侯婷娟

（資興市水文水資源局湖南 郴州 423403）

GIS技術(shù)在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

侯婷娟

（資興市水文水資源局湖南 郴州 423403）

洪水災(zāi)害是常見的自然災(zāi)害之一，常常會給人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成巨大威脅。如果能夠在洪水預(yù)報(bào)中應(yīng)用GIS技術(shù)，通過對洪水災(zāi)害的模擬，結(jié)合洪水淹沒區(qū)的水文地質(zhì)等特征，分析洪水的演進(jìn)規(guī)律，即可為洪水災(zāi)害的預(yù)報(bào)和防治提供重要依據(jù)。本文探討了GIS技術(shù)在洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用，以供參考。

GIS技術(shù)；洪水預(yù)報(bào)

1 引言

洪澇災(zāi)害與自然界水循環(huán)規(guī)律的變化有著密切的聯(lián)系，而人類活動對流域的水循環(huán)的因素很大的影響。洪水預(yù)報(bào)主要是依據(jù)洪水的形成與運(yùn)動規(guī)律，利用水文、氣象等信息，預(yù)測洪水的發(fā)生、變化過程，以此作為防汛搶險(xiǎn)、防洪系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)用的重要決策依據(jù)，同時(shí)為水資源的合理利用與保護(hù)、水利工程建設(shè)與管理以及工農(nóng)業(yè)的安全生產(chǎn)服務(wù)奠定基礎(chǔ)。

2 洪水預(yù)報(bào)與GIS技術(shù)

2.1 洪水預(yù)報(bào)概述

所謂水文預(yù)報(bào)，指的是依據(jù)前期、現(xiàn)時(shí)的水文氣象資料，對未來一定時(shí)間內(nèi)相應(yīng)的水文狀況，進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測，并發(fā)布相關(guān)預(yù)報(bào)的技術(shù)，對于洪水的預(yù)報(bào)在水文預(yù)報(bào)中，占據(jù)重要的地位，同時(shí)也應(yīng)用最為廣泛。

對于洪水的預(yù)報(bào)，需要依據(jù)所采集的實(shí)時(shí)觀測資料信息，包括雨量、蒸發(fā)、水位資料等，對未來可能發(fā)生洪水總量、洪峰、發(fā)生時(shí)間以及洪水發(fā)生過程進(jìn)行預(yù)測和預(yù)報(bào)，進(jìn)而完善洪水的預(yù)報(bào)方案，為防洪調(diào)度提供參考。洪水預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容包括兩方面：①流域內(nèi)的降雨產(chǎn)流預(yù)報(bào)，是將降雨過程的損失扣除，運(yùn)用產(chǎn)流機(jī)理，計(jì)算出相應(yīng)的凈雨過程；②匯流預(yù)報(bào)，主要包括流域的匯流預(yù)報(bào)與河道匯流預(yù)報(bào)兩個(gè)部分，其中，流域匯流預(yù)報(bào)主要針對流域地面的徑流、壤中流以及地下徑流匯至河道出口時(shí)，其斷面流量的預(yù)測；而河道匯流預(yù)報(bào)，則主要是預(yù)報(bào)河道各個(gè)出口的斷面流量，經(jīng)過河道調(diào)蓄作用演進(jìn)后，至流域總出口的斷面流量。

洪水預(yù)報(bào)作為實(shí)現(xiàn)有效防洪的非工程措施重點(diǎn)內(nèi)容之一，能夠直接給防汛搶險(xiǎn)、水資源的合理利用、水利工程的建設(shè)、調(diào)度運(yùn)用的管理以及工農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)服務(wù)等工作的開展提供了重要依據(jù)，同時(shí)幫助人們有效減小洪水災(zāi)害所造成的損失。洪水預(yù)報(bào)的主要內(nèi)容包括：最高洪峰水位或流量、洪峰出現(xiàn)時(shí)間、洪水漲落過程、洪水總量等。

2.2 3S技術(shù)及GIS技術(shù)

3S技術(shù)的組成，為遙感技術(shù)（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）以及全球定位系統(tǒng)（GPS），屬于一項(xiàng)集空間技術(shù)、傳感器技術(shù)、衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)于一體的現(xiàn)代化信息技術(shù)，能夠多學(xué)科高度集成地針對空間信息，實(shí)現(xiàn)采集、處理、管理、分析、表達(dá)、傳播與實(shí)際應(yīng)用。近年來，3S技術(shù)不斷發(fā)展，逐漸在水利工程中得到廣泛的應(yīng)用，包括防洪減災(zāi)、水土流失調(diào)查預(yù)測以及水土保持規(guī)劃、水資源實(shí)時(shí)動態(tài)監(jiān)測和科學(xué)管理、水利工程的勘察規(guī)劃及維護(hù)管理、農(nóng)田水利現(xiàn)代化等多方面。

GIS技術(shù)的系統(tǒng)組成主要包括計(jì)算機(jī)硬件、軟件以及不同的方法，通常情況下，GIS在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，重視對于空間數(shù)據(jù)的收集、管理、處理、分析、建模以及顯示等各個(gè)處理模塊，將復(fù)雜的規(guī)劃與管理問題進(jìn)行簡化，從而為能夠深入進(jìn)行數(shù)據(jù)信息分析和決策，提供可靠的理論基礎(chǔ)。

