松花江洪水风险图编制及管理应用

李　航，于德万，刘心玲（吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林长春 130021）



松花江洪水风险图编制及管理应用

李航，于德万，刘心玲
（吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林长春 130021）

［摘要］基于吉林省松花江防洪保护区洪水风险图编制项目，采用二维水力学模型进行溃堤洪水分析，将得到的洪水风险要素导入Arc GIS软件中绘制洪水风险图。并且使用C语言对Arc GIS进行二次开发，从而建立二维、三维洪水风险图管理系统。

［关键词］M-K检验法；径流；长仁河；

1　编制区域概况

松花江位于吉林省中南部地区，三岔河口以上江段河长825.8 km，流域面积7 3834 km2，平均宽度为97.8 km，河道平均比降为0.4‰，占全省国土面积的40%。松花江（丰满水库至三岔河口段）左岸较大支流有温德河、鳌龙河、沐石河、牛亡牛河、团山子河等，右岸有牛亡牛河、团山子河等较大支流汇入，干流水文站有吉林站、松花江站和扶余站。洪水风险图编制洪水来源主要为丰满水库泄洪和汛期各支流洪水。洪水多由暴雨形成，一般发生在6—9月。据统计，大洪水均发生在7月下旬至8月下旬，尤以8月最多。

2　洪水分析模型

由于研究范围内河道普遍较宽、地形十分复杂，通过综合分析，最终确定分析范围内的水力计算统一按二维水力学的方法进行，计算分析软件采用DHI Mike 21。

2.1溃口过程计算

堤防溃口宽度及发展过程采用以下经验公式估算：

堤防溃口宽度经验公式：

汇流点：Bb=4.5（1og10B）3.5+50（1）

其他地点：Bb=1.9（1og10B）4.8+20（2）

式中：Bb——溃口宽度，m；B——河道宽度，m。

堤防溃口宽随时间变化过程：

Bb′=Bb/2T=0（3）

Bb′=Bb（1+t/T）/20

Bb′=Bbt>T（5）

式中：t——溃堤后的历时，min；T——溃堤持续时间，min；Bb′——任意时刻溃口宽度，m；Bb——最终溃口宽度，m。

溃堤持续时间T按下式确定：

T=1.527（Bb-10）（6）

2.2淹没区二维水流模型建立

描述水流运动的二维非恒定流方程由水流连续性方程和水流沿x方向的动量方程及水流沿y方向的动量方程所组成。

式中：t——时间，s；n——曼宁糙率系数；x，y——直角座标系的横、纵坐标，m；u，v——x，y方向的流速分量，m/s；z，h——（x，y）处的水位与水深，m；g方向的水流运动阻力，单位为N。

二维模型计算流程如图1所示。

图1　二维模型计算流程图

3　洪水风险图编制

根据《洪水风险图编制导则》规定，江河湖泊洪水风险图按河段或堤防等分别编制，依据洪水风险分析提供的信息，在1∶10 000DEM电子图上以行政区划图、地形图、水系图、防洪工程分布图为基础的工作底图上绘制不同频率洪水的淹没范围和特征点水深等洪水风险信息。

采用ArcGIS软件绘制洪水风险图，图形数据统一采用国家CGCS2000中国大地坐标系、高斯-克吕格投影，1985黄海高程基准，坐标单位为m。

图形数据交换格式以常用交换数据类型*.shp格式提供。风险图延伸信息数据以Access或者Excel形式交换，其中的文字说明内容以Txt文本或者Word文档等形式交换。

原则上风险图图层顺序为按照点图层在最上面，线图层在中间，面图层在最下面的方法设置图层顺序。在不影响风险图整体效果的前提下，尽量将需要突出信息的图层放在上面，如洪峰到达时间信息。

