十 8, 2012 - file 技术及应用   comment No Comments

GIS在洪水淹没模拟及灾害评估中的应用

洪水灾害是最频发的自然灾害,严重影响国民经济发展危害人民生命财产安全,破坏生态环境。随着现代经济的高速发展和水利工程的增加,洪水灾害对人类的危害仍在加重。因此,快速、准确、科学地模拟、预测洪水淹没范围,对防洪减灾具有重要意义。特别是对于一些重点防洪城市和行蓄洪区,如果能够预先获 知洪水的淹没范围和水深的分布情况,对于预先转移受灾区的生命财产,减少损失具有非常重要的价值,而且对于洪水造成的灾害损失进行评估也是非常有用的。

近几年来,将GIS技术与RS技术相结合,根据数字高程模型DEM提供的三维数据和遥感影象数据来预测、模拟显示洪水淹没场景,并进行洪水灾害评估,已成为GIS应用案例在洪水方面主要研究领域。本研究以数字高程模型DEM和RS影象为基础,运用GIS的空间分析功能,研究试验区洪水河流域的洪水淹没情况。

研究区域及数据简介

1、 研究区域地理概括

红水河是珠江流域西江水系的中上游河段,发源于云南省沾益县马雄山,流经滇、黔、桂三省(区),上游主流称南盘江,流至庶香双江口与北盘江汇合 后称红水河,到广西三江口与柳江相汇合后称黔江。红水河流域位于东经102°20′-109°30′,北纬23°04′-26°50′之间,流域四周为群 山环绕,整个地势自西北向东南倾斜,平均海拔高程1450m。本次实验重点研究范围为红水河流域中的整个龙滩流域及其六个子流域(甲板、平腊、八茂、蔗 香、这洞、高车)。

2、 实验数据

本研究采用的基本数据分为空间数据和水文数据以及其他辅助数据。其中空间数据包括龙滩流域的DEM底图、modis遥感影象底图、省市县行政边 界、城市分布图、站点分布图、河网、龙滩流域及其子流域分布图等。水文数据是各子流域水文站获取的降雨量数据,辅助数据是流域流经区域经济数据以及为实现 真实三维场景所采集到的部分建筑物纹理数据。

研究的主要任务及思路

通过利用研究区域的数字高程模型(DEM)和遥感影象数据对其进行三维场景仿真,再通过给定洪水水位高程值,认为在水位以下则是淹没区域,反之 则不属于淹没范围,并对淹没过程进行模拟,通过人工方法确定连通区域来计算洪水淹没面积。同时结合研究区域土地利用类型数据、降雨量情况以及辅助经济数据进行加权叠置生成洪水灾害风险图,为防洪抗灾做决策。

研究区域三维场景建立。

由于红水河流域覆盖面积广阔,短时间内不可能将整个流域的三维场景进行模拟,本次研究只对红水河流域某小山谷进行三维建模。为了真实的反映地物的纹理特征,我们采用的原始数据是quickbird遥感影象以及对应的DEM数据。三维场景的制作是通过将数字地形模型(DEM)和遥感图像数据进行叠加,再将通过实地考察利用三维建模软件googlesketchup建立好 的建筑物模型和树木模型导入场景中,生成具有三维可视的地貌景观图。在此基础上可以进行红水河流域水资源的研究、洪涝灾害快速监测与评估及周边地表起伏形 态特征等。

图1 三维场景建立技术路线

图2 三维可视化场景图

洪水淹没模拟分析及淹没面积计算

洪水淹没模型是以三维地形和不同水位来综合演示洪水淹没行为的时空变化及水体形态。运用 ArcGIS9.2中的3D扩展模块,在研究区域数字高程模型的基础上,在ArcScene中实现了该区域洪水淹没演进过程,直观的显示不同时刻和水位该 区域洪水淹没情况,为防洪救灾作出重要的决策。洪水淹没由多种因素造成,降雨、上游来水都可以造成淹没。按照洪水淹没的成因,可将其分为两大类:一类是无源淹没,一类是有源淹没。本次操作主 要是利用arcmap软件完成,通过已知红水河流域各水文站水文数据确定洪水位,由已知DEM数据和给定洪水水位来确定淹没区域并计算淹没面积。具体操作 流程在arctoolbox中新建model builder模型,(如图3),只需给定水文数据,可以直观的观察到其淹没区域及面积。

