基于GIS的潰壩洪水模擬

高瞇瞇，張永彬

(華北理工大學 礦業工程學院，河北 唐山 063210)

引言

為了便于耕種灌溉、漁民養殖以及滿足日常用電需求等，人類在天然湖泊上修建了許多水庫大壩。地震、沙塵暴、洪澇等自然災害的高頻發生，使得各類極端自然災害事件大幅增加，在遍及全球的各種自然災害中，危害最大的當屬洪澇災害，屬于一種最為尋常、破壞力極大的災害。這種災害發生的頻率極高，影響范圍極廣，歷年來導致了不可估量的經濟損失，且一直有上升的趨勢[1]。我國大壩總量位居世界第一，潰壩率亦是世界第一。因此，國家將防洪工作作為關乎民生安全保障的一項重要事業，在水庫大壩的防洪建設方面提出了多種措施方案，在防洪減災工作中具有巨大的影響力，為國家帶來了巨大的經濟效益和社會效益，與此同時也促進了人民生活水平的改善和提升。人類為了更好地保證自身安全，使災害損失達到最小化，應該充分了解洪水活動變化所有過程，深入研究洪水的運動規律，找出洪水的變化的特征，此類研究對人民生活和國家經濟建設與發展具有重要意義[2,3]。

現代技術在洪災中的運用越來越普及，因而產生了治理洪災更多的可能性，愈來愈多學者關注并研究潰壩洪水淹沒問題，并分別在研究的內容、方法、范圍等方面獲得一定成就[4-6]。但該項研究仍有諸多不足之處，例如，一部分研究僅展示了洪水的二維、三維可視化表達的效果，并沒有進行詳細地分析；另一部分研究由于一些客觀條件的限制，比如：計算方法、實驗條件等，僅僅是針對洪水淹沒范圍的一些數據分析，沒有將淹沒的范圍給出直觀的可視化展示，或者展示的效果并不理想，導致預警預測洪水淹沒的過程難以進行[7-10]。在大數據時代，為了更加合理、有效地利用潰壩洪水信息資源，為水文學研究人員，防洪減災相關業務部門的科研人員直觀了解洪水淹沒的過程以及相關信息提供技術支撐。該項研究開發了集數據處理、分析、計算、模擬與預警于一體的潰壩洪水模擬系統。

1模型與算法描述

1.1 SCS模型

SCS模型根據采樣區的實際滲水量(F)與真正的徑流量(Q)之比等于本區域該場降雨前的潛在入滲量(S)與潛在徑流之比的假定基礎上建立的[11]，即：

(1)

假定潛在徑流量為降雨量(P)與徑流產生前植物截流、初滲水和填洼水構成了集水區初損量Ia的差值，即：

Qm=P-Ia

(2)

實際入滲量為降雨量減去初損和徑流量，即：

F=P-Ia-Q

(3)

由式(1)～式(3)可得出：

(4)

假定集水區降雨的初損為潛在入滲量的20%，即：

Ia=0.2S

(5)

則式(4)可寫為：

(6)

1.2 元胞自動機模型

該模型包含以下4個參數CA=。式中：L為將采樣區離散化的規則元胞聚集，該模型采用規則格網元胞，邊長d為5 m。N為馮諾依曼鄰域關系，該元胞下一時間段的形態是由自身和相鄰元胞的形態共同確定的，在所有時間點該元胞均能夠與周圍的元胞存在水流的傳遞，中心元胞下一秒的形態是由其相連接的8個方向上的元胞以及自身共同決定的。P是用來描述轉換功能和元胞形態的元胞自動機模型參數的限定集，其中包括：全局參數，如元胞邊長d、歷時步長t；靜態參數，如DEM高程和曼寧糙率系數；動態參數，如降雨量、水深、水位高程等。R表示決定一個元胞到另一個元胞流向的轉換規則[12]。在單位時間步長t內，可通過曼寧公式進行計算分配的水量：

(7)

(8)

