基于地理信息系統(tǒng)的蓄滯洪區(qū)可滯洪量計算

王剛，沈潔

(1.河南黃河勘測設(shè)計研究院，河南 鄭州 450003；2.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

蓄滯洪區(qū)是指包括分洪口在內(nèi)的河堤背水面以外的臨時貯存洪水的低洼地區(qū)及湖泊等。蓄滯洪區(qū)是減小下游洪水壓力，保障下游城市防洪安全，將上游來水分流、蓄滯的重要區(qū)域，是防洪體系重要組成部分，是保障防洪安全，減輕災(zāi)害損失的有效措施。

近年來，隨著人類活動的影響，各種構(gòu)筑物或建筑物的修建，滯洪區(qū)內(nèi)地形發(fā)生了變化，影響到滯洪區(qū)的可滯洪量，因此，需要一種簡便易行的方法，能夠快速、相對精確地計算現(xiàn)狀地形條件下的可滯洪量，為防洪規(guī)劃提供依據(jù)，為防汛決策提供支撐。

1 地理信息系統(tǒng)基本原理

地理信息系統(tǒng)(Geographical information system，GIS)是一門將計算機技術(shù)應(yīng)用到地理學(xué)中，利用計算機能夠組織大量的數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型，是一種十分重要的空間信息系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)以數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，在計算機硬件和軟件系統(tǒng)支持下，對空間數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、分析和模擬的技術(shù)，同時也可以利用地理模型和數(shù)學(xué)模型分析方法，對地理數(shù)據(jù)進行大量的分析。GIS技術(shù)將地理分析功能與數(shù)據(jù)庫操作技術(shù)很好地結(jié)合，同時能夠很好地顯示出來，地理信息系統(tǒng)為地理學(xué)的定量化研究提供了基礎(chǔ)，目前已成為空間分析和處理的一種有效手段。

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，簡稱DEM)對于描述和分析地形十分有效。它按照數(shù)字的形式組織起來，對地形的位置、形狀、大小高程等地理信息有很好的描述作用。DEM的核心算法是用三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)表述地形以及對其進行數(shù)據(jù)描述，因此，最基本的DEM就是由三維數(shù)據(jù)代表位置的x，y數(shù)據(jù)以及代表高程的z數(shù)據(jù)組成，如果用數(shù)學(xué)函數(shù)表述，那么就是：Z=f(x,y)，(x,y)∈DEM所在的區(qū)域。這種表達(dá)方式能夠清晰反映出地表的位置以及高程信息。通常DEM經(jīng)常用不規(guī)則三角網(wǎng)或者正方形網(wǎng)格構(gòu)建。其中規(guī)則型的網(wǎng)格是最常用的DEM，規(guī)則型網(wǎng)格可以是矩形，也可以是三角形，其中最為常用的規(guī)則網(wǎng)格是正方形。

正方形的規(guī)則網(wǎng)格將空間分成規(guī)則的正方形，這些規(guī)則正方形稱為格網(wǎng)，每個正方形網(wǎng)格對應(yīng)一個信息，這種數(shù)據(jù)在數(shù)學(xué)上常常以矩陣的形式表示，然而在計算機中常常是一個二維數(shù)組。每一個正方形的計算單元，對應(yīng)一個高程值。這種網(wǎng)格上的高程值能夠很好反映出區(qū)域內(nèi)的高程情況，每個網(wǎng)格的高程值代表了這個網(wǎng)格所代表區(qū)域的平均高程值，由于規(guī)則的正方形網(wǎng)格可以很容易在計算機中處理，因此應(yīng)用的最為廣泛，目前，一般DEM通常采用規(guī)則網(wǎng)格來構(gòu)建。

