GIS支持下的洪水淹没范围模拟-水科学进展

1、第13卷第4期2002年 7月水科学进展ADVANCES IN WATER SCIENCEVol 113 ,No 14Jul. ,2002GIS 支持下的洪水淹没范围模拟葛小平,许有鹏 ,张琪 ,张立峰( 南京大学城市与资源学系 , 江苏 南京210093)摘要 : 洪水淹没范围的确定是洪灾损失评估的核心环节。采用地理信息系统 ( GIS) 与水力演进模型 , 结合三维模拟技术和对象关系模型数据库, 对浙江奉化江流域洪水淹没范围进行模拟。该方法能够准确地模拟洪水淹没范围, 为快速评估洪灾损失和防洪决策服务提供了科学的依据。关 键 词 : 地理信息系统 ; 数字高程模型; 洪水淹没范围 ; 三维

2、模拟 ; 矢栅一体化技术中图分类号 : TP 79文献标识码 : A文章编号 :100126791 (2002) 042456205我国是一个自然灾害十分频繁的国家, 洪涝灾害一直严重威胁着人民生命财产安全和社会的稳定与发展 。近几十年来 ,自然资源的开发利用不断扩大, 城乡经济建设飞速发展, 洪水出现的频率及其造成的损失也不断的增加。因此 , 快速 、准确 、科学地模拟 、预测和显示洪水淹没范围 , 以便发挥防洪工程效益, 并以非工程措施来减轻洪水危害, 对防洪减灾和洪灾评估等具有重要意义 。1990年以来 ,利用 GIS技术为手段进行洪水淹没研究一直是一个研究热点, 但大多数的研究仍然是基

3、于二维平面的GIS技术 1 ,2 ,没有充分利用GIS的空间分析功能 , 因而无法准确地反映地形的坡度、坡向和洪水的流向等。本文以数字高程模型 (DEM) 为基础 3 ,4 ,将三维立体地形和二维GIS技术相结合, 尝试把三维地形能够较真实地反映地形地貌要素和二维 GIS技术中矢量栅格一体化的空间分析功能这两大优势运用到洪水淹没范围的模拟研究中,采用分区平面模拟方法模拟淹没范围, 能够更准确 、科学地确定和模拟洪水淹没范围。1 试验区概况所选试验区位于浙江省奉化江流域下游平原, 鄞县和奉化市的交界处,包括方桥 、西坞等乡镇 。该地区经济发达,鄞县在全国百强县行列中名列第十八位, 城镇职工199

4、7 年人均工资收入 8 675元 , 农民年人均纯收入4993 元 ;而奉化市作为沿海改革开放县级市, 1997年实现国内生产总值1 亿元,农民年人均收入3 986元。虽然建国后兴建了一大批水利设施( 如水43 66库、防洪堤 、闸坝等 ) ,但随着经济的发展, 现有的水利设施不足以抵御较大的洪、涝 、潮灾害 。试验区是宁绍平原的延伸部分, 地势平坦 , 河流纵横 , 土地肥沃 ,属于平原水网地带 , 是宁波主要的商品粮基地之一。区内水系源于天台山脉和四明山脉, 汇合于方桥三江口, 合称奉收稿日期 : 2001204225 ; 修订日期 : 2001206210基金项目 : 国家自然科学基金项

5、目( 49771020)资助作者简介 : 葛小平 (1977 - ) , 男 , 江苏吴江人 , 南京大学硕士 , 主要从事 GIS 在水文水环境的开发利用和防洪减灾方面的研究。, 数据和对象都是一一对应第 4 期葛小平等 : GIS 支持下的洪水淹没范围模拟457化江水系, 属甬江流域 。当地属亚热带季风湿润气候, 全年温暖湿润, 雨量充沛, 光照充足,四季分明 。春季南北冷暖空气交汇, 天气多变, 7 9 月受台风和热带风暴影响, 常伴暴雨、大暴雨和特大暴雨, 极易造成山洪暴发或积雨内涝。2 洪水淹没范围模拟方法211数字高程模型模拟数字高程模型 (DEM) 采用 11 万地形图以及150

6、00 专题图为底图进行屏幕数字化, 并结合实地调查 , 采集了试验流域内所有的离散高程点数据( 小于 6 m 尺度 ) 和等高线高程数据(大于 6m尺度 ),两者分别保存在不同的图层中,高程点和高程线的高程属性数据则以图形软件2Mapinfo的Table中字段存储(如被选中对象的高程用1表示,其中gc为字段名),以这种方selection gc式存储高程数据的优势在于对象化等高线都仅有一个高程属性, 兼之数据结构非常优化简单和 Row 来定位数据的 ) , 便于利用编程开发工具(可以是可以是 VC 等 ) 进行对象和属性的操作。试验区平原地区居多,尽管采集了地形图上所有的高程数据,但仅有这些高

