0 前言

洪涝灾害是中国较常见一种自然灾害, 严重威胁人民群众生命财产安全, 危害城市公共设施. 2020年入汛以来, 中国南方地区多轮强降雨过程, 很多城市遭受洪涝灾害, 造成巨大的经济损失. 因此, 快速、科学地预测洪水淹没范围, 对防灾减灾、城市规划选址、水利工程建设等具有重要意义. 随着GIS技术的不断发展, 很多学者以数字高程模型(DEM)为基础, 将GIS应用到洪水淹没分析中, 并在此基础上开发了多种洪水淹没分析软件. 刘仁义等^[1-2]基于GIS对复杂地形洪水淹没区进行了计算; 丁志雄等^[3]人提出了给定洪水水位和洪量条件下洪水淹没分析方法; 孙君^[4]建立了洪水水位高程与淹没面积之间的关系, 并用于洪水淹没快速预测; 其他学者应用GIS对多个城市和流域进行了洪水淹没分析^[5-8]. 本文采用25 m分辨率的数字高程模型, 运用GIS的空间分析功能分析金普新区洪水淹没范围并计算淹没水深, 以期为城市规划选址、水利工程建设、防洪减灾决策等提供理论依据.

1 研究区概况

金普新区位于辽宁省大连市中南部, 西临渤海, 东濒黄海, 南与大连甘井子区为邻, 北与瓦房店市、普兰店市相接. 地理坐标东经121°34′-122°05′, 北纬39°11′-39°31′, 总面积为2 299.8 km², 其中陆域面积1 709.9 km², 辖27个街道. 研究区位于辽东半岛南部, 为千山山脉向西南的延伸段, 形成渤海与黄海之间丘陵起伏地形, 属于构造剥蚀低丘地貌, 坡度平缓(图 1). 区内最高峰为南部的大黑山, 海拔646.0 m. 该区属于暖温带湿润大陆性季风气候, 具有海洋性气候特征, 气候温和, 四季分明, 年平均温度为9.3~10.5 ℃, 多年平均降水量为500~700 mm/a(图 2), 年内降水量多为7-9月份, 降水量约占全年的62%.

金普新区内有大小河流15条, 其中流入渤海的有龙口河、三十里河、大魏家河、北大河、五十里河、石河、邓屯河、炮台河、南极河和大沙河; 流入黄海的有柳家河、旗杆河、登沙河、青云河、东大河. 多数河流发源于金普新区中部的分水岭, 河流汇水面积多在20~250 km², 长度10~30 km, 多数河流短小, 故均无长年水流, 属独流入海的季节性河流. 区内修建有水库25座, 其中中型水库4座, 为青云河水库、卧龙水库、鸽子塘水库、北大河水库, 小型水库21座^[9]. 区内只有一座水文站——登沙河水文站, 位于登沙河中游.

2 洪水淹没分析方法 2.1 软件支持及数据准备

软件支持: ArcGIS Desktop 10.5, 基于Win10操作系统.

数据准备: 为便于利用ArcGIS进行洪水淹没分析, 采用MapGIS格式高程点和等高线生成DEM栅格文件. 具体步骤^[10-12]如下.

① 文件转换: 利用MapGIS的"文件转换"功能将高程点、等高线文件转换为shp文件; ②生成不规则三角形网TIN: 将shp文件添加到ArcMap 10.5中, 选择"3D Analyst" → "Create/Modify TIN" → "Create TIN From Features", 在弹出的对话框中输入要素类选择高程点和等高线文件, 即建立了不规则三角形网TIN; ③TIN转为DEM栅格: 选择"3D Analyst" →"Convert" → "TIN to Raster", 输入TIN, 设置像元大小25, 得到25 m分辨率的DEM栅格数据.

2.2 种子蔓延法确定淹没区范围

洪水淹没可分为两种情形: 第一种是整个地区大面积均匀降水, 任何地势低洼的区域均同时进水, 高程低于给定水位的点都计入淹没区域, 称为无源淹没, 适用于平原地区; 第二种是考虑淹没区域的连通性, 认为洪水只淹没它能流到的地方, 相当于高发洪水向邻域泛滥, 如局部暴雨引起洪水漫堤或堤坝溃口后向四周扩散, 只有水位高程达到一定程度后, 洪水才会越过某一地势高的区域到达洼地, 称为有源淹没, 适用于丘陵山区. 对于环形山, 在无源淹没分析中可能导致山内外均被计算为淹没区, 而在有源淹没分析中, 洪水被阻断在环形山外, 只有洪水位高于山顶时才会漫过在山内形成淹没区^[13-17]. 总之, 洪水淹没就是由于水源区和被淹没区有水位差, 洪水利用两者间的通道达到水位平衡状态, 最终洪水覆盖的范围即淹没区. 根据金普新区地形地貌特征, 本文采用有源淹没情形进行洪水淹没分析.

