基于ArcGIS的平原河网地区洪水淹没范围快速模拟

王越　刘曙光

【摘 要】平原河网地区水系复杂，河湖众多且暴雨内涝灾害频发，圩区从而成为了这部分地区抵御洪水灾害的典型代表。本文以杭嘉湖区（苏）防洪保护区为例，根据区域内圩区众多的特点，分别考虑了暴雨形成的内涝以及外来洪水造成溃口的情形。针对这两类情况，本文分别采用ArcGIS的库容计算模块以及种子蔓延算法，模拟不同降雨条件下各区域的淹没情况并得到溃口发生时圩区的淹没情形。最后，借助ArcGIS技术快速展示各区域的淹没范围。

【关键词】ArcGIS；洪水淹没范围；库容计算模块；种子蔓延算法；快速模拟

0 引言

长江中下游平原洪涝灾害频繁，每年造成的损失都非常巨大，严重影响了区域经济和社会的稳定发展。随着我国对洪水治理重视程度的不断加强以及科技水平的提高，在开展洪水本身的规律性研究、洪灾信息的采集、洪水预报和计算等方面，都已经有了一些有效方法和手段。但是，快速进行洪水淹没范围模拟依然是需要解决的重要问题。

分析平原河网地区的洪水风险，经常采用数值模拟的方法对该地区复杂的水系以及水流运动特点进行研究。但由于缺乏实测流量资料，较难对模型进行率定和验证，且模型的计算时间较长不利于进行洪水快速模拟。因此，根据区域地形地貌，利用ArcGIS技术开展水文分析，快速、准确地模拟洪灾，是评估洪水影响范围的一种重要途径。本文以数字模型高程（DEM）数据为基础，以GIS技术为手段，通过编程的方式形成一套有效的模拟暴雨内涝和外洪溃口情形下洪水淹没范围的方法，能够较为快速的进行洪水淹没范围模拟。

1 洪水淹没范围算法介绍

造成洪水淹没的原因有很多，但一般可以归结为降雨形成的内涝以及外来洪水造成的圩堤溃决。这就可以把洪水淹没的成因分成一种是无源淹没，另一种是有源淹没。无源淹没中，凡是高程低于给定水位的地方都视为淹没区，算作淹没范围。这种情形适用于整个区域均匀降水，因而所有地势低洼处都可能产生积水。有源淹没情况下，水流从某一个点出发，受到实际地表起伏特征的影響，根据地势自由流动，最后形成的是一片相互连通的淹没区域。这就适用于圩区溃口情形下的洪水淹没模拟，洪水从溃口位置开始蔓延，最终形成一片洪水所能达到的连通淹没区域。

这两种方法所用到的数据基础都是数字高程模型（DEM）数据，数字高程模型是一种离散化的模型，用来表征地面上一点（x，y）关于某一参考平面的相对高度z，它能根据自身精度反映地形的起伏情况，因此又叫地形模型。DEM最主要的3种表示模型是：规则矩形格网（Grid）模型、不规则三角网（TIN）模型和等高线模型。这三种模型实质上是能互相转换的，但是规则矩形格网（Grid）模型较为容易被使用，因而本文采用的DEM数据是精度为1：10000的规则矩形格网（Grid）模型数据。

1.1 无源淹没模拟

无源淹没考虑的是降雨条件下区域的淹没情况。假定某区域降水量为V，淹没区洪水水位为H，规则矩形格网（Grid）模型数据每个离散单元的栅格面积为S，栅格数量为n，对应第i个栅格的高程为hi，则可由下式来表示降水量V和水位H之间的关系：

上述公式实质是一种基于水位得到该水位下总体积的方法，是将洪水水位简化成了一个平面。这就类似于求取水库库容的过程，得到一个水位和库容之间的关系。在ArcGIS中，对于库容计算，提供了一个基于数字高程模型（DEM）的库容计算模块（Polygon Volume），该模块只要给定了水位和DEM地形数据就能求得库容。

运用该模块，可以得到一种计算区域淹没水深的编程算法。首先假定洪水水位为H，H可以取为计算区域地面高程的最小值，随后应用ArcGIS中的库容模块计算淹没量V，并将淹没量V与实际降雨量W进行比较，若两者数值的误差超过了一定范围则对H进行累加。一直重复该过程，当V与W的值两者接近就能得到所要求的淹没水深H。该算法基于ArcGIS for Python进行编写，可以直接调用ArcGIS中已有的模块，因此较为简便。算法计算流程如图1所示。

图1 无源淹没水深计算流程

在得到研究区域的淹没水深后，就能对整个淹没范围进行提取。提取淹没范围的方式是获得DEM地形数据中所有高程不大于淹没水深的栅格。这可以通过ArcGIS中的栅格计算器（Raster Calculator）功能实现。对于多个区域不同水深的淹没范围提取，可以通过ArcGIS for Python的算法实现，计算流程如图2所示。

1.2 有源淹没模拟

有源淹没针对的问题是堤防溃决形成的洪水，洪水从某一点出发向四周扩散，凡是地形低于给定洪水位的都将被计入淹没区。这种思想比较容易由种子蔓延算法来模拟。种子蔓延算法的核心是给定一个种子点作为对象，赋予其某一特定属性，使其在平面区域沿四个（或八个）方向扩散，求得符合条件的连通区域。

