快速制作大中型水库洪水风险图方法研究

王念念，贾艾晨（大连理工大学水利工程学院，辽宁大连116024）

快速制作大中型水库洪水风险图方法研究

王念念，贾艾晨
（大连理工大学水利工程学院，辽宁大连116024）

针对大中型水库洪水风险图制作速度慢的情况，运用水文学与水力学相结合的方法，使用MIKE11软件推算河道洪水水面线，利用谷地地理信息系统（GoodyGIS）软件提取地面高程数据，最后在ArcGIS中结合水面线与DEM高程数据快速绘制洪水风险图，并利用水力学法对该方法效果进行评价。以大连市卧龙水库为例，快速绘制水库各频率洪水风险图，该方法制作速度快、精度也能很好的满足防洪减灾的目的，为管理者快速制定决策，为灾民迅速转移提供技术依据。

ArcGIS；数字高程模型；快速制作；洪水淹没图

我国是洪涝灾害频发的国家，所带来的各种直接和间接的经济损失占各种灾害中非常大的比例。尽管我国各方长期以来在防洪救灾中投入了大量的人力、物力和财力，并采用了一系列防洪减灾工程措施［1］，但是我们对非工程措施的研究还处于起步阶段。洪水风险图作为一种非工程措施在防洪抢险救灾中发挥着巨大的作用，当突发暴雨洪水时，各级政府可以根据防汛部门的洪水预报，查询已经完成的洪水风险图，事先了解可能发生的灾情状况、洪水到达时间、水深以及损失状况等 ，做到在指挥抗洪抢险中有据可查。

在洪水风险图制作方面国外已有60多年的历史，一些发达国家很早就开始了洪水风险图的制作。洪水风险图最初为纸制，制成后由政府向民众分发。随着信息技术的发展，GIS、RS、网络技术等开始广泛应用于洪水风险图的制作［2］，从而提高了洪水风险图的制作精度，同时也更加便于风险图的发布［3］。

洪水风险图的制作方法主要有3种:一是实际洪水调查法［4］。就是利用历史调查资料，在地图上勾画出洪水淹没范围，注明洪水相对应的频率，并标注一些重要位置的淹没水深。二是水文水力学数值模拟方法［5］。就是建立数学模型，模拟洪水演进过程，从而确定不同频率洪水淹没范围及水深 ，绘制洪水风险图［6］。三是水灾频率分析法。该方法基于水灾经典曲线，建立水灾频率分析模型的。它是从水灾统计资料入手的，量化历史水灾资料，扩充水灾资料，最后依靠计算机动态研究灾害的情况生成风险图。

目前我国在洪水风险图编制方面的研究取得了一定的成效，已经建立了基本的洪水风险防御体系［7-8］。刘仁义等［9］介绍了基于DEM数字高程模型的有源淹没和无源淹没 ；袁红梅等［10］介绍了基于GIS技术制作洪水风险图的制作流程，并提出制作过程中的关键问题；刘小生等［11］利用ArcGIS借助VC.NET编程确定了洪灾淹没区域；张情等［12］在资料缺乏的情况下，利用ArcGIS技术制作中小河流典型洪水淹没范围和水深分布图。但是在洪水风险图时效性方面研究的还比较少 ，比如在洪水到来时，如何根据上游水库来水量的大小快速做出洪水的淹没范围［13］，为抢险决策提供依据，还是一个难题。

针对辽宁省大中型水库无资料地区洪水风险图的制作，已经做了很多的研究 ，但对于快速制作洪水风险图的研究还比较少，本文给出了一种根据组合洪水推求设计洪水水面线，进而利用ArcGIS快速推求洪水淹没范围的方法，快速地完成洪水风险图的绘制。利用水力学推求洪水淹没的方法，与前者计算的结果进行比较分析，从而给出前者的优缺点和改进方式。以位于辽东半岛南端的卧龙水库为例，该水库座落在东大河上，是一座以防洪为主，兼顾养鱼的中型水库 ，属海滨低丘陵地区，地势北高南低，山势平缓，最高170 m，一般120 m左右；全流域面积71.39 km，东大河由北向南注入黄海，全长17 km，河流平均比降5.8‰。

