基于FloodArea的天長(zhǎng)市“7.24”暴雨過(guò)程淹沒(méi)模擬

王德燕， 邵方澤， 葉晶晶

(1.安徽省天長(zhǎng)市氣象局，安徽天長(zhǎng) 239300；2. 南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，江蘇南京 210044；3.安徽省明光市氣象局，安徽明光 239400)

基于FloodArea的天長(zhǎng)市“7.24”暴雨過(guò)程淹沒(méi)模擬

王德燕1， 邵方澤2， 葉晶晶3

(1.安徽省天長(zhǎng)市氣象局，安徽天長(zhǎng) 239300；2. 南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，江蘇南京 210044；3.安徽省明光市氣象局，安徽明光 239400)

基于德國(guó)Geomer公司開(kāi)發(fā)的FloodArea水動(dòng)力淹沒(méi)模型,結(jié)合氣象、水文及基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等，對(duì)2015年7月24日天長(zhǎng)市出現(xiàn)的一次暴雨過(guò)程進(jìn)行淹沒(méi)模擬。結(jié)果表明，模擬淹沒(méi)情況與實(shí)際淹沒(méi)在時(shí)間上有很好的一致性，可為天長(zhǎng)市暴雨預(yù)警工作提供參考。

FloodArea；暴雨；淹沒(méi)；模擬；天長(zhǎng)市

近年來(lái)，中國(guó)氣象局在全國(guó)啟動(dòng)了暴雨誘發(fā)的中小河流洪水和山洪地質(zhì)災(zāi)害氣象風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警服務(wù)業(yè)務(wù)，暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)已成為這項(xiàng)業(yè)務(wù)的科技支撐。暴雨洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)發(fā)展迅速[1-2]，如蓄洪區(qū)洪水淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)識(shí)別研究[3]等。隨著GIS技術(shù)的廣泛應(yīng)用，其已成為暴雨洪澇風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的一項(xiàng)重要技術(shù)手段[4]，利用數(shù)字高程模型及各種迭代算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)暴雨洪澇淹沒(méi)的模擬[5-6]。目前，GIS與水動(dòng)力模型結(jié)合的洪水淹沒(méi)模擬研究較多，如蘇布達(dá)等[7]建立了二維水動(dòng)力洪水動(dòng)態(tài)演進(jìn)模型模擬長(zhǎng)江流域不同洪峰流量下分洪區(qū)的洪水淹沒(méi)范圍和水深；文明章等[8]運(yùn)用FloodArea模型研究山洪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)雨量評(píng)估。這些研究對(duì)暴雨洪澇災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估具有重要意義，但大多側(cè)重于水庫(kù)潰口或河網(wǎng)漫頂造成的洪水淹沒(méi)模擬，而針對(duì)強(qiáng)降水造成的區(qū)域洪澇淹沒(méi)研究還不多見(jiàn)。

天長(zhǎng)市地處江淮分水嶺，是江淮丘陵向蘇北平原過(guò)渡地帶，地勢(shì)由西南向東北傾斜，西南部丘陵起伏，東北部多平原；周邊及境內(nèi)湖泊、水庫(kù)較多，以東邊的高郵湖最大，白塔河橫穿整個(gè)天長(zhǎng)。天長(zhǎng)屬北亞熱帶季風(fēng)氣候，氣候特點(diǎn)復(fù)雜，降水時(shí)空變化大，災(zāi)害性天氣比較頻繁，暴雨平均每年3.4次左右。2015年7月24日天長(zhǎng)市出現(xiàn)突發(fā)、短時(shí)強(qiáng)降水過(guò)程，市區(qū)及半數(shù)以上鄉(xiāng)鎮(zhèn)出現(xiàn)暴雨和大暴雨。監(jiān)測(cè)資料顯示，全市25個(gè)站點(diǎn)中，3個(gè)站點(diǎn)降雨量為50.0～99.9 mm，11個(gè)站點(diǎn)降雨量超過(guò)100.0 mm，最大降雨量出現(xiàn)在蘆龍社區(qū),高達(dá)174.7 mm；市區(qū)最大小時(shí)雨強(qiáng)為85.9 mm，在近10年氣象記錄中排第1位。強(qiáng)降水造成了市區(qū)及部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)多處道路積水和短時(shí)內(nèi)澇，給人們出行造成諸多不便。筆者在GIS平臺(tái)上，采用FloodArea模型對(duì)天長(zhǎng)市及周邊流域這次典型的強(qiáng)降水過(guò)程引發(fā)的區(qū)域暴雨洪澇進(jìn)行淹沒(méi)模擬，并用災(zāi)情資料檢驗(yàn)?zāi)M效果，以期為天長(zhǎng)市暴雨預(yù)警工作提供參考。

