹沒(méi)范圍的一些數(shù)據(jù)分析，沒(méi)有將淹沒(méi)的范圍給出直觀的可視化展示，或者展示的效果并不理想，導(dǎo)致預(yù)警預(yù)測(cè)洪水淹沒(méi)的過(guò)程難以進(jìn)行[7-10]。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，為了更加合理、有效地利用潰壩洪水信息資源，為水文學(xué)研究人員，防洪減災(zāi)相關(guān)業(yè)務(wù)部門的科研人員直觀了解洪水淹沒(méi)的過(guò)程以及相關(guān)信息提供技術(shù)支撐。該項(xiàng)研究開(kāi)發(fā)了集數(shù)據(jù)處理、分析、計(jì)算、模擬與預(yù)警于一體的潰壩洪水模擬系統(tǒng)。

1模型與算法描述

1.1 SCS模型

SCS模型根據(jù)采樣區(qū)的實(shí)際滲水量(F)與真正的徑流量(Q)之比等于本區(qū)域該場(chǎng)降雨前的潛在入滲量(S)與潛在徑流之比的假定基礎(chǔ)上建立的[11]，即：

(1)

假定潛在徑流量為降雨量(P)與徑流產(chǎn)生前植物截流、初滲水和填洼水構(gòu)成了集水區(qū)初損量Ia的差值，即：

Qm=P-Ia

(2)

實(shí)際入滲量為降雨量減去初損和徑流量，即：

F=P-Ia-Q

(3)

由式(1)～式(3)可得出：

(4)

假定集水區(qū)降雨的初損為潛在入滲量的20%，即：

Ia=0.2S

(5)

則式(4)可寫為：

(6)

1.2 元胞自動(dòng)機(jī)模型

該模型包含以下4個(gè)參數(shù)CA=。式中：L為將采樣區(qū)離散化的規(guī)則元胞聚集，該模型采用規(guī)則格網(wǎng)元胞，邊長(zhǎng)d為5 m。N為馮諾依曼鄰域關(guān)系，該元胞下一時(shí)間段的形態(tài)是由自身和相鄰元胞的形態(tài)共同確定的，在所有時(shí)間點(diǎn)該元胞均能夠與周圍的元胞存在水流的傳遞，中心元胞下一秒的形態(tài)是由其相連接的8個(gè)方向上的元胞以及自身共同決定的。P是用來(lái)描述轉(zhuǎn)換功能和元胞形態(tài)的元胞自動(dòng)機(jī)模型參數(shù)的限定集，其中包括：全局參數(shù)，如元胞邊長(zhǎng)d、歷時(shí)步長(zhǎng)t；靜態(tài)參數(shù)，如DEM高程和曼寧糙率系數(shù)；動(dòng)態(tài)參數(shù)，如降雨量、水深、水位高程等。R表示決定一個(gè)元胞到另一個(gè)元胞流向的轉(zhuǎn)換規(guī)則[12]。在單位時(shí)間步長(zhǎng)t內(nèi)，可通過(guò)曼寧公式進(jìn)行計(jì)算分配的水量：

(7)

(8)

式中：V為水流速度(m/s)；h為水深(m)；j為坡度(°)；n為曼寧粗糙系數(shù)；E為交換水量(m3)；S為水?dāng)嗝婷娣e(m2)；d為元胞邊長(zhǎng)(m)。

1.3 曼寧公式

曼寧公式指的是明渠道流量或速度經(jīng)驗(yàn)公式，常用于水利建設(shè)等活動(dòng)中。該項(xiàng)研究中采用其計(jì)算水流速度[13]，公式如下：

(9)

式中：V為水流速度(m/s)；k為轉(zhuǎn)換常數(shù)，國(guó)際單位制中取值為1；n為糙率，綜合反映表面粗糙情況對(duì)水流的影響；Rh為水力半徑(m)；S為坡度(°)，表示2個(gè)格網(wǎng)之間的坡度[14]。

1.4 D8單向流法

該項(xiàng)研究中采用D8單向流算法決定流向，假設(shè)中心單元中的水只能匯入與之相鄰的8個(gè)不同方向的單元格中。利用最大水位高程落差法來(lái)確定水流的方向，即在3×3的DEM 單元格網(wǎng)中，計(jì)算中心單元格與各相鄰單元格的水位高程之間的關(guān)系，取與中心單元差值最大的鄰域單元格作為下游單元格流入，如圖1所示。

