快速制作大中型水庫(kù)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖方法研究

王念念，賈艾晨（大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，遼寧大連116024）

快速制作大中型水庫(kù)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖方法研究

王念念，賈艾晨
（大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，遼寧大連116024）

針對(duì)大中型水庫(kù)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖制作速度慢的情況，運(yùn)用水文學(xué)與水力學(xué)相結(jié)合的方法，使用MIKE11軟件推算河道洪水水面線(xiàn)，利用谷地地理信息系統(tǒng)（GoodyGIS）軟件提取地面高程數(shù)據(jù)，最后在ArcGIS中結(jié)合水面線(xiàn)與DEM高程數(shù)據(jù)快速繪制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，并利用水力學(xué)法對(duì)該方法效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。以大連市臥龍水庫(kù)為例，快速繪制水庫(kù)各頻率洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，該方法制作速度快、精度也能很好的滿(mǎn)足防洪減災(zāi)的目的，為管理者快速制定決策，為災(zāi)民迅速轉(zhuǎn)移提供技術(shù)依據(jù)。

ArcGIS；數(shù)字高程模型；快速制作；洪水淹沒(méi)圖

我國(guó)是洪澇災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，所帶來(lái)的各種直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失占各種災(zāi)害中非常大的比例。盡管我國(guó)各方長(zhǎng)期以來(lái)在防洪救災(zāi)中投入了大量的人力、物力和財(cái)力，并采用了一系列防洪減災(zāi)工程措施［1］，但是我們對(duì)非工程措施的研究還處于起步階段。洪水風(fēng)險(xiǎn)圖作為一種非工程措施在防洪搶險(xiǎn)救災(zāi)中發(fā)揮著巨大的作用，當(dāng)突發(fā)暴雨洪水時(shí)，各級(jí)政府可以根據(jù)防汛部門(mén)的洪水預(yù)報(bào)，查詢(xún)已經(jīng)完成的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，事先了解可能發(fā)生的災(zāi)情狀況、洪水到達(dá)時(shí)間、水深以及損失狀況等 ，做到在指揮抗洪搶險(xiǎn)中有據(jù)可查。

在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖制作方面國(guó)外已有60多年的歷史，一些發(fā)達(dá)國(guó)家很早就開(kāi)始了洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的制作。洪水風(fēng)險(xiǎn)圖最初為紙制，制成后由政府向民眾分發(fā)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，GIS、RS、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等開(kāi)始廣泛應(yīng)用于洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的制作［2］，從而提高了洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的制作精度，同時(shí)也更加便于風(fēng)險(xiǎn)圖的發(fā)布［3］。

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的制作方法主要有3種:一是實(shí)際洪水調(diào)查法［4］。就是利用歷史調(diào)查資料，在地圖上勾畫(huà)出洪水淹沒(méi)范圍，注明洪水相對(duì)應(yīng)的頻率，并標(biāo)注一些重要位置的淹沒(méi)水深。二是水文水力學(xué)數(shù)值模擬方法［5］。就是建立數(shù)學(xué)模型，模擬洪水演進(jìn)過(guò)程，從而確定不同頻率洪水淹沒(méi)范圍及水深 ，繪制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖［6］。三是水災(zāi)頻率分析法。該方法基于水災(zāi)經(jīng)典曲線(xiàn)，建立水災(zāi)頻率分析模型的。它是從水災(zāi)統(tǒng)計(jì)資料入手的，量化歷史水災(zāi)資料，擴(kuò)充水災(zāi)資料，最后依靠計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)研究災(zāi)害的情況生成風(fēng)險(xiǎn)圖。

目前我國(guó)在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制方面的研究取得了一定的成效，已經(jīng)建立了基本的洪水風(fēng)險(xiǎn)防御體系［7-8］。劉仁義等［9］介紹了基于DEM數(shù)字高程模型的有源淹沒(méi)和無(wú)源淹沒(méi) ；袁紅梅等［10］介紹了基于GIS技術(shù)制作洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的制作流程，并提出制作過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題；劉小生等［11］利用ArcGIS借助VC.NET編程確定了洪災(zāi)淹沒(méi)區(qū)域；張情等［12］在資料缺乏的情況下，利用ArcGIS技術(shù)制作中小河流典型洪水淹沒(méi)范圍和水深分布圖。但是在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖時(shí)效性方面研究的還比較少 ，比如在洪水到來(lái)時(shí)，如何根據(jù)上游水庫(kù)來(lái)水量的大小快速做出洪水的淹沒(méi)范圍［13］，為搶險(xiǎn)決策提供依據(jù)，還是一個(gè)難題。

