基于ArcMap潰堰洪水風險可視化建模及其應用

程 毅，劉 全,3，胡志根，吳文洪，楊 虎(.武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 43007；.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 4004；3.三峽地區地質災害與生態環境湖北省協同創新中心，湖北 宜昌 44300)

水電工程潰堰事故具有突發性，施工導流系統設計中預知圍堰潰決風險，評估風險損失有著重要意義，潰堰洪水風險圖可直觀地反映潰堰后洪水淹沒程度及范圍，為分析風險損失提供技術支撐。Van Alphen J、Meyer V、Todini E等[1-3]進行洪水風險圖編制的研究，預見超標洪水災害影響程度，國內施工導流風險研究取得較多成果，胡志根、范錫峨、張超、薛進平等[4-7]介紹多種施工導流風險理論，提出不同施工環境導流風險計算方法，但理論計算成果不具有直觀性，在社會教育及培育洪水風險意識方面有著局限性；許有鵬、王艷艷、陳璐佳等[8-10]針對流域發生常規洪水，對洪水風險圖在各流域中的應用做有益探索，為非常規洪水風險圖研究提供了參考，王曉航等[11]對水庫發生潰壩時，在Visual Basic平臺，利用ArcEngine組件編制下游河道洪水風險圖，但針對壩體潰決且涉及GIS的二次開發，技術路徑復雜。

本文基于ArcMap平臺針對圍堰潰決下游河道洪水進行可視化研究，在潰堰洪水數值模擬基礎上，建立河道水面柵格數據模型耦合地形柵格數據模型進行空間分析及可視化表征，構建潰堰風險可視化模型，為優選導流方案及工程安全管理提供高效的技術支撐。

1 潰堰洪水風險可視化模型

1.1 基于ArcMap潰堰洪水風險可視化模型

基于ArcMap潰堰洪水風險可視化模型分析洪水水面和庫區地面的空間位置關系以及分析結果的可視化表征，分為兩個模塊，空間數據分析及分析結果可視化表征。潰堰洪水風險可視化模型如圖1所示。

圖1 基于ArcMap潰堰洪水風險可視化模型Fig.1 Visualization model in flood risk of cofferdam-break based on ArcMap

在空間數據分析模塊中，關鍵的兩類數據是水面柵格數據和地面柵格數據，兩者統一在空間數據存儲結構上，以規則的陣列數據組織表示空間地物分布，以二維數字矩陣分析法作為空間運算的數學基礎。建立庫區地形柵格數據模型，確定基準坐標系統，配準數據位置，對重疊覆蓋區域進行空間位置分析，以數學矩陣運算規則求解庫區淹沒水深，進而運算庫區重疊范圍內水深值，建立以水深為屬性量值的柵格數據模型，確定柵格數據模型最佳分辨率，模擬淹沒水深場。空間數據分析是潰堰洪水風險可視化的關鍵和基礎。

可視化表征包括庫區數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要求不同，數字地形可視化要求漸變表達地形高程分布差異，可直接給不同的地類賦以相應的編碼，通過地物屬性碼與相應符號編碼的匹配實現地形要素的符號化。而淹沒水深場可視化要求在一個較窄水深變化區間分級表現水深分布情況，先進行等深線勾畫，以等深線為依據將水深場屬性量值劃分若干級別，用隔斷色彩匹配不同數值范圍，反映淹沒水深場的定量差異。

1.2 基于ArcMap潰堰洪水風險可視化模型構建

1.2.1潰堰洪水數據

潰堰洪水演進基本問題是水力要素隨時間和空間的演變規律，鑒于潰堰洪水流量遠比常規河流入流量大，忽略側向入流影響，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為水流行進速度；x為河道沿程距離；Q為斷面流量。

