基于ArcGIS的平原河網地區洪水淹沒范圍快速模擬

王越　劉曙光

【摘 要】平原河網地區水系復雜，河湖眾多且暴雨內澇災害頻發，圩區從而成為了這部分地區抵御洪水災害的典型代表。本文以杭嘉湖區（蘇）防洪保護區為例，根據區域內圩區眾多的特點，分別考慮了暴雨形成的內澇以及外來洪水造成潰口的情形。針對這兩類情況，本文分別采用ArcGIS的庫容計算模塊以及種子蔓延算法，模擬不同降雨條件下各區域的淹沒情況并得到潰口發生時圩區的淹沒情形。最后，借助ArcGIS技術快速展示各區域的淹沒范圍。

【關鍵詞】ArcGIS；洪水淹沒范圍；庫容計算模塊；種子蔓延算法；快速模擬

0 引言

長江中下游平原洪澇災害頻繁，每年造成的損失都非常巨大，嚴重影響了區域經濟和社會的穩定發展。隨著我國對洪水治理重視程度的不斷加強以及科技水平的提高，在開展洪水本身的規律性研究、洪災信息的采集、洪水預報和計算等方面，都已經有了一些有效方法和手段。但是，快速進行洪水淹沒范圍模擬依然是需要解決的重要問題。

分析平原河網地區的洪水風險，經常采用數值模擬的方法對該地區復雜的水系以及水流運動特點進行研究。但由于缺乏實測流量資料，較難對模型進行率定和驗證，且模型的計算時間較長不利于進行洪水快速模擬。因此，根據區域地形地貌，利用ArcGIS技術開展水文分析，快速、準確地模擬洪災，是評估洪水影響范圍的一種重要途徑。本文以數字模型高程（DEM）數據為基礎，以GIS技術為手段，通過編程的方式形成一套有效的模擬暴雨內澇和外洪潰口情形下洪水淹沒范圍的方法，能夠較為快速的進行洪水淹沒范圍模擬。

1 洪水淹沒范圍算法介紹

造成洪水淹沒的原因有很多，但一般可以歸結為降雨形成的內澇以及外來洪水造成的圩堤潰決。這就可以把洪水淹沒的成因分成一種是無源淹沒，另一種是有源淹沒。無源淹沒中，凡是高程低于給定水位的地方都視為淹沒區，算作淹沒范圍。這種情形適用于整個區域均勻降水，因而所有地勢低洼處都可能產生積水。有源淹沒情況下，水流從某一個點出發，受到實際地表起伏特征的影響，根據地勢自由流動，最后形成的是一片相互連通的淹沒區域。這就適用于圩區潰口情形下的洪水淹沒模擬，洪水從潰口位置開始蔓延，最終形成一片洪水所能達到的連通淹沒區域。

這兩種方法所用到的數據基礎都是數字高程模型（DEM）數據，數字高程模型是一種離散化的模型，用來表征地面上一點（x，y）關于某一參考平面的相對高度z，它能根據自身精度反映地形的起伏情況，因此又叫地形模型。DEM最主要的3種表示模型是：規則矩形格網（Grid）模型、不規則三角網（TIN）模型和等高線模型。這三種模型實質上是能互相轉換的，但是規則矩形格網（Grid）模型較為容易被使用，因而本文采用的DEM數據是精度為1：10000的規則矩形格網（Grid）模型數據。

1.1 無源淹沒模擬

無源淹沒考慮的是降雨條件下區域的淹沒情況。假定某區域降水量為V，淹沒區洪水水位為H，規則矩形格網（Grid）模型數據每個離散單元的柵格面積為S，柵格數量為n，對應第i個柵格的高程為hi，則可由下式來表示降水量V和水位H之間的關系：

上述公式實質是一種基于水位得到該水位下總體積的方法，是將洪水水位簡化成了一個平面。這就類似于求取水庫庫容的過程，得到一個水位和庫容之間的關系。在ArcGIS中，對于庫容計算，提供了一個基于數字高程模型（DEM）的庫容計算模塊（Polygon Volume），該模塊只要給定了水位和DEM地形數據就能求得庫容。

運用該模塊，可以得到一種計算區域淹沒水深的編程算法。首先假定洪水水位為H，H可以取為計算區域地面高程的最小值，隨后應用ArcGIS中的庫容模塊計算淹沒量V，并將淹沒量V與實際降雨量W進行比較，若兩者數值的誤差超過了一定范圍則對H進行累加。一直重復該過程，當V與W的值兩者接近就能得到所要求的淹沒水深H。該算法基于ArcGIS for Python進行編寫，可以直接調用ArcGIS中已有的模塊，因此較為簡便。算法計算流程如圖1所示。

圖1 無源淹沒水深計算流程

在得到研究區域的淹沒水深后，就能對整個淹沒范圍進行提取。提取淹沒范圍的方式是獲得DEM地形數據中所有高程不大于淹沒水深的柵格。這可以通過ArcGIS中的柵格計算器（Raster Calculator）功能實現。對于多個區域不同水深的淹沒范圍提取，可以通過ArcGIS for Python的算法實現，計算流程如圖2所示。

1.2 有源淹沒模擬

有源淹沒針對的問題是堤防潰決形成的洪水，洪水從某一點出發向四周擴散，凡是地形低于給定洪水位的都將被計入淹沒區。這種思想比較容易由種子蔓延算法來模擬。種子蔓延算法的核心是給定一個種子點作為對象，賦予其某一特定屬性，使其在平面區域沿四個（或八個）方向擴散，求得符合條件的連通區域。