洪水风险图中的洪水风险信息以半透明方式着色，便于同时获取淹没区内行政区划、居民地、重要设施等基本地理信息。

洪水风险要素图层透明度设置为50%，不同风险要素使用不同色系进行表达。

将洪水风险图绘制所需信息纳入洪水风险图绘制系统，以基础地理信息地图为工作地图，绘制基本洪水风险图。

4　应用软件开发

4.1二维风险图管理系统

二维风险图管理系统从风险图管理、地图操作、淹没情况查询、风险图筛选等四个方面进行了研究。

1）风险图管理。二维风险图管理系统提供了二维风险图管理、矢量风险图数据浏览、风险图查询和淹没数据显示等功能。

2）地图操作。地图操作包含了常见的地图操作基本工具。具体包括：“放大”、“缩小”、“按区域放大”、“按区域缩小”、“显示全部范围”、“手势拖拽”、“属性查询”、“淹没信息查询”、“导出图片”、“比例尺选择”等操作工具。

3）淹没情况查询。系统查询任意场次洪水的淹没信息，淹没信息以弹窗形式呈现，具体包括：“县名称”、“乡镇名称”、“村名称”，“屯名称”、“总户数”、“总人数”，“联系人”、“联系方式”、“淹没面积”，“耕地面积”、“涉及人口”、“房屋损失”，“耕地损失”、“资产损失”等字段。

4）风险图筛选。用户通过溃口名称、洪水量级、风险图类型（包括到达时间图、洪水流速图、淹没历时图、淹没水深图和淹没范围图）及关键字4种条件，快速筛选和搜索需要查看的风险图。

4.2三维风险图管理系统

三维风险图管理系统从三维场景建设、场景跳转、洪水演进动画3个方面进行了研究。

1）三维场景建设。软件通过三维显示技术，采用1∶10 000高程数据、0.5 m分辨率航飞影像数据、地名，行政区划等矢量数据以及重要桥梁三维模型，呈现逼真的编制范围的地形地貌三维场景。

2）场景跳转。系统快速跳转场景功能，跳转方式分自动和手动2种，用户通过手动选择溃口名称，软件根据选择结果，读取溃口的坐标信息，将视窗移动到溃口上方；另外当用户加载完一场洪水演进图层后，软件根据加载的洪水演进图层，判断洪水所在位置，视窗自动跳转到对应的溃口，快速定位，免去用户手动操作。

3）洪水演进动画。系统内置了多个溃口及不同洪水组合频率下的演进动画，每场动画都按一定的演进时间呈现洪水演进动画。演进过程中用户随时暂时、停止，或者手动拖动进度条滑块，查看指定时间点的洪水情况。

5　结语

研究在采用二维水力学模型对松花江防洪保护区溃堤洪水分析的基础上，将洪水分析得到的各项风险要素导入ArcGIS软件，从而绘制洪水风险图。此外，基于ArcGIS组件，使用C语言开发二、三维洪水风险图管理系统，为吉林省防汛抗旱抢险指挥工作提供支持服务。

［参考文献］

［1］国家防汛抗旱总指挥部办公室.洪水风险图编制导则［K］.北京：国家防汛抗旱总指挥部办公室，2010.

［2］曹东，金东春.洪水风险图及其作用［J］.东北水利水电．1998(8）：8-10.

［3］王军，梁忠民，施晔.基于GIS的水库洪水风险图编制［J］.河海大学学报(自然科学版),2010(1）：20-25.

［4］陈浩，仇劲卫，王艳艳.北江大堤保护范围洪水风险图的制作与应用［J］.水利水电技术，2000（7）：38-43.

［5］李娜.基于GIS的洪灾风险管理系统［D］.北京：中国水利水电科学研究院,2002.

［6］王静，王军，梁忠民.基于GIS的连云港市区城市洪水风险图管理系统研究［C］//高丹盈，左其亭.中国水论坛第四届学术研讨会论文集.北京：中国水利水电出版社，2006：1112-1116.

［7］梁忠民，王军，施晔.基于GIS技术的江河洪水风险图编制［J］.中国防汛抗旱，2009（1）：54-57.

［中图分类号］TV121

［文献标识码］B

［文章编号］1002－0624（2016）03－0043－02

[收稿日期]2015-07-22