王念念，賈艾晨（大連理工大學水利工程學院，遼寧大連116024）

快速制作大中型水庫洪水風險圖方法研究

王念念，賈艾晨
（大連理工大學水利工程學院，遼寧大連116024）

針對大中型水庫洪水風險圖制作速度慢的情況，運用水文學與水力學相結合的方法，使用MIKE11軟件推算河道洪水水面線，利用谷地地理信息系統(tǒng)（GoodyGIS）軟件提取地面高程數(shù)據(jù)，最后在ArcGIS中結合水面線與DEM高程數(shù)據(jù)快速繪制洪水風險圖，并利用水力學法對該方法效果進行評價。以大連市臥龍水庫為例，快速繪制水庫各頻率洪水風險圖，該方法制作速度快、精度也能很好的滿足防洪減災的目的，為管理者快速制定決策，為災民迅速轉移提供技術依據(jù)。

ArcGIS；數(shù)字高程模型；快速制作；洪水淹沒圖

我國是洪澇災害頻發(fā)的國家，所帶來的各種直接和間接的經(jīng)濟損失占各種災害中非常大的比例。盡管我國各方長期以來在防洪救災中投入了大量的人力、物力和財力，并采用了一系列防洪減災工程措施［1］，但是我們對非工程措施的研究還處于起步階段。洪水風險圖作為一種非工程措施在防洪搶險救災中發(fā)揮著巨大的作用，當突發(fā)暴雨洪水時，各級政府可以根據(jù)防汛部門的洪水預報，查詢已經(jīng)完成的洪水風險圖，事先了解可能發(fā)生的災情狀況、洪水到達時間、水深以及損失狀況等 ，做到在指揮抗洪搶險中有據(jù)可查。

在洪水風險圖制作方面國外已有60多年的歷史，一些發(fā)達國家很早就開始了洪水風險圖的制作。洪水風險圖最初為紙制，制成后由政府向民眾分發(fā)。隨著信息技術的發(fā)展，GIS、RS、網(wǎng)絡技術等開始廣泛應用于洪水風險圖的制作［2］，從而提高了洪水風險圖的制作精度，同時也更加便于風險圖的發(fā)布［3］。

洪水風險圖的制作方法主要有3種:一是實際洪水調查法［4］。就是利用歷史調查資料，在地圖上勾畫出洪水淹沒范圍，注明洪水相對應的頻率，并標注一些重要位置的淹沒水深。二是水文水力學數(shù)值模擬方法［5］。就是建立數(shù)學模型，模擬洪水演進過程，從而確定不同頻率洪水淹沒范圍及水深 ，繪制洪水風險圖［6］。三是水災頻率分析法。該方法基于水災經(jīng)典曲線，建立水災頻率分析模型的。它是從水災統(tǒng)計資料入手的，量化歷史水災資料，擴充水災資料，最后依靠計算機動態(tài)研究災害的情況生成風險圖。

目前我國在洪水風險圖編制方面的研究取得了一定的成效，已經(jīng)建立了基本的洪水風險防御體系［7-8］。劉仁義等［9］介紹了基于DEM數(shù)字高程模型的有源淹沒和無源淹沒 ；袁紅梅等［10］介紹了基于GIS技術制作洪水風險圖的制作流程，并提出制作過程中的關鍵問題；劉小生等［11］利用ArcGIS借助VC.NET編程確定了洪災淹沒區(qū)域；張情等［12］在資料缺乏的情況下，利用ArcGIS技術制作中小河流典型洪水淹沒范圍和水深分布圖。但是在洪水風險圖時效性方面研究的還比較少 ，比如在洪水到來時，如何根據(jù)上游水庫來水量的大小快速做出洪水的淹沒范圍［13］，為搶險決策提供依據(jù)，還是一個難題。

針對遼寧省大中型水庫無資料地區(qū)洪水風險圖的制作，已經(jīng)做了很多的研究 ，但對于快速制作洪水風險圖的研究還比較少，本文給出了一種根據(jù)組合洪水推求設計洪水水面線，進而利用ArcGIS快速推求洪水淹沒范圍的方法，快速地完成洪水風險圖的繪制。利用水力學推求洪水淹沒的方法，與前者計算的結果進行比較分析，從而給出前者的優(yōu)缺點和改進方式。以位于遼東半島南端的臥龍水庫為例，該水庫座落在東大河上，是一座以防洪為主，兼顧養(yǎng)魚的中型水庫 ，屬海濱低丘陵地區(qū)，地勢北高南低，山勢平緩，最高170 m，一般120 m左右；全流域面積71.39 km，東大河由北向南注入黃海，全長17 km，河流平均比降5.8‰。

