基于GIS的宁波市三江口洪水淹没分析
第23卷第2期 黑 龙 江 工 程 学 院 学 报(自然科学版) Vol.23№.22009年6月 JournalofHeilongjiangInstituteofTechnology Jun.,2009
基于GIS的宁波市三江口洪水淹没分析
叶 君,邹逸江
(宁波大学建筑工程与环境学院,浙江宁波315211)
摘 要:三江口是宁波市的经济中心,是一个洪水灾害十分频繁的区域,因此,洪水的淹没分析对三江口的防洪减灾、洪水风险分析和灾情评估都具有重要的意义。在给定洪水位条件下,应用数字高程模型GIS进行空间分析,得出洪水淹没分析结果,同时得出淹没分析的数字地图,并通过
WebGIS向用户发布,达到减灾抢险的目的。
关键词:地理信息系统;DEM;三江口;洪水淹没分析
中图分类号:P208 文献标识码:A 2)20020204
Thefloodinundatinganalysisof
ofNingbobasedonGIS
YEJun,ZOUYi2Jiang
(FacultyofArchitecturalEngineering,CivilEngineeringandEnvironment,NingboUniversity,Ningbo315211,China)
Abstract:SanjiangkouisNingbo’seconomiccenter,wherehasmuchflooddisaster,sotheresearchonflooddrowninganalysisofSanjiangkouisveryimportanttoSanjiangkou’sfloodprevention,disasterreduction,thefloodriskanalysisandthedisastersituationcomments.Intheconditionofassignedfloodlevelandap2plicationdigitelevationmodel,wemaygettheresultofflooddrowninganalysisbyusingthespatialanaly2sisofGIS.Atthesametime,itcangetdigitalmapaboutflooddrowninganalysis.Thesedigitalmapscanbeintegratedwiththematicmaps.Andonpurposesofreliefingthelossoftheflood,itcanbepublishedtousersonWebGis.
Keywords:GIS,DEM,Sanjiangkou,floodinundatinganalysis
宁波是浙江省八大水系之一,河流有余姚江、奉化江、甬江,余姚江发源于上虞县梁湖;奉化江发源于奉化市。余姚江、奉化江在市区三江口汇合成甬江,向东北流经2516km后,从镇海游山入海,整个流域集水面积为4518km2。整个甬江流域,因雨量充沛,水资源丰富,唐宋以来就是最繁华的港口之一,曾是“五口通商”中最早的对外开埠区,是宁波最繁华的中心地带。三江口人口密集,财富集中,是宁波市的经济中心。因此,三江口区段堤防工程就成为整个甬江流域治理的重要组成部分,也是城市防
收稿日期:2008212215
基金项目:测绘遥感信息工程国家重点实验室开放基金项目资助
(WKL(07)0304);浙江省科技厅科研项目资助(2007C23104);浙江省教育厅科研项目资助(20070985);宁波市科技局科研项目资助(2005A310004);地理空间信息工程国家测绘局重点实验室经费资助项目(200814)
作者简介:叶 君(1984～),男,硕士研究生,研究方向:区域开发与
空间信息集成.
