基于FloodArea的天长市“7.24”暴雨过程淹没模拟

王德燕， 邵方泽， 叶晶晶

(1.安徽省天长市气象局，安徽天长 239300；2. 南京信息工程大学地理与遥感学院，江苏南京 210044；3.安徽省明光市气象局，安徽明光 239400)

基于FloodArea的天长市“7.24”暴雨过程淹没模拟

王德燕1， 邵方泽2， 叶晶晶3

(1.安徽省天长市气象局，安徽天长 239300；2. 南京信息工程大学地理与遥感学院，江苏南京 210044；3.安徽省明光市气象局，安徽明光 239400)

基于德国Geomer公司开发的FloodArea水动力淹没模型,结合气象、水文及基础地理信息数据等，对2015年7月24日天长市出现的一次暴雨过程进行淹没模拟。结果表明，模拟淹没情况与实际淹没在时间上有很好的一致性，可为天长市暴雨预警工作提供参考。

FloodArea；暴雨；淹没；模拟；天长市

近年来，中国气象局在全国启动了暴雨诱发的中小河流洪水和山洪地质灾害气象风险预警服务业务，暴雨洪涝灾害风险评估技术已成为这项业务的科技支撑。暴雨洪涝灾害风险评估技术发展迅速[1-2]，如蓄洪区洪水淹没风险动态识别研究[3]等。随着GIS技术的广泛应用，其已成为暴雨洪涝风险评估的一项重要技术手段[4]，利用数字高程模型及各种迭代算法，实现了对暴雨洪涝淹没的模拟[5-6]。目前，GIS与水动力模型结合的洪水淹没模拟研究较多，如苏布达等[7]建立了二维水动力洪水动态演进模型模拟长江流域不同洪峰流量下分洪区的洪水淹没范围和水深；文明章等[8]运用FloodArea模型研究山洪灾害风险雨量评估。这些研究对暴雨洪涝灾害的风险评估具有重要意义，但大多侧重于水库溃口或河网漫顶造成的洪水淹没模拟，而针对强降水造成的区域洪涝淹没研究还不多见。

天长市地处江淮分水岭，是江淮丘陵向苏北平原过渡地带，地势由西南向东北倾斜，西南部丘陵起伏，东北部多平原；周边及境内湖泊、水库较多，以东边的高邮湖最大，白塔河横穿整个天长。天长属北亚热带季风气候，气候特点复杂，降水时空变化大，灾害性天气比较频繁，暴雨平均每年3.4次左右。2015年7月24日天长市出现突发、短时强降水过程，市区及半数以上乡镇出现暴雨和大暴雨。监测资料显示，全市25个站点中，3个站点降雨量为50.0～99.9 mm，11个站点降雨量超过100.0 mm，最大降雨量出现在芦龙社区,高达174.7 mm；市区最大小时雨强为85.9 mm，在近10年气象记录中排第1位。强降水造成了市区及部分乡镇多处道路积水和短时内涝，给人们出行造成诸多不便。笔者在GIS平台上，采用FloodArea模型对天长市及周边流域这次典型的强降水过程引发的区域暴雨洪涝进行淹没模拟，并用灾情资料检验模拟效果，以期为天长市暴雨预警工作提供参考。

1 FloodArea简介

FloodArea为德国Geomer公司开发的洪水淹没模型，该模型内嵌于ArcGIS平台，计算基于水动力方法，同时考虑了一个栅格的周围8个单元(图1)。对邻近栅格单元的泻入量由manning-stricke公式[9]计算。坡度由单元之间的最低水位和最高地形高程之间的差异所决定，对每一个单元都进行计算。相邻单元的流量长度被认为是相等的；位于对角线的单元，以不同的长度算法来计算。不同于静态洪水风险区划图，FloodArea在每个时相的运行过程，即运行时间与相应淹没范围和水深均以栅格形式呈现和存储，直观明了，易于查询。

水流的淹没深度为淹没水位高程和地面高程的差值，其公式为[9]：

flow_depth=water_levela-elevationa

(1)

淹没过程中的水流方向由地形坡向所决定，地形坡向反映了斜坡所面对的方向，坡向指地表面上一点的切平面的法线矢量在水平面的投影与过该点的正北方向的夹角。对地面任何一点来说，坡向表征了该点高程值改变量的最大变化方向。计算公式为[9]：

(2)

2 数据及处理

2.1 DEM数据获取及处理 从NASA网站(http://reverb.echo.nasa.gov/reverb/)获得DEM数据，平均分辨率为30 m。利用ArcGIS工具将分块的DEM数据合并，具体通过ArcGIS的ToolBox工具箱里的Data Management Tools/Raster/Raster Dataset/Mosaic To New Raster工具(图1)，将4组数据(图2)合并为1组(图3)，并将投影信息设为Alber投影。

图1 ArcGIS栅格拼接工具Fig.1 ArcGIS raster stitching tool

图2 拼接前的4组DEM数据Fig.2 The four groups DEM data before splicing

图3 拼接后的DEM数据Fig.3 DEM data after splicing

2.2 流域边界提取及DEM数据准备 利用MapWindowGIS进行流域划分，得到天长市及周边流域边界图，根据天长市边界选择能代表天长市范围的流域图(图4)。利用选取得到的流域边界裁剪处理后的DEM数据，得到FA模拟所需的DEM图。从DEM分布图(图5)可以看出，天长市总体呈西高东低分布，西部海拔较高，地形相对复杂，东部海拔较低，地势平缓；从地形分布看，天长总体有南北两大汇流区，均汇入西部地势低洼区(高邮湖)。

