GIS在水庫潰壩淹沒區域模擬及避難所設計

于洋洋

(遼寧省防汛抗旱指揮部辦公室，沈陽 110003)

據不完全統計，目前我國境內存在各類型水庫超過9×104余座，其中95%以上為中小型水庫，且大多建設于上世紀七八十年代。這些水庫普遍存在設計標準低、施工水平差、滲漏腐蝕嚴重、日常管理不到位等情況。夏季汛期往往出現水庫庫面暴漲、瞬時流量大、沖擊力猛，時刻威脅著大壩安全。在及時除險加固無法現實的情況下，利用計算機技術模擬水庫潰壩淹沒范圍、設計合理避難所是應對潰壩災害的重要手段之一。

1 研究區概況

三道嶺水庫是位于營口大石橋市周家鎮境內，水庫建成于1974年，是一座以防洪灌溉為主，結合養魚、旅游等功能綜合利用的中型水庫，1992年被辟為營口市水源地。三道嶺水庫匯水面積133 km2，水面面積約200 hm2，蓄水量3 120×104m3，警戒水位18 m，是遼南地區中型水庫之一。在三道嶺水庫周邊分布著三道嶺、西溝、趙梁屯等村鎮，人口密度較大，若發生潰壩事故社會影響惡劣，因此必須做好潰壩預警、搶救工作。

2 GIS技術原理介紹

地理信息系統(GIS)是在計算機軟、硬件支持下，一種專門用于采集、存儲、管理、分析和表達空間數據的信息系統，既是一種表達、模擬現實世界和空間數據分析處理的工具，又是用于解決空間問題的資源，同時還是一門關于空間信息處理分析的科學技術[1]。

一個GIS系統從建立到應用主要分以下5個步驟：①定義一個問題；②采集和獲取數據；③建立數據庫；④實施分析；⑤解釋和展示結果。其中最為核心的工作是數據獲取和分析，最終建立好項目區各類圖層(圖1)，需要分析哪類數據直接以圖層形式調出即可，更加直觀清晰[2]。

圖1 GIS圖層建立示意圖

3 GIS技術對水庫潰壩淹沒區域模擬分析

3.1 模擬準備工作

基于GIS技術中的體積法模擬洪水淹沒面積時，前期需要準備以下兩類數據：①潰壩時間段內洪水流量；②淹沒區內各區離散高程數據。

3.1.1 潰壩時段內洪水流量估算

潰壩寬度直接決定洪水流量，三道嶺水庫大壩為土石壩，大壩潰決寬度b采用經驗公式計算[3]，公式如下：

(1)

式中：k為經驗系數，取值0.65；W為總庫容，m3；B為主壩長度，m；H為壩體高度，m。

經計算，得出b=118 m。

水庫潰壩洪水流量Q由兩部分組成：潰口流量Qb和泄水裝置下泄量Qs，其中Qs按照最大值計算即可，Qb最大值計算公式[4]如下：

(2)

式中：g為重力加速度，9.8 m/s2；H0為潰壩前上游水深，m。

若按照垂直方向完全潰壩計算，總洪水量約1 250×104m3，洪峰可達60 350 m3/s，洪水總歷時大概920 s。

3.1.2 柵格格式高程數據

高程數據是地理空間信息中的最重要組成之一，可以使分析區域地圖由二維轉化為三維立體圖。基本做法是先將研究區域作柵格化處理，之后將各點的高程數據填入系統即可，具體步驟如下：

1)從相關部門獲取三道嶺水庫及周邊10 km以內的CAD格式地圖，之后轉化為shp格式地圖，填入各高點數據，建立等高點矢量圖。

2)利用Build函數建立研究區域等高線圖的拓撲關系，之后建立矢量地圖(圓錐)投影坐標系。

3)利用TIN(不規則三角形)方法，通過空間插值將矢量圖轉化為不規則三角網格式，三道嶺水庫DEM數據圖見圖2(1∶30 000)[5]。

圖2 三道嶺水庫DEM示意圖

3.2 基于GIS的體積法模擬淹沒區域

3.2.1 體積法原理分析

體積法的原理是根據庫區周邊地貌，將壩體潰堤后洪水總量等于淹沒區域水量。在此說明：由于洪水實際淹沒過程非常復雜，且受地形、植物因素影響較多，為方便計算，統一將滯洪區、低洼地、小型湖塘等小蓄水區看作水平面，簡化后計算公式[6]如下：

(3)

式中：W為潰堤事件中洪水水量，m3；A為淹沒區面積，m2；Eg(x，y)為地面高程值；Ew為洪水水面高程值；dσ為淹沒區面積微元。

3.2.2 體積法模擬淹沒區域分析

潰壩后洪水大部分會向下游急速推進，因此主要模擬下游不同段面洪峰流量及到來時間、起漲時間、恢復初始狀態時間等。為簡化模擬，在此不再考慮洪水推進期間非人為設施阻力，均按照地平面計算。具體洪水淹沒模擬結果見表1(部分)。

表1 三道嶺水庫洪水淹沒模擬結果(部分)

由模擬結果可知：①三道嶺水庫若發生潰壩事故，會影響周圍7個村莊，其中2個距離最近村莊(三道嶺村、青寨村)會被直接沖毀大半，受災人口約2.3萬人；②潰壩事故會淹沒總區域面積23 km2，淹沒耕地0.14×104hm2；③淹沒道路(上白線)100 m，沖毀橋梁一座。總而來看，可造成的直接經濟損失約5.5億元，且災區近1年時間內無法恢復。

4 避難場所設計選擇分析

潰壩事故往往會隨著汛期來臨，因此在劃定有水災范圍時，應把周邊河流也作一定的洪水計算。經估算，本項目共需轉移人口約5萬人，接下來對避難所選擇點進行分析。

4.1 可達性分析

可達性是評價避難所最重要的指標，最重要參考就是距離壩址距離。本項目利用GIS系統工具對以壩址為中心，其5.0 km范圍內的所有可作為避難所的點均編號標記，共有10處區域符合。

4.2 道路路況分析

道路等級越高，災區居民轉移越迅速，在此將道路劃分為5個級別，具體見表2[7]。本項目設計滿足居民規定時間內撤離的最低道路等級為1，排除低于該值的避難點。通過技術人員現場考察路線和評估，共排除其中的2處區域。

表2 道路級別分類

4.3 有效性分析

避難所需要有足夠的面積來收納災民，在此主要通過開放空間比和人均有效面積兩個指標評價避難點有效性。首先，本項目要求避難點的開放空間比(有效面積/總面積)必須大于0.6；其次，要求避難點人均有效面積必須大于1.0 m2。通過技術人員現場考察路線和評估，剩余區域均滿足有效性要求。

為了便于避難點及災民的日常管理工作，應在滿足各項規定的前提下盡量減少避難點數量，因此本項目需要從剩余8處區域中選取4處作為最終避難點位置。最終技術專家組加入了一些新的考慮因素，包括周邊配套方便度、避難點管理費用等，利用模糊評判法確定4處避難點，對潰壩事故災害提出一系列應對措施。

5 結 語

由于洪水災害和降雨、地形有著直接關系，所以可以憑借現代計算機技術進行災害模擬。本項目通過利用GIS技術對三道嶺水庫潰壩情況模擬，分析了潰壩影響范圍、洪峰及洪水流量、達到時間等關鍵參數，為搶險救災指揮工作提供了參考依據，也有效地降低了災害損失，取得了較好的經濟及社會效益。