对于堤防溃决的情况，假定溃口处的洪水为种子点，把溃口处的水位作为种子的属性，让种子点在DEM地形数据上进行扩散。比较水位与地形高程之差，如果水位高于地形高程，则该点视为淹没。随后，将该点计入淹没区并且作为下一个种子点，让下一个种子点继续进行扩散。依此类推，直至所有种子点都扩散完毕为止，就能得到整个淹没范围。以上算法流程如图3所示。

2 杭嘉湖区（苏）防洪保护区洪水淹没模拟

2.1 研究区域及对象

杭嘉湖区（苏）防洪保护区属太湖下游杭嘉湖区的一部分，总面积564km2。其地理位置处于杭嘉湖平原北部，全境无山地丘陵，绝大部分为低洼圩区。区域内湖泊、河网密布，属于江苏省湖泊保护名录内的湖泊有26个，总面积52.38km2，占保护区面积的9.3%。杭嘉湖区（苏）防洪保护区内圩区密布，大的联圩77个，占研究区域面积的84%。保护区内年雨量丰沛，梅雨或暴雨引起的洪涝灾害较为严重。

根据区域内圩区众多，内涝灾害严重的特点，本文主要以圩区为研究对象，研究在历史降雨条件下各个圩区的受淹情况，进而反映区域整体受灾状况。

2.2 研究区域内涝洪水模拟

本文模拟的内涝洪水分别是杭嘉湖区（苏）防洪保护区遭受1999年“630”梅雨和2013年“菲特”台风暴雨。模拟结果如图5和图6所示。

根据研究区域的基本特征，本文采取的模拟方式是以圩区为基本单元，利用无源淹没计算程序逐个圩区进行淹没水深的计算模拟，再对各圩区淹没范围进行提取，最后将所有圩区的计算结果进行拼合，得到整个研究区域的淹没范围。具体流程如图7所示。

2.3 圩区溃堤洪水模拟

圩区溃口的选择一般结合区域实际情况，按照“历史上曾发生过的溃口”、“最可能出现的溃口”、“造成影响最不利的溃口”三个原则进行选取。本文模拟的两场历史降雨都曾出现过圩区溃口的情况。1999年“630”梅雨期间，盛泽镇吉桥联圩清溪河附近圩堤发生溃决。2013年“菲特”台风期间，受浙江省嘉兴市西雁荡湖堤溃决的影响，与浙江共用包围溪南联圩部分村庄、社区遭到淹水。本文重点模拟这两处溃口造成的影响。利用有源淹没算法得到的吉桥联圩和溪南联圩溃堤洪水模拟情况如图8和图9所示。

运用该算法的关键是对溃口位置的选取以及溃堤洪水位的确定。恰当的溃口位置能较真实的反映圩区在溃堤洪水入侵后的淹没情况，得到一个相对合理的结果。而溃堤洪水位的选取则是根据当地圩区堤防高度确定一个可能造成堤防溃决危险的水位。在进行完溃口位置的选取以及溃堤洪水位的确定之后，就是利用有源淹没程序进行淹没范围的模拟以及对模拟结果进行提取。

3 基于库容曲线的圩区洪涝风险分析

圩区库容曲线反映了圩区蓄水量和圩区水位之间的关系。利用库容曲线的方法进行圩区内涝的模拟，可以对圩区洪涝风险进行评价。本文选取了杭嘉湖区（苏）防洪保护区中非常具有代表性的方桥联圩和天亮联圩作为例子进行说明。方桥联圩和天亮联圩是两个面积非常接近的圩区，大小分别是5.63km2和5.64km2，但是这两个圩区的库容曲线走势却有着一定的差别。利用圩区内涝模拟的方法得到的两个圩区库容曲线如图10和图11所示。

上图所示两个圩区的库容曲线斜率有着较大的不同。在两者最大水位和最大库容量相当的情况下，方桥联圩的水位-库容曲线走势较缓，而天亮联圩的水位-库容曲线走势较陡，这反映了当洪涝灾害发生时，圩区受淹没的情况。当水位-库容曲线的斜率较大时，圩区整体被淹没的面积更大，发生灾害的可能性会增加。水位-库容曲线的斜率较小时，圩区整体被淹没的面积较小，不会发生圩区整体受淹的情况。此外，从图上可以看出方桥联圩的圩区底高程较低，而天亮联圩的圩区底高程较高。这就说明方桥联圩存在着一定数量的圩内河道，提高了圩区的水面率，这在洪涝发生时能起到调蓄的作用，降低了圩区整体受淹的可能。

4 结论

本文提出的无源淹没和有源淹没的模拟方法以GIS技术为核心，DEM数据作为基础资料，能较快速地进行暴雨内涝和外洪溃堤时的洪水淹没模拟，方法便捷，易于实现。单个圩区的模拟时间大约在3分钟左右（具体时长视圩区地形的复杂程度而定）。这对平原河网地区洪水灾害的评估无论是从局部研究还是到整体分析都能有不错的效果。

本文对杭嘉湖区（苏）防洪保护區的历史洪水模拟基本能反映该地区的洪水淹没情况，通过内涝洪水模拟得到的圩区库容曲线能对圩区的洪涝风险进行评估。当然，该方法的准确程度还依赖于DEM数据的精度，通过获取更为精细的DEM数据，能更准确的反映圩区受洪水影响的程度，从而为防洪决策给予一定帮助。

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[责任编辑：朱丽娜]