GIS在水库溃坝淹没区域模拟及避难所设计

于洋洋

(辽宁省防汛抗旱指挥部办公室，沈阳 110003)

据不完全统计，目前我国境内存在各类型水库超过9×104余座，其中95%以上为中小型水库，且大多建设于上世纪七八十年代。这些水库普遍存在设计标准低、施工水平差、渗漏腐蚀严重、日常管理不到位等情况。夏季汛期往往出现水库库面暴涨、瞬时流量大、冲击力猛，时刻威胁着大坝安全。在及时除险加固无法现实的情况下，利用计算机技术模拟水库溃坝淹没范围、设计合理避难所是应对溃坝灾害的重要手段之一。

1 研究区概况

三道岭水库是位于营口大石桥市周家镇境内，水库建成于1974年，是一座以防洪灌溉为主，结合养鱼、旅游等功能综合利用的中型水库，1992年被辟为营口市水源地。三道岭水库汇水面积133 km2，水面面积约200 hm2，蓄水量3 120×104m3，警戒水位18 m，是辽南地区中型水库之一。在三道岭水库周边分布着三道岭、西沟、赵梁屯等村镇，人口密度较大，若发生溃坝事故社会影响恶劣，因此必须做好溃坝预警、抢救工作。

2 GIS技术原理介绍

地理信息系统(GIS)是在计算机软、硬件支持下，一种专门用于采集、存储、管理、分析和表达空间数据的信息系统，既是一种表达、模拟现实世界和空间数据分析处理的工具，又是用于解决空间问题的资源，同时还是一门关于空间信息处理分析的科学技术[1]。

一个GIS系统从建立到应用主要分以下5个步骤：①定义一个问题；②采集和获取数据；③建立数据库；④实施分析；⑤解释和展示结果。其中最为核心的工作是数据获取和分析，最终建立好项目区各类图层(图1)，需要分析哪类数据直接以图层形式调出即可，更加直观清晰[2]。

图1 GIS图层建立示意图

3 GIS技术对水库溃坝淹没区域模拟分析

3.1 模拟准备工作

基于GIS技术中的体积法模拟洪水淹没面积时，前期需要准备以下两类数据：①溃坝时间段内洪水流量；②淹没区内各区离散高程数据。

3.1.1 溃坝时段内洪水流量估算

溃坝宽度直接决定洪水流量，三道岭水库大坝为土石坝，大坝溃决宽度b采用经验公式计算[3]，公式如下：

(1)

式中：k为经验系数，取值0.65；W为总库容，m3；B为主坝长度，m；H为坝体高度，m。

经计算，得出b=118 m。

水库溃坝洪水流量Q由两部分组成：溃口流量Qb和泄水装置下泄量Qs，其中Qs按照最大值计算即可，Qb最大值计算公式[4]如下：

(2)

式中：g为重力加速度，9.8 m/s2；H0为溃坝前上游水深，m。

若按照垂直方向完全溃坝计算，总洪水量约1 250×104m3，洪峰可达60 350 m3/s，洪水总历时大概920 s。

3.1.2 栅格格式高程数据

高程数据是地理空间信息中的最重要组成之一，可以使分析区域地图由二维转化为三维立体图。基本做法是先将研究区域作栅格化处理，之后将各点的高程数据填入系统即可，具体步骤如下：

1)从相关部门获取三道岭水库及周边10 km以内的CAD格式地图，之后转化为shp格式地图，填入各高点数据，建立等高点矢量图。

2)利用Build函数建立研究区域等高线图的拓扑关系，之后建立矢量地图(圆锥)投影坐标系。

3)利用TIN(不规则三角形)方法，通过空间插值将矢量图转化为不规则三角网格式，三道岭水库DEM数据图见图2(1∶30 000)[5]。

图2 三道岭水库DEM示意图

3.2 基于GIS的体积法模拟淹没区域

3.2.1 体积法原理分析

体积法的原理是根据库区周边地貌，将坝体溃堤后洪水总量等于淹没区域水量。在此说明：由于洪水实际淹没过程非常复杂，且受地形、植物因素影响较多，为方便计算，统一将滞洪区、低洼地、小型湖塘等小蓄水区看作水平面，简化后计算公式[6]如下：

(3)

式中：W为溃堤事件中洪水水量，m3；A为淹没区面积，m2；Eg(x，y)为地面高程值；Ew为洪水水面高程值；dσ为淹没区面积微元。

3.2.2 体积法模拟淹没区域分析

溃坝后洪水大部分会向下游急速推进，因此主要模拟下游不同段面洪峰流量及到来时间、起涨时间、恢复初始状态时间等。为简化模拟，在此不再考虑洪水推进期间非人为设施阻力，均按照地平面计算。具体洪水淹没模拟结果见表1(部分)。

表1 三道岭水库洪水淹没模拟结果(部分)

由模拟结果可知：①三道岭水库若发生溃坝事故，会影响周围7个村庄，其中2个距离最近村庄(三道岭村、青寨村)会被直接冲毁大半，受灾人口约2.3万人；②溃坝事故会淹没总区域面积23 km2，淹没耕地0.14×104hm2；③淹没道路(上白线)100 m，冲毁桥梁一座。总而来看，可造成的直接经济损失约5.5亿元，且灾区近1年时间内无法恢复。

4 避难场所设计选择分析

溃坝事故往往会随着汛期来临，因此在划定有水灾范围时，应把周边河流也作一定的洪水计算。经估算，本项目共需转移人口约5万人，接下来对避难所选择点进行分析。

4.1 可达性分析

可达性是评价避难所最重要的指标，最重要参考就是距离坝址距离。本项目利用GIS系统工具对以坝址为中心，其5.0 km范围内的所有可作为避难所的点均编号标记，共有10处区域符合。

4.2 道路路况分析

道路等级越高，灾区居民转移越迅速，在此将道路划分为5个级别，具体见表2[7]。本项目设计满足居民规定时间内撤离的最低道路等级为1，排除低于该值的避难点。通过技术人员现场考察路线和评估，共排除其中的2处区域。

表2 道路级别分类

4.3 有效性分析

避难所需要有足够的面积来收纳灾民，在此主要通过开放空间比和人均有效面积两个指标评价避难点有效性。首先，本项目要求避难点的开放空间比(有效面积/总面积)必须大于0.6；其次，要求避难点人均有效面积必须大于1.0 m2。通过技术人员现场考察路线和评估，剩余区域均满足有效性要求。

为了便于避难点及灾民的日常管理工作，应在满足各项规定的前提下尽量减少避难点数量，因此本项目需要从剩余8处区域中选取4处作为最终避难点位置。最终技术专家组加入了一些新的考虑因素，包括周边配套方便度、避难点管理费用等，利用模糊评判法确定4处避难点，对溃坝事故灾害提出一系列应对措施。

5 结 语

由于洪水灾害和降雨、地形有着直接关系，所以可以凭借现代计算机技术进行灾害模拟。本项目通过利用GIS技术对三道岭水库溃坝情况模拟，分析了溃坝影响范围、洪峰及洪水流量、达到时间等关键参数，为抢险救灾指挥工作提供了参考依据，也有效地降低了灾害损失，取得了较好的经济及社会效益。