基于ArcGIS的洪水淹没分析与三维模拟.doc

水位高程和淹没面积关系公式，并用于洪水淹没快速预测；运用ArcScene，对水位抬升的“无源渐进淹没”情况进行了三维模拟。关键词：洪水；GIS；无源淹没；淹没范围；三维模拟中图分类号：TP311.5文献标识码：A文章编号：1007-1903（2012）03-0031-030引言洪水淹没是一个动态而至平衡的过程。确定洪终淹没范围，有2种概化模型：(1) 基于水位的洪水 范围计算：给定某一洪水水位H ，由此推算出洪水的 范围。该模型相对简便。(2)基于水量的洪水淹没范 算：即在给定某一洪水水量Q 的条件下，计算相应的 淹没范围。在应对非调度洪水灾情分析时，往往需 用获取的淹没区洪水水位或水量7 。因洪水水位数 获取较为容易，故采用基于水位的淹没分析。我国是一个洪水灾害频发的国家，大约2/3的国土面积有着不同类型和不同危害程度的洪水灾害1。因此，快 速、准确地模拟预测洪水淹没范围及面积，对防洪减灾 具有重要意义。防洪减灾工作自20世纪90年代以来，在水动力-水 文模型基础上，利用ArcGIS强有力的空间分析和可视化 功能，模拟显示洪水淹没区，进行非工程措施防洪减灾， 是研究热点。结合相关学术文献，发现ArcGIS在洪水淹没分析方 面多有应用2- 6。但需要编制复杂程序或应用复杂算法， 往往过于繁琐。本文提供了无需编程就可以简单迅速地计算出洪水淹没面积的方法。以ArcGIS为基本处理方法，以TI N数 据为基础数据，运用ArcMap自身功能，对区域天然防洪 能力进行划分，求得低于一定高程的洪水淹没范围，实 现了洪水淹没面积的计算，进而建立洪水水位与淹没面 积间的关系公式，并运用公式进行淹没面积快速预测。 运用ArcScenen软件，简便建立了地形和洪水模型，并对 洪水渐进情况下的淹没情况进行了三维模拟。基于水位的淹没分析，分两种情形：(1)无源淹没是高程值低于给定水位的点均为淹没区，相当于整区大面积均匀降水，所有低洼处都可能积水成灾；(源淹没：考虑“流通”淹没的情况，即洪水只淹没它到的地方，相当于高发洪水流域泛滥，例如洪水决堤局部暴雨引起的暴涨水向四周扩散8。对于洪水源易确定、地势相对平坦地区，无源淹没模型较为贴切依据上述分析方法适用范围和本文研究对象点，采用基于水位的洪水淹没范围计算中的无源淹 型进行分析计算与三维模拟。1.2 划分区域天然防洪能力防洪能力涉及因素较多，如地形地貌、地面高程道畅通性能、防洪排涝设施建设情况等。这里以某建成区为研究对象，根据地区防洪除涝水位控制标 只考虑 利用地面高 程评 价防 洪适 宜性，对其天然 1洪水淹没范围分析1.1 确定洪水淹没分析方法能力作定性划分。研究区域内高程-9.1m107.6m，作者简介：孙君（1983-），男，江苏扬州人，硕士，从事岩土工程与地理信息系统相关研究，email：sunjun_图1 天然防洪能力分区图图2 淹没面积计算同样的，计算洪水水位高程为1.0 m、1.5m、2.5m、3.9m、4.05m、5.0m的淹没面积，详见表1：图3 洪水水位高程与淹没面积回归分析2012第7卷 第3期 2012Vo1.7 No.3分析探讨面积为181306884m2，即约181.3km2，如图2所示。ArcMap，结合地区防洪水位要求，以50年防洪设防水位黄海标高3.75m、20 0年防洪设防水位标高4.05m为界划 分系统建设区内各区域天然防洪能力（图1），直观展示 发生各种级别的洪灾时，可能淹没的区域，以便有针对性 地进行规划、决策。表1 淹没面积统计1.3 洪水淹没范围分析与预测（1）数据预处理TIN to Raster：预先生成分析区数字高程模型TIN数 据，由于基于栅格的计算比较简单，因此需要将TI N转换 成Raster: ArcMap下单击【3D Analyst】，找到【Convert】 的【TIN to Raster】项，Attribute选择Elevation；Cell Size 输入100；在Output Raster中输入路径，单击OK。生成所 需要的Raster，其属性值表示高程值。面积因子提取：在【Spat ia l A n a lyst】菜单中选择【Raster Calculator】项，设置“Raster 3.75”，洪水淹 没的高程选择的是分析区内50 年防洪设防水位高程。【Eva lu at e】生成Va lue 值为0（代表Rast er 3.75）和1（代表Raster 3.75）区域。（2）淹没面积计算将所有value值为1的区域进行累加计算，即得出淹 没区的面积。将Rast er转化成Feat u res:【Spat ial A nalyst】中选 择【Conver t】的【Raster to Feat u res】项，Input raster 中选 择上面求出的低 于3.75 m 的栅格 图 像；在 Ou t p u t geometry type中选择Polygon，并在Output features中写 入路径，单击OK，生成Features。打开其属性表，新建Na me为Are a，Ty p e为Double 字段，Area上右击选择Calculate Geometr y，计算各区块 面积，选择所有Gridcode值为1的多边形，右击Area选择 St at ist ics项，显示淹没区总面积直方图，所求淹没区对上述数据进行多项式回归分析，如图3所示，建立洪水水位高程H f与淹没面积A f之间关系公式：A f =1.397H f +9.250H f 7.215H f+10.85 (1)32值得一提的是，这里建立的洪水水位高程H f与淹没洪水水位高程(m)总面积(km2)淹没面积(km2)淹没比例(%)1.00446.7014.603.31.50446.7024.905.62.50446.7073.1016.43.75446.70181.3040.63.90446.70205.8046.14.05446.70226.8050.85.00446.70380.8085.2较不同水位的淹没区域分布情况，局部效果如图4所3结语研究结果表明ArcGIS在洪水淹没面积计算中用为洪水灾害评估研究提供了一个有力的工具。根 文提供的洪水淹没区面积计算方法，便捷地计算了 面积。根据洪水水位与淹没面积间的关系公式，预 一水位高程下的淹没面积，为洪水灾害的快速预测 了思路。