基于GIS的大連市金普新區(qū)洪水淹沒分析

張 靜，倪 金，馬詩敏，逯 蘭

1.中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034；2.遼寧省建筑設(shè)計(jì)研究院巖土工程公司，遼寧 沈陽 110166

0 前言

洪澇災(zāi)害是中國較常見一種自然災(zāi)害，嚴(yán)重威脅人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全，危害城市公共設(shè)施.2020年入汛以來，中國南方地區(qū)多輪強(qiáng)降雨過程，很多城市遭受洪澇災(zāi)害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失.因此，快速、科學(xué)地預(yù)測(cè)洪水淹沒范圍，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)、城市規(guī)劃選址、水利工程建設(shè)等具有重要意義.隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，很多學(xué)者以數(shù)字高程模型（DEM）為基礎(chǔ)，將GIS應(yīng)用到洪水淹沒分析中，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了多種洪水淹沒分析軟件.劉仁義等［1-2］基于GIS對(duì)復(fù)雜地形洪水淹沒區(qū)進(jìn)行了計(jì)算；丁志雄等［3］人提出了給定洪水水位和洪量條件下洪水淹沒分析方法；孫君［4］建立了洪水水位高程與淹沒面積之間的關(guān)系，并用于洪水淹沒快速預(yù)測(cè)；其他學(xué)者應(yīng)用GIS對(duì)多個(gè)城市和流域進(jìn)行了洪水淹沒分析［5-8］.本文采用25 m分辨率的數(shù)字高程模型，運(yùn)用GIS的空間分析功能分析金普新區(qū)洪水淹沒范圍并計(jì)算淹沒水深，以期為城市規(guī)劃選址、水利工程建設(shè)、防洪減災(zāi)決策等提供理論依據(jù).

1 研究區(qū)概況

金普新區(qū)位于遼寧省大連市中南部，西臨渤海，東瀕黃海，南與大連甘井子區(qū)為鄰，北與瓦房店市、普蘭店市相接.地理坐標(biāo)東經(jīng)121°34′—122°05′，北緯39°11′—39°31′，總面積為2 299.8 km2，其中陸域面積1 709.9 km2，轄27個(gè)街道.研究區(qū)位于遼東半島南部，為千山山脈向西南的延伸段，形成渤海與黃海之間丘陵起伏地形，屬于構(gòu)造剝蝕低丘地貌，坡度平緩（圖1）.區(qū)內(nèi)最高峰為南部的大黑山，海拔646.0 m.該區(qū)屬于暖溫帶濕潤大陸性季風(fēng)氣候，具有海洋性氣候特征，氣候溫和，四季分明，年平均溫度為9.3～10.5℃，多年平均降水量為500～700 mm/a（圖2），年內(nèi)降水量多為7—9月份，降水量約占全年的62%.

圖1 金普新區(qū)地貌圖Fig.1 Geomorphological map of Jinpu New District

圖2 金普新區(qū)降雨量等值線圖Fig.2 Contour map of rainfall in Jinpu New District

金普新區(qū)內(nèi)有大小河流15條，其中流入渤海的有龍口河、三十里河、大魏家河、北大河、五十里河、石河、鄧屯河、炮臺(tái)河、南極河和大沙河；流入黃海的有柳家河、旗桿河、登沙河、青云河、東大河.多數(shù)河流發(fā)源于金普新區(qū)中部的分水嶺，河流匯水面積多在20～250 km2，長度10～30 km，多數(shù)河流短小，故均無長年水流，屬獨(dú)流入海的季節(jié)性河流.區(qū)內(nèi)修建有水庫25座，其中中型水庫4座，為青云河水庫、臥龍水庫、鴿子塘水庫、北大河水庫，小型水庫21座［9］.區(qū)內(nèi)只有一座水文站——登沙河水文站，位于登沙河中游.

2 洪水淹沒分析方法

2.1 軟件支持及數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

軟件支持：ArcGIS Desktop 10.5，基于Win10操作系統(tǒng).

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備：為便于利用ArcGIS進(jìn)行洪水淹沒分析，采用MapGIS格式高程點(diǎn)和等高線生成DEM柵格文件.具體步驟［10-12］如下.

