GIS支持的小流域雨洪过程模拟与定量计算应用<br/>——以南京农业大学白马教科基地为例

GIS支持的小流域雨洪过程模拟与定量计算应用
——以南京农业大学白马教科基地为例

2014-08-01赵丹丹桑玉昆王水源徐建刚

遥感信息 2014年5期

赵丹丹，桑玉昆，王水源，徐建刚

(1.南京农业大学校区发展与基本建设处，南京 210007；2.南京农业大学白马教学科研基地建设办公室，南京 210007；3.南京大学建筑与城市规划学院，南京 210093)

1 引言

从自然灾害发生的时空强度以及对人类生存与发展的威胁程度而言，洪水灾害是各种自然灾害之首[1-2]。南京市南部宁镇山脉区域地形较为复杂，面积较小的中小流域较多，调蓄能力差，且洪水陡涨陡落，加之台风和风暴潮等海洋灾害影响显著，随着城市化进程加速，洪水危害日趋加剧，导致严重的人员伤亡和大量财产损失；同时，受全球气候变化、海平面上升和地面沉降等影响，洪涝灾害水平显著增加。这一地区洪水主要发生在流域中上游冲积平原上，在防洪决策过程中，对未来洪水形势预测同时，要对洪水风险及其危害程度作出评价，以便作出正确防洪减灾措施。该地区城镇化迅速，土地利用方式变化较快，河流、道路及防汛工程不断变化，从而改变洪泛区淹没范围，因此对雨洪影响分析显得十分重要。

目前平原区洪水淹没模拟研究，大多采用二维水动力方程数值计算方法，动态模拟洪泛区洪水淹没变化，该计算由于涉及到下垫面基础数据和边界资料，资料收集和更新都较为困难，研究受到一定的限制[3-5]。而GIS技术和遥感技术的发展为洪水分析带来便利，GIS技术能提取下垫面资料，遥感信息能实时更新下垫面资料和监测洪水淹没范围。

20世纪90年代以来，利用GIS技术为手段进行洪水淹没分析一直是一个研究热点，初期大多数的研究仍然是基于二维平面的GIS技术[6-7]。随着GIS技术和遥感技术的发展，相关研究逐渐将三维地形技术与二维GIS技术结合，采用种子蔓延模型算法等进行有源淹没和无源淹没的洪水淹没区域模拟，并进行三维可视化的表达[8-10]。但已有研究较多集中在给定水位或洪量情况下的淹没分析，径流模拟集中在大区域水力演进模型的非稳定流计算方法[11]，缺乏对小流域径流过程和洪水淹没的分析。本文结合GIS水文分析模型中的微流域划分，针对微流域径流过程模拟，采用近似稳定流水文模型算法分析小流域洪水淹没情况。

本文选取南京农业大学白马教科基地为例，以GIS和遥感信息为主，借助历史水情数据库和流域社会经济数据库，结合暴雨径流汇水过程，实现了暴雨径流量、流速和水深等参数的模拟计算。根据该结果可以进行洪水淹没和洪灾分析，实现雨洪控制，从而为教科园区的防洪排涝规划提供有力支持，以期为其他地区雨洪控制提供科学参考。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

南京农业大学白马基地位于溧水区东南部，是中国有机农业重镇，江苏省最大的有机农业示范基地。白马教科基地水系密布，以汉湖为水系核心(图1)，基地周边地形为南高北低，基底西北部为山区，内有龙王庙水库(26.63m3×104m3)，以防洪为主，基地西南部为贯庄水库(229.16m3×104m3，集水面积5km2)，基底西南为老鸦坝水库(正常库容为487m3×104m3，集雨面积为18km2)。三小型水库均以防洪，灌溉为主要目的，并通过河道和自然地表漫流汇聚至基地内，再从北边流出。研究区当洪水泛滥时，水流扩散，受平原地区微地形影响，行洪速度缓慢，当遭遇台风等天气时，降雨历时较长，则可能由于内河洪水排泄不畅，导致较大范围洪涝灾害。

图1 南京农业大学白马教科基地概况

2.2 研究数据来源

根据研究区1∶500地形数据生成基地DEM，后通过国家基础地理信息数据库中全国30m×30m精度的DEM对基地外围地形进行补充完善。

3 研究思路与方法

3.1 研究框架图

通过基础数据的收集建立基础数据库，构建研究区DEM、DTM模型，运用ArcGIS水文分析功能对基地雨洪汇水空间的微流域特征进行划分。通过对微流域降雨径流过程进行分析，选取强降雨长历时径流处于稳定流下的微流域汇水情况进行研究。在满足研究条件下采用产流经验公式及曼宁-谢才公式对研究区降雨径流量及典型断面流速及水深进行测算，对研究区的洪水风险进行评估，并提出相关区域的防洪建议。研究思路框架图如图2。

