（地图学与地理信息系统专业论文）基于arcengine的东莞城区洪涝风险管理研究.pdf

嫠于a r c e n g i n c 的东莞城区洪涝飙险管理研究 基于a r c e n g ln e 的东莞城区洪涝风险管理研究 专业：地图学与地理信息系统 硕士生：张晓远 指导教师：陈洋波教授 摘要 我国是世界上洪涝灾害发生最为频繁、最为严重的国家之一，尤其是地处南 部沿海地区的东莞城区，受亚热带海洋性季风气候的影响，洪水灾害发生频繁， 灾区洪涝灾害严重，每年给当地经济造成损失。城市防洪防涝，枣关社会经济大 局，做好城市防洪防涝工作，保障城市安全，是许多城市赖以生存和发展的必要 条件。两要搞好城市防洪工作，须采用工程措施和非工程措施楣结合。城市应根 据当地的自然地理、水文资料、社会经济发展等情况，进行洪水风险研究，从而 建立一个适含本地区实际情况的城区风险管理信息系统，建立尽可能全面和可靠 的洪水风险图，对本地区社会、经济发展有着重大的战略意义。 基于地理信息系统( g i s ) 的洪水风险管理信息系统在国内开展方兴未艾， 有着十分广阔的前景。针对现有的洪水风险资料开发一套相应的管理信息系统， 可以高效、准确地实现洪水风险图绘制、保存、管理及洪灾损失的统计，并霹利 用g i s 技术对洪水的演进进行动态的模拟仿真。目前，国内外对洪水灾害风险管 理的理论研究尚处于摸索阶段，鉴于这种情况，本论文计划在总结前人研究的基 础上，从建立洪水灾害风险管理目标到洪水灾害风险分析、洪水灾害风险决策、 洪水灾害风险控制和洪水风险图相关理论以及城市暴雨内涝数学模型等方面入 手，利用现代的g i s 技术，探讨了基于a r c e n g i n e 的洪水灾害风险管理系统的基 本结构，对洪水灾害风险管理系统进行了详细的系统分析、设计与集成研究。论 文以东莞市城区为研究区域，进行了城区内涝洪水风险计算、洪灾风险管理研究 并在此基础上开发出了适合本区域实际情况的洪灾风险管理信息系统。 关键谴：a r c e n g i n e ；洪水风险图；洪涝风险分析；城市洪涝模型； 基于a r c e n g i n e 的东莞城区洪涝风险管理研究 t h er e s e a r c ho ff l o o dr i s km a n a g e m e n to fd o n g g u a nc i t y b a s e do n a r c e n g i n e m a j o r ：c a r t o l o g ya n dg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m n a m e ：z h a n g x i a o - y u a n s u p e r v i s o r ：p r o f y a n g b oc h e n a b s t r a c t o u rc o u n t r yi so n eo ft h em o s tf i e q u e n ta n dt h em o s ts e r i o u so c c u r r e n c eo ff l o o d d i s a s t e r si nt h ew o r l d e s p e c i a l l yd o n g g u a nc i t y , w h i c hi si ns o u t h e r nc o a s t a la r e a s ， b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo fm a r i t i m es u b - t r o p i c a lm o n s o o nc l i m a t e ，f r e q u e n t o c c u r r e n c eo ff l o o dd i s a s t e r s ，e v e r yy e a r , c a u s i n gh u g el o s s e s t h ec o n t r o lo fu r b a n f l o o d ，i sr e l a t e dt ot h eo v e r a l ls i t u a t i o no ft h ec o u n t r y , d ow e l li nt h ec o n t r o lo fu r b a n f l o o da n dp r o t e c t i o no fu r b a ns a f e t y , i st h en e c e s s a r yc o n d i t i o n so fs u r v i v a la n d d e v e l o p m e n tf o rm a n yc i t i e s b u ti fw a n tt oi m p r o v eu r b a nf l o o dp r e v e n t i o n ，w em u s t c o m b i n et h ep r o j e c t i o nm e a s u r e sa n dn o n p r o j e c t i o nm e a s u r e s c