1D+洪水淹没制图软件+山洪径流模拟与洪水危险性评价技术及典型地区洪水淹没及损失分析

1. 软件原理简介：

基于洪水频率计算得到的设计洪水成果，通过水位流量关系将常见年遇洪水的洪峰流量转化为水位，进一步结合洪泛平原DEM数据，采用GIS水文分析方法计算洪泛平原内任一栅格的水流流程，耦合一维水力学模拟计算，用于大范围洪水淹没制图。淹没制图算法近似于HecRAS等水力学模拟软件算法。

1.1 输入数据

1D+洪水淹没制图软件V1.0版的输入地形数据为数字高程模型DEM（Digital Elevation Model）。DEM是以数字形式表达地面高程空间分布的模型，包含了丰富的地表形态信息。DEM作为重要的基础地理信息数据，在水文、水力学研究中主要用于水文特征分析、水文过程建模和水力特征提取等。DEM规则格网模型将空间分割成规则的格网单元，以数字矩阵的形式表达高程属性。栅格型DEM简单直观、易于操作，在水文过程模拟中较为常用。1D+洪水淹没制图软件V1.0版采用栅格型DEM。1D+洪水淹没制图软件V1.0版输入的DEM数据格式为ESRI ASCII格式（图1），文件扩展名为“.asc”。所输入的样例研究区DEM样例数据展示如图2所示。

图1. 1D+洪水淹没制图软件V1.0版的输入DEM数据格式

图2. 1D+洪水淹没制图软件V1.0版的输入DEM样例数据展示

1.2 1D+洪水淹没制图计算流程

洼地处理

DEM中往往存在着一些凹陷区域，称之为洼地。栅格型DEM中存在洼地栅格，其相邻栅格的高度均高于中心栅格，形成“井”。洼地的存在会使得洼地栅格及其上游栅格的地表产流不能流出，造成提取的数字河网不连续。1D+洪水淹没制图软件V1.0版采用下挖的方法对洼地及平原进行处理，填洼结果使得平原、盆地等低洼地区的河网流域提取结果更加准确；

流向计算

1D+洪水淹没制图软件V1.0版采用经典且相对较为简单的D8流向算法。如图3所示，用0~7来表示中心栅格的8个方向，分别对应正南、东南、正东、东北、正北、西北、正西和西南，流域出口的流向记为9。

图3 数字表示流向

集水面积计算

栅格的集水面积是指水流入该栅格的上游面积。对于局部高点，除了自身产流外，无其他栅格水流入，那么局部高点的集水面积为1个栅格面积。从各局部高点出发，沿水流方向累计可得到汇流路径上各栅格的集水面积。样例研究区集水面积计算结果在ArcGIS的展示如图4所示。

图4集水面积计算结果展示

河网定义

产流在重力作用下从高处流向低处，经坡面汇流过程流入河道，再经河道汇流过程流出流域出口。显然流域内集水面积越大的地方越可能是河流，因此可通过将集水面积不低于某一阈值的栅格标记为河流来生成数字河网。1D+洪水淹没制图软件V1.0版可人为输入集水面积阈值，也可根据水面面积比例自动生成。样例研究区河网定义计算结果展示如图5所示。

图5 河网定义计算结果展示

最近邻河道相对高程计算

计算最近邻河道相对高程计算需要的基础数据包括无洼地DEM、栅格形式的流向和河网。其计算过程如下：

（1）读取栅格形式的河网数据，对每个河道栅格进行编号；

（2）根据流向识别每个栅格的“最近邻河道”；

（3）读取无洼地DEM，每个栅格的海拔高度与相应“最近邻河道”的海拔高度相减得到最近邻河道相对高程计算矩阵。

样例研究区最近邻河道相对高程计算结果展示如图6所示。

图6 最近邻河道相对高程计算结果展示

绘制洪水淹没图

在一场洪水事件中，当河道中洪水位高于两侧河岸并持续上涨时，洪水将溢入河漫滩。洪水溢入河漫滩时克服重力沿汇流路径反方向流动，坡面汇流路径上所有海拔高度低于河道洪水位的点都将被淹没，淹没水深为河道洪水位与各自海拔高度之差：

即所有最近邻河道相对高程小于河道水深的点都将被淹没，淹没水深为河道水深与最近邻河道相对高程之差。样例研究区洪水淹没图计算结果展示如图7所示。

图7 洪水淹没水深空间分布

2. 软件操作演示

（1）双击

进入洪水淹没制图软件V1.0版主体界面（图8），准备好地形数据（ArcGIS ASCII格式的DEM）后，点击“点击进入”。

图8 软件主体界面

（2）点击“点击进入”后软件界面如图9所示。在输入和设置部分依次填写或选择：工作文件夹的绝对路径、是否保留计算区内所有流域、手动输入或自动选择集水面积阈值、不同年遇河道水深（注意单位为0.1米），填写完成后点击“创建工作目录”。

图9 软件子界面

（3）成功创建工作目录后，将一个或多个DEM文件按照提示的命名格式放入指定路径下（图10）。进一步点击“洪水淹没制图计算”，则本软件将对各流域逐一进行淹没模拟和淹没水深制图，当某一个流域计算完成后会出此图11所示提示，点击确定后进行下一个流域计算。

图10 输入文件路径

图11分流域逐一进行洪水淹没制图

全国山洪径流模拟与洪水危险性评价技术及典型地区洪水淹没及损失分析

气候变化背景下，极端天气导致的洪水事件将更加频发。快速城市化对流域下垫面的改变，及人类活动向洪泛区的扩张。二者共同使得全世界多数人类活动高度聚集区的洪水风险增加。洪水淹没危险性（各种年遇型洪水淹没）是洪水损失评估、风险评估及洪水应急和管理规划等工作的重要基础。当前开展洪水危险性研究工作中的主要困难之一是水文资料稀缺，尤其是径流资料稀缺，既包括径流观测资料在时间上的短缺，如观测年限较短和观测采样频率低；又包括水文站点在空间上的稀缺，如站点布设稀疏（站网密度偏低）和分布不均。除数据稀缺外，选用合适的数值模型开展流域洪水淹没模拟也是一个难点。

GIS水文分析（ArcHydro、Spatial Anlysist等模块）是流域水文模拟建模的重要工具，能够自动提取及计算流域边界、河网水系、流向、汇流时间和其它流域特征参数。美国陆军工程兵团开发的开源、免费Hec-RAS软件具有强大的空间数据分析与整合功能、科学的水文-水力学理论基础及友好的操作界面。Hec-RAS软件是一款典型的洪水淹没危险性分析模型，已在世界范围内被广泛应用在洪水风险管理的研究、规划和生产之中，具有广阔的前景。将ArcGIS与Hec-RAS软件相结合，能够很好地实现山洪径流过程及洪水淹没数值模拟。

山洪预警模拟和洪水淹没危险性评价现状，针对我国资料水文稀缺地区，介绍并提出洪水资料增补方法，介绍区域洪水频率分析方法，应用ArcGIS与Hec-RAS软件，并结合实例系统讲解资料稀缺地区的山洪径流过程及洪水危险性评价工作方法。