針對(duì)遼寧省大中型水庫(kù)無(wú)資料地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的制作，已經(jīng)做了很多的研究 ，但對(duì)于快速制作洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的研究還比較少，本文給出了一種根據(jù)組合洪水推求設(shè)計(jì)洪水水面線(xiàn)，進(jìn)而利用ArcGIS快速推求洪水淹沒(méi)范圍的方法，快速地完成洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的繪制。利用水力學(xué)推求洪水淹沒(méi)的方法，與前者計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較分析，從而給出前者的優(yōu)缺點(diǎn)和改進(jìn)方式。以位于遼東半島南端的臥龍水庫(kù)為例，該水庫(kù)座落在東大河上，是一座以防洪為主，兼顧養(yǎng)魚(yú)的中型水庫(kù) ，屬海濱低丘陵地區(qū)，地勢(shì)北高南低，山勢(shì)平緩，最高170 m，一般120 m左右；全流域面積71.39 km，東大河由北向南注入黃海，全長(zhǎng)17 km，河流平均比降5.8‰。

1 水文學(xué)與水力學(xué)結(jié)合制作洪水風(fēng)險(xiǎn)圖

1.1 MIKE11軟件推算水面線(xiàn)

1.1.1 MIKE11模型構(gòu)建

構(gòu)建MIKE11模型主要需要以下文件:斷面文件、河網(wǎng)文件、邊界文件和參數(shù)文件。

（1）斷面文件和河網(wǎng)文件

臥龍水庫(kù)斷面測(cè)量數(shù)據(jù)是從水庫(kù)大壩至黃海入海口共有17個(gè)斷面，可構(gòu)建斷面文件。水庫(kù)下游河道至入?？谔師o(wú)支流匯入 ，對(duì)河網(wǎng)進(jìn)行合理的概化，構(gòu)建河網(wǎng)文件。

（2）邊界文件

臥龍水庫(kù)邊界條件包括上邊界和下邊界，上邊界取水庫(kù)下泄流量過(guò)程線(xiàn)；下邊界取河流入黃海?？谔幎嗄昶骄彼?.71 m。

（3）參數(shù)文件

查閱《水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》［14］初步確定模型糙率，臥龍水庫(kù)下游河道主河道內(nèi)主槽多為砂礫或卵石，摩擦系數(shù)不大，模型中糙率定為0.03。

1.1.2 計(jì)算結(jié)果

利用MIKE11模型計(jì)算出臥龍水庫(kù)100 a和500 a一遇洪水水面線(xiàn)，如圖1所示。

1.2 GIS制作風(fēng)險(xiǎn)圖

1.2.1 地形處理

地形資料在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖制作過(guò)程中至關(guān)重要，臥龍水庫(kù)流域地形資料缺乏，只有大連市水科所提供的缺乏高程屬性的萬(wàn)分之一地形圖，不能作為基礎(chǔ)地形資料。本文利用谷地地理信息系統(tǒng)（Goody-GIS）軟件提取臥龍水庫(kù)流域等高線(xiàn)地形資料，并與萬(wàn)分之一地形圖進(jìn)行疊加，調(diào)整等高線(xiàn)圖與萬(wàn)分之一地圖相重合，之后在ArcGIS中將地形資料轉(zhuǎn)換成DEM高程數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)淹沒(méi)分析，DEM高程圖如圖2所示。

圖1不同頻率洪水對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)水面線(xiàn)模擬成果圖

圖2 DEM高程數(shù)據(jù)