i t i e ss h o u l db eb a s e d o nl o c a lg e o g r a p h i c a l , h y d r o l o g i c a ld a t a ，s o c i o - e c o n o m i cd e v e l o p m e n ts i t u a t i o nt o c a r r yo u tf l o o dr i s kr e s e a r c h ，a n dt h e nb u i l da nr i s km a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m s f o ru r b a nb a s eo nt h ea c t u a ls i t u a t i o no ft h er e g i o n ，a n db u i l daa sc o m p r e h e n s i v ea n d r e l i a b l ea sp o s s i b l ef l o o dr i s km a p s ，w h i c hh a sg r e a ts t r a t e g i cs i g n i f i c a n c ef o rr e g i o n s e c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t f l o o dr i s k m a pm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o n s y s t e m b a s e do n g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ns y s t e m s ( g i s ) t ob eu n f o l d i n gi nc h i n aa n dh a sav e r yb r o a dp r o s p e c t s t oa i ma tt h ee x i s t i n gf l o o dr i s kd a t at od e v e l o p m e n to fac o r r e s p o n d i n gm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e mc a l lb ee f f i c i e n ta n da c c u r a t et or e a l i z ef l o o dr i s km a p sd r a w , p r e s e r v a t i o n , m a n a g e m e n ta n df l o o dl o s ss t a t i s t i c s ，a n dc , a nu s eg i st e c h n o l o g yt o d y n a m i ce v o l u t i o no ff l o o ds i m u l a t i o n a tp r e s e n t ，t h ef l o o dr i s km a n a g e m e n t s t h e o r e t i c a lr e s e a r c ho f b o t hh e r ea n da b r o a di ss t i l li nt h ee x p l o r a t o r ys t a g e ，i nv i e wo f 基于a r c e n g i n e 的东莞城区洪涝风险管理研究 t h i ss i t u a t i o n ，t h i sp a p e rp l a nt os u m m a r i z ep r e v i o u ss t u d i e s ，f r o mt h ee s t a b l i s h m e n t o ff l o o dd i s a s t e rr i s km a n a g e m e n to b j e c t i v e st of l o o dr i s ka n a l y s i s ，f l o o dr i s k d i s a s t e r sd e c i s i o n m a k i n g ，f l o o dr i s km a n a g e m e n ta n dt h er e l a t e dt h e o r yo ff l o o dr i s k m a p sa n da sw e l la sm a t h e m a t i c a lm o d e lo fu r b a ns t o r mw a t e r l o g g i n ga n ds o o n ，u s i n gm o d e mg i st e c h n o l o g y , d i s c u s s e st h eb a s i cs t r u c t u r eo ff l o o dd i s a s t e rr i s k