7、程数据是不足以充分地反映平原地区的地形地势 , 这是在平原地区建立数字高程模型经常会遇到的一个问题。本文对上述的数字高程模型进行合理化修正,采用的方法是利用数字高程模型中离散高程点及其高程数据进行等高线的高密度内插 , 内插算法采用不规则三角网法(TIN) , 内插的等高线间距根据试验区平原地区地形 (最低的地面高程是1) 定1 3 m为 011 m , 同时将内插的等高线按地势走图 1向进行光滑处理 , 得到图1的结果 。, 图层中每一个高程点和每一条( 在 Mapinfo中数据结构是以 ColumnMapinfo自带的开发工具,也Mapbasic原始离散点和内插等高线分布对原有的数字高程模

8、型进行等高线Fig11Map of disperse points and contours内插的另一个目的在于: 利用这一精度更高的数字高程模型建立一个较为准确的三维地面模型 , 并以此为基础生成流域地形的坡度和坡向栅格数据图供水力演进模型模拟淹没水深使用。212矢量数据库的建立矢量数据库主要内容为基础地理信息( 如境界 、水系 、道路交通、居民点 、植被分布等信息 ) , 和一些与洪水淹没范围相关的堤坝 、主干河道 、水库数据 ( 其内容除了所在位置分布和名称外 , 还包括堤顶高程 、河底高程 、水库库容等工程辅助信息 ) ;此外还包括实验流域内的雨量观测站和水位观测站等水文站点信息(其包

9、含的信息除了位置分布外, 还包括其实时监测得到的数据结果 ) 。上述的数字高程模型和三维地形的建立是属于栅格数据库的内容, 矢量数据库是通过对象 属性关系加以管理的, 即矢量数据在图形上表现为一个图形对象( 可以是点线面中458水科 学进展第13卷的任意一种 ) , 而每一个图形对象都借助Mapinfo 软件中 Table 表的形式保存其特有的属性数据,属性数据中那些固定不变的数据(如名称 、河道 、堤顶高程 、水库库容等辅助信息) 则以静态形式保存 , 而那些不断更新的属性数据( 如水文站实时监测数据) 则采用动态形式存储 。这种对象属性关系的数据结构和GIS中常用的分离式数据管理方法相比具

10、有更高的工作效率和系,统稳定性 。本文中栅格数据库和矢量数据库的结合是采用矢栅一体化管理方法进行有效地组织管理,主要是根据栅格数据和矢量数据在空间位置上的一体性联系, 将数据来源不尽相同的栅格数据和矢量数据进行几何配准(投影配准 、比例尺匹配和坐标匹配) 统一到相同的定位基础上,确定栅格数据作为辅助数据实现它和矢量数据的结合,而淹没范围的模拟主要围绕矢量数据展开研究和操作 。213 水力演进模型模拟淹没水深水力演进模型用于洪水的模拟预测,主要研究流域降雨径流模型、河道和淹没区洪水演进模型 。研究区降雨径流模型选用三水源新安江模型, 该模型是具有一定物理概念的数学模型 5 。该模型主要用于流域上

11、中游及库区降雨径流的模拟计算,模型中部分参数通过空间GIS数据库按不同单元水系推求确定, 需要推求的参数则借助历史暴雨洪水数据库推求。参数率定后模型计算精度较好,次洪水模拟误差洪量一般在10 %以下,洪峰一般在以下,洪水过15 %程拟合较好 , 本试验区的平原河道洪水演进采用简化的非稳定流计算方法6 并考虑河道内外,产水量交换 , 而河道比降 、地面高程 、边界条件和断面资料则由GIS空间数据库和DEM 提供分析确定 , 并分析台风洪水在潮汐顶托等不同情况下的洪水变化规律7。214 淹没范围的确定模拟由于试验区地形平缓,水网密集 ,属于典型的大范围内涝区和滞洪区。对于大区域而言,河流表面并非平

12、面而是一个复杂的曲面,对于这个问题国内外很多人做过有益的尝试, 较为普遍的方法是将洪水在特定河段内简化为一斜平面, 河道两端的高程由水文站测定的水位给出,这样就把确定淹没范围的问题归结为DEM 被一个斜平面切割的问题, 但这种方法在处理两河段之间的数据衔接方面存在严重的不足8 。本文在模拟洪水淹没范围时结合本流域经内插的高精度数字高程模型的优势,采用分区平面模拟方法, 即按河段和水文站分布,以及考虑道路、堤防等阻水设施的布局将试验区划分为若干个淹没小区。洪水发生时且洪水未漫堤前, 认为洪水遵循水力模型在河道中演进,对洪水采用水力模型进行水位的预报预测, 而当洪水水位高于堤防或道路等高程发生漫溢