图2 研究分析框架图

3.2 基于DEM微流域划分的雨洪汇水空间特征分析

3.2.1 基地及周边DEM、DTM模型构建

(1)将研究区域的1∶500地形图AutoCAD数据导入ArcGIS中，运用ArcGIS矢量数据转换功能，从全要素地形图中分离出了带有高程属性值的等高点与等高线矢量图层；

(2)运用ArcGIS 三维分析(3D Analyst)模块，将等高线和高程点作为集合点(mass points)，水系作为硬断线(hard line)，用Create TIN命令生成不规则三角网，再用Covert TIN to Raster转换为规则格网，即数字高程模型(DEM)；

(3)以DEM为基础，运用ArcGIS空间分析扩展模块(Special Analyst)，可进行数字地形分析(DTA)，提取包括斜坡因子(坡度、坡向等)、面积因子(表面积、投影面积、剖面积)和面元因子(相对高差、粗糙度等)等基础地形因子，生成各个因子的独立图层。从而，完整地建立了场地的数字地形模型(DTM)。

3.2.2 基于DEM的微流域划分

利用水文分析工具通过构建的DEM提取地表水流径流模型的水流方向、汇流累积量、水流长度、河流网络等对研究区的流域进行分割，通过对这些基本水文因子的提取和基本水文分析，可以在DEM表面之上再现水流的流动过程，最终完成水文分析工程。其主要过程包括：利用DEM作为数据源，模拟水的流向，生成区域汇水线；将汇水线连接成河网，生成集水区；根据汇水线的水流方向，将生成的微汇水区进行合并，得到适合的微流域划分结果，得到最终的流域水系的汇水空间关系特征，为进一步判断基地洪水威胁提供基础。

3.3 汇水区降雨径流过程分析

降雨径流过程可以分为两个阶段：一是产生净雨(径流深)过程；二是产生径流(洪水)过程。而径流形成过程就是降水在流域中的再分配与运动过程，实质上讲，该过程是流域下垫面对降水的再分配过程，这个过程一般可分流域蓄渗过程、坡面汇流过程和河网汇流过程的三个阶段。我国南方湿润地区降雨形成径流的条件主要是降雨量超过土壤缺水量而产生径流，即降雨量补足非饱和带缺水量之后全部形成径流，为蓄满产流[12]。

由降雨过程分析可知，降雨初期，雨水下渗及填洼，径流系数接近于0；到某一初始时刻开始形成地表径流，汇水线开始收集雨水，此时径流系数从0开始增大；当非饱和带达到水量饱和时，单位时间内产流量与降雨量的比值保持恒定，即径流系数趋于稳定。根据相关学者的研究，考虑到坡度和覆盖不完全的情况，径流系数在降雨历时达到30分钟以后即达到蓄满产流后将普遍增大[13]。

3.4 汇水区强降雨流量及流速计算模型

3.4.1 流量

小流域因为水文资料缺乏，因此在实用中制定了一套应用于小流域的简化计算方法，即在一般不考虑暴雨在流域面上的不均匀性，根据一个时空均匀分布的设计暴雨过程来推求设计洪水。当降雨使得非饱和带达到水量饱和时，产流量与降雨量比例恒定，即满足流域上产流强度在时间上和空间上保持恒定不变，则在dt时间内，产流量dw也是常数，计算公式如下：

dw/dt=0.278(a-μ)S

(1)

其中，S为流域面积(km2)；a、μ为暴雨强度和损失强度(mm/h)；dw/dt为单位时间的产流量(m3/s)；0.278为单位换算系数，即1/3.6。

单位时间的产流量散布在全流域面上，并非同时汇集于出流断面，只有当产流历时等于汇流历时时，单位时间的出流量等于产流量，即此小流域水流达到全域稳流状态。GIS划分每个微流域径流上端到计算汇流点的距离一般不超过2km，1小时内基本能达到稳流状态，因此暴雨历时超过1小时后可以按照推理公式进行计算。在应用推理公式计算指定频率p的设计洪峰时，流域面积是常定不变的，损失强度一般变化不大，因此关键在于确定设计暴雨强度。暴雨强度是暴雨时段t的函数，因此必须确定时段t。设计暴雨时段t大于汇流时间时，则可以得出下式[14]：

Q_(m,p)=0.278×ψ×a_(τ,p)×S

(2)

