基于GIS的大連市金普新區洪水淹沒分析

張 靜，倪 金，馬詩敏，逯 蘭

1.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110034；2.遼寧省建筑設計研究院巖土工程公司，遼寧 沈陽 110166

0 前言

洪澇災害是中國較常見一種自然災害，嚴重威脅人民群眾生命財產安全，危害城市公共設施.2020年入汛以來，中國南方地區多輪強降雨過程，很多城市遭受洪澇災害，造成巨大的經濟損失.因此，快速、科學地預測洪水淹沒范圍，對防災減災、城市規劃選址、水利工程建設等具有重要意義.隨著GIS技術的不斷發展，很多學者以數字高程模型（DEM）為基礎，將GIS應用到洪水淹沒分析中，并在此基礎上開發了多種洪水淹沒分析軟件.劉仁義等［1-2］基于GIS對復雜地形洪水淹沒區進行了計算；丁志雄等［3］人提出了給定洪水水位和洪量條件下洪水淹沒分析方法；孫君［4］建立了洪水水位高程與淹沒面積之間的關系，并用于洪水淹沒快速預測；其他學者應用GIS對多個城市和流域進行了洪水淹沒分析［5-8］.本文采用25 m分辨率的數字高程模型，運用GIS的空間分析功能分析金普新區洪水淹沒范圍并計算淹沒水深，以期為城市規劃選址、水利工程建設、防洪減災決策等提供理論依據.

1 研究區概況

金普新區位于遼寧省大連市中南部，西臨渤海，東瀕黃海，南與大連甘井子區為鄰，北與瓦房店市、普蘭店市相接.地理坐標東經121°34′—122°05′，北緯39°11′—39°31′，總面積為2 299.8 km2，其中陸域面積1 709.9 km2，轄27個街道.研究區位于遼東半島南部，為千山山脈向西南的延伸段，形成渤海與黃海之間丘陵起伏地形，屬于構造剝蝕低丘地貌，坡度平緩（圖1）.區內最高峰為南部的大黑山，海拔646.0 m.該區屬于暖溫帶濕潤大陸性季風氣候，具有海洋性氣候特征，氣候溫和，四季分明，年平均溫度為9.3～10.5℃，多年平均降水量為500～700 mm/a（圖2），年內降水量多為7—9月份，降水量約占全年的62%.

圖1 金普新區地貌圖Fig.1 Geomorphological map of Jinpu New District

圖2 金普新區降雨量等值線圖Fig.2 Contour map of rainfall in Jinpu New District

金普新區內有大小河流15條，其中流入渤海的有龍口河、三十里河、大魏家河、北大河、五十里河、石河、鄧屯河、炮臺河、南極河和大沙河；流入黃海的有柳家河、旗桿河、登沙河、青云河、東大河.多數河流發源于金普新區中部的分水嶺，河流匯水面積多在20～250 km2，長度10～30 km，多數河流短小，故均無長年水流，屬獨流入海的季節性河流.區內修建有水庫25座，其中中型水庫4座，為青云河水庫、臥龍水庫、鴿子塘水庫、北大河水庫，小型水庫21座［9］.區內只有一座水文站——登沙河水文站，位于登沙河中游.

2 洪水淹沒分析方法

2.1 軟件支持及數據準備

軟件支持：ArcGIS Desktop 10.5，基于Win10操作系統.

數據準備：為便于利用ArcGIS進行洪水淹沒分析，采用MapGIS格式高程點和等高線生成DEM柵格文件.具體步驟［10-12］如下.

①文件轉換：利用MapGIS的“文件轉換”功能將高程點、等高線文件轉換為shp文件；②生成不規則三角形網TIN：將shp文件添加到ArcMap 10.5中，選擇“3D Analyst”→“Create/Modify TIN”→“Create TIN From Features”，在彈出的對話框中輸入要素類選擇高程點和等高線文件，即建立了不規則三角形網TIN；③TIN轉為DEM柵格：選擇“3D Analyst”→“Convert”→“TIN to Raster”，輸入TIN，設置像元大小25，得到25 m分辨率的DEM柵格數據.

2.2 種子蔓延法確定淹沒區范圍

洪水淹沒可分為兩種情形：第一種是整個地區大面積均勻降水，任何地勢低洼的區域均同時進水，高程低于給定水位的點都計入淹沒區域，稱為無源淹沒，適用于平原地區；第二種是考慮淹沒區域的連通性，認為洪水只淹沒它能流到的地方，相當于高發洪水向鄰域泛濫，如局部暴雨引起洪水漫堤或堤壩潰口后向四周擴散，只有水位高程達到一定程度后，洪水才會越過某一地勢高的區域到達洼地，稱為有源淹沒，適用于丘陵山區.對于環形山，在無源淹沒分析中可能導致山內外均被計算為淹沒區，而在有源淹沒分析中，洪水被阻斷在環形山外，只有洪水位高于山頂時才會漫過在山內形成淹沒區［13-17］.總之，洪水淹沒就是由于水源區和被淹沒區有水位差，洪水利用兩者間的通道達到水位平衡狀態，最終洪水覆蓋的范圍即淹沒區.根據金普新區地形地貌特征，本文采用有源淹沒情形進行洪水淹沒分析.