式中：V為水流速度(m/s)；h為水深(m)；j為坡度(°)；n為曼寧粗糙系數；E為交換水量(m3)；S為水斷面面積(m2)；d為元胞邊長(m)。

1.3 曼寧公式

曼寧公式指的是明渠道流量或速度經驗公式，常用于水利建設等活動中。該項研究中采用其計算水流速度[13]，公式如下：

(9)

式中：V為水流速度(m/s)；k為轉換常數，國際單位制中取值為1；n為糙率，綜合反映表面粗糙情況對水流的影響；Rh為水力半徑(m)；S為坡度(°)，表示2個格網之間的坡度[14]。

1.4 D8單向流法

該項研究中采用D8單向流算法決定流向，假設中心單元中的水只能匯入與之相鄰的8個不同方向的單元格中。利用最大水位高程落差法來確定水流的方向，即在3×3的DEM 單元格網中，計算中心單元格與各相鄰單元格的水位高程之間的關系，取與中心單元差值最大的鄰域單元格作為下游單元格流入，如圖1所示。

圖1 D8單向流

2案例研究

2.1 研究區概況

實驗區溪源宮水庫地處福州市，常年氣溫適宜，溫暖濕潤，雨量充沛。福州市地處閩江下游，屬于沿海城市，全市海域面積高達11.09×104km2。溪源宮水庫屬中型水庫，位于福州市閩侯上街溪源宮，其特殊的地理位置，時常出現持續較強降雨，連續的降雨導致水位上漲，降雨、融雪、潰壩崩塌等原因引發水庫沿海水位上升，水庫壩體存在著決堤的可能性。

2.2 數據來源及預處理

圖2所示為10 m分辨率的原始遙感影像。該項研究選用源于哨兵二號官網下載的遙感影像European Space Agency，Sentinel-2 衛星數據(Band 2、Band3、Band4組合)以及在地理空間信息云上下載的福州市dem數據。福州市1:100 萬矢量地圖。降水量、水深、水位高程信息均來自于福建水利信息網。

圖2 10 m分辨率原始遙感影像

圖3所示為監督分類后的遙感影像。利用ENVI軟件對10 m分辨率的原始遙感影像進行監督分類，將影像中的地物大致分為六大類，定義紅色為道路，綠色為耕地，藍色為河道，黃色為居民地，鮮青色為建設用地，紫色為林地。

圖3 監督分類后的圖

2.3 系統功能設計

系統設計數據處理、數據管理、洪水模擬、數據分析、查詢、動態推演與預警六大模塊，實現了數據的預處理、地圖的加載、圖層的管理、圖像的放大縮小平移、暴雨的模擬、潰壩的模擬、淹沒面積的計算、淹沒體積的計算、淹沒水深的查詢、降雨量的查詢、動態推演與預警等重要功能。圖4所示為系統技術路線圖。

圖4 系統技術路線圖

系統設計2種不同形式的模擬即：暴雨洪水淹沒模擬與潰壩洪水淹沒模擬。圖5所表示的是洪水淹沒模擬推演的一個過程。整個系統是基于元胞自動機的方法來實現的，為了模擬洪水徑流的過程，選取了SCS水文模型，來模擬產生匯流的過程，在該研究區存在幾個雨量站，經過IDW雨量插值可以得到對應點的降雨量，通過空間插值算法得到研究區面雨量。獲取得到面雨量之后，在SCS模型中進一步進行數據處理，因為降落的雨水并不是全部落到地上形成積水或者河流，其中一部分會留在樹上或滲透到土壤里，這部分被稱作是降雨初損。因此就要進行凈雨量的計算，降雨初損使用20%最大下滲量來計算。在洪水淹沒模擬元胞自動機模型中，降雨從中心柵格向相鄰柵格流入的分布形成了匯流。在這個過程中，采用D8單向流算法推算雨水的流動方向，該方向是由中心單元與相鄰單元水位落差之間的關系進行確定的，基本規則如下：若中心元胞水位高程低于或者等于所有鄰域元胞水位高程，則不進行水量分配；反之選擇高差最大的鄰域元胞作為下游。雨水流動速度采用曼寧公式確定，每一個單元看作是一個元胞，整個流域分布分成很多個單元，通過計算每個單元的水量進而計算出整個流域的水量。