其中，Q_(m，p)为子流域汇水量(m3/s)；a_(τ，p)为降雨强度(mm/h)；S为子流域汇水面积(km2)；ψ为综合径流系数，综合径流系数与下垫面情况、降雨历时、降雨强度相关。

式(2)中的暴雨强度通常运用暴雨强度计算公式计算，规划区采用南京市建筑设计院数理统计法编制的南京暴雨强度计算公式，此公式经过长期的降雨统计资料分析，具有较高的可信度。

a_(τ,p)=(2989.3(1+0.671lgT_E))/(t+13.3)0.8

(3)

其中，T_E为暴雨重现期；t为降雨历时。按《水利水电工程设计洪水设计规范》规定，校核洪水应加安全修正值，以策安全。若σ为设计数值的标准差，则安全修正值Δ应该与σ成正比，即Δ=a×σ，式中，a为可靠系数，一般取0.7[15]。

3.4.2 流速、水深

一般情况下，水流是处在不稳定流的状态，这是由于河床的冲淤变化使水面不是直线和附加比降的作用所致。在微流域径流分析过程中，在不考虑河床冲淤变化时，水面近似直线，故用直线表示水面线其误差可以忽略，水流可视为稳定流，符合明渠稳定流条件，可以采用曼宁-谢才经验公式计算流量及流速[16]。流量指单位时间内流经某一过水断面的水量通常用Q表示，单位是m3/s。

v=I(1/2)R(2/3)/N

(4)

H=(Q×N/I(1/2))(2/3)

(5)

其中，v为流速；I为河槽总比降；R为水力半径。R=F/B，F为过水断面面积，B为湿周长。N为平均槽率系数；H为水深；Q为断面流量。

4 结果与分析

4.1 南京农业大学白马基地汇水区划分

依据基地DEM、DTM模型，依靠微流域划分方法，最终将基地依据流出基地出水口断面划分为A、B、C 3个子流域。子流域A包含6个微流域，子流域B包含1个微流域，子流域C包含3个微流域。根据汇水线分析汇水过程，流域A1、A2汇入A3，流域A4、A5汇入A6，然后A3、A6共同由出口断面①汇出基地；流域B经出口断面②汇出基地；流域C1、C2汇入C3后由出口断面③汇出基地。

图3 基地汇水区划分

表1基地微流域面积统计

名称流域A(hm2)流域B(hm2)流域C(hm2)总计(hm2)面积292.68102.76168.39563.83

4.2 多情景模拟下研究区出口断面流量计算

4.2.1 研究区暴雨强度计算结果

对研究区进行不同重现期不同历时暴雨洪水径流情景模拟，选取五十年一遇暴雨1h、6h、24h和百年一遇暴雨1h、6h、24h情景进行分析。首先采用南京暴雨公式进行暴雨量预测。根据安全修正原则，在《中国暴雨参数统计图集》中查取变差系数Cv和均值X，取百年一遇、五十年一遇的可靠系数0.7，计算修正增加值。同等降雨历时情景下，五十年与百年一遇的暴雨重现期暴雨量差异不大，但延迟降雨时间将导致暴雨量大幅增加。

表2 多情景下基地设计暴雨量

4.2.2 综合径流系数

综合径流系数计算公式为：

(6)

φ为综合径流系数；φi为某一土地利用类型的径流系数；θ为这一土地利用在流域内所占的面积比例。

表3 径流系数表[17]

南京的土壤类型主要为红黄壤，在计算平均径流系数时，经过长期改造的农田地区为水稻土类型，建成区视为混凝土层，植被覆盖较好的地区视为森林土。因此建筑用地、水域、道路及其他硬质铺地取1.00，农田采用0.85，森林采用0.7，其余自然土地径流系数取0.8。通过将基地土地利用现状数据与微流域划分进行空间叠合，统计不同微流域各类用地的比例，分A、B、C流域计算综合径流系数，如表4所示：

表4 综合径流系数计算结果

由以上计算结果可见，3个流域的综合径流系数相差不大，形成径流量的差异将由不同微流域的集水面积主要影响。

4.2.3 各微流域出口流量

运用式(2)计算各微流域形成径流量，通过累加计算，求得每一流域出口处的流量，计算结果如表5所示：

表5 多情境下流域出口流量

4.3 多情景模拟下研究区出口断面流速水深计算

4.3.1 坡降

坡降即比降、坡度，指水面水平距离内垂直尺度的变化。通过ArcGIS剖面分析工具计算3个流域的比降，流域A比降约为10‰，流域B比降约为11‰，流域C比降约为6.7‰。基地东区地势较西区平坦，河槽比降较小，但基地处于平原地区，尽管内部有一定的高差变化，但总体比降不大。

