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基于GIS的中小河流典型洪水淹没图编制研究

2014-07-07贾艾晨许士国

水利与建筑工程学报 2014年4期
关键词:水深洪水高程

张 情,贾艾晨,许士国

(大连理工大学水利工程学院,辽宁大连116024)

基于GIS的中小河流典型洪水淹没图编制研究

张 情,贾艾晨,许士国

(大连理工大学水利工程学院,辽宁大连116024)

针对中小流域洪水分析资料相对匮乏等情况,应用GIS技术,以数字高程模型(DEM)为基础,结合历史洪水调查水位资料 ,绘制典型洪水淹没范围和水深分布图。以大连市复州河为例,绘制了2012年台风“达维”暴雨洪水淹没图,得到洪水淹没水深的空间分布状况,为洪灾损失评估和洪灾风险评价提供数据基础,为流域洪灾预案编制、土地利用规划提供技术依据。

洪水调查;数字高程模型;GIS;水深分布;洪水淹没图

洪水灾害是世界上最严重的自然灾害之一,我国洪水灾害频发且影响范围广泛,全国约有35%的耕地、40%的人口和70%的工农业生产经常受到江河洪水的威胁,造成巨大的财产损失,严重影响我国国民经济发展和人民生命财产安全[1]。仅仅利用工程措施并不能完全抵御洪水,非工程措施也是防洪减灾的有效方法之一,洪水风险图作为重要的非工程措施对防洪减灾和洪灾评估具有重要意义[2]。我国对大江大河流域进行了充分研究与治理,但中小河流的治理总体滞后,近年来中小流域常发生集中暴雨,形成较大洪水,造成严重的洪涝灾害[3]。典型洪水淹没图可以还原历史洪水的真实淹没情况,反映流域的洪灾风险分布情况,为流域洪水风险图编制提供基础数据,对于增强民众水患意识、促进防洪科学决策、制定实施洪灾应急预案、规范土地科学规划与管理等具有重要指导意义。

科学的洪水淹没分析是洪水淹没图编制的前提,常用的分析方法有水文学法、水力学法和历史洪水法等。水文学法和水力学法都需要非常详细的基础数据,而我国中小流域地区水文站和雨量站较少,也缺乏精度高的地形数据,因此在中小河流洪水风险分析评价中这两种方法的应用受到局限[4]。鉴于广大小流域地区普遍存在的数据缺乏等实际困难和中小流域洪水风险图编制的需要,应用GIS技术与历史洪水法相结合,需要的资料条件少,操作简单易行,成本较低,且基于历史数据可信度高,对于全面掌握流域的历史洪水情况具有重要意义[5]。本文以大连市复州河下游段为例,通过洪水调查获取实际洪水淹没数据,以研究区DEM为基础,利用GIS的空间分析功能,进行洪水淹没分析,绘制该区域2012年台风“达维”暴雨洪水淹没图。

1 基本原理

洪水淹没是受多重因素影响的复杂过程,其中洪水特性与受淹区的地形地貌是影响的主要因素。洪水淹没主要有两种形式,一种是漫堤式淹没,即堤防没有发生溃决,而是由于河流中水位过高超过堤防高程,洪水漫过堤顶进入淹没区;另一种是决堤式淹没,即堤防溃决,洪水从决口处进入淹没区[6]。我国大部分中小河流的暴雨洪水多为漫堤式淹没,对于漫堤式淹没的淹没范围和水深分布研究,可选用洪水调查得到的洪痕高程作为洪水水位进行淹没分析。

洪水调查资料与洪水实测资料获得的淹没区内空间各点的洪水水位,其分布稀疏为离散数据,无法直接判断洪水淹没区域和水深分布。要得到连续的水面高程,需将每个水位点看成空间部分特征点,利用样条插值法,将离散的空间特征点内插为连续洪水曲面,得到水位高程面[7]。样条插值法是使用一种名为样条的特殊分段多项式进行插值的形式,可以使用低阶多项式样条实现较小的插值误差,避免了使用高阶多项式所出现的龙格现象,适用于逐渐变化的曲面 ,例如温度、高程或地下水位等[8]。其公式为:

历史洪水的淹没水深分布需在GIS中利用插值得到的洪水水面模型与研究区的地面高程模型相减得到[9],其计算公式为 :