采用6點Abbott隱式差分格式離散化處理，模擬潰堰洪水演進過程獲取沿程河道潰堰洪水水位數據。模擬計算初值條件采用圍堰設計標準洪水，包括洪峰流量及初始水深。

1.2.2柵格數據模型

空間數據(如水面線，等高線等)以矢量結構儲存，以三維方式建立水面及地面矢量數據模型(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據復合分析十分復雜。因此為精簡顯示信息加快運算速度，將矢量模型轉化為以高程為屬性的水面及地面柵格數據模型(Grid)。柵格數據結構組織以規則的陣列來表示空間地物或現象分布：

(4)

Gf=L(Gg,Gw)

(5)

式中：Gf為淹沒水深場柵格數據模型；Gg、Gw分別為庫區地面柵格數據模型、水面柵格數據模型；aij、bij為各柵格數據模型像元屬性值；L表示柵格數據模型運算函數。柵格數據空間分析以二維數字矩陣分析法為基礎，具有相同輸入像元的兩個或多個柵格數據逐單元按照關系函數運算，淹沒水深場是對水面柵格模型和地面柵格數據模型空間位置分析后的成果。

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

(6)

式中：Z為待估計值；Zi為第i個樣本的屬性量值；di為各離散點至待插值點的距離；參數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]提出基于地貌學原理，以讀取基礎數據所有信息和有效表達地貌特征為目標，利用多種柵格坡度均方差-柵格尺寸曲線關系，結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。簡單滿足為兩個條件：與原生等高線吻合，如實反映地形特征；不能因分辨率過高出現沿等高線方向的明顯紋理特征。

1.2.4淹沒水深場分級

淹沒水深場柵格面上根據淺點相近原則[14]劃定等深線，依據等深線確定水深分級等深線，分級等深線將淹沒水深場分成不同等級的淹沒水深區域。

1.2.5對象符號化

空間分析結果可視化表征關鍵環節是對象符號化。據拓撲映射原理，設x∈A∈X是三維空間X中制圖區域A內的制圖物體，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到制圖者的認知結構Y的映射g：S→Y以及從制圖者的認知結構Y到二維平面Z映射q：Y→Z。x在f,g,q三重拓撲映射下的平面像qgf(x)∈qgf(Z)?Z稱為制圖對象x的地圖符號化[15]。

潰堰洪水風險可視化模型分類分級及具象化，包括Gf、Gg；兩者對于量值差異可視化表達要求不同，數字地形Gg符號化較為常規，可直接采用國家地形圖圖示標準中的地理要素分類及編碼，直接給不同的地類賦以相應的編碼，通過地物屬性碼與相應符號編碼的匹配實現地形要素的符號化表達，如圖2所示。

圖2 地類要素符號化表達流程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間表現水深分布情況，在輪廓線(等深線)范圍內配置不同的面狀符號，面狀地圖符號由邊界線和邊界線內填充圖形組成。在1∶M比例尺條件下，面狀地圖符號描述如下：

P=Mqgf(L,F)

(7)

式中：P為面狀地圖符號；M為符號比例尺；qgf為符號生成函數；L為符號邊界線；F為符號邊界線內所有填充圖形。

(8)

f(x)=M2qgf(x)

(9)

式中：F為面狀地圖符號邊界內的所有填充圖形；Xi,Xk為構成面狀地圖符號邊界線內的填充圖形；R為面狀地圖符號邊界線內填充圖形Xi,Xk之間的位置依賴關系；Yj為面狀地圖符號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，按照水深分布形狀確定P基本形狀，以P顏色區分屬性量值，明確淹沒區域間的水深定量差異，表達不同區域的水深分布。

2 工程實例

2.1 基礎資料

2.1.1工程概況

拉哇水電站是金沙江上游13級開發方案中第8級，上游為葉巴灘水電站，下游為巴塘水電站。設計方案推薦壩型為混凝土面板堆石壩，最大壩高234.00 m，裝機容量2 000 MW，水庫正常蓄水位2 702.00 m，相應庫容19.93億m3，屬Ⅰ等大(1)型工程。經綜合分析，拉哇水電站施工導流初擬一次攔斷河床、隧洞導流方式，使用土石類圍堰全年擋水，有兩種備選修筑方案：30年一遇擋水標準和50年一遇擋水標準，需對兩種修筑標準下的潰決洪水進行研究，制作潰堰洪水淹沒風險圖，為后續風險分析及優選導流方案提供技術支撐。圍堰修筑結構圖3所示。