基于ArcGIS的洪水渐进淹没三维模拟，直 达了洪水淹没区的分布随水位抬深的变化情况，为通过以上公式预测淹没面积与软件计算淹没面积之间的误差比较，可见当洪水水位高程在0.55.0m之间时，公式预测淹没面积与软件计算淹没面积 之间的误差较减灾决策，为进一步开展洪水治理提供了有效的服务参考文献1孙阿丽,徐林山,石 勇等.基于GIS的洪水淹没范围J.华北水利水电学院学报,2009,30(2):911.2杨军,贾 鹏,周廷刚等.基于DEM的洪水淹没模拟分虚拟现实表达J.西南大学学报,2011,33(10):143148.3李发文,张行南,杜成旺.基于GIS和数学形态学的洪没研究J.水电水利科技进展,2005,25(6):1417. 4刘仁义,刘 南.基于GIS的淹没区确定方法及虚拟 的表达J.浙江大学学报,2002(5):573578. 5郭利华,龙 毅.基于DEM的洪水淹没分析J.测绘2002(11):25-30.6胡瑞鹏,黄少华,王 迅.GIS在洪水淹没灾害评估中用J.水利水文自动化,2007,6(2):1115.7甘郝新,邓抒豪,郑 斌等.基于的洪水淹没范 算J.人民珠江,2007(6):98100.8刘仁义,刘 南.基于GIS的复杂地形洪水淹没区计算J.地理学报,2001,56 (1): 16.（下转第37页）洪水水位 高程(m)式（1）预测淹 没面积(km2)ArcMap计算淹 没面积(km2)误差()0.0010.857.85+38.10.509.739.97-2.41.8035.9834.87+3.23.00110.17112.27-1.94.50293.00300.84-2.64.90361.94362.50-0.25.50483.41420.86+14.96.00602.31432.54+39.22012Vo1.7 No.32012第7卷 第3期 贺瑾瑞等：密云司马台雾灵山沟域经济区泥石流分布及防治措施要手段。生物治理投资较少、经济效益高，是当前防治地质灾 害的重要手段，应予以推广。在生物治理难以见效的地方 辐以适当的工程措施，能更有效地对地质灾害进行防治。学出版社,1991:24.4张春山.北京北山地区泥石流灾害危险性评价J,北京地质,1996,(2)1120. 5李巧刚.密云西北部山区泥石流危险性评价D,中国地 质大学,2010,1020. 6李金海,余新晓,谢元宝等.北京山洪泥石流M.北京:中 国林业出版社,2007，2229. 7韦京莲等.北京山区泥石流降雨特征分析及降雨预报初 探J,中国地质灾害与防治学报，2004(5).8刘 涛.密云县泥石流危险度评价及防治措施体系研究D.北京林业大学.2009:7580.参考文献1杜 涛.北京地质灾害概况J北京地质,2000,(04):2123.2康志成,李焯芬,马蔼乃等.中国泥石流研究M.北京:科学出版社,2004:325. 3周必凡,李德基,罗德富等.泥石流防治指南M.北京:科The Debris Flow Distribution and Prevention Measures forSimatai-Wulinshan Valley-Gully Economic Domainin Miyun District of BeijingHE Jinrui，CHEN Guohu，ZHANG Yichao(Geological Institute of Beijing ,Beijing 100120)Abstract: In recent years, Valley-Gully Domain Economy is the new development mode for the mountainous area inBeijing. Miyun is a place of picturesque and beautiful scenery that has the good tourism conditions. The authors survey geological disasters of Debris flow in the Simatai-Wulingshan Valley-gully Economic Domain, analyze the geology, topog- raphy and rains and so on, summarize the development and distribution characteristics of the debris flow, and put forward the corresponding prevention and control measures, which can provide the scientific basis for Valley-gully Domain Eco- nomic planning and construction.Keywords: Debris flow; Development and distribution; Prevention and control measures（上接第33页）Analysis and 3D Simulation of Flood Inundation Based onArcGIS SystemSUN Jun, X I Saiying, YOU Di, ZHENG Futao（Changzhou City Planning and Design Institute, Changzhou, Jiangsu 213003）Abstract: Determining flood inundation area is core of flood damage assessment and flood control decision.Using ArcMap tool, natural flood prevention capacity of the analysis region is classified by non-source flood analysis method based on TIN data. The flood inundation area is extracted and statistical calculated with given water level condition, and the relation formula of flood leve