1 水文学与水力学结合制作洪水风险图

1.1 MIKE11软件推算水面线

1.1.1 MIKE11模型构建

构建MIKE11模型主要需要以下文件:断面文件、河网文件、边界文件和参数文件。

（1）断面文件和河网文件

卧龙水库断面测量数据是从水库大坝至黄海入海口共有17个断面，可构建断面文件。水库下游河道至入海口处无支流汇入 ，对河网进行合理的概化，构建河网文件。

（2）边界文件

卧龙水库边界条件包括上边界和下边界，上边界取水库下泄流量过程线；下边界取河流入黄海海口处多年平均潮水位2.71 m。

（3）参数文件

查阅《水力学计算手册》［14］初步确定模型糙率，卧龙水库下游河道主河道内主槽多为砂砾或卵石，摩擦系数不大，模型中糙率定为0.03。

1.1.2 计算结果

利用MIKE11模型计算出卧龙水库100 a和500 a一遇洪水水面线，如图1所示。

1.2 GIS制作风险图

1.2.1 地形处理

地形资料在洪水风险图制作过程中至关重要，卧龙水库流域地形资料缺乏，只有大连市水科所提供的缺乏高程属性的万分之一地形图，不能作为基础地形资料。本文利用谷地地理信息系统（Goody-GIS）软件提取卧龙水库流域等高线地形资料，并与万分之一地形图进行叠加，调整等高线图与万分之一地图相重合，之后在ArcGIS中将地形资料转换成DEM高程数据进行后续淹没分析，DEM高程图如图2所示。

图1不同频率洪水对应设计水面线模拟成果图

图2 DEM高程数据

1.2.2 洪水淹没范围绘制

（1）淹没范围显示

DEM数字高程模型建立之后，叠加处理后的万分之一工作底图，之后运用ArcGIS中栅格计算器进行计算。DEM栅格数据每一个栅格都代表一个地面高程［15］，运用栅格计算器，选择“图层和变量”列表，双击DEM高程数据图层，再选择“＜=”按钮，在列表中输入上述河道水面线中第一个断面水位，运行栅格计算器，此时栅格计算器会将DEM高程数据和第一个断面水位做减法运算，小于零的网格即被洪水淹没的区域会用不同颜色显示出来，得到每个格网的值即为淹没水深［16］。

（2）淹没范围绘制

断面淹没范围显示后 ，建立面要素，开启编辑模式，将第一个断面附近被淹没区域，沿着淹没范围边界绘出，同时要结合工作底图上的地形 ，如果被淹没的区域包括山包、主干道公路或地势较突出的区域，淹没范围边界就要沿着山脚下或者公路边沿，保证山包和公路等不被淹没。重复上述操作绘制第二个断面淹没范围，相邻两个断面之间淹没范围平缓过渡，淹没区域边界应平缓绘出 ，其他断面水位的淹没范围按上述方法绘制。

（3）淹没范围渲染

所有断面淹没范围绘出后，该频率洪水淹没范围就在该面要素上显示了，之后对该淹没范围进行渲染。本文采用阴影表示淹没区域，用以明显区分淹没区域和其他地形；经过多次调整之后显示度选择30%，可以清晰显示工作底图，便于分析被淹没的村庄和需转移的人口数量。经过上述渲染后得到卧龙水库洪水淹没范围，如图3、图4所示。

图3 水文学与水力学结合法制作卧龙水库100 a 一遇洪水淹没范围风险图

图4 水文学与水力学结合法制作卧龙水库500 a一遇洪水淹没范围风险图

利用河道水面线在ArcGIS中显示淹没范围，这种方法制作起来较方便快捷，并且对地形数据要求不太高，能够快速方便的显示洪水淹没范围 ，在紧急情况下能够快速的为管理者决策提供依据，并为防洪减灾节省更多的时间。该方法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，适用于资料缺乏的中小河流的洪水风险分析。

2 制作结果的效率评价

为了对该方法制作洪水风险图的效率进行评价分析，本文运用水力学制作风险图的方法，从制作精度和速度上对该方法进行评价分析。

2.1 水力学法制作洪水风险图

地形基础资料处理:利用谷地地理信息系统提取的等高线地形精度不够高，对万分之一地形图上的等高线重新赋予高程属性，从而建立基础地形文件。

MIKE21建模:建模主要包括地形文件的处理、阻水地物的添加和区域糙率的确定。地形文件在上节中已经生成。研究区域内不能起到阻水作用的地物，无需添加。依据《洪水风险图编制导则》［17］（SL483-2010）取糙率值0.03。