圖5 洪水淹沒模擬推演數據流圖

2.4 系統實現

2.4.1洪水淹沒模擬功能的實現

暴雨洪水是由較大強度的降雨而形成的大區域洪水，引發水庫水量迅速增加并伴隨水位急劇上升的現象[15]；潰壩洪水是小區域大水量的輸入，壩體或者其他擋水建筑物瞬間潰決發生水體突泄所形成的洪水現象?；谠詣訖C的模擬中，利用DEM高差采用D8單向流法計算坡度和流向，并利用曼寧值來計算流速，流速乘以時間就是此單元向下一單元此時間段內流動的水量，將當前的淹沒情況結果進行累加模擬。對洪水淹沒事件做出模擬響應，找到即將發生潰壩決堤的位置，確定影響范圍等。模擬結果如圖6、圖7所示。

圖6 暴雨洪水淹沒模擬結果 圖7 潰壩洪水淹沒模擬結果

2.4.2查詢功能的實現

查詢功能具體包含：對研究區斑塊的水深信息進行查詢、對研究區降雨量進行查詢、對洪水淹沒模擬動態推演過程中斑塊水深信息的查詢、對動態推演過程中任意時刻的洪水淹沒情況進行查詢等。提供點擊查詢及按照給定條件查詢，查詢結果可直觀數字顯示或者直接在地圖上進行顯示標記。選擇地圖上的水域，即可獲取降雨量的信息；可以通過識別功能點選某一區域的水深量、面降雨量；點擊下拉框進行篩選不同模式下同一地段的雨水量。以米為單位，效果圖如8所示。

圖8 任意時刻的淹沒情況查詢

2.4.3數據分析功能的實現

經過不同模式的洪水淹沒模擬，將模擬的結果柵格圖加載進行分析，根據用戶自定義淹沒判斷的數值，可分別計算出該區域不同模式下符合淹沒判定的淹沒區域的體積、面積、水深情況，將符合淹沒判定的淹沒區域直觀地顯示出來，利于使用系統的研究人員能夠即刻地分析出研究區的洪水淹沒的情況，以便于做出相應的應對措施。效果如圖9所示。

圖9 淹沒面積體積的計算

2.4.4動態推演與預警功能的實現

根據暴雨洪水淹沒模擬和潰壩洪水淹沒模擬的結果，將其給予模擬的起始時間點發布wms 服務，按照模擬時候確定的模式，模擬時間步長、模擬總時長規定按照多久出一景結果為前提進行動態推演。根據輸入的模擬時長進行動態推演，可以通過前進后退逐時間段播放洪水演進的情況，隨時點擊暫停查看該時刻的淹沒情況，分別展示了第40 min、第80 min、第120 min、第200 min的洪水淹沒情況，效果如圖10所示。

圖10 洪水淹沒動態推演效果圖

當水量將要逼近水庫的最大臨界點時將會發生潰壩現象，系統會立刻給予預警提示并標記出將要決堤的地方以及決堤后的漫流方向。系統提前預警預測以高亮紅色顯出出來外加提示窗彈出，以使相關部門及時做出撤離行動及相應的解決方案，如圖11所示。

圖11 洪水淹沒預警

3結論

根據洪水災害的特點，選擇實驗區福州市溪源宮水庫進行實驗，基于C/S +B/S架構構建基于GIS 的潰壩洪水模擬系統。實現了洪水淹沒模擬的動態推演與預警，該系統能進行流態模擬、負荷分析、流向狀況分析，輔助決策，對突發潰壩事件做出快速響應與預警，快速找到潰壩臨界點，確定淹沒方向、影響范圍等。系統的建立為洪水淹沒分析與預警提供了技術支撐，為水庫下游人員撤離提供參考依據。