基于ArcMap潰堰洪水風(fēng)險(xiǎn)可視化建模及其應(yīng)用

程 毅，劉 全,3，胡志根，吳文洪，楊 虎(.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 43007；.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，長沙 4004；3.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 44300)

水電工程潰堰事故具有突發(fā)性，施工導(dǎo)流系統(tǒng)設(shè)計(jì)中預(yù)知圍堰潰決風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)損失有著重要意義，潰堰洪水風(fēng)險(xiǎn)圖可直觀地反映潰堰后洪水淹沒程度及范圍，為分析風(fēng)險(xiǎn)損失提供技術(shù)支撐。Van Alphen J、Meyer V、Todini E等[1-3]進(jìn)行洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制的研究，預(yù)見超標(biāo)洪水災(zāi)害影響程度，國內(nèi)施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)研究取得較多成果，胡志根、范錫峨、張超、薛進(jìn)平等[4-7]介紹多種施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)理論，提出不同施工環(huán)境導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算方法，但理論計(jì)算成果不具有直觀性，在社會(huì)教育及培育洪水風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)方面有著局限性；許有鵬、王艷艷、陳璐佳等[8-10]針對流域發(fā)生常規(guī)洪水，對洪水風(fēng)險(xiǎn)圖在各流域中的應(yīng)用做有益探索，為非常規(guī)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖研究提供了參考，王曉航等[11]對水庫發(fā)生潰壩時(shí)，在Visual Basic平臺(tái)，利用ArcEngine組件編制下游河道洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，但針對壩體潰決且涉及GIS的二次開發(fā)，技術(shù)路徑復(fù)雜。

本文基于ArcMap平臺(tái)針對圍堰潰決下游河道洪水進(jìn)行可視化研究，在潰堰洪水?dāng)?shù)值模擬基礎(chǔ)上，建立河道水面柵格數(shù)據(jù)模型耦合地形柵格數(shù)據(jù)模型進(jìn)行空間分析及可視化表征，構(gòu)建潰堰風(fēng)險(xiǎn)可視化模型，為優(yōu)選導(dǎo)流方案及工程安全管理提供高效的技術(shù)支撐。

1 潰堰洪水風(fēng)險(xiǎn)可視化模型

1.1 基于ArcMap潰堰洪水風(fēng)險(xiǎn)可視化模型

基于ArcMap潰堰洪水風(fēng)險(xiǎn)可視化模型分析洪水水面和庫區(qū)地面的空間位置關(guān)系以及分析結(jié)果的可視化表征，分為兩個(gè)模塊，空間數(shù)據(jù)分析及分析結(jié)果可視化表征。潰堰洪水風(fēng)險(xiǎn)可視化模型如圖1所示。

圖1 基于ArcMap潰堰洪水風(fēng)險(xiǎn)可視化模型Fig.1 Visualization model in flood risk of cofferdam-break based on ArcMap

在空間數(shù)據(jù)分析模塊中，關(guān)鍵的兩類數(shù)據(jù)是水面柵格數(shù)據(jù)和地面柵格數(shù)據(jù)，兩者統(tǒng)一在空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)上，以規(guī)則的陣列數(shù)據(jù)組織表示空間地物分布，以二維數(shù)字矩陣分析法作為空間運(yùn)算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。建立庫區(qū)地形柵格數(shù)據(jù)模型，確定基準(zhǔn)坐標(biāo)系統(tǒng)，配準(zhǔn)數(shù)據(jù)位置，對重疊覆蓋區(qū)域進(jìn)行空間位置分析，以數(shù)學(xué)矩陣運(yùn)算規(guī)則求解庫區(qū)淹沒水深，進(jìn)而運(yùn)算庫區(qū)重疊范圍內(nèi)水深值，建立以水深為屬性量值的柵格數(shù)據(jù)模型，確定柵格數(shù)據(jù)模型最佳分辨率，模擬淹沒水深場?？臻g數(shù)據(jù)分析是潰堰洪水風(fēng)險(xiǎn)可視化的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