GIS技術(shù)根據(jù)系統(tǒng)的基本功能，通常可以分成兩大基本類型，即工具型地理信息系統(tǒng)與應(yīng)用型地理信息系統(tǒng)，前者主要包括的是以GIS技術(shù)作為工具的，對數(shù)據(jù)實(shí)施輸入、存儲、處理、分析以及輸出等處理工作的系統(tǒng)；后者則更加重視具體應(yīng)用，可以進(jìn)一步細(xì)分為地理信息系統(tǒng)、區(qū)域綜合地理信息系統(tǒng)，要求根據(jù)具體的專業(yè)、領(lǐng)域或工作內(nèi)容等，對GIS技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)。

3 GIS技術(shù)在洪水預(yù)報(bào)中的實(shí)際應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)采集

為了確保洪水預(yù)報(bào)的及時(shí)準(zhǔn)確性，對于相關(guān)數(shù)據(jù)的采集工作至關(guān)重要。利用GIS信息處理系統(tǒng)，配合預(yù)報(bào)模型，能夠完成對于氣象水文、水資源等信息的接收、處理，進(jìn)而形成可實(shí)際使用的數(shù)據(jù)信息，并存入數(shù)據(jù)庫中，作為后期水文預(yù)報(bào)、信息服務(wù)以及相關(guān)會議商議的重要信息資源。

3.2 建立水文模型

利用數(shù)學(xué)模型、物理形式等，實(shí)現(xiàn)對于水文系統(tǒng)的模擬和預(yù)報(bào)，該水文模型的建立，對于水資源評價(jià)、配置、開發(fā)與利用而言是重要的基礎(chǔ)，更是實(shí)現(xiàn)水文自然規(guī)律研究，解決水文實(shí)際問題的重要工具，能夠在防洪減災(zāi)、水庫調(diào)度、環(huán)境需水、水資源開發(fā)利用等方面，發(fā)揮重要作用。以某水文模型的建立為例，在針對該地水庫的入庫流量進(jìn)行預(yù)報(bào)的過程中，進(jìn)行了水文模型的模擬，得到了一個(gè)完整、成熟的降雨徑流模型，能夠廣泛應(yīng)用于我國許多濕潤和半濕潤地區(qū)，成為運(yùn)用非常廣泛的成熟水文模型。

3.3 洪水仿真演進(jìn)與顯示

所謂洪水仿真演進(jìn)顯示，主要是依據(jù)被測區(qū)域的水文、氣象等數(shù)據(jù)信息，結(jié)合當(dāng)?shù)氐挠昵?、水情、流域坡度以及地表?shí)際狀況等綜合狀況，運(yùn)用洪水演進(jìn)方式實(shí)現(xiàn)動態(tài)顯示的技術(shù)，從而計(jì)算出區(qū)域內(nèi)外洪水的演進(jìn)動態(tài)。該階段需要運(yùn)用GIS技術(shù)的空間分析功能，建立流域地面的數(shù)字模型，結(jié)合所預(yù)測、實(shí)測的水雨情信息、地表滲透等實(shí)際狀況，通過產(chǎn)匯流模型計(jì)算，模擬出不同級別的洪水演進(jìn)過程。以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合水利工程數(shù)據(jù)庫信息、歷史洪水與災(zāi)情信息等，對歷史洪水進(jìn)行反演。其中還可以配合使用RS技術(shù)所提供的洪水期，針對不同時(shí)間段的高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)、流域各測站監(jiān)測數(shù)據(jù)以及GIS中已有矢量數(shù)字地圖數(shù)據(jù)等，通過疊加分析，獲取流域洪水的動態(tài)信息，為洪水調(diào)控決策提供重要的依據(jù)和參考。

運(yùn)用GIS技術(shù)對洪水演進(jìn)淹沒情況進(jìn)行分析，具體包括以下兩種情況：①在一定的洪水水位條件下，計(jì)算受災(zāi)范圍內(nèi)，低于該水位的淹沒區(qū)和淹沒區(qū)水深分布，該方法側(cè)重于對于淹沒結(jié)果的模擬，因而適用于較大范圍的均勻降雨淹沒狀況；②在一定流量、水位情況下，從源點(diǎn)開始，計(jì)算洪水所可能造成淹沒災(zāi)害的范圍與水深分布狀況，該方式側(cè)重的是對于洪水淹沒過程的模擬，能夠動態(tài)模擬出洪水自一點(diǎn)向外逐步蔓延的整個(gè)過程，對于洪水的決堤、暴雨所引起的暴漲洪水向四周擴(kuò)散情況等，進(jìn)行良好的模擬。

