對洪水淹沒分析的若干思考.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-對洪水淹沒分析的若干思考丁志雄李紀(jì)人李琳黃詩峰陳德清（中國水利水電科學(xué)研究院100044北京）摘要：我國是一個(gè)洪水災(zāi)害十分頻繁的國家，洪水的淹沒范圍和淹沒區(qū)水深分布的確定，對防洪減災(zāi)、洪水風(fēng)險(xiǎn)分析和災(zāi)情評估都具有重要的意義。論文通過對洪水淹沒機(jī)理的深入分析，提出基于由DEM生成的格網(wǎng)模型進(jìn)行洪水的淹沒分析，并給出給定洪水水位和給定洪量兩種條件下的洪水淹沒分析方法，并給以實(shí)例驗(yàn)證。研究結(jié)果表明，以GIS技術(shù)為支持，采用平面模擬方法進(jìn)行洪水淹沒范圍和水深分布的模擬是可行的，具有較好的準(zhǔn)確性、實(shí)用性和科學(xué)性。關(guān)鍵詞：洪水淹沒DEM格網(wǎng)模型一、前言我國是一個(gè)自然災(zāi)害十分頻繁的國家，洪澇災(zāi)害一直嚴(yán)重威脅著人民生命財(cái)產(chǎn)安全和社會(huì)的穩(wěn)定與發(fā)展。近幾十年來，自然資源的開發(fā)利用不斷擴(kuò)大，城鄉(xiāng)經(jīng)濟(jì)建設(shè)飛速發(fā)展，洪水出現(xiàn)的頻率及其造成的損失也不斷的增加。因此，快速、準(zhǔn)確、科學(xué)地模擬、預(yù)測和顯示洪水淹沒范圍，以便發(fā)揮防洪工程效益，并以非工程措施來減輕洪水危害，對防洪減災(zāi)具有重要意義。別是對于城市和蓄滯洪區(qū)，如果能夠預(yù)先獲知洪水的淹沒范圍和水深的分布情況，對于挽救人民的生命財(cái)產(chǎn)和減少洪澇災(zāi)害損失都具有十分重要的價(jià)值。獲取洪澇災(zāi)害范圍和該范圍內(nèi)相對準(zhǔn)確的水深分布對洪澇災(zāi)害評估和經(jīng)濟(jì)損失評估也具有重要的意義。二十世紀(jì)九十年代以來，利用GIS技術(shù)為手段進(jìn)行洪水淹沒研究一直是一個(gè)研究熱點(diǎn)，但大多數(shù)的研究仍然比較粗略，沒有充分利用GIS的空間分析功能，因而沒有準(zhǔn)確地反映地形的連通性和洪水的流向等。本文以數(shù)字高程模型（DEM）為基礎(chǔ)，將地形的連通性和TIN和任意多邊形格網(wǎng)模型技術(shù)相結(jié)合，嘗試把三維地形能夠較真實(shí)地反映地形地貌要素和二維GIS技術(shù)中矢量柵格一體化的空間分析功能這兩大優(yōu)勢運(yùn)用到洪水淹沒范圍的模擬研究中，采用平面模擬方法模擬淹沒范圍，能夠更準(zhǔn)確、科學(xué)地確定洪水淹沒范圍和水深分布，為洪水風(fēng)險(xiǎn)圖制作、防洪指揮調(diào)度和洪澇災(zāi)害的損失評估提供準(zhǔn)確的評判依據(jù)。二、洪水淹沒分析方法及其與洪水模擬演進(jìn)的比較洪水淹沒是一個(gè)很復(fù)雜的過程，受多種因素的影響，其中洪水特性和受淹區(qū)的地形地貌是影響洪水淹沒的主要因素。對于一個(gè)特定防洪區(qū)域而言，洪水淹沒可能有兩種形式，一種是漫堤式淹沒，即堤防并沒有潰決，而是由于河流中洪水水位過高，超過堤防的高程，洪水漫過堤頂進(jìn)入淹沒區(qū)；另一種是決堤式淹沒，即堤防潰決，洪水從堤防決口處流入淹沒區(qū)。無論是漫堤式淹沒還是決堤式淹沒，洪水的淹沒都是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化的過程。針對目前防洪減災(zāi)的應(yīng)用需求，對于洪水淹沒分析的要求可以概化為兩種情況，一是在某一洪水水位條件下，它最終會(huì)造成多大的淹沒范圍和怎樣的水深分布，這種情況比較適合于堤防漫頂式的淹沒情況。另外一種情況是在給定某一洪量條件下，它會(huì)造成多大的淹沒范圍和怎樣的水深分布，這種情況比較適合于潰口式淹沒。