可視化表征包括庫區(qū)數(shù)字地形可視化及淹沒水深場可視化，兩者對屬性量值差異的表達(dá)要求不同，數(shù)字地形可視化要求漸變表達(dá)地形高程分布差異，可直接給不同的地類賦以相應(yīng)的編碼，通過地物屬性碼與相應(yīng)符號(hào)編碼的匹配實(shí)現(xiàn)地形要素的符號(hào)化。而淹沒水深場可視化要求在一個(gè)較窄水深變化區(qū)間分級(jí)表現(xiàn)水深分布情況，先進(jìn)行等深線勾畫，以等深線為依據(jù)將水深場屬性量值劃分若干級(jí)別，用隔斷色彩匹配不同數(shù)值范圍，反映淹沒水深場的定量差異。

1.2 基于ArcMap潰堰洪水風(fēng)險(xiǎn)可視化模型構(gòu)建

1.2.1潰堰洪水?dāng)?shù)據(jù)

潰堰洪水演進(jìn)基本問題是水力要素隨時(shí)間和空間的演變規(guī)律，鑒于潰堰洪水流量遠(yuǎn)比常規(guī)河流入流量大，忽略側(cè)向入流影響，潰堰水流一維非恒定流控制方程：

(2)

式中：Sf為摩阻坡降；Sx為底坡正弦值；V為水流行進(jìn)速度；x為河道沿程距離；Q為斷面流量。

采用6點(diǎn)Abbott隱式差分格式離散化處理，模擬潰堰洪水演進(jìn)過程獲取沿程河道潰堰洪水水位數(shù)據(jù)。模擬計(jì)算初值條件采用圍堰設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水，包括洪峰流量及初始水深。

1.2.2柵格數(shù)據(jù)模型

空間數(shù)據(jù)(如水面線，等高線等)以矢量結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存，以三維方式建立水面及地面矢量數(shù)據(jù)模型(TIN)。矢量模型包含高程、坡度等信息，用于處理在不同位置上多種數(shù)據(jù)復(fù)合分析十分復(fù)雜。因此為精簡顯示信息加快運(yùn)算速度，將矢量模型轉(zhuǎn)化為以高程為屬性的水面及地面柵格數(shù)據(jù)模型(Grid)。柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織以規(guī)則的陣列來表示空間地物或現(xiàn)象分布：

(4)

Gf=L(Gg,Gw)

(5)

式中：Gf為淹沒水深場柵格數(shù)據(jù)模型；Gg、Gw分別為庫區(qū)地面柵格數(shù)據(jù)模型、水面柵格數(shù)據(jù)模型；aij、bij為各柵格數(shù)據(jù)模型像元屬性值；L表示柵格數(shù)據(jù)模型運(yùn)算函數(shù)。柵格數(shù)據(jù)空間分析以二維數(shù)字矩陣分析法為基礎(chǔ)，具有相同輸入像元的兩個(gè)或多個(gè)柵格數(shù)據(jù)逐單元按照關(guān)系函數(shù)運(yùn)算，淹沒水深場是對水面柵格模型和地面柵格數(shù)據(jù)模型空間位置分析后的成果。

淹沒水深場柵格數(shù)據(jù)模型具有與地面柵格數(shù)據(jù)模型相同分辨率，是以量化和近似離散數(shù)據(jù)模擬逼近面狀分布對象，對柵格表面進(jìn)行反距離插值[12]以生成連續(xù)且規(guī)則的柵格面。設(shè)平面上分布N個(gè)離散點(diǎn)(Xi,Yi,Zi)其中(i=0,1,2,…,n)：

(6)

式中：Z為待估計(jì)值；Zi為第i個(gè)樣本的屬性量值；di為各離散點(diǎn)至待插值點(diǎn)的距離；參數(shù)p為距離的方次，取值1.0～6.0之間，本模型取值2.0。

