苏炯恒 赵天宸 李阿婷
摘要：提出一种基于GIS支撑体系下的地表洪涝积水演进计算方法。基于GIS的水文分析工具获取地表水网结构属性；设定最优阈值，通过栅格计算、叠置分析、空间聚合等相关工具提取洼地拓扑数据；以最佳空域结构模型描述地表洼地特性，实现地表洼地的精细化表征；利用GIS空域数据库进行积水演进计算，实现洪涝模拟的二维淹没显示。该方法能够利用有限数据，快速且较为精準的模拟地表洪涝过程，获取地表的易涝区域、危险径流通路及淹没范围的描述，适合运用在数据有限、大尺度模拟且应急评估的情形下，能够为防涝规划、风险评估、灾害预警提供科学的依据。
关键词：GIS；水文分析；演进计算；二维淹没；
中图分类号：TU998.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（b）-0000-00
1 背景
城市内涝是人民普遍关注的问题，它将直接影响着社会经济的健康发展。近年来，气象要素变化程度加剧，极端暴雨的发生愈加频繁和强烈[1-2]。随着城市化水平的不断提高，下垫面条件悄无声息地发生改变，不透性面积与日俱增。虽然城市在不断发展，但是我国排水设施的设计标准偏低，排水管网能力不足，加上老化现象严重，难以满足实际的排水需求。综合以上因素，我国内涝问题十分严峻[3-4]。然而，我国排水管网数据匮乏且规模庞大，在应急情况下，一种能够利用有限的数据且能快速实现初步的洪涝模拟的方法显得尤为重要。在此基础上，若对地表空域结构进行精细化表征，从而获取地表易涝区域位置及淹没范围的描述，将大大提高洪涝模拟评估的精确性。本文提供了一种基于GIS空域建模技术的地表洪涝积水演进计算方法，用于快速且较为精准的模拟地表洪涝的淹没特征，为防涝应急规划提供科学的依据[5-6]。主要技术流程见图1。
2 积水演进计算方法及分析
2.1 GIS水文分析
基于GIS的水文分析工具进行水网拓扑结构的提取。在无伪洼地DEM（数字高程模型）的基础上，采用D8法进行流向分析（见图2）。D8法假设单个栅格有八种流向的可能，采用最陡坡度法确定水流的单一流向，即计算中心栅格与各相邻栅格间的距离权落差，取距离权落差最大的栅格为目标栅格的流出对象，该方向即是中心栅格的最终流向。在此基础上作汇流分析，得到水网结构及属性。通过对每个栅格计算汇流累积量，获取该栅格的积水特征描述。在充分分析研究区现有的地形、路网、水系及用地类型的基础上，通过多次试验和校核的方法设定合理的阈值，对汇流累积数据进行分析与筛选，得到精细化的水网拓扑结构。
2.2 GIS空域表征
基于GIS的栅格计算、叠置分析、空间聚合等相关工具提取洼地的空间分布、数量、深度、面积及体积数据。在提取过程中，设定最优阈值，准确预测城市实际易涝点的空间分布及数量。此外，在洼地拓扑数据的基础上，采用标准立体几何模型构建空域最佳结构（见图3），得到DAV（深度-面积-体积）洼地几何描述曲线，获取地表积水在每个洼地的淹没深度随淹没范围及储水容量的变化规律，得到地表洼地属性的精细化描述。
2.3 积水扩散及演进方法
基于GIS空域数据库进行地表积水的演进计算，实现二维淹没的动态显示。模拟极端暴雨情形下获取地表每个蓄水单元淹没特性，从而绘制流量曲线，将其形成数据库并导入至GIS中，与DAV洼地几何描述曲线进行比较和分析，获取不同水深的情况下每个洼地淹没的几何面积，即积水向周边扩散的范围，完成洪涝淹没的的二维扩散分析及显示（见图4），更全面地对洪涝灾害进行分析和评估。
3 结语
针对数据有限、大尺度模拟且应急评估的情形，本文提供了一种基于GIS水文分析及空域精细建模下的地表洪涝积水演进计算方法，该方法能够快速且较为精准地模拟地表洪涝演变过程，识别地表水流方向、淹没位置及范围和淹没深度变化，为防涝规划、预警预报、风险评估提供科学的依据。该方法忽略地下管网的作用，笔者将在未来的研究中优化管网模型的建模过程及描述，使洪涝模拟更加科学和准确，也能保留运算效率高的优势。
参考文献
[1] 石赟赟等.基于GIS和SWMM的城市暴雨内涝淹没模拟分析[J].水电能源科学，2014，32（6）：57-60+12.
[2] 黄国如等.基于GIS和SWMM模型的城市暴雨积水模拟[J].水资源与水工程学报，2015，（04）：1-6.
[3] 赵冬泉，陈吉宁等.基于GIS构建SWMM城市排水管网模型[J].中国给水排水，2008，24（7）：88-91.
[4] 王慧亮， 吴泽宁， 胡彩虹. 基于GIS与SWMM耦合的城市暴雨洪水淹没分析[J].人民黄河， 2017， 39（8）：31-35.
[5] 周倩倩，王和平等.基于GIS的栅格水文建模法快速评估内涝风险[J].中国给水排水，2015，（21）：109-113.
[6] Zhou Q..Panduro T.E.，Thorsen B.J. ，Arnbjerg-Nielsen K. Verification of flood damage modelling using insurance data[J].Water Science & Technology，2013，67（6）：1362-1369.