1.2.2 洪水淹沒(méi)范圍繪制

（1）淹沒(méi)范圍顯示

DEM數(shù)字高程模型建立之后，疊加處理后的萬(wàn)分之一工作底圖，之后運(yùn)用ArcGIS中柵格計(jì)算器進(jìn)行計(jì)算。DEM柵格數(shù)據(jù)每一個(gè)柵格都代表一個(gè)地面高程［15］，運(yùn)用柵格計(jì)算器，選擇“圖層和變量”列表，雙擊DEM高程數(shù)據(jù)圖層，再選擇“＜=”按鈕，在列表中輸入上述河道水面線(xiàn)中第一個(gè)斷面水位，運(yùn)行柵格計(jì)算器，此時(shí)柵格計(jì)算器會(huì)將DEM高程數(shù)據(jù)和第一個(gè)斷面水位做減法運(yùn)算，小于零的網(wǎng)格即被洪水淹沒(méi)的區(qū)域會(huì)用不同顏色顯示出來(lái)，得到每個(gè)格網(wǎng)的值即為淹沒(méi)水深［16］。

（2）淹沒(méi)范圍繪制

斷面淹沒(méi)范圍顯示后 ，建立面要素，開(kāi)啟編輯模式，將第一個(gè)斷面附近被淹沒(méi)區(qū)域，沿著淹沒(méi)范圍邊界繪出，同時(shí)要結(jié)合工作底圖上的地形 ，如果被淹沒(méi)的區(qū)域包括山包、主干道公路或地勢(shì)較突出的區(qū)域，淹沒(méi)范圍邊界就要沿著山腳下或者公路邊沿，保證山包和公路等不被淹沒(méi)。重復(fù)上述操作繪制第二個(gè)斷面淹沒(méi)范圍，相鄰兩個(gè)斷面之間淹沒(méi)范圍平緩過(guò)渡，淹沒(méi)區(qū)域邊界應(yīng)平緩繪出 ，其他斷面水位的淹沒(méi)范圍按上述方法繪制。

（3）淹沒(méi)范圍渲染

所有斷面淹沒(méi)范圍繪出后，該頻率洪水淹沒(méi)范圍就在該面要素上顯示了，之后對(duì)該淹沒(méi)范圍進(jìn)行渲染。本文采用陰影表示淹沒(méi)區(qū)域，用以明顯區(qū)分淹沒(méi)區(qū)域和其他地形；經(jīng)過(guò)多次調(diào)整之后顯示度選擇30%，可以清晰顯示工作底圖，便于分析被淹沒(méi)的村莊和需轉(zhuǎn)移的人口數(shù)量。經(jīng)過(guò)上述渲染后得到臥龍水庫(kù)洪水淹沒(méi)范圍，如圖3、圖4所示。

圖3 水文學(xué)與水力學(xué)結(jié)合法制作臥龍水庫(kù)100 a 一遇洪水淹沒(méi)范圍風(fēng)險(xiǎn)圖

圖4 水文學(xué)與水力學(xué)結(jié)合法制作臥龍水庫(kù)500 a一遇洪水淹沒(méi)范圍風(fēng)險(xiǎn)圖

利用河道水面線(xiàn)在ArcGIS中顯示淹沒(méi)范圍，這種方法制作起來(lái)較方便快捷，并且對(duì)地形數(shù)據(jù)要求不太高，能夠快速方便的顯示洪水淹沒(méi)范圍 ，在緊急情況下能夠快速的為管理者決策提供依據(jù)，并為防洪減災(zāi)節(jié)省更多的時(shí)間。該方法可以快速掌握典型洪水的災(zāi)情，為流域逃生避險(xiǎn)、防洪規(guī)劃、土地利用規(guī)劃等提供參考，適用于資料缺乏的中小河流的洪水風(fēng)險(xiǎn)分析。

2 制作結(jié)果的效率評(píng)價(jià)

為了對(duì)該方法制作洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的效率進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，本文運(yùn)用水力學(xué)制作風(fēng)險(xiǎn)圖的方法，從制作精度和速度上對(duì)該方法進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

2.1 水力學(xué)法制作洪水風(fēng)險(xiǎn)圖

地形基礎(chǔ)資料處理:利用谷地地理信息系統(tǒng)提取的等高線(xiàn)地形精度不夠高，對(duì)萬(wàn)分之一地形圖上的等高線(xiàn)重新賦予高程屬性，從而建立基礎(chǔ)地形文件。

MIKE21建模:建模主要包括地形文件的處理、阻水地物的添加和區(qū)域糙率的確定。地形文件在上節(jié)中已經(jīng)生成。研究區(qū)域內(nèi)不能起到阻水作用的地物，無(wú)需添加。依據(jù)《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》［17］（SL483-2010）取糙率值0.03。