式中:D为淹没水深(m),Hw为插值得到的水面高程值(m),Hg为地面高程值(m)。

2 研究区概况

大连市复州河发源于普兰店市老帽山南麓,是大连地区第二大河流。该河属于山溪性河流,流经普兰店市的安波、同益和瓦房店市的松树、得利寺、三台子等14个乡、镇,于三台子乡西蓝旗的老羊头注入渤海,干流全长137 km,流域面积为1 628 km2,地形复杂,中游为平原与丘陵交错地带,下游为滨海区域,易发生洪涝。

复州河流域属暖温带大陆性季风气候区,受特定地理位置和季风气候影响,降水量四季变化明显,年内分配很不均匀。年平均降水量550 mm~700 mm,主要集中在夏、秋汛期(6—9月),该时段内降雨量占全年降水量的75%。洪水主要由暴雨形成,河川基流、洪峰水量集中,洪峰流量大小取决于暴雨大小。洪水与暴雨存在着明显的对应关系,略缓于暴雨。

2012年8月3—4日受第10号台风“达维”影响,大连市地区普降暴雨到大暴雨,局部特大暴雨,雨量时空分布不均,其中研究区所处瓦房店市最大降雨量310 mm。此次强降雨造成复州河流域发生大洪水,复州河东风水库3日22时水位超汛限1.19 m。洪水造成复州河下游地区多处民房、耕地受淹,道路、桥梁、河堤损毁,人员财产损失惨重。

3 典型洪水淹没图编制

典型洪水淹没图的编制按照《洪水风险图编制导则》要求在GIS中将行政区划图、地形图、水系图、防洪工程分布图等合成为工作底图,依据洪水风险分析成果,在工作底图上绘制洪水的淹没范围[10]。本文在进行洪水调查基础上,根据调查淹没点信息,进行空间插值计算生成水面高程模型,其与研究区数字高程模型进行叠加分析,得到洪水的淹没范围与淹没水深图层。技术路线如图1所示。

3.1 基础资料收集整理

编制典型洪水淹没图需要的基础资料包括流域的地形、水文气象、历史洪水、社会经济情况、防洪工程情况及其他相关资料[11]。本文收集了复州河下游段1∶10000地形图、1∶1000河道测量图、日本ALOS卫星影像数据、防洪工程资料和研究区社会经济资料。利用GIS对地形图进行配准后,提取地图要素进行矢量化处理,得到研究区的行政区划、水系、居民地、等高线、堤防工程等图层,将其合成为工作底图。

图1 技术路线图

3.2 2012年洪水情况调查

为收集充足的洪水淹没信息,对复州河下游段沿岸遭洪灾影响的23个村屯进行洪水调查,实地走访调查各村屯淹没情况,询问历史洪水的亲历者,获得洪水淹没信息,寻找指认洪水痕迹,并利用基站式GPS对洪痕位置和高程进行精确地定位测量,得到所有洪痕的经纬度坐标与高程数据,整理得到历史洪水调查情况表[12]。

本文采用下游段洪水调查数据,点绘出的下游段历史洪水的水面线(如图2),符合流域洪水变化规律。根据以上数据,在GIS中以工作底图为背景,建立2012年历史水位点图层,将调查点绘制在图层内并添加每个调查点的地理位置、高程等详细信息。

图2 2012年洪水水面线

3.3 DEM数据的生成

DEM即数字高程模型,是指用一组有序数列来描述地形表面的空间位置特征以及地形高程属性特征。广义DEM包括规则格网模型GRID数据和不规则三角形网TIN数据;TIN数据可呈现数据细节特征,数据冗余小,但数据结构复杂,不利于计算;GRID数据虽有难描述复杂地形及数据冗余度大的缺点,但同时也具有建模方式简单,数据储存方便等优点,基于单个像元的栅格数值更便于计算[13]。因此本文采用GRID数据进行后续淹没分析,具体生成过程在ArcGIS中实现:(1)将从地形图上提取的等高线和GPS实测高程数据导入到ArcGIS并转换为矢量点数据;(2)由高程点数据生成不规则三角形网TIN地形数据;(3)再将TIN数据转换成栅格生成规则格网的DEM,得到研究区数字高程模型(如图3)。

