一種基于Mike11和ArcGIS的廣東省山丘區(qū)中小河流洪水淹沒圖制作方法

葉志恒,沈 菲,苗 青,王 揚(yáng),張曉艷

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院,廣州 510635；2.常州市武進(jìn)區(qū)水利局,江蘇 常州 213100)

1 概述

廣東省位于珠江流域下游，水系發(fā)達(dá)、河流密布，集雨面積在50～3 000 km2的中小河流多達(dá)1 190條，總長(zhǎng)約為3.41萬km[1]。中小河流洪水災(zāi)害是當(dāng)前嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一[2]，根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，廣東省近年因洪災(zāi)害造成的人員死亡高達(dá)525人[3]，2020年全年因洪水受災(zāi)人口達(dá)到88.9萬人，直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)49.8億元[4]。廣東省洪水災(zāi)害具有持續(xù)時(shí)間短、來勢(shì)急、多發(fā)性、危害性大等特點(diǎn)[5]，針對(duì)中小河流洪水災(zāi)害常用工程的措施并不能完全抵御洪水，必要的非工程措施也是防洪減災(zāi)的有效方法之一[6]。

廣東省作為全國經(jīng)濟(jì)和人口第一大省，諸多河流兩岸密集分布著村莊和農(nóng)田，山丘區(qū)中小河流洪水淹沒圖的繪制對(duì)增強(qiáng)群眾隱患意識(shí)、制定科學(xué)的防洪決策和洪水災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案、規(guī)范土地利用與管理等具有重要的指導(dǎo)意義[7]，是防洪減災(zāi)中重要的非工程措之一。本文通過總結(jié)廣東省試點(diǎn)縣山丘區(qū)中小河流淹沒圖制作經(jīng)驗(yàn)，以潖二河為例，得出一種較為快捷高效精度可控的淹沒圖制作方式。

2 研究區(qū)域概況及范圍

潖二河是潖江河的一級(jí)支流，北江二級(jí)支流，為廣東省從化區(qū)第二大河流，發(fā)源于從化區(qū)西部鰲頭與花都區(qū)交界的羊石頂一帶，流經(jīng)鰲頭鎮(zhèn)，于龍山圩下注入潖江河；干流河長(zhǎng)為29.5 km，流域面積為320 km2，境內(nèi)可耕地面積約為0.57萬hm2。根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，潖二河干流防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇，鰲頭鎮(zhèn)區(qū)—河口干流河段已建成防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇的堤防。

潖二河流域范圍內(nèi)重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象為鰲頭鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)，其中鎮(zhèn)區(qū)—河口河段兩岸較為密集分布著村莊和工廠，防洪標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇；鎮(zhèn)區(qū)～源頭河段，兩岸多為山地，零星分布有村莊。因此，根據(jù)《山丘區(qū)中小河流洪水淹沒圖編制技術(shù)要求(試行)》，本次淹沒圖研究范圍選取為潖二河的干流鰲頭鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)至河口段(見圖1)，全長(zhǎng)約為18.8 km。

圖1 潖二河研究范圍示意

3 洪水淹沒圖編制

洪水淹沒圖的編制以現(xiàn)有河道地形和廣東省數(shù)字高程模型(DEM)為基礎(chǔ)，應(yīng)用GIS技術(shù)快速提取河道斷面地形，根據(jù)水文資料和河道斷面地形運(yùn)用Mike11軟件計(jì)算河道設(shè)計(jì)洪水水面線，采用ArcGIS張力樣條插值法生成水面高程模型[8]，通過柵格計(jì)得到研究區(qū)域洪水淹沒水深和洪水淹沒區(qū)域，并根據(jù)區(qū)域相關(guān)信息進(jìn)行淹沒統(tǒng)計(jì)和分析，最終將基礎(chǔ)信息、核心信息和輔助信息繪整合匯編得到山丘區(qū)洪水淹沒圖。

3.1 地形數(shù)據(jù)處理

河道斷面地形提取是編制淹沒圖重要基礎(chǔ)工作[9]。本文基于5 m空間分辨率的數(shù)字高程模型和實(shí)測(cè)河道地形，運(yùn)用Gis技術(shù)將河道地形與數(shù)字高程地形進(jìn)行鑲嵌，對(duì)失真部分河道進(jìn)行修正(見圖2～圖3)。針對(duì)需要計(jì)算的河段，以兩側(cè)山腳為邊界，快速提取河道及河岸橫斷面。