m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do na r c e n g i n e ，c a r r i e do u tad e t a i l e ds y s t e ma n a l y s i s ， d e s i g na n di n t e g r a t i o no fr e s e a r c ht ot h ef l o o dd i s a s t e rr i s km a n a g e m e n ts y s t e m t h i s p a p e rt a k et h ed o n g g u a nc i t y a st h es t u d yr e g i o n , d ot h er e s e a r c ho fc i t y w a t e r l o g g i n gw e r ec a l c u l a t e df l o o dr i s ka n df l o o dm a n a g e m e n ta n do nt h i sb a s i s d e v e l o p e d af l o o dr i s km a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e ms u i tf o rt h ea c t u a ls i t u a t i o no f t h i sr e g i o n k e y w o r d s ：a r c e n g i n e ；f l o o dr i s km a p ；f l o o dr i s ka n a l y s i s ；u r b a nf l o o dm o d e l ； i l i 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：孔日尧远 日期： 劢oc 1 年6 月吁日 学位论文使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子 版和纸质版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文 进入学校图书馆、院系资料室被查阅，有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其他方法保存学位论文。 学位论文作者签名：弓长晓远 鏊a r c e n g i n e 瓣东莞城区浃涝风险管理研究 第 章概述 1 1 选题背景及研究意义 洪水灾害风险管理的目标是根据洪水特征、工程质量、防洪保护区的人口、 财产状况和承受能力，对防洪投入风险因素进行评估，确定对各项风险因素可以 接受的标准，使风险管理成本最小，实现人类的最大安全保障和可持续发震，以 此作为风险的管理目标f 。目前，国内外对洪水灾害风险管理的研究主要集中在 对洪水灾害风险管理理论、洪水灾害风险分析、洪水灾害风险管理决策等几方面。 我因防洪减灾的策略正从控制洪水向洪水管理转变，编制洪水风险圈是实现 这一转变的基础工作。作为防洪减灾的重要基础性工作和非工程防洪措施的重要 组成内容，洪水风险图是了解区域遭受洪水灾害危险性大小的一种直观、科学的 专题地委，它融合某一区域的地理、社会经济情况，通过对洪水资料诗算和成采 整理，以地图的形式直观地反映该地区发生洪水后可能的淹没范围及水深等洪水 特征，用来预测不同等级的洪水可能造成的风险和损失【2 1 。 我国是世界上洪涝灾害发生最为频繁、最为严重的国家之一，尤其是地处南 部沿海地区的东莞城区，位于北回! | 墨线以南，受亚热带海洋性季风气候的影响， 夏季雨量充沛且多暴雨，洪水灾害发生频繁，灾区洪涝矛盾加重，每年都造成了 巨大的损失。改革开发以来，东莞地区经济的快速发展以及人豳迅速增长的阚时， 城市洪水灾害的也日益加重，工业、城市、交通损失等间接经济损失比重不断加 大，使防洪安全问题更加突出，防洪形更为以艰巨。城市防洪防涝工作，事关社 会经济发展大局，做好城市防洪防涝，保障城市安全工作，是许多城市赖以生存 和发展的必要条件，而要搞好城市防洪工作，必须工程措施和非工程措施相结合。 在目前的财力、物力还不能完全用工程措施来解决城市防洪安全问题的条件下， 非工程措施相对更为重要，因丽城市应根据当地的自然地理、水文资料、社会经 济发展等情况，进行洪水风险研究，从而建立一个适合本地区实际情况的城区风 险管理信息系统，建立尽可能全面和可靠的洪水风险图，对本地区社会、经济发 展有着重大的战略意义网。 基于a r c e n g i n e 的东莞城区洪涝风险管理研究 1 2 研究区域概况 1 2 1 市域概况 东莞市地处广东省中南部，珠江三角洲中部东江下游，北靠广州，南依 深圳，东邻惠州、博罗，西隔珠江与番禺相望，处于穗、深、港经济走廊的 黄金地段。东西长约7 0 4 5 公里，南北宽约4 6 8 公里。从广州通香港的铁 路、公路、水路都贯穿境内，水陆交通方便。 东莞市域土地总面积2 4 6 5 平方公里，包括4 个区和2 8 个建制镇，下辖 5 9 4 个村( 居) 委会，共1 8 0 1 个村( 居) 民小组。