图3 研究区数字高程模型

3.4 典型洪水水面高程模型

洪水水面高程模型反映研究区典型洪水的水面高程分布,其每个栅格值代表洪水水位。利用洪水调查的洪痕水位数据可以得到2012年洪水的数字水面模型,由于此次洪水调查得到的水位数据有限,只得到淹没区内空间点的洪水水位,其分布稀疏为离散数据,无法直接判断洪水淹没区域和水深分布。要得到连续的水面高程,需将每个水位点看成空间部分特征点,在GIS中利用张力样条插值法,将离散的空间特征点内插为连续洪水曲面,得到2012年洪水的水面高程模型(如图4)。

图4 洪水水面高程模型

3.5 洪水淹没图绘制

利用建立的典型洪水水面高程模型数据,在ArcGIS中应用栅格计算功能,将其与研究区数字高程模型数据相减,结果大于零的网格即被洪水淹没的区域,得到的每个格网的值即为淹没水深,得到淹没水深分布图层。将其与工作底图叠加和渲染后,绘制得到复州河2012年达维暴雨洪水淹没水深分布图(如图5)[14]。经当地水利工作人员和群众验证,认为图中的淹没范围、水深分布与洪水发生时的情况基本一致。

图5 复州河2012年达维暴雨洪水淹没水深分布图(入海口段)

据淹没图统计此次洪水淹没入海口范围内土地63 km2,受灾严重的村庄有沙陀屯、西蓝旗、河东、西甸子等,对入海口段淹没分析,该河段防洪能力低,洪水风险严重。近年来该河段沿岸经济发展迅速,存在大量生产价值很高的海珍养殖区,历次较大洪水均对沿岸居民的生活和沿岸产业,尤其是对海珍养殖业产生了较大的破坏,造成了比较大的经济损失。因此,应及时对该河段河道进行整治,对两岸堤防进行修复加固,使防洪保护目标的要求和防洪标准相协调。对于相对开阔的地段可以考虑分级建设不同标准的堤防,给洪水留出应有的出路,有策略地防御设计洪水。在满足防洪要求的前提下,兼顾河口地区经济发展和生态环境保护的需求,对河道进行合理规划,搬迁平面布局不合理的建筑物或养殖区,拓宽主河道,保证主流行洪能力[15]。根据需要对洪泛区内的部分防护对象进行搬迁和保护,从根本上解决洪泛区群众的生命和财产安全问题。

4 结 论

极端天气引发的中小河流暴雨洪水灾害日趋频繁,对人民的生命财产造成了极大危害,但受资料条件和经济发展状况限制,中小河流的洪水风险图制作相对薄弱。本文在进行历史洪水调查基础上,利用GIS工具将调查的洪痕点数据插值扩展到面,生成洪水水面高程模型,与流域地形数据进行栅格运算后,绘制完成典型洪水的淹没范围和淹没水深分布图,可以快速掌握典型洪水的灾情,为流域逃生避险、防洪规划、土地利用规划等提供参考,同时这种方法也可以用于更新洪水风险图,适用于资料缺乏的中小河流的洪水风险分析。

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Research on the Typical Mapping of Flood Inundated Areas of Medium and Small Rivers Based on GIS

ZHANGQing,JIA Ai-chen,XU Shi-guo
(School of Hydraulic Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116024,China)

Regarding to the relative scarcity of data formedium and small rivers and so on,GIS technologywas applied,combining the digital elevationmodel(DEM)and historical records of flood water level,to draw the distributionmap of flood inundated areas and water depths.Taking Fuzhou River in Dalian as an example,themap of flood inundated areas of Typhoon“DAMREY”in 2012was developed,and the spatial distribution of flood depthswasobtained.These findings provide data basis for flood damage and risk assessmentand also give technical support for flood disaster emergency planning and landscape planning.

flood investigation;DEM;GIS;the distribution of water depths;themap of flood inundated areas

P941.77

A

1672—1144(2014)04—0181—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2014.04.036

2014-03-07

2014-04-19

张 情(1988—),男 ,山东淄博人 ,硕士研究生 ,研究方向为洪水风险分析与风险图编制。

贾艾晨(1962—),女 ,山东莱州人 ,博士 ,教授 ,主要从事洪水风险分析的教学与科研工作。

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