1.2.3柵格模型最佳分辨率

水面柵格模型和庫區(qū)地形柵格模型位置匹配具有相同的分辨率。選取合適的分辨率既可使生成的柵格如實(shí)反映和描述地貌地形特征，又可避免引入新誤差。柵格模型最佳分辨率的研究成果較多。本文采用楊勤科等[13]提出基于地貌學(xué)原理，以讀取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)所有信息和有效表達(dá)地貌特征為目標(biāo)，利用多種柵格坡度均方差-柵格尺寸曲線關(guān)系，結(jié)合對插值柵格上地貌特征的分析，確定最佳柵格模型分辨率。簡單滿足為兩個(gè)條件：與原生等高線吻合，如實(shí)反映地形特征；不能因分辨率過高出現(xiàn)沿等高線方向的明顯紋理特征。

1.2.4淹沒水深場分級(jí)

淹沒水深場柵格面上根據(jù)淺點(diǎn)相近原則[14]劃定等深線，依據(jù)等深線確定水深分級(jí)等深線，分級(jí)等深線將淹沒水深場分成不同等級(jí)的淹沒水深區(qū)域。

1.2.5對象符號(hào)化

空間分析結(jié)果可視化表征關(guān)鍵環(huán)節(jié)是對象符號(hào)化。據(jù)拓?fù)溆成湓?，設(shè)x∈A∈X是三維空間X中制圖區(qū)域A內(nèi)的制圖物體，存在從三維空間X到地球橢球面S的映射f：X→S和地球橢球面S到制圖者的認(rèn)知結(jié)構(gòu)Y的映射g：S→Y以及從制圖者的認(rèn)知結(jié)構(gòu)Y到二維平面Z映射q：Y→Z。x在f,g,q三重拓?fù)溆成湎碌钠矫嫦駋gf(x)∈qgf(Z)?Z稱為制圖對象x的地圖符號(hào)化[15]。

潰堰洪水風(fēng)險(xiǎn)可視化模型分類分級(jí)及具象化，包括Gf、Gg；兩者對于量值差異可視化表達(dá)要求不同，數(shù)字地形Gg符號(hào)化較為常規(guī)，可直接采用國家地形圖圖示標(biāo)準(zhǔn)中的地理要素分類及編碼，直接給不同的地類賦以相應(yīng)的編碼，通過地物屬性碼與相應(yīng)符號(hào)編碼的匹配實(shí)現(xiàn)地形要素的符號(hào)化表達(dá)，如圖2所示。

圖2 地類要素符號(hào)化表達(dá)流程Fig.2 Technological process of symbolic expression for geographical elements

淹沒水深場Gf可視化表征要求較窄水深變化區(qū)間表現(xiàn)水深分布情況，在輪廓線(等深線)范圍內(nèi)配置不同的面狀符號(hào)，面狀地圖符號(hào)由邊界線和邊界線內(nèi)填充圖形組成。在1∶M比例尺條件下，面狀地圖符號(hào)描述如下：

P=Mqgf(L,F)

(7)

式中：P為面狀地圖符號(hào)；M為符號(hào)比例尺；qgf為符號(hào)生成函數(shù)；L為符號(hào)邊界線；F為符號(hào)邊界線內(nèi)所有填充圖形。

(8)

f(x)=M2qgf(x)

(9)

式中：F為面狀地圖符號(hào)邊界內(nèi)的所有填充圖形；Xi,Xk為構(gòu)成面狀地圖符號(hào)邊界線內(nèi)的填充圖形；R為面狀地圖符號(hào)邊界線內(nèi)填充圖形Xi,Xk之間的位置依賴關(guān)系；Yj為面狀地圖符號(hào)填充圖形的描述信息的屬性。

符合上述條件P為制圖物體x依比例面狀地圖符號(hào)，按照水深分布形狀確定P基本形狀，以P顏色區(qū)分屬性量值，明確淹沒區(qū)域間的水深定量差異，表達(dá)不同區(qū)域的水深分布。