對于第一種情況，需要有維持給定水位的洪水源，這在實(shí)際洪水過程中是不可能發(fā)生的，處理的辦法是可以根據(jù)洪水水位的變化過程，取一個(gè)合適的洪水水位值作為淹沒水位進(jìn)行分析。對于第二種情況，當(dāng)潰口洪水發(fā)生時(shí)，潰口大小是在變化的，導(dǎo)致分流比也在變化。另外一般都會(huì)采取防洪搶險(xiǎn)措施，潰口大小與分流比在搶險(xiǎn)過程中也在變化，洪水淹沒并不能自然地發(fā)生和完成，往往有人為防洪搶險(xiǎn)因素的作用，如潰口的堵絕，蓄滯洪區(qū)的啟用等。這種情況下要直接測量潰口處進(jìn)入淹沒區(qū)的流量是不大可能的，因?yàn)榈谭罎Q的位置不確定，決口的大小也在變化，測流設(shè)施要現(xiàn)場架設(shè)是非常困難也是非常危險(xiǎn)的。所以實(shí)際應(yīng)用時(shí)，考慮使用河道流量的分流比來計(jì)算進(jìn)入淹沒區(qū)的洪量。歸根到底，洪水淹沒的機(jī)理是由于水源區(qū)和被淹沒區(qū)有通道（如潰口、開閘放水等）和存在水位差，就會(huì)產(chǎn)生淹沒過程，洪水淹沒最終的結(jié)果應(yīng)該是水位達(dá)到平衡狀態(tài)，這個(gè)時(shí)候的淹沒區(qū)就應(yīng)該是最終的淹沒區(qū)。基于水動(dòng)力學(xué)模型的洪水演進(jìn)模型可以將這一洪水淹沒過程模擬出來，即在不同時(shí)間的洪水淹沒的范圍，這對于分析洪水的淹沒過程是非常有用的。洪水演進(jìn)模型雖然能夠較準(zhǔn)確地模擬洪水演進(jìn)的過程，但由于洪水演進(jìn)模型建模過程復(fù)雜，建模費(fèi)用高，通用性不好，一個(gè)地區(qū)的模型不能應(yīng)用到另外一個(gè)地區(qū)。特別是對于江河兩側(cè)大范圍的農(nóng)村地區(qū)模型的邊界很難確定。所以上述兩種概化的處理方法也是常用的。-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-三、對二維與三維分析方法的比較洪水的淹沒分析人們往往想到三維的洪水淹沒分析，但實(shí)際上更有實(shí)用價(jià)值的應(yīng)該是二維的淹沒分析，原因有下面幾點(diǎn)：（1）目前所說的三維不是真正的三維，嚴(yán)格地說應(yīng)該是2.5維，即用二維的表現(xiàn)設(shè)備來表現(xiàn)三維，這種條件下的三維往往受視角和視點(diǎn)的影響，視覺效果并不如人意，不能滿足實(shí)際的應(yīng)用需求。雖然現(xiàn)在市場上出現(xiàn)了一些真三維的觀察顯示設(shè)備，但其在價(jià)格，對硬件性能的要求，實(shí)用性上尚不能達(dá)到普遍使用的目的。（2）二維來表現(xiàn)我們?nèi)S的現(xiàn)實(shí)世界是我們概化問題一貫的處理方法，特別是對于場一類的事物用二維來表現(xiàn)具有直觀、簡單、明了的優(yōu)點(diǎn)。（3）目前洪水模擬演進(jìn)、洪澇災(zāi)害評估等實(shí)用模型大都是基于二維的，所以采用二維的洪水淹沒分析能夠更好地與成熟的模型結(jié)合?；诟窬W(wǎng)模型的洪水淹沒分析就是一種二維的淹沒分析方法。四、基于格網(wǎng)模型的淹沒分析思想基于DEM的洪水淹沒分析可以解決上述兩種洪水最終淹沒范圍和水深分布的問題，但由于DEM數(shù)據(jù)量大，對于較大范圍的洪水淹沒分析，在目前的計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)水平上還不能較快地計(jì)算出結(jié)果，這對于防洪減災(zāi)決策實(shí)施等方面，這種計(jì)算速度是不能忍受的。格網(wǎng)模型的思想很早就已經(jīng)提出，并且在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，如有限元計(jì)算的離散單元模型，目前所能見到的較先的洪水模擬演進(jìn)模型（如陸吉康教授的水動(dòng)力洪水演進(jìn)模型）也是一種格網(wǎng)化的模型?