基于地理信息系统的蓄滞洪区可滞洪量计算

王刚，沈洁

(1.河南黄河勘测设计研究院，河南 郑州 450003；2.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003)

0 引言

蓄滞洪区是指包括分洪口在内的河堤背水面以外的临时贮存洪水的低洼地区及湖泊等。蓄滞洪区是减小下游洪水压力，保障下游城市防洪安全，将上游来水分流、蓄滞的重要区域，是防洪体系重要组成部分，是保障防洪安全，减轻灾害损失的有效措施。

近年来，随着人类活动的影响，各种构筑物或建筑物的修建，滞洪区内地形发生了变化，影响到滞洪区的可滞洪量，因此，需要一种简便易行的方法，能够快速、相对精确地计算现状地形条件下的可滞洪量，为防洪规划提供依据，为防汛决策提供支撑。

1 地理信息系统基本原理

地理信息系统(Geographical information system，GIS)是一门将计算机技术应用到地理学中，利用计算机能够组织大量的数据和数学模型，是一种十分重要的空间信息系统。地理信息系统以数据库为基础，在计算机硬件和软件系统支持下，对空间数据进行采集、储存、管理、分析和模拟的技术，同时也可以利用地理模型和数学模型分析方法，对地理数据进行大量的分析。GIS技术将地理分析功能与数据库操作技术很好地结合，同时能够很好地显示出来，地理信息系统为地理学的定量化研究提供了基础，目前已成为空间分析和处理的一种有效手段。

数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)对于描述和分析地形十分有效。它按照数字的形式组织起来，对地形的位置、形状、大小高程等地理信息有很好的描述作用。DEM的核心算法是用三维坐标数据表述地形以及对其进行数据描述，因此，最基本的DEM就是由三维数据代表位置的x，y数据以及代表高程的z数据组成，如果用数学函数表述，那么就是：Z=f(x,y)，(x,y)∈DEM所在的区域。这种表达方式能够清晰反映出地表的位置以及高程信息。通常DEM经常用不规则三角网或者正方形网格构建。其中规则型的网格是最常用的DEM，规则型网格可以是矩形，也可以是三角形，其中最为常用的规则网格是正方形。

正方形的规则网格将空间分成规则的正方形，这些规则正方形称为格网，每个正方形网格对应一个信息，这种数据在数学上常常以矩阵的形式表示，然而在计算机中常常是一个二维数组。每一个正方形的计算单元，对应一个高程值。这种网格上的高程值能够很好反映出区域内的高程情况，每个网格的高程值代表了这个网格所代表区域的平均高程值，由于规则的正方形网格可以很容易在计算机中处理，因此应用的最为广泛，目前，一般DEM通常采用规则网格来构建。

2 可滞洪量计算

2.1 计算方法

基于地理信息系统的可滞洪量计算，是根据实测地形或者航测地形数据等资料，进行数字化处理，并计算不同高程下的滞洪量。首先，对测量地形图进行数据处理，提取坐标信息和高程信息，高程信息主要包括计算区域内的高程点和等高线，数据处理应注意属性值的选择，选择有效的高程数据，剔除错误或者无效的地形数据，如果地形数据出现错误，会影响后面的计算结果，因此，数据的剔除和筛选十分重要，选择的高程信息要与实际地形复核，使其符合实际地形信息，这样，最后的地形处理信息才能够反映实际情况。此外，由于蓄滞洪区内常常有人类活动，人类活动对地形有一定的改变，因此，地形构建中，应关注人类活动对地形的影响，使其充分反映现状地形特点。其次，选择边界区域，边界区域是地理信息系统构建的边界，由于蓄滞洪区内，水流先在低洼地区汇流，而后逐渐向地形高的地方蔓延，因此，在地形平坦的地区计算区域应适当扩大，使其计算区域内范围能够包含实际蓄滞洪区的区域。在地形图允许条件下，计算区域可适当扩大，这样计算的结果更加准确，也更加符合实际情况。

