基于ArcGIS的洪水淹没分析与三维模拟

孙 君,奚赛英,尤 迪,郑付涛

(常州市规划设计院,江苏常州 213003)

0 引言

我国是一个洪水灾害频发的国家,大约2/3的国土面积有着不同类型和不同危害程度的洪水灾害[1].因此,快速、准确地模拟预测洪水淹没范围及面积,对防洪减灾具有重要意义.

防洪减灾工作自20世纪90年代以来,在水动力-水文模型基础上,利用ArcGIS强有力的空间分析和可视化功能,模拟显示洪水淹没区,进行非工程措施防洪减灾,是研究热点.

结合相关学术文献,发现ArcGIS在洪水淹没分析方面多有应用[2-6].但需要编制复杂程序或应用复杂算法,往往过于繁琐.

本文提供了无需编程就可以简单迅速地计算出洪水淹没面积的方法.以ArcGIS为基本处理方法,以TIN数据为基础数据,运用ArcMap自身功能,对区域天然防洪能力进行划分,求得低于一定高程的洪水淹没范围,实现了洪水淹没面积的计算,进而建立洪水水位与淹没面积间的关系公式,并运用公式进行淹没面积快速预测.运用ArcScenen软件,简便建立了地形和洪水模型,并对洪水渐进情况下的淹没情况进行了三维模拟.

1 洪水淹没范围分析

1.1 确定洪水淹没分析方法

洪水淹没是一个动态而至平衡的过程.确定洪水最终淹没范围,有2种概化模型:(1)基于水位的洪水淹没范围计算:给定某一洪水水位H,由此推算出洪水的淹没范围.该模型相对简便.(2)基于水量的洪水淹没范围计算:即在给定某一洪水水量Q的条件下,计算相应的洪水淹没范围.在应对非调度洪水灾情分析时,往往需要利用获取的淹没区洪水水位或水量[7].因洪水水位数据的获取较为容易,故采用基于水位的淹没分析.

基于水位的淹没分析,分两种情形:(1)无源淹没:凡是高程值低于给定水位的点均为淹没区,相当于整个地区大面积均匀降水,所有低洼处都可能积水成灾;(2)有源淹没:考虑"流通"淹没的情况,即洪水只淹没它能流到的地方,相当于高发洪水流域泛滥,例如洪水决堤,或局部暴雨引起的暴涨水向四周扩散[8].对于洪水源头不易确定、地势相对平坦地区,无源淹没模型较为贴切.

依据上述分析方法适用范围和本文研究对象的特点,采用基于水位的洪水淹没范围计算中的无源淹没模型进行分析计算与三维模拟.

1.2 划分区域天然防洪能力

防洪能力涉及因素较多,如地形地貌、地面高程、河道畅通性能、防洪排涝设施建设情况等.这里以某城市建成区为研究对象,根据地区防洪除涝水位控制标准,只考虑利用地面高程评价防洪适宜性,对其天然防洪能力作定性划分.研究区域内高程-9.1m～107.6m,利用ArcMap,结合地区防洪水位要求,以50年防洪设防水位黄海标高3.75m、200年防洪设防水位标高4.05m为界划分系统建设区内各区域天然防洪能力(图1),直观展示发生各种级别的洪灾时,可能淹没的区域,以便有针对性地进行规划、决策.

1.3 洪水淹没范围分析与预测

(1)数据预处理

TIN to Raster:预先生成分析区数字高程模型TIN数据,由于基于栅格的计算比较简单,因此需要将TIN转换成Raster: ArcMap下单击【3D Analyst】,找到【Convert】的【TIN to Raster】项,Attribute选择Elevation;Cell Size输入100;在Output Raster中输入路径,单击OK.生成所需要的Raster,其属性值表示高程值.

面积因子提取:在【Spatial Analyst】菜单中选择【Raster Calculator】项,设置"Raster <3.75",洪水淹没的高程选择的是分析区内50年防洪设防水位高程.【Evaluate】生成Value值为0(代表Raster ≥3.75)和1 (代表Raster <3.75)区域.