圖1 D8單向流

2案例研究

2.1 研究區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)區(qū)溪源宮水庫(kù)地處福州市，常年氣溫適宜，溫暖濕潤(rùn)，雨量充沛。福州市地處閩江下游，屬于沿海城市，全市海域面積高達(dá)11.09×104km2。溪源宮水庫(kù)屬中型水庫(kù)，位于福州市閩侯上街溪源宮，其特殊的地理位置，時(shí)常出現(xiàn)持續(xù)較強(qiáng)降雨，連續(xù)的降雨導(dǎo)致水位上漲，降雨、融雪、潰壩崩塌等原因引發(fā)水庫(kù)沿海水位上升，水庫(kù)壩體存在著決堤的可能性。

2.2 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

圖2所示為10 m分辨率的原始遙感影像。該項(xiàng)研究選用源于哨兵二號(hào)官網(wǎng)下載的遙感影像European Space Agency，Sentinel-2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)(Band 2、Band3、Band4組合)以及在地理空間信息云上下載的福州市dem數(shù)據(jù)。福州市1:100 萬(wàn)矢量地圖。降水量、水深、水位高程信息均來(lái)自于福建水利信息網(wǎng)。

圖2 10 m分辨率原始遙感影像

圖3所示為監(jiān)督分類后的遙感影像。利用ENVI軟件對(duì)10 m分辨率的原始遙感影像進(jìn)行監(jiān)督分類，將影像中的地物大致分為六大類，定義紅色為道路，綠色為耕地，藍(lán)色為河道，黃色為居民地，鮮青色為建設(shè)用地，紫色為林地。

圖3 監(jiān)督分類后的圖

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理、洪水模擬、數(shù)據(jù)分析、查詢、動(dòng)態(tài)推演與預(yù)警六大模塊，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的預(yù)處理、地圖的加載、圖層的管理、圖像的放大縮小平移、暴雨的模擬、潰壩的模擬、淹沒(méi)面積的計(jì)算、淹沒(méi)體積的計(jì)算、淹沒(méi)水深的查詢、降雨量的查詢、動(dòng)態(tài)推演與預(yù)警等重要功能。圖4所示為系統(tǒng)技術(shù)路線圖。

圖4 系統(tǒng)技術(shù)路線圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)2種不同形式的模擬即：暴雨洪水淹沒(méi)模擬與潰壩洪水淹沒(méi)模擬。圖5所表示的是洪水淹沒(méi)模擬推演的一個(gè)過(guò)程。整個(gè)系統(tǒng)是基于元胞自動(dòng)機(jī)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為了模擬洪水徑流的過(guò)程，選取了SCS水文模型，來(lái)模擬產(chǎn)生匯流的過(guò)程，在該研究區(qū)存在幾個(gè)雨量站，經(jīng)過(guò)IDW雨量插值可以得到對(duì)應(yīng)點(diǎn)的降雨量，通過(guò)空間插值算法得到研究區(qū)面雨量。獲取得到面雨量之后，在SCS模型中進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，因?yàn)榻德涞挠晁⒉皇侨柯涞降厣闲纬煞e水或者河流，其中一部分會(huì)留在樹上或滲透到土壤里，這部分被稱作是降雨初損。因此就要進(jìn)行凈雨量的計(jì)算，降雨初損使用20%最大下滲量來(lái)計(jì)算。在洪水淹沒(méi)模擬元胞自動(dòng)機(jī)模型中，降雨從中心柵格向相鄰柵格流入的分布形成了匯流。在這個(gè)過(guò)程中，采用D8單向流算法推算雨水的流動(dòng)方向，該方向是由中心單元與相鄰單元水位落差之間的關(guān)系進(jìn)行確定的，基本規(guī)則如下：若中心元胞水位高程低于或者等于所有鄰域元胞水位高程，則不進(jìn)行水量分配；反之選擇高差最大的鄰域元胞作為下游。雨水流動(dòng)速度采用曼寧公式確定，每一個(gè)單元看作是一個(gè)元胞，整個(gè)流域分布分成很多個(gè)單元，通過(guò)計(jì)算每個(gè)單元的水量進(jìn)而計(jì)算出整個(gè)流域的水量。

圖5 洪水淹沒(méi)模擬推演數(shù)據(jù)流圖

2.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.4.1洪水淹沒(méi)模擬功能的實(shí)現(xiàn)

暴雨洪水是由較大強(qiáng)度的降雨而形成的大區(qū)域洪水，引發(fā)水庫(kù)水量迅速增加并伴隨水位急劇上升的現(xiàn)象[15]；潰壩洪水是小區(qū)域大水量的輸入，壩體或者其他擋水建筑物瞬間潰決發(fā)生水體突泄所形成的洪水現(xiàn)象。基于元胞自動(dòng)機(jī)的模擬中，利用DEM高差采用D8單向流法計(jì)算坡度和流向，并利用曼寧值來(lái)計(jì)算流速，流速乘以時(shí)間就是此單元向下一單元此時(shí)間段內(nèi)流動(dòng)的水量，將當(dāng)前的淹沒(méi)情況結(jié)果進(jìn)行累加模擬。對(duì)洪水淹沒(méi)事件做出模擬響應(yīng)，找到即將發(fā)生潰壩決堤的位置，確定影響范圍等。模擬結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 暴雨洪水淹沒(méi)模擬結(jié)果 圖7 潰壩洪水淹沒(méi)模擬結(jié)果