其中山地面积6 7 7 k m 2 ，水 面积2 1 0k m 2 ，耕地面积6 4 3 6k m 2 ，城镇建成区面积1 6 9 1k m 2 ，占全市总 面积的6 9 ，而其中城区建成面积3 0 4 8k m 2 ，占城镇建成区面积的1 8 。 城市规划区范围为东莞市市区，包括莞城区、东城区、南城区、万江区。 及寮步镇西北7 个自然村( 下岭贝、岭厦、新旧围、霞边、横坑、竹园和上 屯) ，如图1 - 1 所示，总面积为2 3 7 6 平方公里( 由于寮步镇西北7 个自然 村纳入市区总体规划范围，所以也确定为本次规划范围) 。东江南支流和东莞 运河从东北向西南穿过市区。西北距广州6 0 公里，东距惠州8 4 公里，东南 距深圳1 0 6 公里，交通十分便利。 2 基丁二a r c e n g i n e 的东莞城区洪涝风险管理研究 1 2 2 自然条件 图卜1 本文研究区域东莞市市区区域图 东莞市域地形属平原丘陵型，地势自东南向西北倾斜。境内地形多样， 有低山、丘陵、台地、平原、滩涂和水域等。从分布情况看，东南部多山岭， 尤以东部为最，且集中连片，起伏较大，海拔多在2 0 0 , - - - , 6 0 0 米之间，坡度 3 0 。左右；中部为丘陵地区，以成片低山丘陵为特色：东北部接近东江河滨， 陆地和河谷平原分布其中，海拔在3 0 - - 8 0 米之间，是地势起伏和缓，易于 积水的埔田区；西北部是东江冲积而成的三角洲平原，地势低平，是水网纵 横的围田区；西南部是滨临珠江口的冲积平原，地势平坦低洼，是受潮汐影 响较大的沙咸田地区。 东莞市市区位于丘陵山区与河湖水网交界地带，地势东南高，西北低。 东南部是山地、丘陵，标高在4 ，- - 6 m 以上( 黄海高程，以下除注明外均为黄 海高程) ，其中最高黄旗峰为1 8 4 5 m ，西部是河湖水网低洼地，一般标高在 2 ，- - - 3 m 左右，中间是冲积缓冲地带。 3 基于a r c e n g i n e 的东莞城区洪涝风险管理研究 东莞市地处北回归线以南，属亚热带海洋性季风气候。冬暖夏长而不酷 热，阳光充足，雨量充沛且多暴雨，温差振幅小，季风明显。 1 2 3 社会和经济发展概况 近几年来，东莞市社会经济持续高速发展，以率先基本实现社会主义现代化 为总目标，围绕建设以现代制造业名城为特色的现代化中心城市，积极推进“一 网两区三张牌 工作，国民经济持续稳健增长，城市现代化建设和管理向前推进， 综合经济实力进一步增强，社会各项事业全面进步，人民生活水平普遍提高。2 0 0 7 年全市生产总值3 1 5 1 亿元，比上年增长1 8 1 ；工业总产值6 6 5 0 亿元，增长 1 8 4 ；来源于东莞的财政总收入5 4 0 亿元，增长3 2 7 ；进出口总额1 0 5 0 亿美 元，增长2 4 7 ，其中出口5 9 0 亿美元，增长2 4 5 ；金融机构本外币各项存款 余额3 7 5 5 亿元，增长8 4 。东莞在2 0 0 4 年、2 0 0 5 年全国综合实力百强城市中 均位列第十二，还先后荣获中国优秀旅游城市、国家卫生城市、全国绿化模范城 市、中国优秀创新型城市、中国最佳魅力城市、中国最具经济活力城市、中国典 范品牌城市、全国创建文明城市工作先进市、中国城市科学发展综合评价地级及 以上城市第二名、广东省社会治安综合治理工作优秀市、国际花园城市、广东省 教育强市、广东省园林城市、广东省综合竞争力第一名城市等荣誉【4 l 。 1 3 相关研究进展 1 3 1 城市洪涝模型研究及相关进展 暴雨内涝灾害是由于雨量过多，地势低洼，积水不能及时排除而形成的自然 灾害。城市是暴雨内涝灾害风险变化最迅速、最显著的区域1 5 】。 目前，防范与治理城市暴雨产生的渍涝问题，不仅仅是城市排水系统问题， 已经成为城市发展规划中必须综合考虑与治理的问题。因此，全世界普遍关注城 市水涝灾害问题，许多国家都不同程度地开展了相关研究【6 1 。发达国家城市化现 象出现较早、对城市水涝灾害风险特性和演变规律、城市水涝灾害综合防治对策 研究起步较早，已取得可借鉴的成果。 美国在城市降水径流模型及城市排水系统的数值计算模型的开发上取得显 4 基于a r c e n g i n e 的东莞城区洪涝风险管理研究 著成绩，最有代表性的是城市暴雨雨水管理模型( s w m m l 【7 】，对城市排水系统有 很强的模拟计算功能。美国环保局的暴雨管理模型s w m m ，最早开发于1 9 7 1 年，是动态降雨径流模拟模型，对径流水量水质进行单一事件模拟或者连续模拟。 模型将排水流域划分为若干子流域，通过计算子流域中产生的径流，以及在管道 和明渠中的流速、水深和水质等来估价整个流域径流情况。 s w m m 曾在美国二十多个城市使用，解决当地排水流域的水量水质问题， 并且在加拿大、欧洲和澳大利亚也有广泛应用，主要用于缓解合流管道溢流的复 杂水力分析，以及许多城市暴雨管理规划和污染消除等工程。 城市洪水风险研究在日本极受重视，日本建设省土木研究所逐步发展完善起 来的城市水灾害系统分析模型【8 】具有代表性。该系统包括城市化模型、降水频率 分析模型、暴雨产汇流模型、河道洪水演进模型、洪水泛滥模型、资产损失评估 模型、损失原因分析模型等系列子模型。近年来，日本也加强了将洪水灾害数值 模拟技术与g i s 技术结合方面的工作。 