1 水文學與水力學結合制作洪水風險圖

1.1 MIKE11軟件推算水面線

1.1.1 MIKE11模型構建

構建MIKE11模型主要需要以下文件:斷面文件、河網(wǎng)文件、邊界文件和參數(shù)文件。

（1）斷面文件和河網(wǎng)文件

臥龍水庫斷面測量數(shù)據(jù)是從水庫大壩至黃海入海口共有17個斷面，可構建斷面文件。水庫下游河道至入?？谔師o支流匯入 ，對河網(wǎng)進行合理的概化，構建河網(wǎng)文件。

（2）邊界文件

臥龍水庫邊界條件包括上邊界和下邊界，上邊界取水庫下泄流量過程線；下邊界取河流入黃海海口處多年平均潮水位2.71 m。

（3）參數(shù)文件

查閱《水力學計算手冊》［14］初步確定模型糙率，臥龍水庫下游河道主河道內主槽多為砂礫或卵石，摩擦系數(shù)不大，模型中糙率定為0.03。

1.1.2 計算結果

利用MIKE11模型計算出臥龍水庫100 a和500 a一遇洪水水面線，如圖1所示。

1.2 GIS制作風險圖

1.2.1 地形處理

地形資料在洪水風險圖制作過程中至關重要，臥龍水庫流域地形資料缺乏，只有大連市水科所提供的缺乏高程屬性的萬分之一地形圖，不能作為基礎地形資料。本文利用谷地地理信息系統(tǒng)（Goody-GIS）軟件提取臥龍水庫流域等高線地形資料，并與萬分之一地形圖進行疊加，調整等高線圖與萬分之一地圖相重合，之后在ArcGIS中將地形資料轉換成DEM高程數(shù)據(jù)進行后續(xù)淹沒分析，DEM高程圖如圖2所示。

圖1不同頻率洪水對應設計水面線模擬成果圖

圖2 DEM高程數(shù)據(jù)

1.2.2 洪水淹沒范圍繪制

（1）淹沒范圍顯示

DEM數(shù)字高程模型建立之后，疊加處理后的萬分之一工作底圖，之后運用ArcGIS中柵格計算器進行計算。DEM柵格數(shù)據(jù)每一個柵格都代表一個地面高程［15］，運用柵格計算器，選擇“圖層和變量”列表，雙擊DEM高程數(shù)據(jù)圖層，再選擇“＜=”按鈕，在列表中輸入上述河道水面線中第一個斷面水位，運行柵格計算器，此時柵格計算器會將DEM高程數(shù)據(jù)和第一個斷面水位做減法運算，小于零的網(wǎng)格即被洪水淹沒的區(qū)域會用不同顏色顯示出來，得到每個格網(wǎng)的值即為淹沒水深［16］。

（2）淹沒范圍繪制

斷面淹沒范圍顯示后 ，建立面要素，開啟編輯模式，將第一個斷面附近被淹沒區(qū)域，沿著淹沒范圍邊界繪出，同時要結合工作底圖上的地形 ，如果被淹沒的區(qū)域包括山包、主干道公路或地勢較突出的區(qū)域，淹沒范圍邊界就要沿著山腳下或者公路邊沿，保證山包和公路等不被淹沒。重復上述操作繪制第二個斷面淹沒范圍，相鄰兩個斷面之間淹沒范圍平緩過渡，淹沒區(qū)域邊界應平緩繪出 ，其他斷面水位的淹沒范圍按上述方法繪制。

（3）淹沒范圍渲染

所有斷面淹沒范圍繪出后，該頻率洪水淹沒范圍就在該面要素上顯示了，之后對該淹沒范圍進行渲染。本文采用陰影表示淹沒區(qū)域，用以明顯區(qū)分淹沒區(qū)域和其他地形；經(jīng)過多次調整之后顯示度選擇30%，可以清晰顯示工作底圖，便于分析被淹沒的村莊和需轉移的人口數(shù)量。經(jīng)過上述渲染后得到臥龍水庫洪水淹沒范圍，如圖3、圖4所示。

圖3 水文學與水力學結合法制作臥龍水庫100 a 一遇洪水淹沒范圍風險圖

圖4 水文學與水力學結合法制作臥龍水庫500 a一遇洪水淹沒范圍風險圖

利用河道水面線在ArcGIS中顯示淹沒范圍，這種方法制作起來較方便快捷，并且對地形數(shù)據(jù)要求不太高，能夠快速方便的顯示洪水淹沒范圍 ，在緊急情況下能夠快速的為管理者決策提供依據(jù)，并為防洪減災節(jié)省更多的時間。該方法可以快速掌握典型洪水的災情，為流域逃生避險、防洪規(guī)劃、土地利用規(guī)劃等提供參考，適用于資料缺乏的中小河流的洪水風險分析。