图4 天长市流域分布Fig.4 Distribution of watershed in Tianchang City

图5 天长市数字高程数据Fig.5 Digital elevation data of Tianchang City

2.3 降水数据插值 对天长市23个自动站数据进行插值，得到逐小时的面雨量(图6)，降水主要集中在10：00—12:00，最多值出现在11:00，为37.3 mm。选取07:00—16：00作为模拟时段，将面雨量存为TXT格式，具体存储方式如图7所示，第1列为模拟时次间隔，第2列为面雨量。

2.4 根据土地利用类型确定粗糙度 利用流域边界对所得的土地利用数据进行裁剪，并将投影方式设为Alber投影，与DEM数据投影保持一致。地面粗糙度主要影响水流流速，根据孙桂华等[10]研究给出的不同土地利用类型赋以对应的地表粗糙度，即林地、居民地、旱田和水田对应的粗糙度参数分别为18、25、40、50，利用ArcGIS的reclassify工具，根据土地利用数据进行重分类，得到粗糙度分布(图8)。结果显示，天长市总共涉及林地、居民地、旱田和水田4类不同粗糙度下垫面，粗糙度分别为18、25、40、50。

图6 2015年7月24日07:00—16：00天长市面雨量 Fig.6 Area precipitation at 07: 00-16:00 on July 24, 2015 in Tianchang City

图7 FA面雨量输入格式Fig.7 Input format of FA area precipitation

图8 天长市土地利用类型(a)和粗糙度(b)Fig.8 Land use type (a) and roughness (b) in Tianchang City

3 模拟结果分析

启动FA工具，输入DEM数据、降水分布权重、粗糙度数据及面雨量数据，进行模拟。结果显示(图9)，7月24日10：00开始出现积水，12:00进水范围迅速扩大，市区出现明显积水，湖泊、水库等水体汇水明显。可见，模拟淹没情况与实际淹没在时间上有很好的一致性，淹没时间与降水强度强的时次对应较好。

图9 2015年7月24日10：00(a)和12:00(b)天长市淹没分布Fig.9 Submerged distribution at 10:00 (a) and 12:00 (b) on July 24，2015 in Tianchang City

4 小结

根据降水资料及数字高程模型,利用FloodArea对天长市主要流域的暴雨过程进行再现淹没模拟，结果显示，模拟淹没情况与实际淹没在时间上有很好的一致性，淹没时间与降水强度强的时次对应较好；从空间上看，模拟结果能够反映出部分低洼易淹没区域，可对预警工作提供一定的参考。同时由于没有考虑退水和下渗作用，模拟淹没深度与实际淹没深度有一定的偏差，后续将引进更精细的数字高程及土地利用数据，进一步考虑下渗及排水机制，以期得到与实际更一致的模拟结果。

[1] 章国材.自然灾害风险评估与区划原理和方法[M].北京:气象出版社,2013.

[2] 李兰,周月华,叶丽梅,等.一种依据旱涝灾情资料确定分区暴雨洪涝临界雨量的方法[J].暴雨灾害,2013,32(3):280-283.

[3] GEMMER M,王国杰,姜彤.洪湖分蓄洪区洪水淹没风险动态识别与可能损失评估[J].湖泊科学,2006,18(5):464-469.

[4] 葛小平,许有鹏,张琪,等.GIS 支持下的洪水淹没范围模拟[J].水科学进展,2002, 13(4):456-460.

[5] 叶丽梅,周月华,李兰,等.通城县一次暴雨洪涝淹没个例的模拟与检验[J].气象,2013,39(6):699-703.

[6] 史瑞琴,刘宁,李兰,等.暴雨洪涝淹没模型在洪灾损失评估中的应用[J].暴雨灾害,2013,32(4):379-384.

[7] 苏布达,姜彤,郭业友,等.基于GIS栅格数据的洪水风险动态模拟模型及其应用[J].河海大学学报(自然科学版),2005,33(4):370-374.

[8] 文明章,林昕,游立军,等.山洪灾害风险雨量评估方法研究[J].气象, 2013,39(10):1325-1330.

[9] GEOMER.Floodarea：Arcview extension for calculating flooded areas (User manual Version 2.4)[M].Heidelberg:Geomer Gmph，2003.

[10] 孙桂华，王善序，王金銮，等.洪水风险分析制图实用指南[M].北京：水利电力出版社，1992:54-82.

Submerged Simulation of “7.24” Rainstorm Process in Tianchang City Based on FloodArea

WANG De-yan1,SHAO Fang-ze2,YE Jing-jing3

(1.Tianchang Meteorological Bureau, Tianchang, Anhui 239300;2. School of Geography and Remote Sensing, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing,Jiangsu 210044;3. Mingguang Meteorological Bureau,Mingguang,Anhui 239400)

Based on the FloodArea hydrodynamic model developed by Geomer Company of Germany, the submerged simulation of a rainstorm process occurred in Tianchang City on July 24, 2015 was carried out by combining meteorological, hydrological and basic geographic information data.The results showed that the simulated submergence was in good consistency with the actual submerged time, which can be used as a reference for the rainstorm warning in Tianchang City.

FloodArea;Rainstorm;Submergence;Simulation;Tianchang City

王德燕(1983- )，女，江苏扬州人，工程师，从事天气预报预测研究。

2016-09-21

S 161.6

A

0517-6611(2016)34-0188-03