一、二維水動(dòng)力模型耦合:MIKE21模型建立之后，和水文學(xué)與水力學(xué)法中建立的MIKE11模型利用MIKE FLOOD軟件實(shí)現(xiàn)MIKE11和MIKE21水動(dòng)力模型的耦合，實(shí)現(xiàn)洪水淹沒(méi)的模擬。

淹沒(méi)范圍的顯示:MIKE FLOOD模型計(jì)算出了臥龍水庫(kù)100 a和500 a的淹沒(méi)范圍，之后在GIS中對(duì)淹沒(méi)區(qū)域進(jìn)行顯示和渲染，如圖5、圖6所示。

圖5 水力學(xué)法制作臥龍水庫(kù)100 a一遇洪水淹沒(méi)范圍風(fēng)險(xiǎn)圖

2.2 結(jié)果分析

在淹沒(méi)范圍方面，由圖3～圖6可以看出，兩種方法計(jì)算出的淹沒(méi)范圍相差不太大。由于水文學(xué)與水力學(xué)結(jié)合的方法確定洪水淹沒(méi)范圍的過(guò)程中不考慮地物的糙率和水量損失 ，所以淹沒(méi)范圍必然偏大，所得結(jié)果相對(duì)于水力學(xué)計(jì)算的方法偏向于保守，兩者淹沒(méi)面積相差不超過(guò)20%，如表1所示。

圖6 水力學(xué)法制作臥龍水庫(kù)500 a一遇洪水淹沒(méi)范圍風(fēng)險(xiǎn)圖

表1兩種方法淹沒(méi)面積比較

在時(shí)間效率方面，水文學(xué)與水力學(xué)相結(jié)合法在求解淹沒(méi)范圍上大大縮短了時(shí)間，特別是在風(fēng)險(xiǎn)圖繪制方面。MIKE11模型建立之后，水文學(xué)和水力學(xué)相結(jié)合的方法直接利用MIKE11推算的水面線(xiàn)在ArcGIS中進(jìn)行繪制，兩個(gè)小時(shí)就能完成臥龍水庫(kù)各頻率風(fēng)險(xiǎn)圖的制作；而水力學(xué)方法在MIKE11模型建立之后，需要建立MIKE21模型，之后在MIKE FLOOD中軟件進(jìn)行耦合計(jì)算，對(duì)電腦配置要求較高計(jì)算速度較慢，最后在ArcGIS中顯示和渲染，需要一天的時(shí)間完成。

因此運(yùn)用水文學(xué)與水力學(xué)相結(jié)合的方法，省去了繁瑣的過(guò)程，占用計(jì)算機(jī)內(nèi)存小，大大縮短了繪制時(shí)間并且制作精度也能滿(mǎn)足防洪減災(zāi)的需求，當(dāng)洪水到來(lái)時(shí)為管理者決策和災(zāi)民轉(zhuǎn)移節(jié)省了更多的時(shí)間。

3 結(jié) 論

針對(duì)大中型水庫(kù)無(wú)資料地區(qū)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的制作，提出了水文學(xué)和水力學(xué)相結(jié)合的方法，可以在地形資料缺乏的條件下，數(shù)小時(shí)內(nèi)快速完成洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，便于快速掌握典型洪水災(zāi)情，為防洪規(guī)劃、土地利用規(guī)劃等提供參考，特別是為管理者快速作出防洪避險(xiǎn)決策提供科學(xué)依據(jù)。該方法與水力學(xué)法相比，淹沒(méi)范圍稍大，計(jì)算結(jié)果偏保守。該方法已經(jīng)用于大連市大中型水庫(kù)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的制作 ，其制作原理也可用于完成流域風(fēng)險(xiǎn)圖的制作，提高了風(fēng)險(xiǎn)圖的制作效率。

［1］ 曹 東，金東春.洪水風(fēng)險(xiǎn)圖及其作用［J］.東北水利水電，1998，（8）:8-10.

［2］ Srikantha Herath，Dushmanta Dutta.Flood inundation Modeling and loss estimation using distributed hydrologic model，GIS and RS［C］//Proceeding of International Workshop on the Utilization of Remote Sensing Technology to Natural Disaster Reduction，Tsukuba Japan，October，1998:239-250.