(2)淹没面积计算

将所有value值为1的区域进行累加计算,即得出淹没区的面积.

将Raster转化成Features:【Spatial Analyst】中选择【Convert】的【Raster to Features】项,Input raster中选择上面求出的低于3.75m的栅格图像;在Output geometry type中选择Polygon,并在Output features中写入路径,单击OK,生成Features.

打开其属性表,新建Name为Area,Type为Double字段,Area上右击选择Calculate Geometry,计算各区块面积,选择所有Gridcode值为1的多边形,右击Area选择ΣStatistics项,显示淹没区总面积直方图,所求淹没区面积为181306884m2,即约181.3km2,如图2所示.

表1 淹没面积统计

对上述数据进行多项式回归分析,如图3所示,建立洪水水位高程Hf与淹没面积Af之间关系公式:

值得一提的是,这里建立的洪水水位高程Hf与淹没面积Af之间的关系,与分析区域内高程分布情况密切相关,会因分析区域的不同而有所差异,只对特定的分析区具有一定的代表性,进行相关的淹没面积预测计算.

(3)淹没面积预测

基于洪水水位高程Hf与淹没面积Af间的关系,可直接对分析区不同洪水水位下的淹没面积进行预测,并与相应洪水水位下由ArcMap计算所得淹没面积进行误差分析,结果如表2所示:

表2 淹没面积预测

通过以上公式预测淹没面积与软件计算淹没面积之间的误差比较,可见当洪水水位高程在0.5～5.0m之间时,公式预测淹没面积与软件计算淹没面积之间的误差较小,可控制在4%以内.当洪水水位高程在此范围外时,误差相对较大一些,建立的Hf与Af关系公式适用性略有欠缺,需作进一步调整.

2 洪水渐进淹没三维模拟

基于分析区TIN数据,采用ArcGIS 3D模块ArcScene建立了地形三维模型,叠加逐步抬深的洪水水位面,实现了洪水无源演进淹没三维模拟,可以直观比较不同水位的淹没区域分布情况,局部效果如图4所示:

3 结语

研究结果表明ArcGIS在洪水淹没面积计算中的应用为洪水灾害评估研究提供了一个有力的工具.根据本文提供的洪水淹没区面积计算方法,便捷地计算了淹没面积.根据洪水水位与淹没面积间的关系公式,预测某一水位高程下的淹没面积,为洪水灾害的快速预测提供了思路.基于ArcGIS的洪水渐进淹没三维模拟,直观表达了洪水淹没区的分布随水位抬深的变化情况,为防洪减灾决策,为进一步开展洪水治理提供了有效的服务.

[1]孙阿丽,徐林山,石 勇等.基于GIS的洪水淹没范围模拟[J].华北水利水电学院学报,2009,30(2):9～11.

[2]杨军,贾 鹏,周廷刚等.基于DEM的洪水淹没模拟分析及虚拟现实表达[J].西南大学学报,2011,33(10):143～148.

[3]李发文,张行南,杜成旺.基于GIS和数学形态学的洪水淹没研究[J].水电水利科技进展,2005,25(6):14～17.

[4]刘仁义,刘 南.基于GIS的淹没区确定方法及虚拟现实的表达[J].浙江大学学报,2002(5):573～578.

[5]郭利华,龙 毅.基于DEM的洪水淹没分析[J].测绘通报, 2002(11):25-30.

[6]胡瑞鹏,黄少华,王 迅.GIS在洪水淹没灾害评估中的应用[J].水利水文自动化,2007,6(2):11～15.

[7]甘郝新,邓抒豪,郑 斌等.基于GIS的洪水淹没范围计算[J].人民珠江,2007(6):98～100.

[8]刘仁义,刘 南.基于GIS的复杂地形洪水淹没区计算方法[J].地理学报,2001,56 (1): 1～6.