圖3 圍堰修筑結構圖Fig.3 Cofferdam structure

2.1.2下游河道地形數據

拉哇水電站庫區數字地形圖等高距為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。庫區河道幾處較大堆積體如圖4示，有出現滑坡的可能，確定為典型斷面，需要表達出水深等信息。

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個斷面，根據不同地形變化條件適當增減，最終確定56個計算斷面，采集各斷面地理位置信息，構建下游河槽地形數字模型。

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據

經潰堰洪水演算，得到兩種擋水標準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 不同擋水標準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 潰堰洪水風險圖

參照參考文獻[13]中典型丘陵地區數字地形圖(比例尺為1∶1萬，等高距5 m)提出拉哇電站庫區柵格數據模型初始分辨率為2.5 m。經合理性驗證，最終確定柵格模型最佳分辨率為1m。建立水面柵格數據模型，耦合庫區地形柵格數據模型空間分析，對分析成果可視化表征，編制潰堰洪水風險圖(如圖6、圖7示)。

圖6 30年一遇擋水標準圍堰潰決洪水風險圖Fig.6 The flood risk mapping of cofferdam-break at 30-years retaining standard

圖7 50年一遇擋水標準圍堰潰決洪水風險圖Fig.7 The flood risk mapping of cofferdam-break at 50-years retaining standard

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

3 結 語

本文利用ArcMap空間數據及屬性數據聯合分析功能，建立水面及地面柵格模型，模擬淹沒水深場，構建潰堰洪水風險可視化模型：利用柵格數據模型替代矢量數據模型做空間分析，提高計算速度，實現復雜地形的適用性及空間分析位置配準方法的通用性；對淹沒水深場柵格模型進行表面插值處理，選取最佳柵格數據模型分辨率，考慮庫區淹沒區域的水深分布；同時提出劃定等深線作為判定淹沒水深分級的依據，使水深分級區域符號化更為準確客觀。拉哇工程實例說明模型的實用性，可為評估風險損失及工程安全管理提供技術支持。

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致謝：中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司蔡昌光教高、石青春教高對本文進行了指導，武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室揚子、盧政佐、何文欽等研究生參與部分數據處理工作，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流風險分析[J]. 水科學進展, 2002,(5):634-638.

[5] 范錫峨，胡志根，靳 鵬.基于Monte-Carlo方法的施工導流系統綜合風險分析[J]. 水科學進展, 2007,(4):604-608.

[6] 張 超，胡志根，劉 全. 基于實測洪水系列和最小熵方法的施工導流風險[J].武漢大學學報(工學版)，2012, (3):296-300.

[7] 薛進平，胡志根. 施工洪水變化條件下的導流風險測度模型[J]. 武漢大學學報：工學版, 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險圖系統研究[J]. 地理科學, 2004，(4):452-457.

[9] 王艷艷，韓 松，喻朝慶，等. 太湖流域未來洪水風險及土地風險管理減災效益評估[J]. 水利學報, 2013，(3):327-335.

[10] 陳璐佳，羅小龍，許有鵬. 洪水風險圖對鄞東南平原區域經濟發展作用分析[J]. 中國農村水利水電，2014，(12)：96-99,108.

[11] 王曉航，李 雷，盛金保，等. 基于DTM的潰壩風險圖編制技術[J]. 水利水運工程學報, 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].長江科學院院報,2006,(5):21-22,28.

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

[15] 楊 濤. 地理空間信息符號化表達研究[D]. 蘭州：蘭州交通大學, 2011.