；诳臻g展布式社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫的洪澇災(zāi)害損失評估模型也是基于格網(wǎng)模型的思想（見李紀(jì)人等人的相關(guān)文章）。由于格網(wǎng)本身對模型概化的優(yōu)越性，同時(shí)考慮到與洪水演進(jìn)和洪澇災(zāi)害損失評估模型更好地結(jié)合，所以采用基于格網(wǎng)的洪水淹沒分析模型是比較好的選擇。由DEM可以較方便地生成TIN模型。生成的TIN模型，其三角網(wǎng)格的大小分布情況反映了高程的變化情況，即在高程變化小的區(qū)域其三角網(wǎng)格大，在高程變化大的區(qū)域其三角網(wǎng)格小，這樣的三角格網(wǎng)在洪水淹沒分析方面具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）洪水淹沒的特性與三角格網(wǎng)的這種淹沒特性是一致的，即在平坦的地區(qū)淹沒面積大，在陡峭的區(qū)域淹沒面積小，所以采用這種格網(wǎng)更能模擬洪水的淹沒特性。（2）洪水的淹沒邊界和江河邊界等都是非常不規(guī)則的，采用三角形格網(wǎng)模型比規(guī)則的四邊形格網(wǎng)模型等更能夠模擬這種不規(guī)則的邊界。（3）三角形格網(wǎng)大小疏密變化不一致，既能滿足模型物理意義上的需求，也能節(jié)省計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)空間，提高計(jì)算速度。五、基于三角格網(wǎng)模型的淹沒分析方法針對一個(gè)特定地區(qū)的洪水淹沒分析，為了減少數(shù)據(jù)量和便于分析，一般根據(jù)洪水風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)先圈定一個(gè)最大的可能淹沒范圍，并且將沿江兩岸分成左右兩半分別進(jìn)行處理分析，靠江邊的邊界處理為淹沒區(qū)的進(jìn)水邊界。這樣處理對于防洪減災(zāi)來說是合理的，一般在防洪區(qū)域，沿江兩岸堤防建設(shè)的洪水保證率是不一樣的，有重點(diǎn)地保護(hù)一些地區(qū)和放棄一些地區(qū)，所以需要將兩岸分開處理。目前國家測繪局能夠提供七大江河周邊地區(qū)1：1萬的DEM數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)特定的防洪區(qū)域的微地形修正該DEM數(shù)據(jù)，以保證地形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，根據(jù)實(shí)測微地形（如堤防、水利工程等）數(shù)據(jù)修正DEM的GRID柵格高程值。將一系列實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)快速修正GRID的程序已經(jīng)在ARCINFODESKTOP8.1平臺(tái)上開發(fā)完成，可以直接進(jìn)行交互式使用。將修正后的DEM數(shù)據(jù)用上面提到的洪水最大可能淹沒范圍進(jìn)行剪裁，得到的區(qū)域就是所需要進(jìn)行淹沒分析研究的范圍。將DEM轉(zhuǎn)換為TIN模型，提取三角格網(wǎng)，并對每個(gè)三角格網(wǎng)賦高程值，高程值按三個(gè)頂點(diǎn)從GRID上取得的高程值的取平均求得。該三角格網(wǎng)就是要進(jìn)行洪水淹沒分析的格網(wǎng)模型，如下圖1所示。