2 制作結果的效率評價

為了對該方法制作洪水風險圖的效率進行評價分析，本文運用水力學制作風險圖的方法，從制作精度和速度上對該方法進行評價分析。

2.1 水力學法制作洪水風險圖

地形基礎資料處理:利用谷地地理信息系統(tǒng)提取的等高線地形精度不夠高，對萬分之一地形圖上的等高線重新賦予高程屬性，從而建立基礎地形文件。

MIKE21建模:建模主要包括地形文件的處理、阻水地物的添加和區(qū)域糙率的確定。地形文件在上節(jié)中已經(jīng)生成。研究區(qū)域內不能起到阻水作用的地物，無需添加。依據(jù)《洪水風險圖編制導則》［17］（SL483-2010）取糙率值0.03。

一、二維水動力模型耦合:MIKE21模型建立之后，和水文學與水力學法中建立的MIKE11模型利用MIKE FLOOD軟件實現(xiàn)MIKE11和MIKE21水動力模型的耦合，實現(xiàn)洪水淹沒的模擬。

淹沒范圍的顯示:MIKE FLOOD模型計算出了臥龍水庫100 a和500 a的淹沒范圍，之后在GIS中對淹沒區(qū)域進行顯示和渲染，如圖5、圖6所示。

圖5 水力學法制作臥龍水庫100 a一遇洪水淹沒范圍風險圖

2.2 結果分析

在淹沒范圍方面，由圖3～圖6可以看出，兩種方法計算出的淹沒范圍相差不太大。由于水文學與水力學結合的方法確定洪水淹沒范圍的過程中不考慮地物的糙率和水量損失 ，所以淹沒范圍必然偏大，所得結果相對于水力學計算的方法偏向于保守，兩者淹沒面積相差不超過20%，如表1所示。

圖6 水力學法制作臥龍水庫500 a一遇洪水淹沒范圍風險圖

表1兩種方法淹沒面積比較

在時間效率方面，水文學與水力學相結合法在求解淹沒范圍上大大縮短了時間，特別是在風險圖繪制方面。MIKE11模型建立之后，水文學和水力學相結合的方法直接利用MIKE11推算的水面線在ArcGIS中進行繪制，兩個小時就能完成臥龍水庫各頻率風險圖的制作；而水力學方法在MIKE11模型建立之后，需要建立MIKE21模型，之后在MIKE FLOOD中軟件進行耦合計算，對電腦配置要求較高計算速度較慢，最后在ArcGIS中顯示和渲染，需要一天的時間完成。

因此運用水文學與水力學相結合的方法，省去了繁瑣的過程，占用計算機內存小，大大縮短了繪制時間并且制作精度也能滿足防洪減災的需求，當洪水到來時為管理者決策和災民轉移節(jié)省了更多的時間。

3 結 論

針對大中型水庫無資料地區(qū)洪水風險圖的制作，提出了水文學和水力學相結合的方法，可以在地形資料缺乏的條件下，數(shù)小時內快速完成洪水風險圖，便于快速掌握典型洪水災情，為防洪規(guī)劃、土地利用規(guī)劃等提供參考，特別是為管理者快速作出防洪避險決策提供科學依據(jù)。該方法與水力學法相比，淹沒范圍稍大，計算結果偏保守。該方法已經(jīng)用于大連市大中型水庫洪水風險圖的制作 ，其制作原理也可用于完成流域風險圖的制作，提高了風險圖的制作效率。

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Research on Quick Mapping of Flood Inundated Areas for Large and Medium Reservoirs

WANG Nian-nian，JIA Ai-chen
（School of Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning 116024，China）

Regarding to the slow mapping of flood inundated areas for large and medium reservoirs，the method combining hydrology and hydraulics means was developed.Firstly，the water surface line was calculated by adopting MIKE11.Secondly，GoodyGIS was utilized to extract ground elevation data，and then the flood inundated areas were quickly mapped in ArcGIS combining the data of the water line and elevation obtained from the 2 softwares mentioned above.Finally，the calculation results were checked by hydraulic method.This new method was verified by the mapping of Dalian Wolong Reservoir，in which the flood inundated areas of different frequency were developed.This method possesses the merits of high speed and precision which would meet the requirement of flood control and disaster mitigation.And it will provide the scientific basis for the authorities to make decisions quickly and for the people who live in the flood inundated areas to relocate rapidly.

ArcGIS；DEM；quickly mapping；the map of flood inundated areas

TV62

A

1672—1144（2015）02—0086—04

10.3969/j.issn.1672-1144.2015.02.018

2014-11-07

2014-12-10

王念念（1989—），女，河南開封人，碩士研究生，研究方向為洪水風險分析與風險圖編制。E-mail:wnnian@163.com通信作者 :賈艾晨（1962—），女，山東萊州人，博士 ，教授 ，主要從事洪水風險分析的教學與科研工作。E-mail:jiaac@126.com