圖2 研究區(qū)域數(shù)字高程模型示意

圖3 修正后研究區(qū)域高程模型示意

3.2 設(shè)計(jì)洪水水面線計(jì)算

3.2.1設(shè)計(jì)洪水

根據(jù)《廣東省暴雨等值線圖》，采用查圖法進(jìn)行設(shè)計(jì)暴雨分析計(jì)算，選取參數(shù)Cs/Cv=3.5，采用P-Ⅲ型頻率曲線，得到設(shè)計(jì)暴雨成果(見表1)。

表1 設(shè)計(jì)暴雨成果

根據(jù)設(shè)計(jì)暴雨成果，采用《廣東省暴雨徑流查算圖表》中的綜合單位線法計(jì)算各斷面設(shè)計(jì)洪水成果(見表2)。

表2 設(shè)計(jì)洪水成果

3.2.2糙率擬定

本文根據(jù)河道主槽形態(tài)、床面粗糙情況、植物覆蓋狀況、彎曲程度以及涉水工程等因素，結(jié)合已有資料推算確定河道糙率。其中建有堤防的河槽糙率取0.026～0.03，無堤防的河槽糙率取0.028～0.035；對(duì)于灘地糙率視其植被覆蓋情況、阻水建筑物、平面形態(tài)等特征進(jìn)行選取，灘糙率值介于0.04～0.18之間。

3.2.3起推水位

潖二河流域面積較小，干支流洪水同時(shí)發(fā)生的幾率較高，因此，本次潖二河干支流洪水采用同頻率遭遇的工況，當(dāng)潖二河發(fā)生20年一遇洪水時(shí)，河口水位為23.114 m；發(fā)生50年一遇洪水時(shí)，河口水位為23.644 m。

3.2.4設(shè)計(jì)洪水水面線計(jì)算結(jié)果

根據(jù)擬定參數(shù)，將本次計(jì)算結(jié)果與已批復(fù)的潖二河設(shè)計(jì)洪水水面線對(duì)比(見圖4～圖5)，結(jié)果顯示20年一遇洪水計(jì)算值與批復(fù)成果差值為0～0.05 m，50年一遇洪水計(jì)算值與批復(fù)成果差值為0～0.08 m。不同洪水頻率條件下計(jì)算值與批復(fù)成果相差較小，且批復(fù)成果已應(yīng)用于后期的相關(guān)工程設(shè)計(jì)，因此，本文采用批復(fù)成果作為淹沒計(jì)算依據(jù)。

圖4 P=5%計(jì)算結(jié)果與批復(fù)成果線對(duì)比示意

圖5 P=2%計(jì)算結(jié)果與批復(fù)成果線對(duì)比示意

3.3 淹沒計(jì)算

3.3.1計(jì)算原理

Grid格式的數(shù)據(jù)具有建模簡(jiǎn)便快捷，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方便等優(yōu)點(diǎn)，且與廣東省數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)格式一致，基于單個(gè)像元的柵格數(shù)值更便于計(jì)算。因此本文基于設(shè)計(jì)洪水水面線成果，通過ArcGIS生成Grid數(shù)據(jù)格式的洪水水面模型，采用柵格計(jì)算器將生成Grid格式的洪水水面模型與研究區(qū)域Grid格式的地面高程模型相減得到淹沒范圍和淹沒水深[11]其計(jì)算公式為式(1)：

Si=Hwi-Hgi

(1)

式中：

Si——第i個(gè)柵格高程差值；

Hwi——第i個(gè)柵格洪水水位值；

Hgi——第i個(gè)柵格地面高程值。

當(dāng)Hwi>Hgi時(shí)，Si即為第i個(gè)柵格淹沒水深值。

3.3.2研究區(qū)域地面高程模型

山丘區(qū)中小河流河道相對(duì)較窄，當(dāng)發(fā)生流域大洪水情況下，河道行洪面積有限，將出現(xiàn)漫灘現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，山丘區(qū)洪水影響一般至河道兩側(cè)山體，河口部分影響范圍略寬。因此，為保證洪水影響區(qū)域全覆蓋的同時(shí)減小計(jì)算量，根據(jù)全省數(shù)字高程模型、洪水水面線成果和歷史洪痕點(diǎn)位置，結(jié)合高清正射影像圖，以河道兩側(cè)山體或高地為邊界，繪制出研究區(qū)域。通過ArcGIS柵格裁剪功能，提取潖二河研究區(qū)域地面高程模型。