對于堤防潰決的情況，假定潰口處的洪水為種子點，把潰口處的水位作為種子的屬性，讓種子點在DEM地形數據上進行擴散。比較水位與地形高程之差，如果水位高于地形高程，則該點視為淹沒。隨后，將該點計入淹沒區并且作為下一個種子點，讓下一個種子點繼續進行擴散。依此類推，直至所有種子點都擴散完畢為止，就能得到整個淹沒范圍。以上算法流程如圖3所示。

2 杭嘉湖區（蘇）防洪保護區洪水淹沒模擬

2.1 研究區域及對象

杭嘉湖區（蘇）防洪保護區屬太湖下游杭嘉湖區的一部分，總面積564km2。其地理位置處于杭嘉湖平原北部，全境無山地丘陵，絕大部分為低洼圩區。區域內湖泊、河網密布，屬于江蘇省湖泊保護名錄內的湖泊有26個，總面積52.38km2，占保護區面積的9.3%。杭嘉湖區（蘇）防洪保護區內圩區密布，大的聯圩77個，占研究區域面積的84%。保護區內年雨量豐沛，梅雨或暴雨引起的洪澇災害較為嚴重。

根據區域內圩區眾多，內澇災害嚴重的特點，本文主要以圩區為研究對象，研究在歷史降雨條件下各個圩區的受淹情況，進而反映區域整體受災狀況。

2.2 研究區域內澇洪水模擬

本文模擬的內澇洪水分別是杭嘉湖區（蘇）防洪保護區遭受1999年“630”梅雨和2013年“菲特”臺風暴雨。模擬結果如圖5和圖6所示。

根據研究區域的基本特征，本文采取的模擬方式是以圩區為基本單元，利用無源淹沒計算程序逐個圩區進行淹沒水深的計算模擬，再對各圩區淹沒范圍進行提取，最后將所有圩區的計算結果進行拼合，得到整個研究區域的淹沒范圍。具體流程如圖7所示。

2.3 圩區潰堤洪水模擬

圩區潰口的選擇一般結合區域實際情況，按照“歷史上曾發生過的潰口”、“最可能出現的潰口”、“造成影響最不利的潰口”三個原則進行選取。本文模擬的兩場歷史降雨都曾出現過圩區潰口的情況。1999年“630”梅雨期間，盛澤鎮吉橋聯圩清溪河附近圩堤發生潰決。2013年“菲特”臺風期間，受浙江省嘉興市西雁蕩湖堤潰決的影響，與浙江共用包圍溪南聯圩部分村莊、社區遭到淹水。本文重點模擬這兩處潰口造成的影響。利用有源淹沒算法得到的吉橋聯圩和溪南聯圩潰堤洪水模擬情況如圖8和圖9所示。

運用該算法的關鍵是對潰口位置的選取以及潰堤洪水位的確定。恰當的潰口位置能較真實的反映圩區在潰堤洪水入侵后的淹沒情況，得到一個相對合理的結果。而潰堤洪水位的選取則是根據當地圩區堤防高度確定一個可能造成堤防潰決危險的水位。在進行完潰口位置的選取以及潰堤洪水位的確定之后，就是利用有源淹沒程序進行淹沒范圍的模擬以及對模擬結果進行提取。

3 基于庫容曲線的圩區洪澇風險分析

圩區庫容曲線反映了圩區蓄水量和圩區水位之間的關系。利用庫容曲線的方法進行圩區內澇的模擬，可以對圩區洪澇風險進行評價。本文選取了杭嘉湖區（蘇）防洪保護區中非常具有代表性的方橋聯圩和天亮聯圩作為例子進行說明。方橋聯圩和天亮聯圩是兩個面積非常接近的圩區，大小分別是5.63km2和5.64km2，但是這兩個圩區的庫容曲線走勢卻有著一定的差別。利用圩區內澇模擬的方法得到的兩個圩區庫容曲線如圖10和圖11所示。

上圖所示兩個圩區的庫容曲線斜率有著較大的不同。在兩者最大水位和最大庫容量相當的情況下，方橋聯圩的水位-庫容曲線走勢較緩，而天亮聯圩的水位-庫容曲線走勢較陡，這反映了當洪澇災害發生時，圩區受淹沒的情況。當水位-庫容曲線的斜率較大時，圩區整體被淹沒的面積更大，發生災害的可能性會增加。水位-庫容曲線的斜率較小時，圩區整體被淹沒的面積較小，不會發生圩區整體受淹的情況。此外，從圖上可以看出方橋聯圩的圩區底高程較低，而天亮聯圩的圩區底高程較高。這就說明方橋聯圩存在著一定數量的圩內河道，提高了圩區的水面率，這在洪澇發生時能起到調蓄的作用，降低了圩區整體受淹的可能。

4 結論

本文提出的無源淹沒和有源淹沒的模擬方法以GIS技術為核心，DEM數據作為基礎資料，能較快速地進行暴雨內澇和外洪潰堤時的洪水淹沒模擬，方法便捷，易于實現。單個圩區的模擬時間大約在3分鐘左右（具體時長視圩區地形的復雜程度而定）。這對平原河網地區洪水災害的評估無論是從局部研究還是到整體分析都能有不錯的效果。

本文對杭嘉湖區（蘇）防洪保護區的歷史洪水模擬基本能反映該地區的洪水淹沒情況，通過內澇洪水模擬得到的圩區庫容曲線能對圩區的洪澇風險進行評估。當然，該方法的準確程度還依賴于DEM數據的精度，通過獲取更為精細的DEM數據，能更準確的反映圩區受洪水影響的程度，從而為防洪決策給予一定幫助。

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[責任編輯：朱麗娜]