王 軍,梁忠民,施 曄

(河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098)

基于GIS的水庫洪水風險圖編制

王 軍,梁忠民,施 曄

(河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇南京 210098)

利用水文學方法、水庫潰壩洪水計算模型及二維水力學數(shù)學模型分別對水庫庫區(qū)洪水風險和水庫潰壩洪水風險進行分析,利用Microsoft Visual Basic 6.0對ArcGIS進行二次開發(fā),將風險信息按照一定的方式自動顯示在地圖上,從而實現(xiàn)了水庫洪水風險圖的自動編制,并將該方法應用于江蘇省石梁河水庫洪水風險圖的編制.應用結果表明,通過該方法編制的水庫洪水風險圖可以為當?shù)胤姥床块T制訂科學合理的防洪調(diào)度方案和抗洪救災措施提供科學依據(jù)和技術支撐.

水庫;潰壩洪水;GIS;洪水風險圖

洪水風險圖是一種融合地理、社會經(jīng)濟信息、洪水特征信息,通過資料調(diào)查、洪水計算和成果整理,以地圖形式直觀反映某一地區(qū)發(fā)生某一頻率的洪水后可能淹沒的范圍和水深,從而可以預知和分析不同量級洪水可能造成的風險和災害的專題地圖,它可以為相關部門的防洪減災決策提供指導和決策依據(jù)[1-2].洪水風險圖的編制在發(fā)達國家已發(fā)展較為成熟[3-4],而在我國的發(fā)展卻剛剛起步.隨著我國治水理念的改變,編制洪水風險圖將成為我國防洪減災迫切需要開展的重點工作之一[5].洪水風險圖按照編制對象的不同可分為江河湖泊洪水風險圖、蓄滯洪區(qū)洪水風險圖、水庫洪水風險圖[1].其中,水庫洪水風險圖是反映水庫庫區(qū)及水庫潰壩情況下洪水風險信息的專題地圖.水庫建成后,存在的洪水風險主要有2種:(a)庫區(qū)的淹沒風險.因為水庫水位一般維持在防洪高水位以下,在防洪高水位以上的庫區(qū)范圍會有農(nóng)作物等的分布,當發(fā)生較大洪水時,農(nóng)作物等將有可能被淹.(b)水庫潰壩洪水對下游區(qū)域造成的淹沒風險.因此,水庫洪水風險圖可以分為水庫庫區(qū)洪水風險圖和潰壩洪水風險圖.

地理信息系統(tǒng)(GIS)是利用計算機強大的計算能力實現(xiàn)自動或半自動存儲、處理、分析和管理空間數(shù)據(jù)的一種技術[6-8].它融合了數(shù)據(jù)庫、軟件工程、人工智能、網(wǎng)絡技術等[6]主流技術,憑借其強大的空間處理、圖形展現(xiàn)、地圖處理等眾多優(yōu)點,已經(jīng)成為很多重要領域的有力工具,并且在洪水風險的自動編制上,GIS也大有作為,利用GIS技術可高效、準確地半自動化自動化編制洪水風險圖.同時基于GIS進行二次開發(fā),還可以開發(fā)出符合用戶特殊需求的洪水風險圖管理系統(tǒng).

我國水庫眾多[9-11],現(xiàn)有大壩總數(shù)超過8.5萬座,居世界首位.由于我國大壩大都修建于20世紀50～70年代,設計標準低,工程質(zhì)量差[12],而且很多大壩年久失修,帶病運行,每逢遭遇大水,必定存在潰壩隱患,并可能導致庫區(qū)及水庫下游地區(qū)重大經(jīng)濟損失和生命財產(chǎn)損失.因此,水庫洪水風險圖的編制對防汛部門了解水庫發(fā)生重大洪水災害時可能產(chǎn)生的后果,并制訂和采取有效的避險措施具有重要的意義.