-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-圖1三角形格網(wǎng)模型51給定洪水水位（H）下的淹沒分析選定洪水源入口，設(shè)定洪水水位、選出洪水水位以下的三角單元，從洪水入口單元開始進(jìn)行三角格網(wǎng)連通性分析，能夠連通的所有單元即組成淹沒范圍，得到連通的三角單元，對連通的每個(gè)單元計(jì)算水深W，即得到洪水淹沒水深分布，如下圖2所示。圖2三角單元水深分布圖單元水深的計(jì)算公式如下式（1）。W=H-E（1）式中：W單元水深；H水位；E單元高程。53洪水淹沒連通區(qū)域算法對洪水淹沒區(qū)域連通性的考慮，在一些淹沒分析軟件中，僅考慮高程平鋪的問題，即在-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-任何地勢低洼的區(qū)域都同時(shí)進(jìn)水，實(shí)際上從洪水本身淹沒的角度來說這是不準(zhǔn)確的，洪水首先是從洪水源處開始向外擴(kuò)散淹沒，只有水位高程達(dá)到一定程度之后，洪水才能越過某一地勢較高的區(qū)域到達(dá)另一個(gè)洼地。洪水淹沒的連通性算法可以從投石問路法的原理來理解。假定有一個(gè)探險(xiǎn)家，他帶著一個(gè)高程標(biāo)準(zhǔn)（水位高程）需要將這一高程以下所有能夠相互連通的區(qū)域探尋出來，假定這片區(qū)域由不同大小的格網(wǎng)組成，格網(wǎng)是由邊數(shù)一樣多（當(dāng)然也可以不一樣多，但那樣會(huì)使問題更復(fù)雜）的多邊形組成，這里為討論問題的方便我們假定為四邊形（其他格網(wǎng)單元的多邊形可作類似考慮），探險(xiǎn)家前進(jìn)的方向即為投石問路的石子，探險(xiǎn)家背著一個(gè)袋子，袋子里裝著前進(jìn)方向的石子。開始，探險(xiǎn)家只有一顆石子，某一個(gè)表明能夠進(jìn)入的邊界單元的石子，能夠從這一邊界單元進(jìn)入的條件是，他所帶的高程標(biāo)準(zhǔn)表明這一單元的高程比高程標(biāo)準(zhǔn)低。探險(xiǎn)家投出這顆石子從這一邊界單元進(jìn)入，進(jìn)入該單元后（對該單元做標(biāo)記，表明已經(jīng)走過），又得到三顆石子，即三個(gè)可能前進(jìn)的方向，需要對這三顆石子檢驗(yàn)是否可以繼續(xù)用于投石問路，首先檢驗(yàn)石子指明方向的單元是否具有已走過的標(biāo)志，如果有則丟棄之，如果沒有則保留，繼續(xù)下一步檢驗(yàn)。繼續(xù)檢驗(yàn)的條件是石子指明前進(jìn)方向的單元高程比所帶的高程標(biāo)準(zhǔn)是高還是低，如果高則該石子不合格，丟棄之，是低則合格，放入袋子中，袋中石子個(gè)數(shù)自動(dòng)增加。檢驗(yàn)完后，判斷袋子中的石頭個(gè)數(shù)，如果不為零，則可以繼續(xù)往下探尋，再從袋子中取出一顆石子（袋中石子個(gè)數(shù)減一），繼續(xù)投石問路，直到袋子中沒有石子為止。這樣就能遍歷整個(gè)區(qū)域，找出與入口單元相連的滿足高程標(biāo)準(zhǔn)的連通區(qū)域。從問題的收斂性上來看，這種算法是完全可以收斂的，因?yàn)樘诫U(xiǎn)家開始的本錢只有一顆石子，每前進(jìn)一步，得到得石子個(gè)數(shù)可能為0，1，2，3（別的多邊形數(shù)目可能不一樣，一定包括零），但他一定得消耗一顆用于探路的石子，所以如此不斷探尋下去，最后石子用完，連通區(qū)域也就找出來了。52給定洪量（Q）條件下的淹沒分析在進(jìn)行災(zāi)前預(yù)評估分析時(shí)可以根據(jù)可能發(fā)生的情況給定一個(gè)洪量，或者取洪水頻率對應(yīng)的流量的百分?jǐn)?shù)。在災(zāi)中評估分析時(shí)Q值可以根據(jù)流量過程曲線和潰口的分流比計(jì)算得到，有條件的地方，可以實(shí)測，不能實(shí)測的可以根據(jù)上下游水文站點(diǎn)的流量差，并考慮一定區(qū)間來水的補(bǔ)給誤差計(jì)算得到。在上述H分析方法的基礎(chǔ)上，通過