洪整治工程的重要组成部分,是提高宁波市的城市防洪能力,改善城市环境,提高城市品位,保障三江口经济繁荣的重大举措。
近几年来,将GIS技术与水动力模型相结合,根据数字高程模型DEM提供的数据来预测、模拟显示洪水淹没区,并进行洪水灾害评估,已成为GIS应用和水利部门的一个非常活跃的研究课题。国内外将GIS技术应用于水利科技领域,比如洪灾防治、水力模型分析、水文研究、流域和水利设施管理建设等方面,都有着丰富的经验。加拿大、美国、丹麦等一些国家正在利用GIS技术进行洪灾后果评估的研究,预见灾害影响程度和范围。英国根据数字地面高程模型(DTM)和洪水仿真模型计算结果,利用GIS的空间分析功能,确定地形表面,描绘洪水淹没轮廓线。美国利用GIS,开展将已经制作好的洪水保险费率图(FRIM)转化成数字化的洪水保
第2期 叶 君,等:基于GIS的宁波市三江口洪水淹没分析・21・
险费率图(DFRIM),并利用WebGIS软件,通过因特网向公众发布洪水风险图。我国的洪水灾害损失评估在利用遥感及GIS等高新技术方面仍处于比较初步的阶段,但GIS技术在洪灾相关领域上的应用也取得了不少的成果[2]。
本文基于GIS的宁波市三江口洪水淹没分析研究具有巨大的社会效益,其直接体现是减灾效益,间接体现的是经济效益和部分社会效益。
据获取方法
。
1 基本原理及总体结构
1.1 实现的基本原理
三江口洪水淹没分析系统实现的基本原理:通过对三江口区域数字高程模型(DEM)和分析,建立数字高程模型(建DEM,淹没分析(H)进行计算。在数据库的支持下,,最终完成的数字地图可以通过WebGIS向客户发布。112 总体结构
图2 技术路线图
三江口洪水淹没分析的总体结构如图1所示
。
由于三江口没有现成的大比例尺(1:500)
DEM,因此,综合比较上述3种方法,本文采用第3种方法作为DEM数据获取的手段,即通过数字化实测地形图上的等高线和高程点,再通过高程内插计算建立数字高程模型。因为三江口区域是宁波最繁华的商业中心,其地形图获取比较容易,并且数据较齐全。另外两种方法作为辅助方法。
在扫描底图上采集高程点时,应尽量兼顾整体地形,如在地势平坦地区少采点,在复杂地区要进行合理的加密,以使生成的DEM更加逼真,地貌特征
图1 系统的总体结构
2 技术路线
通过以上总结和研究,可以得到三江口洪水淹没分析的功能流程和技术路线,从而得出基于GIS的宁波市三江口洪水淹没分析的初步框架。获取三江口的DEM数据资料,经过处理后,导入GIS进行分析,建立三江口的DEM,在此基础上,通过各水文观测站观察到的洪水位H,利用概化模型进行洪水淹没分析,计算洪水淹没范围,得到洪水淹没范围线,最终得到各类数字地图。具体流程如图2所示。
3 实现的技术途径
3.1 三江口区域DEM数据获取
一般DEM数据的获取主要有3种方法:①野外实地直接测量获取DEM数据;②利用摄影测量方法获取DEM数据;③以地图为数据源的DEM数
得以更好地展现,并减少数据冗余。采点的同时要
附上其所对应的高程值。
三江口地区地势平坦,仅仅采集地形图上所有的高程数据是不足以充分反映平原地区的地形地势,这是在平原地区建立数字高程模型经常会遇到的一个问题。所以本文采取内插离散高程点数据的方法来提高平原地区DEM的精度。在采集离散高程点的数据时,对地形突变线(如斜坡、陡坎)或影响洪水路径的人工地物(如堤坝、水库)的高程点数据要尽量详细。3.2 数字高程模型的建立
数字高程模型(DEM)采用宁波市三江口1:500地形图作为底图进行屏幕数字化,并结合实地调查,采集三江口区域内所有的离散高程点数据(小于115m尺度)和等高线高程数据(大于115m尺度),两者分别保存在不同的图层中。
本文通过等高线和高程点建立不规则的三角网TIN。然后在TIN基础上通过线性和双线性内插
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建立DEM模型。考虑到三江口平原地区地形(最
低的地面高程是113m),内插等高线的间距定为011m,同时将内插的等高线按地势走向进行光滑处理。利用数字高程模型中离散高程点及其高程数据进行等高线的高密度内插,是为了利用这一精度更高的数字高程模型建立一个较为准确的三维地面模型,并以此为基础生成流域地形的坡度和坡向栅格数据图供水力演进模型模拟淹没范围使用,如图3所示
。
体思路是种子蔓延法[4],其核心思想是从给定的源点出发,在平面区域上沿8个方向游动扩散,求取既满足水位条件又与源点连通的网格集合。其技术路线如图4所示
。