①文件轉(zhuǎn)換：利用MapGIS的“文件轉(zhuǎn)換”功能將高程點(diǎn)、等高線文件轉(zhuǎn)換為shp文件；②生成不規(guī)則三角形網(wǎng)TIN：將shp文件添加到ArcMap 10.5中，選擇“3D Analyst”→“Create/Modify TIN”→“Create TIN From Features”，在彈出的對(duì)話框中輸入要素類選擇高程點(diǎn)和等高線文件，即建立了不規(guī)則三角形網(wǎng)TIN；③TIN轉(zhuǎn)為DEM柵格：選擇“3D Analyst”→“Convert”→“TIN to Raster”，輸入TIN，設(shè)置像元大小25，得到25 m分辨率的DEM柵格數(shù)據(jù).

2.2 種子蔓延法確定淹沒區(qū)范圍

洪水淹沒可分為兩種情形：第一種是整個(gè)地區(qū)大面積均勻降水，任何地勢(shì)低洼的區(qū)域均同時(shí)進(jìn)水，高程低于給定水位的點(diǎn)都計(jì)入淹沒區(qū)域，稱為無源淹沒，適用于平原地區(qū)；第二種是考慮淹沒區(qū)域的連通性，認(rèn)為洪水只淹沒它能流到的地方，相當(dāng)于高發(fā)洪水向鄰域泛濫，如局部暴雨引起洪水漫堤或堤壩潰口后向四周擴(kuò)散，只有水位高程達(dá)到一定程度后，洪水才會(huì)越過某一地勢(shì)高的區(qū)域到達(dá)洼地，稱為有源淹沒，適用于丘陵山區(qū).對(duì)于環(huán)形山，在無源淹沒分析中可能導(dǎo)致山內(nèi)外均被計(jì)算為淹沒區(qū)，而在有源淹沒分析中，洪水被阻斷在環(huán)形山外，只有洪水位高于山頂時(shí)才會(huì)漫過在山內(nèi)形成淹沒區(qū)［13-17］.總之，洪水淹沒就是由于水源區(qū)和被淹沒區(qū)有水位差，洪水利用兩者間的通道達(dá)到水位平衡狀態(tài)，最終洪水覆蓋的范圍即淹沒區(qū).根據(jù)金普新區(qū)地形地貌特征，本文采用有源淹沒情形進(jìn)行洪水淹沒分析.

洪水淹沒過程是動(dòng)態(tài)的、不斷變化的，分析時(shí)可以概化為堤防漫頂式和堤防潰口式兩種淹沒情況.堤防漫頂式淹沒通常設(shè)定某一洪水水位，分析洪水漫過堤防造成的淹沒范圍和水深分布.堤防潰口式淹沒是給定某一洪水量情況下造成的淹沒范圍和水深分布.堤防漫頂式淹沒較常見，但洪水面實(shí)際上并非平面，而是一個(gè)曲面，為便于計(jì)算通常假定為平面，取多年洪水位觀測(cè)數(shù)據(jù)作為淹沒水位.在堤防潰口式淹沒中，洪水量不可能是一個(gè)固定值，因?yàn)榈谭罎⒖诤蟠嬖谌藶楦深A(yù)作用，如封堵潰口，洪水量受封堵方式和封堵速度影響變化很大，增大了淹沒分析的難度.因此，本文中采用堤防漫頂式淹沒分析.

種子蔓延算法是一種廣泛用于有源淹沒分析方法，它是基于種子空間特征的擴(kuò)散探測(cè)算法，其核心思想是將給定的種子點(diǎn)作為一個(gè)對(duì)象，賦予特定的屬性，在某一平面區(qū)域上沿4個(gè)（或8個(gè)）方向游動(dòng)擴(kuò)散，求取滿足給定條件、符合數(shù)據(jù)采集分析精度且具有連通關(guān)聯(lián)分布的點(diǎn)的集合.利用種子蔓延算法計(jì)算淹沒區(qū)，就是按給定水位條件，求取滿足精度、連通性要求的點(diǎn)的集合，該集合組成的連續(xù)平面就是淹沒范圍.淹沒范圍分析的精度取決于DEM的分辨率.依據(jù)DEM象元的高程值精度，選擇恰當(dāng)?shù)拈撝底鳛榕袛嘞笤獨(dú)w屬的條件，該值稱為種子蔓延探測(cè)分辨率.設(shè)空間數(shù)據(jù)精度為m，探測(cè)分辨率為φ，其關(guān)系式為：