3.4 建立網(wǎng)上發(fā)布平臺

網(wǎng)上發(fā)布平臺是的構(gòu)建基礎(chǔ)是WEB GIS技術(shù)，能夠在Internet/Intranet上，實(shí)現(xiàn)GIS的在線查詢、數(shù)據(jù)共享與業(yè)務(wù)處理。系統(tǒng)則主要運(yùn)用的是C/S結(jié)構(gòu)（客戶機(jī)和服務(wù)器結(jié)構(gòu)），實(shí)現(xiàn)多用戶同時(shí)瀏覽、查詢和使用功能；同時(shí)，各客戶端還可針對不同流域、地區(qū)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和基礎(chǔ)設(shè)施的實(shí)際狀況，實(shí)現(xiàn)水資源管理中的各種重點(diǎn)問題設(shè)置功能；服務(wù)器端則能夠?qū)崟r(shí)向各客戶端下達(dá)指令，由客戶端實(shí)時(shí)分析并上傳本地?cái)?shù)據(jù)，輔助指揮中心相關(guān)決策，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)共享。

3.5 災(zāi)害快速評估

（1）評估流程定制。將工作流程中，各個(gè)環(huán)節(jié)的邏輯規(guī)則等，進(jìn)行前后的好累組織，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬表達(dá)，并實(shí)施計(jì)算，并利用計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)在多個(gè)參與者之間，按照預(yù)定規(guī)則進(jìn)行文檔、信息和任務(wù)的自動傳遞。

（2）災(zāi)害評估。按照所定制的評估流程，結(jié)合實(shí)際輸入的數(shù)據(jù)，采用調(diào)用算法集所提供的評估算法，計(jì)算獲得結(jié)果評估，最終保存評估成果，并進(jìn)行可視化轉(zhuǎn)變。

（3）算法集管理與定制。所謂算法集，主要是一系列算法的集合，能夠?yàn)槊恳活惖乃惴?，定義統(tǒng)一的輸入、輸出形式，從而滿足洪水的模擬計(jì)算要求。

3.6 應(yīng)用效果

為了針對洪水災(zāi)害模擬可行性實(shí)現(xiàn)綜合炎癥，需要通過減災(zāi)應(yīng)用系統(tǒng)的災(zāi)害應(yīng)急響應(yīng)分系統(tǒng)，開發(fā)相應(yīng)的洪水災(zāi)害模擬模塊，其流程如圖1所示。

由圖1可見，洪水會從潰壩點(diǎn)涌出，并在三維場景中不斷擴(kuò)散，最終淹沒到居民區(qū)，從時(shí)間控制面板可以發(fā)現(xiàn)，從潰堤到淹沒至居民區(qū)的整個(gè)時(shí)間段內(nèi)，通過可視化窗口，可以看出實(shí)際的淹沒狀況，并在淹沒的同時(shí)，查詢淹沒區(qū)域的各點(diǎn)洪水深度，進(jìn)而直觀地表達(dá)災(zāi)情。

通過線框效果圖（見圖2）可以發(fā)現(xiàn)，場景中所存在的不同分辨率、多塊DEM，使洪水能夠在大范圍、多層次、多分辨率的DEM上實(shí)現(xiàn)良好的運(yùn)行。通過觀察洪水的范圍圖、水深圖與歷時(shí)圖，實(shí)現(xiàn)對于洪水災(zāi)害的快速評估，最終利用人口數(shù)據(jù)、生命線數(shù)據(jù)和農(nóng)作物數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，獲得相應(yīng)的災(zāi)害情況，從而為采取減災(zāi)措施提供決策支持。

圖1 洪水災(zāi)害模擬

圖2 洪水災(zāi)害模擬線框效果圖

基于三維GIS平臺所建立的洪水災(zāi)害實(shí)時(shí)模擬，能夠有效將洪水災(zāi)害的整個(gè)演進(jìn)過程，利用三維可視化的形式進(jìn)行表達(dá)，并最終輸出相應(yīng)的洪水范圍、水深以及歷時(shí)圖，支持洪水災(zāi)害實(shí)現(xiàn)快速評估，總而為災(zāi)害決策提供重要的參考依據(jù)。

4 結(jié)語

水文預(yù)報(bào)中GIS技術(shù)的應(yīng)用，為地面徑流匯流等信息的采集提供了有效的方法，從而將流域地形分布特征與地面徑流匯流機(jī)理有機(jī)結(jié)合起來，使各參數(shù)都能夠發(fā)揮自身的物理意義，提高水文預(yù)報(bào)工作的精度，滿足防汛抗旱要求，投入實(shí)際的應(yīng)用中去。

[1]閆寶偉，康愛卿，黃凱旋，等.洪水預(yù)報(bào)誤差在河道演算中的傳遞分析[J].水電能源科學(xué)，2015（7）：62～65.

[2]亞力昆·馬合木提.探析中小河流洪水預(yù)報(bào)的難點(diǎn)與解決方案[J].黑龍江水利科技，2014（3）：70～71.

[3]董前進(jìn)，陳森林.統(tǒng)計(jì)相關(guān)條件下降水及洪水預(yù)報(bào)誤差相關(guān)分析[J].水文，2014，34（2）：14～18.

TV124

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1004-7344（2016）16-0100-02

2016-5-25

侯婷娟（1986-），女，助理工程師，本科，主要從事水文勘測方面的工作。