基于ArcGIS的洪水淹沒分析與三維模擬

孫 君,奚賽英,尤 迪,鄭付濤

(常州市規劃設計院,江蘇常州 213003)

0 引言

我國是一個洪水災害頻發的國家,大約2/3的國土面積有著不同類型和不同危害程度的洪水災害[1].因此,快速、準確地模擬預測洪水淹沒范圍及面積,對防洪減災具有重要意義.

防洪減災工作自20世紀90年代以來,在水動力-水文模型基礎上,利用ArcGIS強有力的空間分析和可視化功能,模擬顯示洪水淹沒區,進行非工程措施防洪減災,是研究熱點.

結合相關學術文獻,發現ArcGIS在洪水淹沒分析方面多有應用[2-6].但需要編制復雜程序或應用復雜算法,往往過于繁瑣.

本文提供了無需編程就可以簡單迅速地計算出洪水淹沒面積的方法.以ArcGIS為基本處理方法,以TIN數據為基礎數據,運用ArcMap自身功能,對區域天然防洪能力進行劃分,求得低于一定高程的洪水淹沒范圍,實現了洪水淹沒面積的計算,進而建立洪水水位與淹沒面積間的關系公式,并運用公式進行淹沒面積快速預測.運用ArcScenen軟件,簡便建立了地形和洪水模型,并對洪水漸進情況下的淹沒情況進行了三維模擬.

1 洪水淹沒范圍分析

1.1 確定洪水淹沒分析方法

洪水淹沒是一個動態而至平衡的過程.確定洪水最終淹沒范圍,有2種概化模型:(1)基于水位的洪水淹沒范圍計算:給定某一洪水水位H,由此推算出洪水的淹沒范圍.該模型相對簡便.(2)基于水量的洪水淹沒范圍計算:即在給定某一洪水水量Q的條件下,計算相應的洪水淹沒范圍.在應對非調度洪水災情分析時,往往需要利用獲取的淹沒區洪水水位或水量[7].因洪水水位數據的獲取較為容易,故采用基于水位的淹沒分析.

基于水位的淹沒分析,分兩種情形:(1)無源淹沒:凡是高程值低于給定水位的點均為淹沒區,相當于整個地區大面積均勻降水,所有低洼處都可能積水成災;(2)有源淹沒:考慮"流通"淹沒的情況,即洪水只淹沒它能流到的地方,相當于高發洪水流域泛濫,例如洪水決堤,或局部暴雨引起的暴漲水向四周擴散[8].對于洪水源頭不易確定、地勢相對平坦地區,無源淹沒模型較為貼切.

依據上述分析方法適用范圍和本文研究對象的特點,采用基于水位的洪水淹沒范圍計算中的無源淹沒模型進行分析計算與三維模擬.

1.2 劃分區域天然防洪能力

防洪能力涉及因素較多,如地形地貌、地面高程、河道暢通性能、防洪排澇設施建設情況等.這里以某城市建成區為研究對象,根據地區防洪除澇水位控制標準,只考慮利用地面高程評價防洪適宜性,對其天然防洪能力作定性劃分.研究區域內高程-9.1m～107.6m,利用ArcMap,結合地區防洪水位要求,以50年防洪設防水位黃海標高3.75m、200年防洪設防水位標高4.05m為界劃分系統建設區內各區域天然防洪能力(圖1),直觀展示發生各種級別的洪災時,可能淹沒的區域,以便有針對性地進行規劃、決策.

1.3 洪水淹沒范圍分析與預測

(1)數據預處理

TIN to Raster:預先生成分析區數字高程模型TIN數據,由于基于柵格的計算比較簡單,因此需要將TIN轉換成Raster: ArcMap下單擊【3D Analyst】,找到【Convert】的【TIN to Raster】項,Attribute選擇Elevation;Cell Size輸入100;在Output Raster中輸入路徑,單擊OK.生成所需要的Raster,其屬性值表示高程值.

面積因子提取:在【Spatial Analyst】菜單中選擇【Raster Calculator】項,設置"Raster <3.75",洪水淹沒的高程選擇的是分析區內50年防洪設防水位高程.【Evaluate】生成Value值為0(代表Raster ≥3.75)和1 (代表Raster <3.75)區域.

(2)淹沒面積計算

將所有value值為1的區域進行累加計算,即得出淹沒區的面積.

將Raster轉化成Features:【Spatial Analyst】中選擇【Convert】的【Raster to Features】項,Input raster中選擇上面求出的低于3.75m的柵格圖像;在Output geometry type中選擇Polygon,并在Output features中寫入路徑,單擊OK,生成Features.

打開其屬性表,新建Name為Area,Type為Double字段,Area上右擊選擇Calculate Geometry,計算各區塊面積,選擇所有Gridcode值為1的多邊形,右擊Area選擇ΣStatistics項,顯示淹沒區總面積直方圖,所求淹沒區面積為181306884m2,即約181.3km2,如圖2所示.

表1 淹沒面積統計

對上述數據進行多項式回歸分析,如圖3所示,建立洪水水位高程Hf與淹沒面積Af之間關系公式:

值得一提的是,這里建立的洪水水位高程Hf與淹沒面積Af之間的關系,與分析區域內高程分布情況密切相關,會因分析區域的不同而有所差異,只對特定的分析區具有一定的代表性,進行相關的淹沒面積預測計算.

(3)淹沒面積預測

基于洪水水位高程Hf與淹沒面積Af間的關系,可直接對分析區不同洪水水位下的淹沒面積進行預測,并與相應洪水水位下由ArcMap計算所得淹沒面積進行誤差分析,結果如表2所示:

表2 淹沒面積預測

通過以上公式預測淹沒面積與軟件計算淹沒面積之間的誤差比較,可見當洪水水位高程在0.5～5.0m之間時,公式預測淹沒面積與軟件計算淹沒面積之間的誤差較小,可控制在4%以內.當洪水水位高程在此范圍外時,誤差相對較大一些,建立的Hf與Af關系公式適用性略有欠缺,需作進一步調整.

2 洪水漸進淹沒三維模擬

基于分析區TIN數據,采用ArcGIS 3D模塊ArcScene建立了地形三維模型,疊加逐步抬深的洪水水位面,實現了洪水無源演進淹沒三維模擬,可以直觀比較不同水位的淹沒區域分布情況,局部效果如圖4所示:

3 結語

研究結果表明ArcGIS在洪水淹沒面積計算中的應用為洪水災害評估研究提供了一個有力的工具.根據本文提供的洪水淹沒區面積計算方法,便捷地計算了淹沒面積.根據洪水水位與淹沒面積間的關系公式,預測某一水位高程下的淹沒面積,為洪水災害的快速預測提供了思路.基于ArcGIS的洪水漸進淹沒三維模擬,直觀表達了洪水淹沒區的分布隨水位抬深的變化情況,為防洪減災決策,為進一步開展洪水治理提供了有效的服務.

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[7]甘郝新,鄧抒豪,鄭 斌等.基于GIS的洪水淹沒范圍計算[J].人民珠江,2007(6):98～100.

[8]劉仁義,劉 南.基于GIS的復雜地形洪水淹沒區計算方法[J].地理學報,2001,56 (1): 1～6.