一、二维水动力模型耦合:MIKE21模型建立之后，和水文学与水力学法中建立的MIKE11模型利用MIKE FLOOD软件实现MIKE11和MIKE21水动力模型的耦合，实现洪水淹没的模拟。

淹没范围的显示:MIKE FLOOD模型计算出了卧龙水库100 a和500 a的淹没范围，之后在GIS中对淹没区域进行显示和渲染，如图5、图6所示。

图5 水力学法制作卧龙水库100 a一遇洪水淹没范围风险图

2.2 结果分析

在淹没范围方面，由图3～图6可以看出，两种方法计算出的淹没范围相差不太大。由于水文学与水力学结合的方法确定洪水淹没范围的过程中不考虑地物的糙率和水量损失 ，所以淹没范围必然偏大，所得结果相对于水力学计算的方法偏向于保守，两者淹没面积相差不超过20%，如表1所示。

图6 水力学法制作卧龙水库500 a一遇洪水淹没范围风险图

表1两种方法淹没面积比较

在时间效率方面，水文学与水力学相结合法在求解淹没范围上大大缩短了时间，特别是在风险图绘制方面。MIKE11模型建立之后，水文学和水力学相结合的方法直接利用MIKE11推算的水面线在ArcGIS中进行绘制，两个小时就能完成卧龙水库各频率风险图的制作；而水力学方法在MIKE11模型建立之后，需要建立MIKE21模型，之后在MIKE FLOOD中软件进行耦合计算，对电脑配置要求较高计算速度较慢，最后在ArcGIS中显示和渲染，需要一天的时间完成。

因此运用水文学与水力学相结合的方法，省去了繁琐的过程，占用计算机内存小，大大缩短了绘制时间并且制作精度也能满足防洪减灾的需求，当洪水到来时为管理者决策和灾民转移节省了更多的时间。

3 结 论

针对大中型水库无资料地区洪水风险图的制作，提出了水文学和水力学相结合的方法，可以在地形资料缺乏的条件下，数小时内快速完成洪水风险图，便于快速掌握典型洪水灾情，为防洪规划、土地利用规划等提供参考，特别是为管理者快速作出防洪避险决策提供科学依据。该方法与水力学法相比，淹没范围稍大，计算结果偏保守。该方法已经用于大连市大中型水库洪水风险图的制作 ，其制作原理也可用于完成流域风险图的制作，提高了风险图的制作效率。

［1］ 曹 东，金东春.洪水风险图及其作用［J］.东北水利水电，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］ 刘 涛，曾祥利，曾 军.实用小波分析入门［M］.北京:国防工业出版社，2006.

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

［6］ 王 静，李 娜.山区小流域典型洪水淹没图制作——以江西省黎川县大源水为例［J］.中国防汛抗旱，2010，20（2）:56-58.

［7］ 张葆蔚，李昌志，黄金池.洪水风险图制作平台建设浅议［J］.中国防汛抗旱，2007，（2）:35-37.

［8］ 张念强，谭徐明，马建明 ，等.城市洪水风险图编制的若干问题与探讨——以成都市洪水风险图编制为例［C］//中国水利学会青年科技论坛，2008:226-230.

［9］ 刘仁义，刘 南 .一种基于数字高程模型DEM的淹没区灾害评估方法［J］.中国图象图形学报，2001，6（2）: 118-121.

［10］ 袁红梅，邓彩琼.应用GIS技术制作洪水风险图［J］.江西水利科技，2004，30（4）:198-201.

［11］ 刘小生，陈英俊，黄玉生.基于GIS技术的洪水淹没区确定［J］.测绘科学，2007，32（5）:136-137.

［12］ 张 情 ，贾艾晨.基于GIS的中小河流典型洪水淹没图编制研究［J］.水利与建筑工程学报，2014，12（4）: 181-184.

［13］ 陈秀万.遥感与GIS在洪水灾情分析中的应用［J］.水利学报，1997，（3）:70-73.

［14］ 李 炜.水力学计算手册（第二版）［M］.北京:中国水利水电出版社，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］ 中华人民共和国水利部.SL483-2010.洪水风险图编制导则［S］.北京:中国水利水电出版社，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，河南开封人，硕士研究生，研究方向为洪水风险分析与风险图编制。E-mail:wnnian@163.com通信作者 :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。E-mail:jiaac@126.com