1 FloodArea簡(jiǎn)介

FloodArea為德國(guó)Geomer公司開(kāi)發(fā)的洪水淹沒(méi)模型，該模型內(nèi)嵌于ArcGIS平臺(tái)，計(jì)算基于水動(dòng)力方法，同時(shí)考慮了一個(gè)柵格的周?chē)?個(gè)單元(圖1)。對(duì)鄰近柵格單元的瀉入量由manning-stricke公式[9]計(jì)算。坡度由單元之間的最低水位和最高地形高程之間的差異所決定，對(duì)每一個(gè)單元都進(jìn)行計(jì)算。相鄰單元的流量長(zhǎng)度被認(rèn)為是相等的；位于對(duì)角線的單元，以不同的長(zhǎng)度算法來(lái)計(jì)算。不同于靜態(tài)洪水風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃圖，F(xiàn)loodArea在每個(gè)時(shí)相的運(yùn)行過(guò)程，即運(yùn)行時(shí)間與相應(yīng)淹沒(méi)范圍和水深均以柵格形式呈現(xiàn)和存儲(chǔ)，直觀明了，易于查詢(xún)。

水流的淹沒(méi)深度為淹沒(méi)水位高程和地面高程的差值，其公式為[9]：

flow_depth=water_levela-elevationa

(1)

淹沒(méi)過(guò)程中的水流方向由地形坡向所決定，地形坡向反映了斜坡所面對(duì)的方向，坡向指地表面上一點(diǎn)的切平面的法線矢量在水平面的投影與過(guò)該點(diǎn)的正北方向的夾角。對(duì)地面任何一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，坡向表征了該點(diǎn)高程值改變量的最大變化方向。計(jì)算公式為[9]：

(2)

2 數(shù)據(jù)及處理

2.1 DEM數(shù)據(jù)獲取及處理 從NASA網(wǎng)站(http://reverb.echo.nasa.gov/reverb/)獲得DEM數(shù)據(jù)，平均分辨率為30 m。利用ArcGIS工具將分塊的DEM數(shù)據(jù)合并，具體通過(guò)ArcGIS的ToolBox工具箱里的Data Management Tools/Raster/Raster Dataset/Mosaic To New Raster工具(圖1)，將4組數(shù)據(jù)(圖2)合并為1組(圖3)，并將投影信息設(shè)為Alber投影。

圖1 ArcGIS柵格拼接工具Fig.1 ArcGIS raster stitching tool

圖2 拼接前的4組DEM數(shù)據(jù)Fig.2 The four groups DEM data before splicing

圖3 拼接后的DEM數(shù)據(jù)Fig.3 DEM data after splicing

2.2 流域邊界提取及DEM數(shù)據(jù)準(zhǔn)備 利用MapWindowGIS進(jìn)行流域劃分，得到天長(zhǎng)市及周邊流域邊界圖，根據(jù)天長(zhǎng)市邊界選擇能代表天長(zhǎng)市范圍的流域圖(圖4)。利用選取得到的流域邊界裁剪處理后的DEM數(shù)據(jù)，得到FA模擬所需的DEM圖。從DEM分布圖(圖5)可以看出，天長(zhǎng)市總體呈西高東低分布，西部海拔較高，地形相對(duì)復(fù)雜，東部海拔較低，地勢(shì)平緩；從地形分布看，天長(zhǎng)總體有南北兩大匯流區(qū)，均匯入西部地勢(shì)低洼區(qū)(高郵湖)。

圖4 天長(zhǎng)市流域分布Fig.4 Distribution of watershed in Tianchang City

圖5 天長(zhǎng)市數(shù)字高程數(shù)據(jù)Fig.5 Digital elevation data of Tianchang City

2.3 降水?dāng)?shù)據(jù)插值 對(duì)天長(zhǎng)市23個(gè)自動(dòng)站數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，得到逐小時(shí)的面雨量(圖6)，降水主要集中在10：00—12:00，最多值出現(xiàn)在11:00，為37.3 mm。選取07:00—16：00作為模擬時(shí)段，將面雨量存為T(mén)XT格式，具體存儲(chǔ)方式如圖7所示，第1列為模擬時(shí)次間隔，第2列為面雨量。