丹麦水力研究所( d h i ) - l ：期致力于发展和运用与水有关的先进技术和方法， 进行与水有关的数学模型的研究，所开发的m o u s e 城市管网系统的水流模拟， 包括降水径流、水动力学、水质、泥沙以及实时运行模型【9 1 。 我国自八十年代以来，城市水灾加剧现象尤为突出。加强暴雨洪涝内涝风险 分析，在充分把握灾害演变规律基础上，提高防汛指挥决策的科学化水平，具有 重要意义【1 0 】。将数值模拟方法用于水灾研究，在我国虽然起步较晚，但发展迅 速。以二维非恒定流理论为基础的洪水演进数值模型不仅用于多处蓄滞洪区的洪 水决堤泛滥过程计算，而且于九十年代应用于广州、沈阳等城市的洪水风险分析 研究中。中国水科院研制的以城市地表洪涝现象为对象的城市的洪涝灾害仿真模 型，具备了一定的模拟城市内涝的能力，并用于深圳、广州、上海的洪涝灾害风 险评估工作及城市规划中。 1 9 9 8 年以来，天津气象科研所与中国水利水电科学研究院减灾中心、天津 大学建工学院合作，在原有的城市洪涝仿真模型的基础上，研制了天津市城区沥 涝仿真模型【1 1 】。该项工作，是气象部门与水利部门在城市强降水灾害数值模拟领 域的合作，首次实现了城市暴雨内涝的地面积水模拟与城市管道水体模拟之间的 结合，充分利用自动雨量监测处理、数值天气预报、雷达雨量估算、城市暴雨积 5 基予a r c e n g i n e 的东莞城区洪涝风险管理研究 水仿真模拟以及地理信息系统、数据库等高新技术，使该模型具备了一定的沥涝 动态监测预报能力，在国内处于领先地位，部分成果达到国际先进水平。 1 3 2 洪水风险管理分析及与g i s 结合研究 洪水风险管理工作中包含大量的水文地质资料，传统的信息管理方法在技术 上己不适应现代洪水风险管理的需要【1 2 】。地理信息系统( g i s ) i 因其高效的空间数 据和属性数据的维护能力及强大的检索查询与分析功能为洪水风险管理过程中 获取信息和决策分析提供了一个有效的工作平台和可靠的技术支持。g i s 具有海 量数据管理的功能，不仅可以存取和管理空间数据，而且大多数g i s 软件提供 了与关系型数据库的接口，可做到空间数据与属性数据的双向查询与分析。洪水 风险管理与g i s 结合已成为一种必然的趋势【”l 。 国外在洪水风险图制作与g i s 的结合应用己有丰富的经验，如英国根据数 字地面高程模型和洪水仿真模型计算结果，利用g i s 的空间分析功能确定地形 表面，并描绘洪水淹没轮廓线。美国利用g i s 开展将己制作好的洪水保险费率 图转化成数字化的洪水保险费率图，并利用w e b g i s 通过网络向公众发布洪水风 险图。国内相关工作如宁波市洪水风险图制作过程中采用了g i s 支持的洪水风 险分析，空间属性数据库将宁波市水利工程的空间分布信息与社会经济、工程特 征属性等属性信息相结合进行管理分析【1 4 】。在此基础上采用矢量栅格化方法建 立以栅格为基础的流域地形等高线及等淹没线数字地形模型，为流域受淹范围的 确定、淹没水深分析、从而可能遭受的损失和风险评估提供了科学的依据和便利 的条件。中国水利水电科学研究院利用m a p i n f o 公司的p r o f e s s i o n a l 软件和 m a p b a s i c 开发语言绘制了北江大堤和荆江分洪区的洪水风险图并开发了洪水风 险图信息管理系统。上海市洪水风险图的制作过程也利用g i s 技术开发了相应 的信息查询系统，方便用户查询洪水风险图中的洪水风险信息【1 5 l 。 1 3 3 洪水模拟的动态显示研究 城区洪水数值模拟的结果可以通过g i s 来清楚、直观的表达出来。利用g i s 的空间分析功能来帮助城区洪水数值模拟，如：可以利用数字高程模型( d e m ： d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ) 在计算体积、面积方面的优势来求算洪水淹没范围【1 6 l ， 6 蔟子a r c e n g i n e 的东莞城区洪涝崴险管理研究 也可以通过城市降雨内涝模型计算出洪水淹没范围。 城市防洪工作包括防洪规划、洪水预报、洪水现场决策及灾后重建三部分。 其中一项基础性的工作是对洪水发生前、发生时和发生后的淹没范围进行模拟分 析和淹没损失估算【1 7 】。洪水淹没范围模拟实质上是模拟各种洪水设计水平下洪 水在地理窆闻上的蔓延过程及造成的淹没范围、淹没水深和受灾程度。这不仅涉 及到包括地形、地貌、地物、堤岸与河流分布等在内的大量空间数据，而且要利 用河段的特定断面处洪水水位、流量等水文数据和有关社会经济数据；既要考虑 洪水形成、漫溢、溃决的空间形式，又要考虑洪水泛滥时整个时空过程，因焉是 一个复杂的时空模拟问题1 1 8 】。 近些年来，人们开始研究和建立基于地理信息系统的江河洪水险情预报与灾 情分析信息系统，简称防洪信息系统l 捌。鞠将具有大范隧、多时相、立体化数 据获取能力的现代遥感技术和具有区域性和信息性特点的地理信息系统结合起 来，用于将有关洪水灾情信息接收、处理和模拟分析的全过程，压缩到洪水动态 过程之内，以赢得预测、预报的时阆，减少和避兔灾害的损失。其中，洪求淹没 范围模拟是防洪信息系统中一项重要的应用分析功能。