隨著GIS技術的興起與成熟,基于GIS的水庫洪水風險圖的編制漸漸成為人們研究的熱點.本文利用水文學方法、水庫潰壩洪水計算模型及二維水力學數(shù)學模型分別對水庫庫區(qū)洪水風險和水庫潰壩洪水風險進行分析,利用Microsoft Visual Basic 6.0對ArcGIS進行二次開發(fā),將分析所得風險信息按照一定的方式自動顯示在地圖上,從而實現(xiàn)了水庫洪水風險圖的自動編制.

1 水庫洪水風險分析方法

洪水風險是指未來可能引起災害性后果的洪水發(fā)生的概率或頻率.洪水風險分析的主要內(nèi)容為:(a)引起災害性后果的不同頻率洪水的特征值或洪水過程;(b)不同頻率洪水引起的災害性后果,如淹沒范圍、淹沒水深、淹沒歷時、洪災損失等.根據(jù)水庫洪水風險可能發(fā)生的實際情況,可將水庫洪水風險分為庫區(qū)洪水風險和水庫潰壩洪水風險.

1.1 庫區(qū)洪水風險

庫區(qū)洪水風險信息主要是指不同頻率洪水對應的淹沒范圍及淹沒水深,庫區(qū)洪水風險分析的步驟如下:(a)通過水庫調(diào)洪演算,確定不同頻率洪水的庫區(qū)水位過程及淹沒水位;利用庫區(qū)水量平衡方程和庫容曲線,聯(lián)合求解不同頻率洪水庫區(qū)水位過程.(b)由水位數(shù)據(jù)和地面高程數(shù)據(jù)推求庫區(qū)不同位置的淹沒水深.(c)結合數(shù)字地面高程模型確定不同頻率洪水時水庫庫區(qū)淹沒范圍及淹沒水深分布.

1.2 水庫潰壩洪水風險

水庫潰壩洪水風險信息包括潰壩條件下水庫下游區(qū)域的洪水最大淹沒范圍、最大淹沒水深分布、淹沒歷時分布、流速分布,以及不同時刻洪水演進過程的不同水文要素信息等.水庫一旦潰壩,潰壩洪水會沖出河道,四處奔襲,這種下墊面地物復雜、水流路徑不定的情況需要用二維水力學數(shù)學模型進行模擬和分析.而二維水力學數(shù)學模型所模擬的潰壩處的入流過程就是潰口發(fā)展相應的洪水過程,因此要運用二維水力學數(shù)學模型,首先要分析潰壩潰口洪水過程,才能推求出潰壩洪水引起的下游淹沒信息.實際上,潰壩有瞬間潰壩和漸進潰壩2種形式,這里僅研究漸進潰壩的洪水風險問題.

1.2.1 潰壩洪水過程計算

1.2.1.1 大壩潰口寬度確定

如有相關調(diào)查資料和統(tǒng)計資料,則根據(jù)資料確定大壩最終潰口寬度;如缺乏資料,根據(jù)《洪水風險圖編制導則(試行)》[1]中的規(guī)定,潰口形狀按梯形斷面考慮,并參考陸吉康等[13]提出的經(jīng)驗公式進行計算.

最終潰口平均寬度計算的經(jīng)驗公式為

式中:Hb——潰決有效高度(水庫大壩潰決時刻水位減壩址斷面平均底高程);Vr——水庫有效下泄庫容;Bm——最終潰口的平均寬度,即梯形潰口上下寬度的平均值;K——修正系數(shù),漫頂造成的潰決K=1,管涌造成的潰決K=1.4.

t時潰口平均寬度Bt的計算公式為

式中:B0——初始寬度;Tf——潰口發(fā)展歷時;t——潰口時間.

1.2.1.2 大壩潰口底高程確定

在潰口發(fā)展歷時Tf內(nèi),大壩潰口底高程是不斷變化的,假定在潰口發(fā)展歷時Tf內(nèi),大壩潰口縱向按線性比例擴大,則潰口底高程

式中:hb——潰口底高程;hd——壩頂高程;hbm——最終潰口底高程;ρ0——反映潰口非線性程度的參數(shù),取值范圍為1≤ρ0≤4.