3.3.3洪水水面高程模型

洪水水面高程模型是反映研究范圍內(nèi)各頻率洪水的水面高程分布情況，其中每個(gè)柵格值則代表此處的洪水水位高程值。潖二河已批復(fù)的設(shè)計(jì)洪水水面線數(shù)據(jù)僅針對(duì)河道特定的斷面，無法直接得到研究區(qū)域內(nèi)淹沒范圍和淹沒水深值。因此將斷面數(shù)據(jù)離散成水位高程點(diǎn)，通過空間插值生成柵格，得到連續(xù)的洪水水面高程模型，其中空間差值主要算法有：移動(dòng)平均法、距離平方倒數(shù)加權(quán)法、趨勢(shì)面擬合技術(shù)、樣條函數(shù)、克里金法等。為得到平順且符合客觀實(shí)時(shí)的洪水水面模型，本文采用張力樣條插值法，將離散的空間特征點(diǎn)內(nèi)插為連續(xù)不同洪水頻率下洪水水面高程模型(見圖6)。

圖6 P=2%洪水水面高程模型示意

3.3.4淹沒范圍和淹沒水深計(jì)算

利用建立的各河流不同洪水頻率下洪水淹沒高程模型數(shù)據(jù)，在ArcGIS中應(yīng)用柵格計(jì)算功能將其與洪水?dāng)M影響區(qū)域高程模型進(jìn)行相減得到洪水淹沒區(qū)域Grid格式數(shù)據(jù)，篩選出結(jié)果大于0的部分，得到淹沒范圍，同時(shí)提取出淹沒水深值，并通過ArcGIS轉(zhuǎn)換得到有水深屬性的網(wǎng)格(見圖7)，該成果將為后續(xù)防洪排澇規(guī)劃編制、災(zāi)害防治預(yù)警、應(yīng)急響應(yīng)和災(zāi)后評(píng)估等防洪減災(zāi)工作提供重要的技術(shù)支撐[9]。

圖7 P=2%洪水淹沒水深示意

3.4 淹沒圖制作與分析

將淹沒成果與基礎(chǔ)信息、輔助信息底圖疊加渲染后，得到各洪水頻率下潖二河淹沒范圍(見圖8)。根據(jù)淹沒范圍，統(tǒng)計(jì)各不同洪水頻率條件下淹沒土地類型及面積，其中20年一遇洪水條件下研究區(qū)域內(nèi)受淹面積為7.22 km2，城鄉(xiāng)建設(shè)用地和耕地淹沒范圍較大，分別占比14.54%和60.39%。50年一遇洪水條件下，研究區(qū)域內(nèi)受淹沒面積為33.23 km2，城鄉(xiāng)建設(shè)用地和耕地淹沒范圍較大，分別占比13.12%和76.71%。

圖8 潖二河洪水淹沒成果示意

對(duì)比不同2種洪水頻率下淹沒特征可以得到，20年一遇洪水條件下淹沒范圍主要集中于未建堤防的鰲山村附近，鎮(zhèn)區(qū)和潖二河下游兩岸因堤防修建可以較好地防御20年一遇洪水；50年一遇洪水條件下為超標(biāo)準(zhǔn)洪水，其淹沒范圍為20年一遇條件下的4.4倍，河口及支流匯入口附近淹沒范圍較大，重點(diǎn)防洪保護(hù)對(duì)象鰲頭鎮(zhèn)鎮(zhèn)區(qū)淹沒面積達(dá)0.56 km2。

針對(duì)上述情況本文建議可采取以下措施：① 根據(jù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀和十四五規(guī)劃，提高河段防洪標(biāo)準(zhǔn)；② 基于現(xiàn)有的河道管理范圍線，對(duì)河湖“四亂”進(jìn)行徹底清拆[12]；③ 對(duì)于相對(duì)開闊的河段可以考慮按照不同的防洪標(biāo)準(zhǔn)，分級(jí)建設(shè)堤防，留出更多的行洪通道，更科學(xué)有效地防御洪水[6]。

4 結(jié)語

本文以廣東省潖二河為例，通過ArcGIS和Mike11軟件得到一種基于大區(qū)域大數(shù)據(jù)條件下洪水淹沒圖繪制方式，該方法具有操作性強(qiáng)，精度可控等特點(diǎn)，能較為有效解決工程實(shí)際問題，可為后期快速洪水淹沒制作提供參考。