其基本思想是，根据洪水 由高向低流动的重力特性和地形起伏情况，用信息系统中己有的空间数据、水文 数据，用离散方法模拟洪水的淹没范阑，淹没水深，进两根据系统中已有的社会 经济统计数据估算洪水淹没损失等【矧。 传统的二维洪水风险图在防汛应用中灵活性差、误差较大、直观表现差。三 维洪水风险圈利用计算枕实现地形、她貌实况的模拟，在此基础上根据预掇或实 测雨量和洪水位值进行洪水淹没演示，形成各种频率等级的更为准确的洪水风险 图并作灾情评估分析【1 。所有的结果在三维平台上表现，有更为直观的效果。因 此，三维可视化技术与洪永模拟结合有着广泛的应用前景1 2 。目前国内在这方 面的工作1 2 2 1 ，如温州市数字三维洪水风险图由计算机根据降水量或水位进行水 文计算单元的三维地形淹没演算，并在淹没演示的同时结合社会经济数据库进行 实时灾情分析，提供报表和匿文输出，剥用三维平台提供支持弱部细节不失冀放 大的直观表现手段模拟该市三维地形、地貌实况，根据预报或实测雨量和洪水位 值，进行洪水淹没演示和灾情评估分析，形成各种汛情等级的洪水风险区划，并 通过三维平台进行直观的表现弥李 现有二维洪水风险图在灵活性、准确性、表现 7 基于a r c e n g i n e 的东莞城区洪涝风险管理研究 直观性等方面的不足。 虽然三维g i s 技术在洪水模拟中己有较多的应用，但是还存在一定的技术 瓶颈。常用的模拟方法是预先设定洪水淹没深度和淹没速度，利用某个水平面上 升逼近，通过水平面切割地形来表现洪水不断上涨的效果。但是由于实际情况中 存在着洪水的连通性及地形的特殊性等问题，因此，如何科学、真实、动态地利 用三维技术进行洪水模拟，还有待进一步研究，因此本文研究没有设计三维g i s 技术。 1 4 本文研究内容 目前，国内外对洪水灾害风险管理的理论研究尚处于摸索阶段，鉴于这种情 况，本论文计划在总结前人研究的基础上，从建立洪水灾害风险管理目标到洪水 灾害风险分析等方面入手，利用现代的g i s 技术，探讨基于g i s 的洪水灾害风 险管理系统的基本结构，对洪水灾害风险管理系统进行了详细的系统分析、设计 与集成研究。论文以东莞市城区为例，对研究区域进行了城区内涝洪水风险计算、 洪灾损失评估及洪灾风险管理信息系统的开发，本文主要包括以下主要内容。 第一章，概述，介绍了本文的选题背景以及研究意义，对建立东莞城区内涝 风险管理信息系统的必要性进行了详细的描述，同时还介绍了本地区的区域概 况，包括东莞市域概况、本地区自然条件和社会经济条件，此外还介绍了与本文 研究相关的一些内容，比如城市洪涝模型相关研究、洪水风险管理分析及与g i s 结合研究和洪水模拟的动态显示研究等。 第二章，这一章主要介绍了水文学模型及其在洪水风险分析中的实现的相关 内容，主要介绍了洪水分析相关理论，以及介绍了洪水风险图的定义、作用、及 发展概况等。最后介绍了城区内涝监测模拟仿真模型计算的相关方程，包括地表 产汇流计算方程和雨水管网汇流计算方程，本文中的东莞城区洪水风险管理系统 中，洪水风险图的产生计算也主要基于雨水管网汇流方程计算的。 第三章，这一章介绍了本文中系统开发的关键技术及相关理论基础，主要有： 一、a r c g i se n g i n e 组件技术，包括a r c g i se n g i n e 基本组件的介绍和a r c g i s e n g i n e 二次开发的基本原理；二、东莞城区内涝模拟仿真相关理论，包括不规则 格网划分技术和城区内涝模拟仿真基本的控制方程；三、系统开发的关键技术， 8 g - ta r c e n g i n e 的东莞城区洪涝风险管理研究 主要有基于a r c s d e 的信息交互查询技术、建立符号库及地图信息符号化技术、 洪水风险图可视化及绘制技术、城区内涝模拟仿真技术和洪水淹没过程动态显示 技术等。 第四章，这一章主要介绍了系统的主要功能及实现，系统中主要分为三大功 能，一、是基于g i s 的基本信息管理功能，这一部分是系统的框架，包括很多 功能，如菜单栏和工具栏上诸多功能，比如放大、缩小、漫游、查询和打印输出 等功能；二、二维城区内涝仿真模拟功能，这一部分是绘制洪水风险图的基础， 通过输入的雨量数据等信息计算城区内涝相关情况并通过g i s 技术显示出来； 三、绘制洪水风险图，城市洪水风险图借助于图表反映城市遭受不同频率暴雨、 洪水和风暴潮灾害水淹范围、水深分布及相应资产损失程度等综合信息。通过符 号化、以及系统中编辑等功能绘制城市洪水风险图。 最后一章是对本文进行总结与展望，对本文的创新之处和不足的地方进行了 必要的概括，以及对本系统的应用前景进行了展望。 9 基丁a r c e n g i n e 的东莞城区洪涝风险管理研究 第2 章洪水风险分析及内涝模型研究 2 1 洪水风险分析理论 目前关于洪水风险分析的定义和提法很多，有水文中常用的洪水风险、防洪 工程风险、区域洪灾风险等，定义虽不同，但意义一样，目前比较流行的定义是： 洪水风险分析就是针对洪水灾害的自然属性和社会属性，采用目前较为先进的技 术手段，研究洪水特性、经济特性、灾害特性等防洪减灾中的一些关键性问题， 为防洪规划和决策提供依据【2 3 1 。 由于在防洪规划和设计中存在许多不确定因素，比如基础数据的测量误差、 多变的社会条件和经济形势等，这些因素难以用精确的定量数据进行分析，然而 对这些因素的定量描述又是防洪规划设计的根本依据。