2 可滯洪量計算

2.1 計算方法

基于地理信息系統(tǒng)的可滯洪量計算，是根據(jù)實測地形或者航測地形數(shù)據(jù)等資料，進行數(shù)字化處理，并計算不同高程下的滯洪量。首先，對測量地形圖進行數(shù)據(jù)處理，提取坐標(biāo)信息和高程信息，高程信息主要包括計算區(qū)域內(nèi)的高程點和等高線，數(shù)據(jù)處理應(yīng)注意屬性值的選擇，選擇有效的高程數(shù)據(jù)，剔除錯誤或者無效的地形數(shù)據(jù)，如果地形數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤，會影響后面的計算結(jié)果，因此，數(shù)據(jù)的剔除和篩選十分重要，選擇的高程信息要與實際地形復(fù)核，使其符合實際地形信息，這樣，最后的地形處理信息才能夠反映實際情況。此外，由于蓄滯洪區(qū)內(nèi)常常有人類活動，人類活動對地形有一定的改變，因此，地形構(gòu)建中，應(yīng)關(guān)注人類活動對地形的影響，使其充分反映現(xiàn)狀地形特點。其次，選擇邊界區(qū)域，邊界區(qū)域是地理信息系統(tǒng)構(gòu)建的邊界，由于蓄滯洪區(qū)內(nèi)，水流先在低洼地區(qū)匯流，而后逐漸向地形高的地方蔓延，因此，在地形平坦的地區(qū)計算區(qū)域應(yīng)適當(dāng)擴大，使其計算區(qū)域內(nèi)范圍能夠包含實際蓄滯洪區(qū)的區(qū)域。在地形圖允許條件下，計算區(qū)域可適當(dāng)擴大，這樣計算的結(jié)果更加準(zhǔn)確，也更加符合實際情況。

在地理信息系統(tǒng)中，對該數(shù)據(jù)進行處理。地理信息系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，一般采用不規(guī)則三角網(wǎng)和正方形規(guī)則網(wǎng)，現(xiàn)狀大部分的地理信息系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)主要采用正方形規(guī)則網(wǎng)。首先對處理過的高程信息，包括高程點和等高線，生成數(shù)字高程模型。根據(jù)計算區(qū)域面積大小和精度要求，構(gòu)建網(wǎng)格大小，網(wǎng)格越小計算的精度越高，但網(wǎng)格劃分到一定程度后，其精度提高的限度有限，因此，根據(jù)實際需要，構(gòu)建正方形網(wǎng)格大小，在地里信息系統(tǒng)中，根據(jù)實際高程信息，內(nèi)插至每個網(wǎng)格生成一個高程信息。

在地里信息系統(tǒng)構(gòu)建數(shù)字高程信息后，下一步可進行計算區(qū)域的可滯洪量計算，其基本原理如下：地里信息系統(tǒng)模型根據(jù)計算出每個網(wǎng)格的地形高程，做分區(qū)計算，首先設(shè)定一個高程信息，即為該高程以下該區(qū)域的可滯洪量。當(dāng)網(wǎng)格實際高程值高于設(shè)定的高程值，意味著此區(qū)域高程較高，在設(shè)定高程下，不會淹沒，因此，其淹沒高度為0，否則，即網(wǎng)格實際高程值低于設(shè)定高程值，該網(wǎng)格會被淹沒，淹沒高度為設(shè)定高程—該網(wǎng)格的高程值。根據(jù)不同網(wǎng)格與設(shè)定高程值對比計算，計算每個網(wǎng)格的淹沒值，將每個高程淹沒高度與前面計算的網(wǎng)格大小相乘，得到每個網(wǎng)格形成淹沒量，即蓄滯量，最后將所有網(wǎng)格的蓄滯洪量相加，則為整個區(qū)域的蓄滯洪量。根據(jù)以上計算原理，設(shè)定不同的高程信息，即可計算不同高程下的蓄滯洪量。

