基于GIS的溃坝洪水模拟

高眯眯，张永彬

(华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210)

引言

为了便于耕种灌溉、渔民养殖以及满足日常用电需求等，人类在天然湖泊上修建了许多水库大坝。地震、沙尘暴、洪涝等自然灾害的高频发生，使得各类极端自然灾害事件大幅增加，在遍及全球的各种自然灾害中，危害最大的当属洪涝灾害，属于一种最为寻常、破坏力极大的灾害。这种灾害发生的频率极高，影响范围极广，历年来导致了不可估量的经济损失，且一直有上升的趋势[1]。我国大坝总量位居世界第一，溃坝率亦是世界第一。因此，国家将防洪工作作为关乎民生安全保障的一项重要事业，在水库大坝的防洪建设方面提出了多种措施方案，在防洪减灾工作中具有巨大的影响力，为国家带来了巨大的经济效益和社会效益，与此同时也促进了人民生活水平的改善和提升。人类为了更好地保证自身安全，使灾害损失达到最小化，应该充分了解洪水活动变化所有过程，深入研究洪水的运动规律，找出洪水的变化的特征，此类研究对人民生活和国家经济建设与发展具有重要意义[2,3]。

现代技术在洪灾中的运用越来越普及，因而产生了治理洪灾更多的可能性，愈来愈多学者关注并研究溃坝洪水淹没问题，并分别在研究的内容、方法、范围等方面获得一定成就[4-6]。但该项研究仍有诸多不足之处，例如，一部分研究仅展示了洪水的二维、三维可视化表达的效果，并没有进行详细地分析；另一部分研究由于一些客观条件的限制，比如：计算方法、实验条件等，仅仅是针对洪水淹没范围的一些数据分析，没有将淹没的范围给出直观的可视化展示，或者展示的效果并不理想，导致预警预测洪水淹没的过程难以进行[7-10]。在大数据时代，为了更加合理、有效地利用溃坝洪水信息资源，为水文学研究人员，防洪减灾相关业务部门的科研人员直观了解洪水淹没的过程以及相关信息提供技术支撑。该项研究开发了集数据处理、分析、计算、模拟与预警于一体的溃坝洪水模拟系统。

1模型与算法描述

1.1 SCS模型

SCS模型根据采样区的实际渗水量(F)与真正的径流量(Q)之比等于本区域该场降雨前的潜在入渗量(S)与潜在径流之比的假定基础上建立的[11]，即：

(1)

假定潜在径流量为降雨量(P)与径流产生前植物截流、初渗水和填洼水构成了集水区初损量Ia的差值，即：

Qm=P-Ia

(2)

实际入渗量为降雨量减去初损和径流量，即：

F=P-Ia-Q

(3)

由式(1)～式(3)可得出：

(4)

假定集水区降雨的初损为潜在入渗量的20%，即：

Ia=0.2S

(5)

则式(4)可写为：

(6)

1.2 元胞自动机模型

该模型包含以下4个参数CA=。式中：L为将采样区离散化的规则元胞聚集，该模型采用规则格网元胞，边长d为5 m。N为冯诺依曼邻域关系，该元胞下一时间段的形态是由自身和相邻元胞的形态共同确定的，在所有时间点该元胞均能够与周围的元胞存在水流的传递，中心元胞下一秒的形态是由其相连接的8个方向上的元胞以及自身共同决定的。P是用来描述转换功能和元胞形态的元胞自动机模型参数的限定集，其中包括：全局参数，如元胞边长d、历时步长t；静态参数，如DEM高程和曼宁糙率系数；动态参数，如降雨量、水深、水位高程等。R表示决定一个元胞到另一个元胞流向的转换规则[12]。在单位时间步长t内，可通过曼宁公式进行计算分配的水量：

(7)

(8)

式中：V为水流速度(m/s)；h为水深(m)；j为坡度(°)；n为曼宁粗糙系数；E为交换水量(m3)；S为水断面面积(m2)；d为元胞边长(m)。

1.3 曼宁公式

曼宁公式指的是明渠道流量或速度经验公式，常用于水利建设等活动中。该项研究中采用其计算水流速度[13]，公式如下：

(9)

式中：V为水流速度(m/s)；k为转换常数，国际单位制中取值为1；n为糙率，综合反映表面粗糙情况对水流的影响；Rh为水力半径(m)；S为坡度(°)，表示2个格网之间的坡度[14]。

1.4 D8单向流法

该项研究中采用D8单向流算法决定流向，假设中心单元中的水只能汇入与之相邻的8个不同方向的单元格中。利用最大水位高程落差法来确定水流的方向，即在3×3的DEM 单元格网中，计算中心单元格与各相邻单元格的水位高程之间的关系，取与中心单元差值最大的邻域单元格作为下游单元格流入，如图1所示。

图1 D8单向流

2案例研究

2.1 研究区概况

实验区溪源宫水库地处福州市，常年气温适宜，温暖湿润，雨量充沛。福州市地处闽江下游，属于沿海城市，全市海域面积高达11.09×104km2。溪源宫水库属中型水库，位于福州市闽侯上街溪源宫，其特殊的地理位置，时常出现持续较强降雨，连续的降雨导致水位上涨，降雨、融雪、溃坝崩塌等原因引发水库沿海水位上升，水库坝体存在着决堤的可能性。

2.2 数据来源及预处理

图2所示为10 m分辨率的原始遥感影像。该项研究选用源于哨兵二号官网下载的遥感影像European Space Agency，Sentinel-2 卫星数据(Band 2、Band3、Band4组合)以及在地理空间信息云上下载的福州市dem数据。福州市1:100 万矢量地图。降水量、水深、水位高程信息均来自于福建水利信息网。

