一種基于Mike11和ArcGIS的廣東省山丘區中小河流洪水淹沒圖制作方法

葉志恒,沈 菲,苗 青,王 揚,張曉艷

(1.廣東省水利水電科學研究院,廣州 510635；2.常州市武進區水利局,江蘇 常州 213100)

1 概述

廣東省位于珠江流域下游，水系發達、河流密布，集雨面積在50～3 000 km2的中小河流多達1 190條，總長約為3.41萬km[1]。中小河流洪水災害是當前嚴重的自然災害之一[2]，根據相關統計數據，廣東省近年因洪災害造成的人員死亡高達525人[3]，2020年全年因洪水受災人口達到88.9萬人，直接經濟損失高達49.8億元[4]。廣東省洪水災害具有持續時間短、來勢急、多發性、危害性大等特點[5]，針對中小河流洪水災害常用工程的措施并不能完全抵御洪水，必要的非工程措施也是防洪減災的有效方法之一[6]。

廣東省作為全國經濟和人口第一大省，諸多河流兩岸密集分布著村莊和農田，山丘區中小河流洪水淹沒圖的繪制對增強群眾隱患意識、制定科學的防洪決策和洪水災害應急預案、規范土地利用與管理等具有重要的指導意義[7]，是防洪減災中重要的非工程措之一。本文通過總結廣東省試點縣山丘區中小河流淹沒圖制作經驗，以潖二河為例，得出一種較為快捷高效精度可控的淹沒圖制作方式。

2 研究區域概況及范圍

潖二河是潖江河的一級支流，北江二級支流，為廣東省從化區第二大河流，發源于從化區西部鰲頭與花都區交界的羊石頂一帶，流經鰲頭鎮，于龍山圩下注入潖江河；干流河長為29.5 km，流域面積為320 km2，境內可耕地面積約為0.57萬hm2。根據相關規劃，潖二河干流防洪標準為20年一遇，鰲頭鎮區—河口干流河段已建成防洪標準為20年一遇的堤防。

潖二河流域范圍內重點保護對象為鰲頭鎮鎮區，其中鎮區—河口河段兩岸較為密集分布著村莊和工廠，防洪標準為20年一遇；鎮區～源頭河段，兩岸多為山地，零星分布有村莊。因此，根據《山丘區中小河流洪水淹沒圖編制技術要求(試行)》，本次淹沒圖研究范圍選取為潖二河的干流鰲頭鎮鎮區至河口段(見圖1)，全長約為18.8 km。

圖1 潖二河研究范圍示意

3 洪水淹沒圖編制

洪水淹沒圖的編制以現有河道地形和廣東省數字高程模型(DEM)為基礎，應用GIS技術快速提取河道斷面地形，根據水文資料和河道斷面地形運用Mike11軟件計算河道設計洪水水面線，采用ArcGIS張力樣條插值法生成水面高程模型[8]，通過柵格計得到研究區域洪水淹沒水深和洪水淹沒區域，并根據區域相關信息進行淹沒統計和分析，最終將基礎信息、核心信息和輔助信息繪整合匯編得到山丘區洪水淹沒圖。

3.1 地形數據處理

河道斷面地形提取是編制淹沒圖重要基礎工作[9]。本文基于5 m空間分辨率的數字高程模型和實測河道地形，運用Gis技術將河道地形與數字高程地形進行鑲嵌，對失真部分河道進行修正(見圖2～圖3)。針對需要計算的河段，以兩側山腳為邊界，快速提取河道及河岸橫斷面。

圖2 研究區域數字高程模型示意

圖3 修正后研究區域高程模型示意

3.2 設計洪水水面線計算

3.2.1設計洪水

根據《廣東省暴雨等值線圖》，采用查圖法進行設計暴雨分析計算，選取參數Cs/Cv=3.5，采用P-Ⅲ型頻率曲線，得到設計暴雨成果(見表1)。

表1 設計暴雨成果

根據設計暴雨成果，采用《廣東省暴雨徑流查算圖表》中的綜合單位線法計算各斷面設計洪水成果(見表2)。

表2 設計洪水成果

3.2.2糙率擬定

本文根據河道主槽形態、床面粗糙情況、植物覆蓋狀況、彎曲程度以及涉水工程等因素，結合已有資料推算確定河道糙率。其中建有堤防的河槽糙率取0.026～0.03，無堤防的河槽糙率取0.028～0.035；對于灘地糙率視其植被覆蓋情況、阻水建筑物、平面形態等特征進行選取，灘糙率值介于0.04～0.18之間。

3.2.3起推水位

潖二河流域面積較小，干支流洪水同時發生的幾率較高，因此，本次潖二河干支流洪水采用同頻率遭遇的工況，當潖二河發生20年一遇洪水時，河口水位為23.114 m；發生50年一遇洪水時，河口水位為23.644 m。