图4 不同流域坡降图

4.3.2 平均糙率系数

当需要根据式(4)、式(5)计算流量、流速时，对糙率的选用应特别慎重。在山区小流域中，坡面流糙率、沟道和山溪等的糙率缺乏天然水流实测资料。当河道的实测资料短缺时，可根据河道特征，参照相似河道的糙率，根据河道的床面特征，查天然河道糙率表，用经验的方法确定糙率。

表6 河滩糙率表

研究区坡降大，流域面积小，旱季时，沟谷中并没有水流，河槽不足以泄洪，因此河滩也将被淹没，研究区河谷长有中等密度的植物，并部分被垦为耕地，河谷平缓，因此取糙率为0.1。

4.3.3 出口断面流速及水深计算

为了针对性地评价研究区出口断面过水能力及长历时强暴雨对研究区的内涝淹没情况，则对典型断面进行分析，选取断面为流域A出口断面A0-A0，及流域B、流域C出口断面B0-B0(从出口剖面可以看出流域B、C出口因地势平坦形成较大的浅沟宽谷)。

图5 不同流域出口剖面图

依据不同暴雨情境下流域的径流量，利用ArcGIS查询功能和式(4)、式(5)，获取对应于断面的累加流量、流速、平均水深。通过暴雨情境的模拟分析发现，同等历时下五十年一遇、百年一遇设计暴雨下产生的洪水水深、同一断面的流速变化并不大。通过研究区出口断面的相关径流参与可知，当遭遇五十年、百年一遇暴雨1小时历时时，出口断面流速将接近0.5m/s，出口断面漫溢平均水深超过0.6m；当遭遇五十年、百年一遇暴雨24小时历时时，出口断面流速将达到0.65m/s，出口断面漫溢平均水深将超过1m。因此位于出口断面附近的高程较低的地方都将收到洪水的威胁。

表7 典型断面流速、水深计算结果

4.4 研究区暴雨风险评估及防洪建议

通过DEM及出口断面处漫溢平均水深，利用ArcGIS空间分析工具得到不同重现期、不同历时暴雨洪水淹没深度区间对应的淹没范围，结果如下：

图6 暴雨淹没范围图

从以上分析结果可知，研究区A、B、C 3个微流域中，研究区西区的流域A因地势从西至东坡降变化趋势一定，产生洪水淹没范围主要集中在出口断面附近；研究区东区流域C在流域上游坡降较大，流域下游地势较缓，坡降较小，产生洪水漫溢现象显著。基于东西区降雨径流形成的不同情况，有针对性地提出相应的防洪措施：

(1)东区上下游河道较长，建议疏浚河道，形成深沟排水，减少洪水漫溢范围。河床的糙率系数对水流的流速有很大的影响，建议改善河道护坡，以增加泄洪速度。

(2)西区设置拦水坝，依托原有水体扩大湖面面积，增加蓄水量，减少强暴雨洪水漫溢范围。人工修建拦蓄工程，增加地表径流在一定区域的滞留时间，提高土壤贮水量，减少流域下游的汇水压力。

(3)针对性用地布局，对强暴雨情景下可能造成洪水淹没的范围不宜设置为居住等人类活动较为频繁的功能，可作为绿化景观用地布置。采用低冲击开发理念，增加蓄水池，人工湿地等用地的布置，降低下垫面径流系数，减少径流量，降低防洪风险。

5 结束语

暴雨洪水的风险可以根据不同重现期暴雨的淹没水深和淹没面积进行评估，通过研究区历史气象水文资料记载统计分析可以得到研究区不同重现期台风暴雨的总雨量，运用数字高程模型和GIS软件模块可以量算得到不同降雨量对应的不同淹没面积和淹没水深。本文根据微流域径流特点，重点开展了平原区雨洪淹没分析研究。借助GIS技术和遥感信息，对研究区域进行微流域划分，分析暴雨径流量过程，从而计算长历时暴雨径流量，反推出流速和水深。

本文在基于GIS和遥感信息集成和实用化方面，在流域划分和径流量、水速和水深计算方面作了有益地尝试，但在计算径流量、流速和水深的数值计算方法仍需进一步探讨。雨洪控制及资源化利用模式和方法较多，在研究探索中需要因地制宜，细致考察流域长时间的降水、地貌、地形、以及地表及地下水情况。本文探讨还有不足，今后研究中将对雨洪形成机理、研究区周边区域、控制措施比较、区域水资源平衡、规划成本等因素进行考虑，对雨洪资源和雨水资源加以利用，从而更好地服务规划实践。

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