洪水淹没过程是动态的、不断变化的, 分析时可以概化为堤防漫顶式和堤防溃口式两种淹没情况. 堤防漫顶式淹没通常设定某一洪水水位, 分析洪水漫过堤防造成的淹没范围和水深分布. 堤防溃口式淹没是给定某一洪水量情况下造成的淹没范围和水深分布. 堤防漫顶式淹没较常见, 但洪水面实际上并非平面, 而是一个曲面, 为便于计算通常假定为平面, 取多年洪水位观测数据作为淹没水位. 在堤防溃口式淹没中, 洪水量不可能是一个固定值, 因为堤防溃口后存在人为干预作用, 如封堵溃口, 洪水量受封堵方式和封堵速度影响变化很大, 增大了淹没分析的难度. 因此, 本文中采用堤防漫顶式淹没分析.

种子蔓延算法是一种广泛用于有源淹没分析方法, 它是基于种子空间特征的扩散探测算法, 其核心思想是将给定的种子点作为一个对象, 赋予特定的属性, 在某一平面区域上沿4个(或8个)方向游动扩散, 求取满足给定条件、符合数据采集分析精度且具有连通关联分布的点的集合. 利用种子蔓延算法计算淹没区, 就是按给定水位条件, 求取满足精度、连通性要求的点的集合, 该集合组成的连续平面就是淹没范围. 淹没范围分析的精度取决于DEM的分辨率. 依据DEM象元的高程值精度, 选择恰当的阈值作为判断象元归属的条件, 该值称为种子蔓延探测分辨率. 设空间数据精度为m, 探测分辨率为$ \varphi $渍, 其关系式为:

$ \varphi=\frac{1}{n} m+K \quad(K<m) $

(1)

式中n为倍频系数, 通常取2;K为平衡参数, 用于平衡探测分辨率和运算效率间的矛盾. 种子点的起始位置一般选在水库堤坝、河岸边界等特征点处, 将满足所有条件的连通关联淹没点存入缓存区, 不断累加使淹没范围不断扩大. 根据GIS数据采集的格网精度确定种子点探测步距, 探测步距应与象元的尺寸相对应. 可采用跳步方式提高计算效率, 跳步值一般选3~8 ^[18-19].

本文中选择青云河水库、鸽子塘水库、卧龙水库、北大河水库和登沙河、旗杆河、大魏家河、炮台河、邓屯河等河流为种子点, 对其影响范围分别进行种子蔓延法淹没分析. 大连市城市等级为Ⅰ级, 金普新区为大连市城市规划区. 依据《防洪标准》和《海堤工程设计规范》的分级标准, 金普新区防洪和防潮标准为50年一遇, 因此采用50年一遇洪水位作为淹没水位进行计算.

2.3 淹没水深计算

在某一特定洪水位条件下, 淹没水深分布与地面高程密切相关, 其计算公式^[20-21]如下:

$ H=H_{\mathrm{w}}-H_{\mathrm{g}} \quad\left(H_{\mathrm{w}}>H_{\mathrm{g}}\right) $

(2)

式中: H为淹没水深(m), H_w为洪水位高程(m), H_g为地面高程值(m).

利用ArcGIS的Spatial Analyst工具中的数学分析, 计算50年一遇洪水位与DEM栅格之间的高差, 即可得到淹没水深分布图.

3 结果分析

根据金普新区DEM数据和收集的多年洪水位、潮位观测资料, 利用ArcGIS的空间分析工具进行洪水淹没分析, 淹没范围见图 3. 可以看出, 淹没区主要分布在水库和河流下游的冲洪积平原和海积平原, 淹没面积共318.08 km², 占全区陆域面积的18.6%, 除二十里堡街道、亮甲店街道、向应街道、华家街道、拥政街道、先进街道、海青岛街道未淹没外, 其他行政区均有淹没区域.

利用ArcGIS将洪水位减去DEM栅格, 得到淹没水深分布图(图 4). 由图 4可知, 洪水淹没深度为0~7.6 m, 以水库为种子点的淹没区域较大, 淹没水深自种子点到海岸线逐渐增大; 以河流为种子点的淹没区域呈带状分布, 淹没水深自河流中线向两侧逐渐减小.

4 结论

1) 淹没区计算结果的准确性主要取决于空间数据精度, 本研究采用了25 m分辨率的DEM并收集多年洪水位、潮位数据, 保证了源数据精度, 为计算结果的准确性提供了保障.

2) 结合研究区地貌特征和水系分布, 基于ArcGIS技术采用种子蔓延法进行洪水淹没分析得到了淹没范围和水深分布. 该方法操作简单、有效、实用, 计算结果可靠, 可为城市规划选址、水利工程建设、防洪减灾决策等提供理论依据.