式中n為倍頻系數(shù)，通常取2；K為平衡參數(shù)，用于平衡探測(cè)分辨率和運(yùn)算效率間的矛盾.種子點(diǎn)的起始位置一般選在水庫堤壩、河岸邊界等特征點(diǎn)處，將滿足所有條件的連通關(guān)聯(lián)淹沒點(diǎn)存入緩存區(qū)，不斷累加使淹沒范圍不斷擴(kuò)大.根據(jù)GIS數(shù)據(jù)采集的格網(wǎng)精度確定種子點(diǎn)探測(cè)步距，探測(cè)步距應(yīng)與象元的尺寸相對(duì)應(yīng).可采用跳步方式提高計(jì)算效率，跳步值一般選3～8［18-19］.

本文中選擇青云河水庫、鴿子塘水庫、臥龍水庫、北大河水庫和登沙河、旗桿河、大魏家河、炮臺(tái)河、鄧屯河等河流為種子點(diǎn)，對(duì)其影響范圍分別進(jìn)行種子蔓延法淹沒分析.大連市城市等級(jí)為Ⅰ級(jí)，金普新區(qū)為大連市城市規(guī)劃區(qū).依據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，金普新區(qū)防洪和防潮標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，因此采用50年一遇洪水位作為淹沒水位進(jìn)行計(jì)算.

2.3 淹沒水深計(jì)算

在某一特定洪水位條件下，淹沒水深分布與地面高程密切相關(guān)，其計(jì)算公式［20-21］如下：

式中：H為淹沒水深（m），Hw為洪水位高程（m），Hg為地面高程值（m）.

利用ArcGIS的Spatial Analyst工具中的數(shù)學(xué)分析，計(jì)算50年一遇洪水位與DEM柵格之間的高差，即可得到淹沒水深分布圖.

3 結(jié)果分析

根據(jù)金普新區(qū)DEM數(shù)據(jù)和收集的多年洪水位、潮位觀測(cè)資料，利用ArcGIS的空間分析工具進(jìn)行洪水淹沒分析，淹沒范圍見圖3.可以看出，淹沒區(qū)主要分布在水庫和河流下游的沖洪積平原和海積平原，淹沒面積共318.08 km2，占全區(qū)陸域面積的18.6%，除二十里堡街道、亮甲店街道、向應(yīng)街道、華家街道、擁政街道、先進(jìn)街道、海青島街道未淹沒外，其他行政區(qū)均有淹沒區(qū)域.

圖3 金普新區(qū)洪水淹沒范圍Fig.3 Map of flood-submerged area in Jinpu New District

利用ArcGIS將洪水位減去DEM柵格，得到淹沒水深分布圖（圖4）.由圖4可知，洪水淹沒深度為0～7.6 m，以水庫為種子點(diǎn)的淹沒區(qū)域較大，淹沒水深自種子點(diǎn)到海岸線逐漸增大；以河流為種子點(diǎn)的淹沒區(qū)域呈帶狀分布，淹沒水深自河流中線向兩側(cè)逐漸減小.

圖4 金普新區(qū)洪水淹沒深度圖Fig.4 Map of flood depth in Jinpu New District

4 結(jié)論

1）淹沒區(qū)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性主要取決于空間數(shù)據(jù)精度，本研究采用了25 m分辨率的DEM并收集多年洪水位、潮位數(shù)據(jù)，保證了源數(shù)據(jù)精度，為計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了保障.

2）結(jié)合研究區(qū)地貌特征和水系分布，基于ArcGIS技術(shù)采用種子蔓延法進(jìn)行洪水淹沒分析得到了淹沒范圍和水深分布.該方法操作簡(jiǎn)單、有效、實(shí)用，計(jì)算結(jié)果可靠，可為城市規(guī)劃選址、水利工程建設(shè)、防洪減災(zāi)決策等提供理論依據(jù).