基于ArcGIS的洪水淹沒淺析——以長臺關流域為例

□汪立東 □徐兆偉 □劉繼鋒（信陽水文水資源勘測局）

0 前言

隨著社會經濟的不斷發展，自然資源被開發利用的程度也在不斷擴大，洪水災害發生的頻率以及造成的損失影響也在不斷地加深。因此，將洪水淹沒區域的范圍高效、準確、科學地進行預測、模擬與顯示出來，有利于將防洪工程的效益發揮到最大，同時采用非工程措施來減輕洪水災害，其在防洪減災方面意義重大。

文章采用ArcGIS的二次開發，將數字高程模型（DEM）作為基礎，把能夠將地形地貌要素較真實地反映出來的三維地形以及具有空間分析中的矢量柵格一體化功能的二維GIS技術這兩大優勢功能應用于模擬洪水淹沒范圍的研究中，這種通過平面模擬方法對洪水淹沒范圍進行模擬的方法，可以更加準確和科學地定位洪水淹沒范圍，同時可以在洪水風險圖形的繪制、防洪指揮調度以及洪澇災害的損失評估等方面提供較為準確的依據。

1 洪水淹沒方法淺析

1.1 無源與有源淹沒分析

洪水淹沒過程是一個涉及面廣且復雜性較強的過程，同時受到多個不同方面因素的干擾，其中干擾洪水淹沒的主要因素是洪水具有的特性和受淹區的地形地貌。

淹沒區分析可分為有源淹沒區分析和無源淹沒區分析。無源淹沒區分析是在已知高程值的情況下，將低于已知高程值的高程點，均算入淹沒區范圍，這種淹沒情形相當于在大面積范圍內的降水，并且降水量分布比較均勻，高程點低于已知點的區域都將存在積水災害發生的情形；有源淹沒區分析則要對區域內地形之間的“流通性”進行考慮，即洪水只能將它能夠流到的區域淹沒，這種淹沒情形通常用于如江河、水庫等洪水頻發區向周邊鄰域范圍內擴散的情形，特別對多山丘陵地區發生的洪水淹沒的情形分析適用。

對于在特定防洪區域的洪水淹沒，存在以下兩種淹沒形式的可能，一是漫堤式洪水淹沒，即因為特定防洪區域的洪水水位過高，高于堤防的高程值，因此通過堤頂漫過的洪水流進淹沒區，而堤防并沒有潰決的淹沒形式；另一種是潰壩式洪水淹沒，即在堤防潰決的情況下，特定防洪區域內的洪水從堤防決口處流入淹沒區的淹沒形式[2]。不管是漫堤式淹沒還是潰壩式淹沒，洪水的淹沒過程都具有動態性和多變化性，且都屬于有源淹沒。

1.2 基于隊列的種子蔓延算法

種子蔓延算法是一種基于種子空間特征的擴散探測算法，其核心理論是在確定一個種子點的情況下，由該種子點位置向四周區域擴散，從而計算能夠滿足擴散條件和分布于周圍具有流通性的點的幾何。通常對有源洪水淹沒區進行分析時，將種子點的位置設定在水庫堤壩或者江岸河岸等地。在求取淹沒區的過程中，對洪水水位的確定，高程低于水位線且同種子點區域存在連通性的點的區域，則認為是洪水淹沒地區，并且在淹沒區的求取過程中，將淹沒區以新的種子點位置向周圍蔓延，使洪水淹沒區成片相連[3]。

具體計算過程如下：首先建立一個淹沒區緩沖隊列，然后從淹沒源點，即柵格RasterPoint(x,y)開始判斷，如果源點柵格水位RasterPoint(x,y)≤FloodLevel，則將其放入到淹沒區緩沖隊列中，標記為可淹沒柵格；然后對其四周8個鄰域的柵格RasterPoint(i,j)進行搜索，把滿足條件的柵格放入淹沒區緩沖隊列中，并將隊列中的首個元素RasterPoint(x,y)彈出。現在隊列中的第一元素應該是RasterPoint(x,y)鄰域柵格中的一個，假設此柵格單元是RasterPoint(x-1,y-1)，第二次循環計算時候淹沒源點便是RasterPoint(x-1,y-1)，重復第一步運算。循環遍歷隊列所有節點，運算至淹沒緩沖區隊列為空，最終完成淹沒范圍計算。

2 洪水淹沒模擬

本次研究以長臺關小流域為例，涉及桐柏、黃岡、吳城、回龍寺、大坡嶺、胡家灣、平昌關、順河店和長臺關等9個雨量站。流域范圍內，水流主要受到地形起伏的影響，低洼處在沒有自然降水的情況下，可能因地形阻礙不會被洪水淹沒。

如圖1所示，圖中藍色表示淹沒區域。首先確定淹沒點，然后人為地根據研究區域的實際水位狀況，從中提取出高程屬性比洪水水位線低的區域，從而將連通條件符合的區域提取出來。最后將淹沒點同可能出現洪水災害的區域進行疊加分析與計算，從而獲得洪水淹沒區域的范圍，并計算得到面積。

圖1 三種形式的洪水淹沒模擬圖

3 結論

在進行洪水淹沒范圍分析時，需要進行編寫程序來實現淹沒范圍的模擬。研究根據ArcGIS的二次開發功能，對研究區域洪水淹沒過程進行模擬。本次研究模型較為精簡方便，且易于實現。尤其是對有源洪水災害淹沒區的研究，以種子蔓延算法為理論基礎與指導思想，利用簡單的功能實現復雜的地理數學模型，使其完美契合。

主要以洪水淹沒范圍預測為主，采取了DEM與當地水文數據進行評價分析，GIS數據庫較為簡單，無法對復雜的洪水災害進行綜合考量。

采用平面模擬方法進行洪水淹沒范圍的模擬是可行的。

[1]劉仁義，等.基于GIS的復雜地形洪水淹沒區計算方法[J].地理學報，2010，56（1）.

[2]金哲，等.基于GIS的洪水淹沒區分析[J].吉林水利，2014，（6）.