在地理信息系统中，对该数据进行处理。地理信息系统处理数据，一般采用不规则三角网和正方形规则网，现状大部分的地理信息系统处理数据主要采用正方形规则网。首先对处理过的高程信息，包括高程点和等高线，生成数字高程模型。根据计算区域面积大小和精度要求，构建网格大小，网格越小计算的精度越高，但网格划分到一定程度后，其精度提高的限度有限，因此，根据实际需要，构建正方形网格大小，在地里信息系统中，根据实际高程信息，内插至每个网格生成一个高程信息。

在地里信息系统构建数字高程信息后，下一步可进行计算区域的可滞洪量计算，其基本原理如下：地里信息系统模型根据计算出每个网格的地形高程，做分区计算，首先设定一个高程信息，即为该高程以下该区域的可滞洪量。当网格实际高程值高于设定的高程值，意味着此区域高程较高，在设定高程下，不会淹没，因此，其淹没高度为0，否则，即网格实际高程值低于设定高程值，该网格会被淹没，淹没高度为设定高程—该网格的高程值。根据不同网格与设定高程值对比计算，计算每个网格的淹没值，将每个高程淹没高度与前面计算的网格大小相乘，得到每个网格形成淹没量，即蓄滞量，最后将所有网格的蓄滞洪量相加，则为整个区域的蓄滞洪量。根据以上计算原理，设定不同的高程信息，即可计算不同高程下的蓄滞洪量。

2.2 工程案例

沁南滞洪区实际滞洪量有多少，能否承载沁河超过4 000 m3/s以上流量所形成的滞洪量，从而保证沁河北岸防洪安全，保证黄河下游防洪安全，沁南滞洪区的可滞洪量是最基础的判断依据。第一，为确保计算结果真实可靠，对计算区域面积内地形地形进行测量，测量区域覆盖滞洪区区域，野外测量地形点数据均具有三维属性，对所采集的数据地形点检查复核，确保其与实际情况相符，形成CAD格式地形数据文件。根据实际情况，剔除了有问题的高程信息，同时对蓄滞洪区内道路等信息，进行了详细概化，确保实际地形真实可靠。此外，目前航拍数据精度很高，也可采用航拍等数据获取地形数据。第二，将测量地形数据，包括高程点和等高线，根据地理信息系统模型，生成数字高程模型，本次采用正方形规则网，对高程内插后，每个网格赋高程值，这样形成整个区域的数字高程模型。根据地形图，通过地理信息系统，生成该区的数字高程(DEM)模型。该区域北边界为沁河大堤，南边界为黄河大堤，其北边界—沁河南堤该段的堤顶高程为104～114 m；南边界—黄河北岸大堤该段堤顶高程104～106 m。此次计算蓄滞洪区南北边界以大堤为边界点，因此，设定高程值最大为堤顶高程，根据实际地形信息，选取设定不同高程，计算不同高程下的可滞洪量，具体计算结果见表1和图1。

图1 沁南滞洪区不同水位下滞洪量图

表1 沁南滞洪区不同水位下滞洪量表

经与实际情况复核，其计算结果基本与经验值相符，也与历史上发生的洪水滞洪量数据相符。

3 结语

随着计算机技术以及遥感、航拍技术的不断发展，地形的获取较以往更加便利，谷歌卫星地图、航拍地形图、遥感地形图或者实测地形图，地形图的广泛获取途径为规划、决策和工程建设提供了强有力的支撑，充分利用现有地形成果，应用于水利规划、建设中，为水利规划、水利决策和水利工程建设提供技术支撑。

提取地形信息，将地形信息装入地理信息系统中，生成数字高程模型，继而计算不同高程下的可滞洪量，包括不同高程下实际淹没区域，淹没水深，可滞洪量。计算了沁南滞洪区和封丘倒灌区的可滞洪量，经历史资料验证计算结果，其与历史资料成果是相吻合的。

利用地理信息系统计算蓄滞洪区的可滞洪量，地形图资料来源广且方便获得，方法简单易行，计算精度较高。此外，由于滞洪区内常常受人类活动的影响，修建了许多构筑物或建筑物，河道地形发生了较大的变化，从而影响滞洪区内实际可滞洪量。此方法能够有效计算现状地形条件下的滞洪量。可计算不同水位高程下的可滞洪量、滞洪水深及滞洪范围。此外，该方法也可用于水库库容计算以及行洪区或泛洪区的滞洪量计算，具有较好的应用范围。