2.4 根據(jù)土地利用類(lèi)型確定粗糙度 利用流域邊界對(duì)所得的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行裁剪，并將投影方式設(shè)為Alber投影，與DEM數(shù)據(jù)投影保持一致。地面粗糙度主要影響水流流速，根據(jù)孫桂華等[10]研究給出的不同土地利用類(lèi)型賦以對(duì)應(yīng)的地表粗糙度，即林地、居民地、旱田和水田對(duì)應(yīng)的粗糙度參數(shù)分別為18、25、40、50，利用ArcGIS的reclassify工具，根據(jù)土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類(lèi)，得到粗糙度分布(圖8)。結(jié)果顯示，天長(zhǎng)市總共涉及林地、居民地、旱田和水田4類(lèi)不同粗糙度下墊面，粗糙度分別為18、25、40、50。

圖6 2015年7月24日07:00—16：00天長(zhǎng)市面雨量 Fig.6 Area precipitation at 07: 00-16:00 on July 24, 2015 in Tianchang City

圖7 FA面雨量輸入格式Fig.7 Input format of FA area precipitation

圖8 天長(zhǎng)市土地利用類(lèi)型(a)和粗糙度(b)Fig.8 Land use type (a) and roughness (b) in Tianchang City

3 模擬結(jié)果分析

啟動(dòng)FA工具，輸入DEM數(shù)據(jù)、降水分布權(quán)重、粗糙度數(shù)據(jù)及面雨量數(shù)據(jù)，進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示(圖9)，7月24日10：00開(kāi)始出現(xiàn)積水，12:00進(jìn)水范圍迅速擴(kuò)大，市區(qū)出現(xiàn)明顯積水，湖泊、水庫(kù)等水體匯水明顯。可見(jiàn)，模擬淹沒(méi)情況與實(shí)際淹沒(méi)在時(shí)間上有很好的一致性，淹沒(méi)時(shí)間與降水強(qiáng)度強(qiáng)的時(shí)次對(duì)應(yīng)較好。

圖9 2015年7月24日10：00(a)和12:00(b)天長(zhǎng)市淹沒(méi)分布Fig.9 Submerged distribution at 10:00 (a) and 12:00 (b) on July 24，2015 in Tianchang City

4 小結(jié)

根據(jù)降水資料及數(shù)字高程模型,利用FloodArea對(duì)天長(zhǎng)市主要流域的暴雨過(guò)程進(jìn)行再現(xiàn)淹沒(méi)模擬，結(jié)果顯示，模擬淹沒(méi)情況與實(shí)際淹沒(méi)在時(shí)間上有很好的一致性，淹沒(méi)時(shí)間與降水強(qiáng)度強(qiáng)的時(shí)次對(duì)應(yīng)較好；從空間上看，模擬結(jié)果能夠反映出部分低洼易淹沒(méi)區(qū)域，可對(duì)預(yù)警工作提供一定的參考。同時(shí)由于沒(méi)有考慮退水和下滲作用，模擬淹沒(méi)深度與實(shí)際淹沒(méi)深度有一定的偏差，后續(xù)將引進(jìn)更精細(xì)的數(shù)字高程及土地利用數(shù)據(jù)，進(jìn)一步考慮下滲及排水機(jī)制，以期得到與實(shí)際更一致的模擬結(jié)果。

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Submerged Simulation of “7.24” Rainstorm Process in Tianchang City Based on FloodArea

WANG De-yan1,SHAO Fang-ze2,YE Jing-jing3

(1.Tianchang Meteorological Bureau, Tianchang, Anhui 239300;2. School of Geography and Remote Sensing, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing,Jiangsu 210044;3. Mingguang Meteorological Bureau,Mingguang,Anhui 239400)

Based on the FloodArea hydrodynamic model developed by Geomer Company of Germany, the submerged simulation of a rainstorm process occurred in Tianchang City on July 24, 2015 was carried out by combining meteorological, hydrological and basic geographic information data.The results showed that the simulated submergence was in good consistency with the actual submerged time, which can be used as a reference for the rainstorm warning in Tianchang City.

FloodArea;Rainstorm;Submergence;Simulation;Tianchang City

王德燕(1983- )，女，江蘇揚(yáng)州人，工程師，從事天氣預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)研究。

2016-09-21

S 161.6

A

0517-6611(2016)34-0188-03