1.2.1.3 潰壩泄流流量計算

假定潰壩斷面水流流態(tài)與寬頂堰流流態(tài)類似,則潰壩泄流流量可按堰流公式進行計算:

式中:m——流量系數(shù),近似取0.385;Ht——t時潰口底部高程以上水頭,即t時庫水位與hb的差值.

1.2.2 潰壩洪水沿程演進計算

在求出水庫潰壩潰口洪水過程的基礎上,采用二維水力學數(shù)學模型進行水庫潰壩洪水的沿程演進計算,以推求潰壩洪水在下游區(qū)域形成的淹沒水深、淹沒范圍、流速流量分布、淹沒歷時等風險信息.

二維水力學數(shù)學模型由連續(xù)方程和水流沿x和y方向的動量方程組成.連續(xù)方程為

二維水力學數(shù)學模型的求解步驟如圖1所示.

圖1 二維水力學數(shù)學模型的求解步驟Fig.1 Generic steps for solving two-dimensional hydraulic model

2 GIS支持下水庫洪水風險圖編制方法

由于水庫風險分為庫區(qū)洪水風險和水庫潰壩洪水風險,因此分析時二者要分別進行考慮.如果要使庫區(qū)洪水風險圖能夠反映洪水風險信息,則需要繪制不同頻率設計洪水的庫區(qū)淹沒范圍圖和淹沒水深分布圖.由于洪水的到達時間、淹沒歷時、淹沒水深變化過程等信息是防汛部門組織民眾避險的重要依據(jù),所以水庫潰壩洪水風險圖需包括最大淹沒范圍圖、最大水深分布圖、最大流速分布圖、到達時間分布圖、淹沒歷時分布圖以及潰壩洪水演進過程中不同時刻的淹沒范圍圖、淹沒水深分布圖、流速分布圖、流向分布圖等.以上各種洪水風險圖需采用一定的顏色標注才可以清晰地反映洪水風險信息.根據(jù)《洪水風險圖編制導則(試行)》[1]的規(guī)定 ,采用灰(RGB:128 128 128)、藍(RGB:0 0 255)、綠(RGB:0 255 0)、黃(RGB:255 255 0)、橙(RGB:255 165 0)、紅(RGB:255 0 0)6種顏色分別標注5年一遇、10年一遇、20年一遇、50年一遇、100年一遇、1000年一遇洪水風險區(qū)域及最大淹沒范圍.其他洪水風險圖用相應淹沒范圍的顏色分級標注.同時,各洪水風險圖層只有與防洪工程分布圖、水系圖層、地形圖層、行政區(qū)劃圖層等疊加顯示,才能為防汛管理提供依據(jù).

各種GIS軟件都具有圖層渲染功能,為了實現(xiàn)洪水風險圖的自動編制,筆者采用世界GIS領袖ESRI公司的ArcGIS桌面軟件處理原始空間數(shù)據(jù),利用ArcObject(AO)提供的高層開發(fā)控件和組件以及可視化開發(fā)語言VB進行應用程序開發(fā).洪水風險圖編制的技術路線為:

a.利用AO提供的接口(Ilayer)新建一個用來存儲各頻率設計洪水或潰壩洪水淹沒信息的洪水風險圖層.

b.對新建圖層進行網(wǎng)格剖分.需要指出的是,剖分網(wǎng)格時要充分考慮研究區(qū)域內(nèi)的阻水建筑物、擋水建筑物、過水建筑物等復雜邊界條件.計算網(wǎng)格中的地形信息即高程值是計算的基礎,因此剖分網(wǎng)格時要融合對應網(wǎng)格的高程信息.可以根據(jù)資料實際擁有情況,通過對DEM、高程點、等高線的處理來獲得計算網(wǎng)格的高程信息.完整洪水風險原始圖層,可以是矢量格式的,也可以是柵格格式的.