2.2 工程案例

沁南滯洪區(qū)實際滯洪量有多少，能否承載沁河超過4 000 m3/s以上流量所形成的滯洪量，從而保證沁河北岸防洪安全，保證黃河下游防洪安全，沁南滯洪區(qū)的可滯洪量是最基礎(chǔ)的判斷依據(jù)。第一，為確保計算結(jié)果真實可靠，對計算區(qū)域面積內(nèi)地形地形進行測量，測量區(qū)域覆蓋滯洪區(qū)區(qū)域，野外測量地形點數(shù)據(jù)均具有三維屬性，對所采集的數(shù)據(jù)地形點檢查復(fù)核，確保其與實際情況相符，形成CAD格式地形數(shù)據(jù)文件。根據(jù)實際情況，剔除了有問題的高程信息，同時對蓄滯洪區(qū)內(nèi)道路等信息，進行了詳細(xì)概化，確保實際地形真實可靠。此外，目前航拍數(shù)據(jù)精度很高，也可采用航拍等數(shù)據(jù)獲取地形數(shù)據(jù)。第二，將測量地形數(shù)據(jù)，包括高程點和等高線，根據(jù)地理信息系統(tǒng)模型，生成數(shù)字高程模型，本次采用正方形規(guī)則網(wǎng)，對高程內(nèi)插后，每個網(wǎng)格賦高程值，這樣形成整個區(qū)域的數(shù)字高程模型。根據(jù)地形圖，通過地理信息系統(tǒng)，生成該區(qū)的數(shù)字高程(DEM)模型。該區(qū)域北邊界為沁河大堤，南邊界為黃河大堤，其北邊界—沁河南堤該段的堤頂高程為104～114 m；南邊界—黃河北岸大堤該段堤頂高程104～106 m。此次計算蓄滯洪區(qū)南北邊界以大堤為邊界點，因此，設(shè)定高程值最大為堤頂高程，根據(jù)實際地形信息，選取設(shè)定不同高程，計算不同高程下的可滯洪量，具體計算結(jié)果見表1和圖1。

圖1 沁南滯洪區(qū)不同水位下滯洪量圖

表1 沁南滯洪區(qū)不同水位下滯洪量表

經(jīng)與實際情況復(fù)核，其計算結(jié)果基本與經(jīng)驗值相符，也與歷史上發(fā)生的洪水滯洪量數(shù)據(jù)相符。

3 結(jié)語

隨著計算機技術(shù)以及遙感、航拍技術(shù)的不斷發(fā)展，地形的獲取較以往更加便利，谷歌衛(wèi)星地圖、航拍地形圖、遙感地形圖或者實測地形圖，地形圖的廣泛獲取途徑為規(guī)劃、決策和工程建設(shè)提供了強有力的支撐，充分利用現(xiàn)有地形成果，應(yīng)用于水利規(guī)劃、建設(shè)中，為水利規(guī)劃、水利決策和水利工程建設(shè)提供技術(shù)支撐。

提取地形信息，將地形信息裝入地理信息系統(tǒng)中，生成數(shù)字高程模型，繼而計算不同高程下的可滯洪量，包括不同高程下實際淹沒區(qū)域，淹沒水深，可滯洪量。計算了沁南滯洪區(qū)和封丘倒灌區(qū)的可滯洪量，經(jīng)歷史資料驗證計算結(jié)果，其與歷史資料成果是相吻合的。

利用地理信息系統(tǒng)計算蓄滯洪區(qū)的可滯洪量，地形圖資料來源廣且方便獲得，方法簡單易行，計算精度較高。此外，由于滯洪區(qū)內(nèi)常常受人類活動的影響，修建了許多構(gòu)筑物或建筑物，河道地形發(fā)生了較大的變化，從而影響滯洪區(qū)內(nèi)實際可滯洪量。此方法能夠有效計算現(xiàn)狀地形條件下的滯洪量。可計算不同水位高程下的可滯洪量、滯洪水深及滯洪范圍。此外，該方法也可用于水庫庫容計算以及行洪區(qū)或泛洪區(qū)的滯洪量計算，具有較好的應(yīng)用范圍。