GIS支持下地表洪澇積水演進的計算方法及分析

蘇炯恒 趙天宸 李阿婷

摘要：提出一種基于GIS支撐體系下的地表洪澇積水演進計算方法。基于GIS的水文分析工具獲取地表水網結構屬性；設定最優閾值，通過柵格計算、疊置分析、空間聚合等相關工具提取洼地拓撲數據；以最佳空域結構模型描述地表洼地特性，實現地表洼地的精細化表征；利用GIS空域數據庫進行積水演進計算，實現洪澇模擬的二維淹沒顯示。該方法能夠利用有限數據，快速且較為精準的模擬地表洪澇過程，獲取地表的易澇區域、危險徑流通路及淹沒范圍的描述，適合運用在數據有限、大尺度模擬且應急評估的情形下，能夠為防澇規劃、風險評估、災害預警提供科學的依據。

關鍵詞：GIS；水文分析；演進計算；二維淹沒；

中圖分類號：TU998.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（b）-0000-00

1 背景

城市內澇是人民普遍關注的問題，它將直接影響著社會經濟的健康發展。近年來，氣象要素變化程度加劇，極端暴雨的發生愈加頻繁和強烈[1-2]。隨著城市化水平的不斷提高，下墊面條件悄無聲息地發生改變，不透性面積與日俱增。雖然城市在不斷發展，但是我國排水設施的設計標準偏低，排水管網能力不足，加上老化現象嚴重，難以滿足實際的排水需求。綜合以上因素，我國內澇問題十分嚴峻[3-4]。然而，我國排水管網數據匱乏且規模龐大，在應急情況下，一種能夠利用有限的數據且能快速實現初步的洪澇模擬的方法顯得尤為重要。在此基礎上，若對地表空域結構進行精細化表征，從而獲取地表易澇區域位置及淹沒范圍的描述，將大大提高洪澇模擬評估的精確性。本文提供了一種基于GIS空域建模技術的地表洪澇積水演進計算方法，用于快速且較為精準的模擬地表洪澇的淹沒特征，為防澇應急規劃提供科學的依據[5-6]。主要技術流程見圖1。

2 積水演進計算方法及分析

2.1 GIS水文分析

基于GIS的水文分析工具進行水網拓撲結構的提取。在無偽洼地DEM（數字高程模型）的基礎上，采用D8法進行流向分析（見圖2）。D8法假設單個柵格有八種流向的可能，采用最陡坡度法確定水流的單一流向，即計算中心柵格與各相鄰柵格間的距離權落差，取距離權落差最大的柵格為目標柵格的流出對象，該方向即是中心柵格的最終流向。在此基礎上作匯流分析，得到水網結構及屬性。通過對每個柵格計算匯流累積量，獲取該柵格的積水特征描述。在充分分析研究區現有的地形、路網、水系及用地類型的基礎上，通過多次試驗和校核的方法設定合理的閾值，對匯流累積數據進行分析與篩選，得到精細化的水網拓撲結構。

2.2 GIS空域表征

基于GIS的柵格計算、疊置分析、空間聚合等相關工具提取洼地的空間分布、數量、深度、面積及體積數據。在提取過程中，設定最優閾值，準確預測城市實際易澇點的空間分布及數量。此外，在洼地拓撲數據的基礎上，采用標準立體幾何模型構建空域最佳結構（見圖3），得到DAV（深度-面積-體積）洼地幾何描述曲線，獲取地表積水在每個洼地的淹沒深度隨淹沒范圍及儲水容量的變化規律，得到地表洼地屬性的精細化描述。

2.3 積水擴散及演進方法

基于GIS空域數據庫進行地表積水的演進計算，實現二維淹沒的動態顯示。模擬極端暴雨情形下獲取地表每個蓄水單元淹沒特性，從而繪制流量曲線，將其形成數據庫并導入至GIS中，與DAV洼地幾何描述曲線進行比較和分析，獲取不同水深的情況下每個洼地淹沒的幾何面積，即積水向周邊擴散的范圍，完成洪澇淹沒的的二維擴散分析及顯示（見圖4），更全面地對洪澇災害進行分析和評估。

3 結語

針對數據有限、大尺度模擬且應急評估的情形，本文提供了一種基于GIS水文分析及空域精細建模下的地表洪澇積水演進計算方法，該方法能夠快速且較為精準地模擬地表洪澇演變過程，識別地表水流方向、淹沒位置及范圍和淹沒深度變化，為防澇規劃、預警預報、風險評估提供科學的依據。該方法忽略地下管網的作用，筆者將在未來的研究中優化管網模型的建模過程及描述，使洪澇模擬更加科學和準確，也能保留運算效率高的優勢。

參考文獻

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