2.4.2查詢功能的實(shí)現(xiàn)

查詢功能具體包含：對(duì)研究區(qū)斑塊的水深信息進(jìn)行查詢、對(duì)研究區(qū)降雨量進(jìn)行查詢、對(duì)洪水淹沒(méi)模擬動(dòng)態(tài)推演過(guò)程中斑塊水深信息的查詢、對(duì)動(dòng)態(tài)推演過(guò)程中任意時(shí)刻的洪水淹沒(méi)情況進(jìn)行查詢等。提供點(diǎn)擊查詢及按照給定條件查詢，查詢結(jié)果可直觀數(shù)字顯示或者直接在地圖上進(jìn)行顯示標(biāo)記。選擇地圖上的水域，即可獲取降雨量的信息；可以通過(guò)識(shí)別功能點(diǎn)選某一區(qū)域的水深量、面降雨量；點(diǎn)擊下拉框進(jìn)行篩選不同模式下同一地段的雨水量。以米為單位，效果圖如8所示。

圖8 任意時(shí)刻的淹沒(méi)情況查詢

2.4.3數(shù)據(jù)分析功能的實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)不同模式的洪水淹沒(méi)模擬，將模擬的結(jié)果柵格圖加載進(jìn)行分析，根據(jù)用戶自定義淹沒(méi)判斷的數(shù)值，可分別計(jì)算出該區(qū)域不同模式下符合淹沒(méi)判定的淹沒(méi)區(qū)域的體積、面積、水深情況，將符合淹沒(méi)判定的淹沒(méi)區(qū)域直觀地顯示出來(lái)，利于使用系統(tǒng)的研究人員能夠即刻地分析出研究區(qū)的洪水淹沒(méi)的情況，以便于做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。效果如圖9所示。

圖9 淹沒(méi)面積體積的計(jì)算

2.4.4動(dòng)態(tài)推演與預(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)暴雨洪水淹沒(méi)模擬和潰壩洪水淹沒(méi)模擬的結(jié)果，將其給予模擬的起始時(shí)間點(diǎn)發(fā)布wms 服務(wù)，按照模擬時(shí)候確定的模式，模擬時(shí)間步長(zhǎng)、模擬總時(shí)長(zhǎng)規(guī)定按照多久出一景結(jié)果為前提進(jìn)行動(dòng)態(tài)推演。根據(jù)輸入的模擬時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)推演，可以通過(guò)前進(jìn)后退逐時(shí)間段播放洪水演進(jìn)的情況，隨時(shí)點(diǎn)擊暫停查看該時(shí)刻的淹沒(méi)情況，分別展示了第40 min、第80 min、第120 min、第200 min的洪水淹沒(méi)情況，效果如圖10所示。

圖10 洪水淹沒(méi)動(dòng)態(tài)推演效果圖

當(dāng)水量將要逼近水庫(kù)的最大臨界點(diǎn)時(shí)將會(huì)發(fā)生潰壩現(xiàn)象，系統(tǒng)會(huì)立刻給予預(yù)警提示并標(biāo)記出將要決堤的地方以及決堤后的漫流方向。系統(tǒng)提前預(yù)警預(yù)測(cè)以高亮紅色顯出出來(lái)外加提示窗彈出，以使相關(guān)部門及時(shí)做出撤離行動(dòng)及相應(yīng)的解決方案，如圖11所示。

圖11 洪水淹沒(méi)預(yù)警

3結(jié)論

根據(jù)洪水災(zāi)害的特點(diǎn)，選擇實(shí)驗(yàn)區(qū)福州市溪源宮水庫(kù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，基于C/S +B/S架構(gòu)構(gòu)建基于GIS 的潰壩洪水模擬系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了洪水淹沒(méi)模擬的動(dòng)態(tài)推演與預(yù)警，該系統(tǒng)能進(jìn)行流態(tài)模擬、負(fù)荷分析、流向狀況分析，輔助決策，對(duì)突發(fā)潰壩事件做出快速響應(yīng)與預(yù)警，快速找到潰壩臨界點(diǎn)，確定淹沒(méi)方向、影響范圍等。系統(tǒng)的建立為洪水淹沒(méi)分析與預(yù)警提供了技術(shù)支撐，為水庫(kù)下游人員撤離提供參考依據(jù)。