c.將洪水風險分析計算得到的各個網(wǎng)格的洪水風險信息,包括最大水深、最大流速、到達時間、淹沒歷時、洪水演進過程中不同時刻的淹沒水深、流速等,分別作為洪水風險圖層的一個屬性信息寫入該圖層屬性表的相應字段中.

d.針對不同的洪水風險圖,利用AO的圖層描述接口(IRenderer)、顏色方案接口(IcolorRamp),并按照設定的色彩方案,以屬性表中相應字段的取值進行分類即可對該圖層進行渲染,從而實現(xiàn)洪水風險圖層的自動編制.

e.將渲染完畢的洪水風險圖層與其他基礎圖層進行疊加,即可得到相應洪水要素的洪水風險圖.洪水風險圖可以通過開發(fā)的應用程序查看,也可以通過ArcGIS軟件查看.

3 水庫洪水風險圖編制實例

江蘇省石梁河水庫位于新沭河中游,蘇魯兩省的贛榆、東海、臨沭縣三縣交界處,是一座具有綜合功能的大(2)型均質(zhì)土壩水庫.水庫按100年一遇設計,2000年一遇校核.石梁河水庫一旦潰壩,對下游的贛榆、東海兩縣產(chǎn)生極大的威脅,并可能使兩縣遭受巨大的社會經(jīng)濟、生命財產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境等損失,同時可能導致下游新沭河堤防潰決并威脅下游的連云港市.因此,石梁河水庫洪水風險圖對相關部門指導當?shù)厝嗣穹罏臏p災具有重要意義.

3.1 庫區(qū)洪水風險圖

采用上述庫區(qū)洪水風險分析方法,結合石梁河水庫實際水文數(shù)據(jù),分析得到的不同頻率洪水庫區(qū)水位如下:50年一遇洪水庫區(qū)最高水位為25.99m;100年一遇洪水庫區(qū)最高水位為26.72m;1000年一遇洪水庫區(qū)最高水位為27.53m;2000年一遇洪水庫區(qū)最高水位為27.86m.

結合石梁河水庫洪水頻率分析結果,用不同頻率最高水位減去庫區(qū)DEM,即可得到庫區(qū)洪水風險信息,按重現(xiàn)期從小到大分別采用不同的色彩方案對相應頻率洪水風險信息進行渲染,從而得到不同頻率洪水庫區(qū)洪水風險圖.庫區(qū)不同頻率疊加淹沒范圍和2000年一遇洪水淹沒水深分布分別如圖2和圖3所示.

圖2 庫區(qū)不同頻率疊加淹沒范圍Fig.2 Superposed submerged area in reservoir region with floods of different frequencies

圖3 庫區(qū)2000年一遇洪水淹沒水深分布Fig.3 Distribution of water depth in reservoir region under flood with return period of 2000 years

3.2 潰壩洪水風險圖

根據(jù)上述二維水力學數(shù)學模型的求解步驟,結合石梁河水庫實際情況,劃定研究區(qū)域(圖4),并剖分網(wǎng)格.網(wǎng)格剖分采用研究區(qū)域內(nèi)的新沭河堤防、海堤、汾灌高速公路等確定計算邊界,并從地圖上提取該邊界.網(wǎng)格剖分采用專業(yè)軟件GAMBIT,根據(jù)地形數(shù)據(jù)的實際情況,將網(wǎng)格大小設計為500m×500m.石梁河水庫有主壩和老副壩,以老副壩為例,其潰壩洪水計算網(wǎng)格如圖4所示.

用式(5)～(7)推求潰壩洪水過程,并將此洪水過程作為二維水力學數(shù)學模型的入流條件,根據(jù)下墊面地物分布情況設定糙率,運行模型,可以求出每一個計算網(wǎng)格的淹沒要素值,進而可根據(jù)潰壩洪水風險分析結果,繪制最大水深分布圖、最大淹沒范圍圖、最大流速分布圖、到達時間分布圖以及洪水演進過程任意時刻水文要素的分布圖.老副壩潰壩洪水最大水深分布和到達時間分別如圖5和圖6所示.