2 工程實(shí)例

2.1 基礎(chǔ)資料

2.1.1工程概況

拉哇水電站是金沙江上游13級(jí)開發(fā)方案中第8級(jí)，上游為葉巴灘水電站，下游為巴塘水電站。設(shè)計(jì)方案推薦壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高234.00 m，裝機(jī)容量2 000 MW，水庫正常蓄水位2 702.00 m，相應(yīng)庫容19.93億m3，屬Ⅰ等大(1)型工程。經(jīng)綜合分析，拉哇水電站施工導(dǎo)流初擬一次攔斷河床、隧洞導(dǎo)流方式，使用土石類圍堰全年擋水，有兩種備選修筑方案：30年一遇擋水標(biāo)準(zhǔn)和50年一遇擋水標(biāo)準(zhǔn)，需對兩種修筑標(biāo)準(zhǔn)下的潰決洪水進(jìn)行研究，制作潰堰洪水淹沒風(fēng)險(xiǎn)圖，為后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)分析及優(yōu)選導(dǎo)流方案提供技術(shù)支撐。圍堰修筑結(jié)構(gòu)圖3所示。

圖3 圍堰修筑結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Cofferdam structure

2.1.2下游河道地形數(shù)據(jù)

拉哇水電站庫區(qū)數(shù)字地形圖等高距為5 m，比例尺為1∶5 000。下游河道處于高山峽谷中，沿岸地形陡峻，河谷斷面呈“V”型，蓄洪量小，洪水期水位變化劇烈。庫區(qū)河道幾處較大堆積體如圖4示，有出現(xiàn)滑坡的可能，確定為典型斷面，需要表達(dá)出水深等信息。

堰址至下游巴塘壩址(洪水研究邊界)共19 km，本次研究初擬50個(gè)斷面，根據(jù)不同地形變化條件適當(dāng)增減，最終確定56個(gè)計(jì)算斷面，采集各斷面地理位置信息，構(gòu)建下游河槽地形數(shù)字模型。

圖4 河道沿程典型斷面位置示意圖Fig.4 Diagram location of typical section in river

2.1.3潰堰洪水河槽沿程水面數(shù)據(jù)

經(jīng)潰堰洪水演算，得到兩種擋水標(biāo)準(zhǔn)下的圍堰漫頂潰決后河槽剖面洪水沿程最高水面線(如圖5示)。

圖5 不同擋水標(biāo)準(zhǔn)圍堰漫頂潰決洪水沿程水面線Fig.5 Water surface profile of cofferdam-break at different retaining standard

2.2 潰堰洪水風(fēng)險(xiǎn)圖

參照參考文獻(xiàn)[13]中典型丘陵地區(qū)數(shù)字地形圖(比例尺為1∶1萬，等高距5 m)提出拉哇電站庫區(qū)柵格數(shù)據(jù)模型初始分辨率為2.5 m。經(jīng)合理性驗(yàn)證，最終確定柵格模型最佳分辨率為1m。建立水面柵格數(shù)據(jù)模型，耦合庫區(qū)地形柵格數(shù)據(jù)模型空間分析，對分析成果可視化表征，編制潰堰洪水風(fēng)險(xiǎn)圖(如圖6、圖7示)。

圖6 30年一遇擋水標(biāo)準(zhǔn)圍堰潰決洪水風(fēng)險(xiǎn)圖Fig.6 The flood risk mapping of cofferdam-break at 30-years retaining standard

圖7 50年一遇擋水標(biāo)準(zhǔn)圍堰潰決洪水風(fēng)險(xiǎn)圖Fig.7 The flood risk mapping of cofferdam-break at 50-years retaining standard

圖6、圖7中顯示2種不同擋水標(biāo)準(zhǔn)圍堰潰決對下游庫區(qū)影響，即潰堰洪水發(fā)生下游河道淹沒范圍及水深分布情況：洪水淹沒區(qū)域呈狹長帶狀分布，呈現(xiàn)從河道岸坡往河槽軸線方向顏色加深，水深逐漸變大現(xiàn)象，反映山區(qū)河流潰堰洪水集中河槽分布特點(diǎn)；對比兩幅圖，50年一遇的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖要比30年一遇的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖中洪水淹沒范圍及最大淹沒水深區(qū)域面積大，也說明50年一遇擋水標(biāo)準(zhǔn)圍堰比30年一遇擋水標(biāo)準(zhǔn)圍堰堰頂高程高，堰前庫容水量要大的特點(diǎn)。