13、时,则认为洪水水位就是淹没水面的高程, 然后在各淹没区内采用平面模拟方法模拟洪水的淹没范围。具体算法和操作步骤如下:在洪水淹没时 ,将各区内水面近似地看作是一个水平面, 根据水力演进模型模拟得到淹没水深的结果( 也可以是水文站测定或任意给定的淹没水位结果),以经过等高线加密的流域数字高程模型为基础, 将区域内所有小于该水位高程的等高线取出存入淹没等深线临时数据库, 然后利用开发工具对等深线进行由折线向面的转化操作, 将淹没等深线转化为等淹没面, 将这些淹没面合并可以得到一个给定水位切割流域地形的淹没水平面;接下来将大于该水位高程的等高线提取出来, 同样利用开发工具对这部分等高线进行由折线向平面

14、的转换操作 , 将这些等势面合并成一个淹没水平面切割流域地形的投影面,然后把投影面从淹没水平面中切割剔除就能得到所需要的洪水淹没范围。最后 ,将洪水淹没范围和三维地面模第 4 期葛小平等 : GIS 支持下的洪水淹没范围模拟459型进行地理坐标的匹配就可以三维地面模型为基础模拟洪水淹没范图()。图 2图 2 洪水淹没范围模拟 (水位 :2174 m) Fig12 Map of simulated flood submergedarea3 试验区模拟结果利用试验区洪水风险图制作过程中实地调查的五年一遇等不同等级洪水淹没范围以及相应的洪水水位值,采用上述分区平面模拟方法对不同淹没小区分别加以模拟分

15、析、统计对比分析本法的结果误差较小,精度较高 (表 1) , 其准确性完全能够满足防洪工作的实际需要, 故具有较强的实用价值; 同时所得结果能快速地与淹没区现状数据进行叠加分析, 及时准确地统计出灾害评估数据。表 1西坞地区实际调查淹没范围和模拟淹没范围数据Table 1Comparison of measured submerged area and simulated area in Xiwu region 3日降雨 / mm淹没水位 / m实际淹没范围 3 / km2模拟淹没范围 / km25年一遇1442146317413184310年一遇1882174716918133420年一遇2

16、31311416175717118050年一遇2883148181540191300100 年一遇33231691917552014003 根据宁波市洪水风险图 , 利用 Mapinfo 410 将不同等级实际淹没范围数字化后量算取得。4结论以浙江奉化江流域平原地区为试验区, 以平面模拟方法进行洪水淹没范围的模拟是可行的GIS技术为支持, 结合水力演进模型, 采用分区, 具有较好的准确性、实用性和科学性。本次460水 科学进 展第13卷研究结果表明 : 地理信息系统技术为流域防洪减灾研究提供了一个有力的工具, 使得流域水力演进模型应用更加方便 、准确和科学 ; 同时 , GIS支持下的洪水淹没

17、范围模拟为快速、准确及科学地进行洪灾评估提供了良好的基础, 也为中小流域防洪减灾决策支持创造了条件, 有力地提高了流域防洪决策能力。参考文献 :1 王腊春 , 等 . 太湖流域洪涝灾害损失模拟及预测J .自然灾害学报 , 2000 , 9 (1) :33 -39.2 许有鹏 , 付重林 . 遥感和 GIS在水文模型中应用研究J . 南京大学学报 (地学版 ) , 1996 ,32 (5) : 81 - 85.3 刘仁义 , 刘南 . 一种基于数字高程模型DEM 的淹没区灾害评估方法 J . 中国图像图形学报, 2001 , 6(2) :118 - 192.4 刘仁义 , 刘南 . 基于 GIS

18、 的复杂地形洪水淹没区计算方法 J .地理学报 , 2001 , 56 ( 1) :1 -6.5 Zhao R J1 The Xinanjiang model applied in ChinaJ . Journal of Hydrology , 1992 , 371 - 381.6 赵 荣 , 陈丙咸 . GIS 支持下的曹娥江洪泛区洪水演进模型的建立J . 南京大学学报(自然科学版 ) , 1994 ,30 (1) :146 -153.7 许有鹏 , 等 . 中小流域防洪决策支持系统设计研究以我国东南沿海甬江流域为例J .南京大学学报(自然科学版 ) ,2000 , 36 (3) :280

19、- 285.8 常燕卿 , 张福浩 . 采用矢栅一体化技术的实时洪水淹没模拟分析系统J . 中国测绘 ,1999 , (6) :24 - 26.A method forflood submerged area simulation based on GIS GE Xiao2ping , XU You2peng, ZHANG Qi ,ZHANGLi 2feng( Urban and ResourcesScienceDepartment, Nanjing University , Nanjing 210093 , China)Abstract : A methodconfirmingthe flo

20、od submergedareais provided. The methodadoptsthe digital eleva2 tion model (DEM) , GIS, hydrodynamicmodel and object2oriented database (OODB) to determinethe sub2 mergedarea. The stepsare as followings: first , the whole researchregion is divided into some small sub2 catchmentsand the DEM of the region is established; then the submergedarea is distinguishedfrom the whole region underthe condition of the given water level calculatedby the hydrodynamicmodel , and is cal2 culated and visualized basedon the flood water l