圖4 研究區(qū)域及老副壩潰壩計算網(wǎng)格Fig.4 General situation of study area and calculation grids of dam-break

圖5 老副壩潰壩洪水最大水深分布Fig.5 Distribution of maximumwater depth of dam-break flood

圖6 老副壩潰壩洪水到達時間Fig.6 Distribution of arrival time of dam-break flood

從圖5和圖6可以看出洪水淹沒水深分布和到達時間分布.由于研究區(qū)域歷史上沒有發(fā)生過潰壩事件,不可能通過實測數(shù)據(jù)來定量地驗證模型計算結果,故定性分析如下:(a)如圖5所示,洪水最大水深分布符合研究區(qū)域內(nèi)水庫附近為丘陵、下游為平原、周邊是堤防、從西北向東南方向高程遞減的特點,因此該計算結果是合理的.(b)如圖6所示,由于汾灌高速公路的阻水作用,汾灌高速公路左側和右側的洪水到達時間有較為明顯的差別,該公路右側附近有一片顏色較深的區(qū)域,從地形信息可知,該處高程較高,所以洪水到達時間較長.因此,該計算結果也是合理的.

4 結 語

本研究基于GIS組件式技術,利用Microsoft Visual Basic 6.0對ArcGIS進行二次開發(fā),并將水文學方法與水力學洪水分析方法相耦合,從而實現(xiàn)了水庫洪水風險圖的自動編制.應用結果表明,該水庫洪水風險圖編制方法合理可行,采用此方法編制的石梁河水庫洪水風險圖可以為連云港市制訂科學合理的防洪調(diào)度方案和抗洪救災措施提供科學依據(jù)和技術支撐.但是,從石梁河水庫洪水風險圖編制的研究中也發(fā)現(xiàn)了如下一些問題:(a)實際上,水庫庫容包括靜庫容和動庫容,而動庫容的確定歷來都是庫容計算的難點,因此水庫尤其是大型水庫庫區(qū)洪水風險圖的編制需考慮動庫容并對動庫容進行分析,才能使洪水風險圖信息更為準確.(b)水庫潰壩有瞬間潰和漸進潰2種形式,這2種潰壩形式在物理機制上有很大差異,形成的泄流過程截然不同,因而洪水演進過程會產(chǎn)生很大差異.由于正確的洪水分析方法是洪水風險圖信息準確的基礎,是保證洪水風險圖具有科學性、合理性、實用性的基礎,因此這2種潰壩形式的發(fā)生條件及泄流公式值得進一步研究.

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Mapping of flood risk of reservoirs using GIS technology

WANG Jun,LIANG Zhong-min,SHI Ye
(StateKey Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China)

Hydrological methods,dam-break flood models and two-dimensional hydraulic models were employed to analyze the risk of flooding in reservoir regions and flooding caused by dam breakage.The secondary development of ArcGIS was performed using Microsoft Visual Basic 6.0,and risk information was automatically displayed on a map in a certain way so as to realize the automatic mapping of flooding risk of reservoirs.The proposed method was applied to the Shilianghe Reservoir in Jiangsu Province.The results show that the flood risk map obtained with the proposedmethod can provide a scientific basis and technical support for local departments to compile schemes for flood prevention and operation and to take measures for flood control and disaster mitigation.

reservoir;dam-break flood;GIS;flood risk map

TV122.4

A

1000-1980(2010)01-0020-06

10.3876/j.issn.1000-1980.2010.01.005

2008-11-10

江蘇省創(chuàng)新基金(CX08B_105Z);國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)(2007CB714104);國家自然科學基金(50779013);教育部博士點基金(20070294018);高等學校學科創(chuàng)新引智計劃(B08048)

王軍(1982—),男,安徽亳州人,博士研究生,主要從事防災減災及水文不確定性分析研究.E-mail:wfmingyu@hhu.edu.cn