风险表现的形式是多种多 样的，可以通过概率表现，也可以通过定量数据表达，还可以采用洪水风险图形 表述，或者是几种形式的综合体现。 洪水风险分析主要由洪水风险辨识、洪水风险估算和洪水风险评价三大部分 组成。洪水风险的辨识包括洪水的成因、典型洪水的淹没范围、水深分布、流速 分布、持续时间等；风险估算考虑不同成因和规模的洪水造成的社会和经济损失 进行分析和预测，估算由于防洪工程建设造成洪水风险分布的变化；风险评价就 是对洪水造成的严重影响进行比较分析，包括社会影响、环境和生态问题【2 4 1 。 传统的洪水风险分析主要通过研究风险概率将年均洪水超标概率记作风险， 从而对防洪工程进行长期风险概率估算，提供风险概率的计算结果瞄l 。这类洪 水风险分析主要以工程风险概率的分析为主要目的，而对于洪水特性、经济特性、 灾害特性等防洪减灾的具体特征涉及较少，因此在实际应用方面存在一定困难。 风险表现的形式包括概率表现、定量数据表达以及洪水风险图等形式表达。随着 我国经济的发展和人口的增长，城市化进程加快，洪水灾害日渐严重，各洪泛区 的防洪要求日益提高，洪水风险分析对防洪建设的科学规划和决策意义变得日益 重大。 1 0 基于a r c e n g i n e 的东莞城区洪涝风险管理研究 2 2 洪水风险图 洪水风险图的类型主要可分为四种：流域洪水风险图、城市洪水风险图、水 库洪水风险图、蓄滞洪区洪水风险刚1 5 】。本文研究区域是东莞市城区，因此在 这里我们仅进行城市洪水风险分析的研究，涉及河流洪水风险和城市洪水风险， 所以只介绍河流洪水风险图和城市洪水风险图。 河流洪水风险图包括河道洪水风险图和溃堤洪水风险图。河流洪水风险图与 上游水库卸流洪水及区间入流洪水有关，当水库卸洪过程与区间入流组合后未超 过堤防设计标准时，洪水在河道中演进，这时只需绘制河道洪水风险图；否则， 发生溃堤，同时还得绘制溃堤洪水风险图。本文中研究区域是低处平原地区的东 莞城区，区内东江经过，上游没有水库，结合流域洪水的历史情况，发生溃堤的 可能性不大，因此河流洪水风险图中本文主要研究的是河道洪水风险图。 城市洪水风险图借助于图表反映城市遭受不同频率暴雨、洪水和风暴潮灾害 水淹范围、水深分布及相应资产损失程度等综合信息【2 6 1 。各级政府和防汛指挥部 门可依据洪水风险图提供的信息，有序地组织人员抗洪抢险、疏散群众，预先制 定有效的防灾措施，最大限度地减轻城市洪水灾害。城市规划部门还可以依据城 市洪水风险图提供的信息，合理地进行城市规划和土地开发。风险图上标注有不 同频率下洪水淹没范围、人口、固定资产总值、重要部门和单位、重要设施、水 利工程、交通枢纽、通讯设施等。还标有紧急情况下转移人员数、避难地点和路 线，用柱状图形式标注重点防洪单位和重点区域不同频率下洪水的淹没深度，用 表格形式统计不同频率下洪水不同淹没水深的受灾人口、经济损失、重点影响单 位等。 根据洪水风险图编制导则的要求，结合本地区实际情况，本文中东莞城 区洪水风险图的编制步骤分为：收集整编相关资料；选择洪水风险分析方法； 风险分析；绘制洪水风险图；集成风险图层。编制东莞城区洪水风险图用 到的资料包括： ( 1 ) 编制风险图采用的基础地图：行政区划图、地形图、防洪工程系统图、 雨水工程系统图、污水工程系统图、雨水工程现状图等； ( 2 ) 东莞城区工程情况资料：东莞市市区排水截污工程专项规划( 说明书) 修改一0 6 0 8 一打印、东莞市市区排水截污工程专项规划( 文本) 修改- 0 6 0 8 - 打印东莞 1 1 基于a r c e n g i n e 的东莞城区洪涝风险管理研究 市区遥感影像图、东莞地区区域d e m ( 9 0 m 格网) ； ( 3 ) 东莞城区其他资料：东莞统计年鉴( 2 0 0 7 ) ，东莞城区社会经济资料， 包括人口数、生产总值、耕地面积等；历史洪水资料，包括次数、起止时间、运 用水位、分洪形式、口门位置、最大进洪流量、最高蓄洪水位、蓄洪总量、淹没 面积、特征点水深、淹没历时以及居民转移安置、财产损失等。 绘制城区内涝洪水风险图的技术路线为： ( 1 ) 新建一个洪水风险图层，用来存储洪水风险分析所得的洪水风险信息， 该图层的要素即是进行洪水风险分析时所用的计算网格； ( 2 ) 将洪水风险分析计算所得的各个网格的洪水风险信息，包括洪水演进过 程中不同时刻的水位、洪水深度、流速等，分别作为洪水风险图层的一个属性信 息写入该图层属性表的一个字段中； ( 3 ) 针对不同类型的洪水风险图，根据导则中规定的颜色方案，以洪水 风险图的图层属性表中相应的字段的取值进行分类来渲染该图层； ( 4 ) 将渲染完毕的洪水风险图的图层与其它空间数据图层进行合理叠加，并 保存为一个新的地图文档，即完成了洪水风险图的绘制。绘制的洪水风险图可以 通过本项目开发的系统软件进行查看，也可以打印成纸质图片进行查看保存。 洪水风险图由各级防汛部门负责组织编制；由省级以上防汛部门组织验收经 省级防汛指挥机构批准后使用。洪水风险图定期进行更新，更新周期一般不超过 五年。 2 3 内涝模型中产汇流计算 2 3 1 地表产汇流计算方程 对于不同的植被覆盖类型，产流方式不同，针对城市洪水产流计算，本项目 研究提出三种不同的产流方式，即水面产流、铺砌面产流、城市绿地产流。 