洪水淹沒過程是動態的、不斷變化的，分析時可以概化為堤防漫頂式和堤防潰口式兩種淹沒情況.堤防漫頂式淹沒通常設定某一洪水水位，分析洪水漫過堤防造成的淹沒范圍和水深分布.堤防潰口式淹沒是給定某一洪水量情況下造成的淹沒范圍和水深分布.堤防漫頂式淹沒較常見，但洪水面實際上并非平面，而是一個曲面，為便于計算通常假定為平面，取多年洪水位觀測數據作為淹沒水位.在堤防潰口式淹沒中，洪水量不可能是一個固定值，因為堤防潰口后存在人為干預作用，如封堵潰口，洪水量受封堵方式和封堵速度影響變化很大，增大了淹沒分析的難度.因此，本文中采用堤防漫頂式淹沒分析.

種子蔓延算法是一種廣泛用于有源淹沒分析方法，它是基于種子空間特征的擴散探測算法，其核心思想是將給定的種子點作為一個對象，賦予特定的屬性，在某一平面區域上沿4個（或8個）方向游動擴散，求取滿足給定條件、符合數據采集分析精度且具有連通關聯分布的點的集合.利用種子蔓延算法計算淹沒區，就是按給定水位條件，求取滿足精度、連通性要求的點的集合，該集合組成的連續平面就是淹沒范圍.淹沒范圍分析的精度取決于DEM的分辨率.依據DEM象元的高程值精度，選擇恰當的閾值作為判斷象元歸屬的條件，該值稱為種子蔓延探測分辨率.設空間數據精度為m，探測分辨率為φ，其關系式為：

式中n為倍頻系數，通常取2；K為平衡參數，用于平衡探測分辨率和運算效率間的矛盾.種子點的起始位置一般選在水庫堤壩、河岸邊界等特征點處，將滿足所有條件的連通關聯淹沒點存入緩存區，不斷累加使淹沒范圍不斷擴大.根據GIS數據采集的格網精度確定種子點探測步距，探測步距應與象元的尺寸相對應.可采用跳步方式提高計算效率，跳步值一般選3～8［18-19］.

本文中選擇青云河水庫、鴿子塘水庫、臥龍水庫、北大河水庫和登沙河、旗桿河、大魏家河、炮臺河、鄧屯河等河流為種子點，對其影響范圍分別進行種子蔓延法淹沒分析.大連市城市等級為Ⅰ級，金普新區為大連市城市規劃區.依據《防洪標準》和《海堤工程設計規范》的分級標準，金普新區防洪和防潮標準為50年一遇，因此采用50年一遇洪水位作為淹沒水位進行計算.

2.3 淹沒水深計算

在某一特定洪水位條件下，淹沒水深分布與地面高程密切相關，其計算公式［20-21］如下：

式中：H為淹沒水深（m），Hw為洪水位高程（m），Hg為地面高程值（m）.

利用ArcGIS的Spatial Analyst工具中的數學分析，計算50年一遇洪水位與DEM柵格之間的高差，即可得到淹沒水深分布圖.

3 結果分析

根據金普新區DEM數據和收集的多年洪水位、潮位觀測資料，利用ArcGIS的空間分析工具進行洪水淹沒分析，淹沒范圍見圖3.可以看出，淹沒區主要分布在水庫和河流下游的沖洪積平原和海積平原，淹沒面積共318.08 km2，占全區陸域面積的18.6%，除二十里堡街道、亮甲店街道、向應街道、華家街道、擁政街道、先進街道、海青島街道未淹沒外，其他行政區均有淹沒區域.

圖3 金普新區洪水淹沒范圍Fig.3 Map of flood-submerged area in Jinpu New District

利用ArcGIS將洪水位減去DEM柵格，得到淹沒水深分布圖（圖4）.由圖4可知，洪水淹沒深度為0～7.6 m，以水庫為種子點的淹沒區域較大，淹沒水深自種子點到海岸線逐漸增大；以河流為種子點的淹沒區域呈帶狀分布，淹沒水深自河流中線向兩側逐漸減小.

圖4 金普新區洪水淹沒深度圖Fig.4 Map of flood depth in Jinpu New District

4 結論

1）淹沒區計算結果的準確性主要取決于空間數據精度，本研究采用了25 m分辨率的DEM并收集多年洪水位、潮位數據，保證了源數據精度，為計算結果的準確性提供了保障.

2）結合研究區地貌特征和水系分布，基于ArcGIS技術采用種子蔓延法進行洪水淹沒分析得到了淹沒范圍和水深分布.該方法操作簡單、有效、實用，計算結果可靠，可為城市規劃選址、水利工程建設、防洪減災決策等提供理論依據.