图3 淹没面积计算model builder模型

1、 无源淹没分析

只考虑受淹区的高程与给定水位的高程情况,而不用考虑淹没区的连通问题,凡是高程低于给定水位的点都记入淹没区,算作被淹没的点,这种情形相当 于整个区域大面积均匀降水,所有低洼处都可能积水成灾。其淹没面积计算比较简单,所有低于或等于预测水位高程的像元都将计人淹没区,经累加计算得出淹没面积。

2、有源淹没分析

水流受到地表起伏特征的影响,在这种情况下,即使在低洼处,也可能由于地形的阻挡而不会被淹没。造成的淹没原因除了自然降水外,还包括上游来 水、洼地溢出水等。面积计算稍微有点复杂,它是在无源淹没的基础上,考虑到连通要求的淹没面积的计算。本文介绍的是用人为的方法确定符合连通条件的区域,将其取出,并计算出它的面积。具体做法是把决堤口定为源头,在转换生成的Raster中寻找与源头连通的区域。将所有 Raster的值为 1的区域进行累加计算,得出淹没区的面积。

洪水灾害风险图制作:

洪水风险图是以图的形式直观反映洪水威胁区域发生某一频率洪水后,可能淹没的范围、水深等洪水要素以及不同量级洪水可能造成的灾害风险和对社会 经济的损害程度的工具。根据该图并结合影响区域内社会经济发展状况,合理制定防洪指挥方案,合理评价各项防洪措施的经济效益,合理估计洪灾损失,为防洪保险提供依据。本文研究的风险是一种相对的概念,即不同区域之间风险大小的相对比较。在 GIS的支持下,利用洪水淹没计算得到的淹没范围、淹没水深,与各种专题图层(包括行政区划、土地利用、居民点分布、人口分布、重要地物分布、交通线路 等)进行拓扑叠加和空间分析(空间查询、网络分析等),即可生成有关专题淹没图件,包括重要设施淹没图、抢险迁安路线图等。如进一步关联背景数据库中的社 会经济信息,并结合相关数学模型,可统计由洪水淹没造成的灾害损失。

表一:红水河龙滩流域水文站日降雨量数据

1、 评价因子及评价原则

编制洪水风险图有三大要素,即地形地貌、淹没水位和社会经济数据。其中本次研究主要有4个评价因子,包括高程、土地利用类型图、各子流域降雨量 及人口密度。其中高程值是由红水河流域DEM数据生成;土地利用类型图利用原始TM遥感影象通过监督分类后生成;各子流域水文站测取的2002-2007 年日降雨量数据,由于各水文站全年平均日降雨量比较接近,再加上洪水灾害一般发生在5、6、7三月,本次研究中各水文站平均日降雨量数据只取这四个月数据(如表一)。通过将该流域11个水文站数据利用arcgis生成泰森多边形,并转换生成红水河面雨量栅格数据。人口密度数据,通过利用乡镇行政区划图以及 搜集到的各乡镇面积和人口数,将人口数除以乡镇面积并转换得到人口密度图。

2、制作基本流程

首先对淹没致灾的各因子进行分析,分别计算各影响因素形成洪水淹没可能性大小的比例,制作成相应的栅格图层;在 GIS技术的支持下,对各栅格图层重分类后进行加权叠置分析(具体操作流程见图4),对各影响图层确定评价系数以及子类型进行打分,得到洪水风险等级(如图5)。

图4 洪水风险图制作流

图5 红水河流域洪水灾害风险图

本文通过将GIS空间分析方法应用在红水河流域洪水灾害模拟及损失评估方面,初步得出以下结论:

  • 利用DEM数据以及遥感影象数据和建筑物属性数据可以真实的模拟该地区洪水淹没真实场景,对于确定洪水淹没区地形起着重要的作用。
  • 依据洪水水位确定洪水淹没范围后,可以结合其土地利用类型以及经济数据,对可能受淹地区的林地、耕地、居民用地等以及人口数据等进行快速评估,并进一步预测洪水灾害损失。
  • 充分利用该地区水文数据,初步预测近几年洪水水位以及降水量情况,结合该区域经济数据,制作洪水灾害风险图,估计洪水发生时影响范围,这样可以为防灾救灾作决策支持。

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