3 結(jié) 語

本文利用ArcMap空間數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)聯(lián)合分析功能，建立水面及地面柵格模型，模擬淹沒水深場，構(gòu)建潰堰洪水風(fēng)險(xiǎn)可視化模型：利用柵格數(shù)據(jù)模型替代矢量數(shù)據(jù)模型做空間分析，提高計(jì)算速度，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地形的適用性及空間分析位置配準(zhǔn)方法的通用性；對淹沒水深場柵格模型進(jìn)行表面插值處理，選取最佳柵格數(shù)據(jù)模型分辨率，考慮庫區(qū)淹沒區(qū)域的水深分布；同時(shí)提出劃定等深線作為判定淹沒水深分級(jí)的依據(jù)，使水深分級(jí)區(qū)域符號(hào)化更為準(zhǔn)確客觀。拉哇工程實(shí)例說明模型的實(shí)用性，可為評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)損失及工程安全管理提供技術(shù)支持。

□

致謝：中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司蔡昌光教高、石青春教高對本文進(jìn)行了指導(dǎo)，武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室揚(yáng)子、盧政佐、何文欽等研究生參與部分?jǐn)?shù)據(jù)處理工作，在此一并感謝！

[1] Van Alphen J, Martini F, Loat R, et al. Flood risk mapping in Europe, experiences and best practices[J]. Journal of Flood Risk Management, 2009,(4):285-292.

[2] Meyer V, Scheuer S, Haase D. A Multicriteria Approach For Flood Risk Mapping Exemplified At The Mulde River, Germany[J]. Natural Hazards, 2009,(1):17-39.

[3] Todini E. An operational decision support system for flood risk mapping, forecasting and management[J]. Urban Water, 1999,1(2):131-143.

[4] 胡志根，劉 全，賀昌海，等. 基于Monte-Carlo 方法的土石圍堰擋水導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2002,(5):634-638.

[5] 范錫峨，胡志根，靳 鵬.基于Monte-Carlo方法的施工導(dǎo)流系統(tǒng)綜合風(fēng)險(xiǎn)分析[J]. 水科學(xué)進(jìn)展, 2007,(4):604-608.

[6] 張 超，胡志根，劉 全. 基于實(shí)測洪水系列和最小熵方法的施工導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2012, (3):296-300.

[7] 薛進(jìn)平，胡志根. 施工洪水變化條件下的導(dǎo)流風(fēng)險(xiǎn)測度模型[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版, 2014，(2):189-192.

[8] 許有鵬，李立國，蔡國民，等. GIS支持下中小流域洪水風(fēng)險(xiǎn)圖系統(tǒng)研究[J]. 地理科學(xué), 2004，(4):452-457.

[9] 王艷艷，韓 松，喻朝慶，等. 太湖流域未來洪水風(fēng)險(xiǎn)及土地風(fēng)險(xiǎn)管理減災(zāi)效益評(píng)估[J]. 水利學(xué)報(bào), 2013，(3):327-335.

[10] 陳璐佳，羅小龍，許有鵬. 洪水風(fēng)險(xiǎn)圖對鄞東南平原區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展作用分析[J]. 中國農(nóng)村水利水電，2014，(12)：96-99,108.

[11] 王曉航，李 雷，盛金保，等. 基于DTM的潰壩風(fēng)險(xiǎn)圖編制技術(shù)[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào), 2008，(4): 61-65.

[12] 何 龑，傅德平，趙志敏，等. 基于GIS的新疆降水空間插值方法分析[J]. 水土保持研究，2008，(6):35-37.

[13] 楊勤科, 張彩霞, 李領(lǐng)濤, 等. 基于信息含量分析法確定DEM分辨率的方法研究[J].長江科學(xué)院院報(bào),2006,(5):21-22,28.

[14] 張立華. 港口工程水深測量中的不規(guī)則區(qū)域、任意方向、不等尺度網(wǎng)格法追蹤等深線研究[J]. 水運(yùn)工程, 2005，(4):9-13.

[15] 楊 濤. 地理空間信息符號(hào)化表達(dá)研究[D]. 蘭州：蘭州交通大學(xué), 2011.