铺砌面产流：城市铺砌面包括建筑物，人工铺砌的地面，如公路、停车场 及其它公共设施等表面为不透水的区域。铺砌面产流类似于不透水面积上的产流， 本项目认为其上的降雨量全部转换为该单元流域上的地表径流量。计算公式为 r j 一只j ( 2 1 ) 基于a r c e n g i n e 的东莞城区洪涝风险管理研究 其中，r 为i 单元流域t 时段产流量，r 为i 单元流域t 时段降雨量。 铺砌面由于是不透水表面，其上产生的洪水径流量不能渗透到地下，因此， 全部变成地表径流量，不产生地下径流。 水面产流：对水面单元流域，产流计算类似于铺砌面，即降雨全部变成径流， 但其汇流方式与铺砌面不同，故专门作为一种产流方式提出。水面单元还可以分 成两种类型，一类是河流，其上产生的径流还会沿河道流动，需进行汇流计算， 另一类是湖泊、湿地等，此类单元上产生的径流将直接蓄存在水体单元内。 城市绿地产流：城市绿地指除上述两种覆盖类型以外的区域，地表一般有 一定的植物覆盖或完全为裸土。按蓄满产流模式计算陆面产流量，即降雨首先补 给地土壤蓄水容量的不足，当土壤中的蓄水量达到蓄水容量时，即蓄满时，便产 生地表径流，计算公式为 置，= 脚( o ，鼻，+ 形，f w m , ) ( 2 2 ) 其中，w 为i 单元流域t 时段初土壤的蓄水量，w m ；为i 单元流域的蓄水 容量。 总径流量划分成两部分，地表径流和地下径流。对于水面单元流域和铺砌 面单元流域，只产生地表径流，即单元上产生的径流r 全部成为地表径流；对 城市绿地单元流域，地下径流由土壤下渗产生，本研究假定只有当土壤层蓄满后 才发生下渗而产生地下径流，且下渗率为一常数f c ，地下径流计算公式为 尺g i f = 力f a t ( 2 3 ) 其中，r g 为i 单元流域t 时段产生的地下径流量、f c ；为i 单元流域的稳 定下渗率，at 为时段长度，超过地下径流的部分，即成为地表径流，计算公式 为 船f ，f = r i 。f r g 口 ( 2 4 ) 其中r s 代表i 单元流域t 时段产生的地表径流量【2 7 】 2 s 】。 2 3 2 雨水管网汇流计算 东莞市区雨水及污水排水管网纵横交错，如下图2 - 1 是减少城区内涝的有效 排水途径，因此雨水管网中汇流计算对城区内涝风险管理影响甚大。城市排水系 1 3 墨! ! 竺! 1 2 1 1 塑蔓墨矍堕苎塑璺堕壁型竺塞 统主要由地下排水管网和水闸、排涝泵站组成。城市排水管网纵横复杂如果完 整地模拟实际的复杂管网水流的运动，m 模型信息量和计算量巨大，模型计算速 度也会减慢。因此，实际的排水管网，必须针对具体划分的网格单元进行合理的 概化，以简少模型的计算晕，同时，可以使排水管网水流的计算和地面网格单元 的训算结合起来同步进行。如图2 一i 是东莞市区雨水管阿系统图。 圈2l 东莞i 仃区雨水管刚系统图 在排水系统中泵站、闸门和淹没出流管道都起着重要的排水作用。泉站的 作用足抽墩地面或排水管道捌水，闸fj 的作用是d 接向河道泄水，淹没出流管道 的作片j 也是直接向河道泄水，所不旧的足当河道水位高f 管道水何时会冉现倒流 现象。为此没古有排水泵站、闸fj 、临时泵站、淹没出流管道的网格与、一级 河道或区域边界相联为管网排水出u ，井给m 概化的排水能山。 将网格单元分为含管网和不合管网两种以减少不必要的运算量。对丁含管网 的网格单元，水流通过分布在网格里的下水井流八管道，一般网格里i - 水井较多， 且不均匀，在保证计算精度的情况下，为了使计算工作量不致太大，模型将一个 网格的f 水井进行集成，即将几个f 水井合成为个，f 水井的集水能力取各个 下水井的集水能力之和，并认定集成的下水井位于网格中心位置。由于网格己经 划分的充分小了( 即网格足进行积水预报的最小单位，敏感地区可以将网格划分 基于a r c e n g i n e 的东莞城区洪涝风险管理研究 的更加密集) ，所以我们总是假定单个网格内部的积水区积水的水平面相同，由 此推断出单个网格内部所有地面下水管道入口对管道的压强都相同。 2 4 内涝模型中内涝模拟基本控制方程 本内涝模型地表汇流以城市陆地水流、明渠河道水流及陆地流向明渠河道水 流为主要模拟对象，基本控制方程以平面二维非恒定流的基本方程为骨架【2 9 】【刈 【3 1 l o 平面二维非恒定流的基本方程如下： 连续方程： 一o h + 堂+ 型。口 ( 2 1 ) 一+ + 一t 口 k 么一l ， a t酞 硒 。 运动方程： 警+ 警+ 警+ 彬警+ g 丁n 2 u 届u 2 t r y 2 = 。浯2 ， a ta d c 如 。 a d c 。h “。 百o n + 警+ 警+ 芸+ g n 2 v 矿厅u 2 + v 2 一。 c 2 嘞 a t酞曲 、 ax。h k3 式中，h 为水深；z 为水位，z = z 。+ h ，z 。为底高程，q 为源汇项，包括有效降雨量 和排水强度两项，m 、n 分别为x ，y 方向上的单宽流量；且m = h u ，n = h v ，u 、v 分别为流速在x ，y 方向上的分量，n 为糙率，g 为重力加速度。 地下排水管网内的水流，采用一维非恒定流方程计算，自成体系。