图2 10 m分辨率原始遥感影像

图3所示为监督分类后的遥感影像。利用ENVI软件对10 m分辨率的原始遥感影像进行监督分类，将影像中的地物大致分为六大类，定义红色为道路，绿色为耕地，蓝色为河道，黄色为居民地，鲜青色为建设用地，紫色为林地。

图3 监督分类后的图

2.3 系统功能设计

系统设计数据处理、数据管理、洪水模拟、数据分析、查询、动态推演与预警六大模块，实现了数据的预处理、地图的加载、图层的管理、图像的放大缩小平移、暴雨的模拟、溃坝的模拟、淹没面积的计算、淹没体积的计算、淹没水深的查询、降雨量的查询、动态推演与预警等重要功能。图4所示为系统技术路线图。

图4 系统技术路线图

系统设计2种不同形式的模拟即：暴雨洪水淹没模拟与溃坝洪水淹没模拟。图5所表示的是洪水淹没模拟推演的一个过程。整个系统是基于元胞自动机的方法来实现的，为了模拟洪水径流的过程，选取了SCS水文模型，来模拟产生汇流的过程，在该研究区存在几个雨量站，经过IDW雨量插值可以得到对应点的降雨量，通过空间插值算法得到研究区面雨量。获取得到面雨量之后，在SCS模型中进一步进行数据处理，因为降落的雨水并不是全部落到地上形成积水或者河流，其中一部分会留在树上或渗透到土壤里，这部分被称作是降雨初损。因此就要进行净雨量的计算，降雨初损使用20%最大下渗量来计算。在洪水淹没模拟元胞自动机模型中，降雨从中心栅格向相邻栅格流入的分布形成了汇流。在这个过程中，采用D8单向流算法推算雨水的流动方向，该方向是由中心单元与相邻单元水位落差之间的关系进行确定的，基本规则如下：若中心元胞水位高程低于或者等于所有邻域元胞水位高程，则不进行水量分配；反之选择高差最大的邻域元胞作为下游。雨水流动速度采用曼宁公式确定，每一个单元看作是一个元胞，整个流域分布分成很多个单元，通过计算每个单元的水量进而计算出整个流域的水量。

图5 洪水淹没模拟推演数据流图

2.4 系统实现

2.4.1洪水淹没模拟功能的实现

暴雨洪水是由较大强度的降雨而形成的大区域洪水，引发水库水量迅速增加并伴随水位急剧上升的现象[15]；溃坝洪水是小区域大水量的输入，坝体或者其他挡水建筑物瞬间溃决发生水体突泄所形成的洪水现象。基于元胞自动机的模拟中，利用DEM高差采用D8单向流法计算坡度和流向，并利用曼宁值来计算流速，流速乘以时间就是此单元向下一单元此时间段内流动的水量，将当前的淹没情况结果进行累加模拟。对洪水淹没事件做出模拟响应，找到即将发生溃坝决堤的位置，确定影响范围等。模拟结果如图6、图7所示。

图6 暴雨洪水淹没模拟结果 图7 溃坝洪水淹没模拟结果

2.4.2查询功能的实现

查询功能具体包含：对研究区斑块的水深信息进行查询、对研究区降雨量进行查询、对洪水淹没模拟动态推演过程中斑块水深信息的查询、对动态推演过程中任意时刻的洪水淹没情况进行查询等。提供点击查询及按照给定条件查询，查询结果可直观数字显示或者直接在地图上进行显示标记。选择地图上的水域，即可获取降雨量的信息；可以通过识别功能点选某一区域的水深量、面降雨量；点击下拉框进行筛选不同模式下同一地段的雨水量。以米为单位，效果图如8所示。

图8 任意时刻的淹没情况查询

2.4.3数据分析功能的实现

经过不同模式的洪水淹没模拟，将模拟的结果栅格图加载进行分析，根据用户自定义淹没判断的数值，可分别计算出该区域不同模式下符合淹没判定的淹没区域的体积、面积、水深情况，将符合淹没判定的淹没区域直观地显示出来，利于使用系统的研究人员能够即刻地分析出研究区的洪水淹没的情况，以便于做出相应的应对措施。效果如图9所示。

图9 淹没面积体积的计算

2.4.4动态推演与预警功能的实现

根据暴雨洪水淹没模拟和溃坝洪水淹没模拟的结果，将其给予模拟的起始时间点发布wms 服务，按照模拟时候确定的模式，模拟时间步长、模拟总时长规定按照多久出一景结果为前提进行动态推演。根据输入的模拟时长进行动态推演，可以通过前进后退逐时间段播放洪水演进的情况，随时点击暂停查看该时刻的淹没情况，分别展示了第40 min、第80 min、第120 min、第200 min的洪水淹没情况，效果如图10所示。

图10 洪水淹没动态推演效果图

当水量将要逼近水库的最大临界点时将会发生溃坝现象，系统会立刻给予预警提示并标记出将要决堤的地方以及决堤后的漫流方向。系统提前预警预测以高亮红色显出出来外加提示窗弹出，以使相关部门及时做出撤离行动及相应的解决方案，如图11所示。

图11 洪水淹没预警

3结论

根据洪水灾害的特点，选择实验区福州市溪源宫水库进行实验，基于C/S +B/S架构构建基于GIS 的溃坝洪水模拟系统。实现了洪水淹没模拟的动态推演与预警，该系统能进行流态模拟、负荷分析、流向状况分析，辅助决策，对突发溃坝事件做出快速响应与预警，快速找到溃坝临界点，确定淹没方向、影响范围等。系统的建立为洪水淹没分析与预警提供了技术支撑，为水库下游人员撤离提供参考依据。