［3］ G.Purdada L，E.Calderon M，A.Marques.Flood hazard map of La Trinidad（NW Nicaragua）method and results［J］. Natural Hazards，2008，45（2）:183-195.

［4］ 劉 濤，曾祥利，曾 軍.實(shí)用小波分析入門(mén)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［5］ DHI.Water，Environment，MIKE 11-A modeling system for river and channels，user guide［M］.DHI Press，2002.

［6］ 王 靜，李 娜.山區(qū)小流域典型洪水淹沒(méi)圖制作——以江西省黎川縣大源水為例［J］.中國(guó)防汛抗旱，2010，20（2）:56-58.

［7］ 張葆蔚，李昌志，黃金池.洪水風(fēng)險(xiǎn)圖制作平臺(tái)建設(shè)淺議［J］.中國(guó)防汛抗旱，2007，（2）:35-37.

［8］ 張念強(qiáng)，譚徐明，馬建明 ，等.城市洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制的若干問(wèn)題與探討——以成都市洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制為例［C］//中國(guó)水利學(xué)會(huì)青年科技論壇，2008:226-230.

［9］ 劉仁義，劉 南 .一種基于數(shù)字高程模型DEM的淹沒(méi)區(qū)災(zāi)害評(píng)估方法［J］.中國(guó)圖象圖形學(xué)報(bào)，2001，6（2）: 118-121.

［10］ 袁紅梅，鄧彩瓊.應(yīng)用GIS技術(shù)制作洪水風(fēng)險(xiǎn)圖［J］.江西水利科技，2004，30（4）:198-201.

［11］ 劉小生，陳英俊，黃玉生.基于GIS技術(shù)的洪水淹沒(méi)區(qū)確定［J］.測(cè)繪科學(xué)，2007，32（5）:136-137.

［12］ 張 情 ，賈艾晨.基于GIS的中小河流典型洪水淹沒(méi)圖編制研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2014，12（4）: 181-184.

［13］ 陳秀萬(wàn).遙感與GIS在洪水災(zāi)情分析中的應(yīng)用［J］.水利學(xué)報(bào)，1997，（3）:70-73.

［14］ 李 煒.水力學(xué)計(jì)算手冊(cè)（第二版）［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.

［15］ Liu Feng，Ruan Xiao E.Wavelet-based diffusion approaches for signal denoising［J］.Signal Processing，2007，87（5）:1138-1146.

［16］ Donoho D L，Johnstone I M.Ideal spatial via wavelet shrinkage［J］.Biometrika，1994，81（3）:425-455.

［17］ 中華人民共和國(guó)水利部.SL483-2010.洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2010.

Research on Quick Mapping of Flood Inundated Areas for Large and Medium Reservoirs

WANG Nian-nian，JIA Ai-chen
（School of Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning 116024，China）

Regarding to the slow mapping of flood inundated areas for large and medium reservoirs，the method combining hydrology and hydraulics means was developed.Firstly，the water surface line was calculated by adopting MIKE11.Secondly，GoodyGIS was utilized to extract ground elevation data，and then the flood inundated areas were quickly mapped in ArcGIS combining the data of the water line and elevation obtained from the 2 softwares mentioned above.Finally，the calculation results were checked by hydraulic method.This new method was verified by the mapping of Dalian Wolong Reservoir，in which the flood inundated areas of different frequency were developed.This method possesses the merits of high speed and precision which would meet the requirement of flood control and disaster mitigation.And it will provide the scientific basis for the authorities to make decisions quickly and for the people who live in the flood inundated areas to relocate rapidly.

ArcGIS；DEM；quickly mapping；the map of flood inundated areas

TV62

A

1672—1144（2015）02—0086—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.018

2014-11-07

2014-12-10

王念念（1989—），女，河南開(kāi)封人，碩士研究生，研究方向?yàn)楹樗L(fēng)險(xiǎn)分析與風(fēng)險(xiǎn)圖編制。E-mail:wnnian@163.com通信作者 :賈艾晨（1962—），女，山東萊州人，博士 ，教授 ，主要從事洪水風(fēng)險(xiǎn)分析的教學(xué)與科研工作。E-mail:jiaac@126.com