3.2.4設計洪水水面線計算結果

根據擬定參數，將本次計算結果與已批復的潖二河設計洪水水面線對比(見圖4～圖5)，結果顯示20年一遇洪水計算值與批復成果差值為0～0.05 m，50年一遇洪水計算值與批復成果差值為0～0.08 m。不同洪水頻率條件下計算值與批復成果相差較小，且批復成果已應用于后期的相關工程設計，因此，本文采用批復成果作為淹沒計算依據。

圖4 P=5%計算結果與批復成果線對比示意

圖5 P=2%計算結果與批復成果線對比示意

3.3 淹沒計算

3.3.1計算原理

Grid格式的數據具有建模簡便快捷，數據儲存方便等優點，且與廣東省數字高程模型數據格式一致，基于單個像元的柵格數值更便于計算。因此本文基于設計洪水水面線成果，通過ArcGIS生成Grid數據格式的洪水水面模型，采用柵格計算器將生成Grid格式的洪水水面模型與研究區域Grid格式的地面高程模型相減得到淹沒范圍和淹沒水深[11]其計算公式為式(1)：

Si=Hwi-Hgi

(1)

式中：

Si——第i個柵格高程差值；

Hwi——第i個柵格洪水水位值；

Hgi——第i個柵格地面高程值。

當Hwi>Hgi時，Si即為第i個柵格淹沒水深值。

3.3.2研究區域地面高程模型

山丘區中小河流河道相對較窄，當發生流域大洪水情況下，河道行洪面積有限，將出現漫灘現象。根據現場調研表明，山丘區洪水影響一般至河道兩側山體，河口部分影響范圍略寬。因此，為保證洪水影響區域全覆蓋的同時減小計算量，根據全省數字高程模型、洪水水面線成果和歷史洪痕點位置，結合高清正射影像圖，以河道兩側山體或高地為邊界，繪制出研究區域。通過ArcGIS柵格裁剪功能，提取潖二河研究區域地面高程模型。

3.3.3洪水水面高程模型

洪水水面高程模型是反映研究范圍內各頻率洪水的水面高程分布情況，其中每個柵格值則代表此處的洪水水位高程值。潖二河已批復的設計洪水水面線數據僅針對河道特定的斷面，無法直接得到研究區域內淹沒范圍和淹沒水深值。因此將斷面數據離散成水位高程點，通過空間插值生成柵格，得到連續的洪水水面高程模型，其中空間差值主要算法有：移動平均法、距離平方倒數加權法、趨勢面擬合技術、樣條函數、克里金法等。為得到平順且符合客觀實時的洪水水面模型，本文采用張力樣條插值法，將離散的空間特征點內插為連續不同洪水頻率下洪水水面高程模型(見圖6)。

圖6 P=2%洪水水面高程模型示意

3.3.4淹沒范圍和淹沒水深計算

利用建立的各河流不同洪水頻率下洪水淹沒高程模型數據，在ArcGIS中應用柵格計算功能將其與洪水擬影響區域高程模型進行相減得到洪水淹沒區域Grid格式數據，篩選出結果大于0的部分，得到淹沒范圍，同時提取出淹沒水深值，并通過ArcGIS轉換得到有水深屬性的網格(見圖7)，該成果將為后續防洪排澇規劃編制、災害防治預警、應急響應和災后評估等防洪減災工作提供重要的技術支撐[9]。

圖7 P=2%洪水淹沒水深示意

3.4 淹沒圖制作與分析

將淹沒成果與基礎信息、輔助信息底圖疊加渲染后，得到各洪水頻率下潖二河淹沒范圍(見圖8)。根據淹沒范圍，統計各不同洪水頻率條件下淹沒土地類型及面積，其中20年一遇洪水條件下研究區域內受淹面積為7.22 km2，城鄉建設用地和耕地淹沒范圍較大，分別占比14.54%和60.39%。50年一遇洪水條件下，研究區域內受淹沒面積為33.23 km2，城鄉建設用地和耕地淹沒范圍較大，分別占比13.12%和76.71%。

圖8 潖二河洪水淹沒成果示意

對比不同2種洪水頻率下淹沒特征可以得到，20年一遇洪水條件下淹沒范圍主要集中于未建堤防的鰲山村附近，鎮區和潖二河下游兩岸因堤防修建可以較好地防御20年一遇洪水；50年一遇洪水條件下為超標準洪水，其淹沒范圍為20年一遇條件下的4.4倍，河口及支流匯入口附近淹沒范圍較大，重點防洪保護對象鰲頭鎮鎮區淹沒面積達0.56 km2。

針對上述情況本文建議可采取以下措施：① 根據經濟發展現狀和十四五規劃，提高河段防洪標準；② 基于現有的河道管理范圍線，對河湖“四亂”進行徹底清拆[12]；③ 對于相對開闊的河段可以考慮按照不同的防洪標準，分級建設堤防，留出更多的行洪通道，更科學有效地防御洪水[6]。

4 結語

本文以廣東省潖二河為例，通過ArcGIS和Mike11軟件得到一種基于大區域大數據條件下洪水淹沒圖繪制方式，該方法具有操作性強，精度可控等特點，能較為有效解決工程實際問題，可為后期快速洪水淹沒制作提供參考。