3.3 对于流域内某一特定的防洪区域而言,洪水淹没可能有2种形式:一是无源淹没,凡是高程值低于给定水位的点皆计入淹没区,相当于整个地区大面积均匀降水,所有低洼处都可能积水成灾,例如暴雨、大暴雨造成的洪水;二是有源淹没,洪水只淹没它能流到的地方,相当于高发洪水向邻域泛滥,例如漫堤式淹没和口式淹没。洪水淹没是一个动态而至平衡的过程,对于洪水造成的最终淹没范围,可以采用基于洪水位的计算方法,也就是给定某一洪水位
H,由此推算出洪水的淹没范围和水深分布。
图4 给定洪水位(H)条件下的洪水淹没分析过程
2)洪水淹没范围图的制作。
根据三江口DEM数据,以淹没水位H为自变因子,借助基于水位的淹没分析算法,在给定H取
值范围和步距的条件下,计算得到一系列的洪水淹没范围图(也可采用面域的形式表达)。每条淹没范围线表征一个特定水位(H)条件下的洪水淹没范围,并将其对应的淹没区洪水储量(Q)一并记录。
洪水淹没范围图制作的具体过程:首先,数据准备。获取三江口最低位置的高程点,设为h;确定h的取值范围和步距;其次,计算在给定取值范围和步距条件下,按h值从大到小,求解对应的淹没范围,并记录水位H和其对应的淹没区洪水储量Q;再次,边缘提取和矢量化。洪水位H和洪水储量Q作为多边形的属性保存;最后,成图,存档。3.4 三江口淹没区域数字地图表达
通过生成的洪水淹没范围图,可以得到各类数字地图。这种数字地图就是在一般数字地图基础上,利用洪水淹没分析结果和资料数据库在计算机上以地图形式直观反映某一地区发生洪水后可能淹没的范围和水深,据此预知和分析不同量级洪水可
1)给定洪水位(H),计算淹没范围。
洪水位(H)和淹没类型的确定。淹没区洪水位主要来源于实测数据,包括汛期三江口特定位置点的观测记录,以及对大洪水时的航测照片、历史洪水痕迹和有关文献记载等进行分析处理而来的数据,还可能是经由水文水力学模型推算得到的数值(尤其当洪水位高于堤防高程发生漫溢时),甚至可以是基于试验性目的任意给定。淹没类型的确定也来源于实测数据,包括各水文站的观测数据以及沿江堤岸的监测结果,例如有源淹没的起始原点位置就来源于沿江堤岸的检测。
对于无源淹没处理相对简单,只要沿着由左至右、由上至下的方向遍寻所有网格,将满足条件(这里所谓条件是:E
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能造成的风险和危害。完成的数字地图可以通过WebGIS进行发布。
为进一步提高数字地图的利用效率,可以将其与各种专题图层(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、防洪工程分布、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。由洪水淹没分析结果叠加防洪工程、水系、地形、行政区划、社会经济、防汛管理等信息可得到不同的专题地图。315 系统的功能设计
结合以上论述的技术路线,洪水淹没分析与GIS,为抗,设计操作界面的一二级菜单,包括数据维护、淹没分析和数字地图等主要功能,便于对各个部分进行管理和维护。在这样界面下构建的淹没分析平台,能够实现多种功能的集成。同时不仅可以使管理者方便管理,而且便于用户根据需要进行查询。具体的功能界面如图5所示。
表1 三江口洪水淹没分析模拟结果
洪水位/m
5年一遇10年一遇20年一遇50年一遇100年一遇
[***********]12
实际淹没范围
/km2
[***********]1234161220
模拟淹没范围
/km2
[***********]1977171150
5 :,使得、准确和科学。GIS技术出发,以数字高程模型(DEM)为基础进行洪水淹没分析,能够快速、准确地模拟洪水淹没范围,为科学地进行防灾减灾提供了良好的基础,也为三江口流域防洪减灾决策支持创造了条件,有力地提高了三江口防洪决策能力。
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4 试验模拟结果
利用三江口试验区(以三江汇合点为中心,半径
3km的区域)实地调查的不同等级洪水淹没范围以及相应的洪水位值,采用上述淹没分析方法得到的模拟结果如表1所示,其中实际淹没范围根据《宁波市洪水风险图》,利用SurpMap将不同等级实际淹没范围数字化后量算取得。结果表明模拟的淹没范围误差较小,精度较高,其准确性完全能够满足防洪工作的实际需要,故具有较强的实用价值。
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[责任编辑:郝丽英]