浙江沿海山地丘陵地区环境评估与研究--以温州龙湾区为例(十七)

    洪水淹没模拟及其灾情评估研究是国际上受到普遍重视的课题。20世纪90年代，特别是近几年来，将GIS技术与水动力—水文模型相结合，根据数字高程模型(DEM)提供的三维地形数据，利用GIS强大的空间分析和可视化功能，预测和动态模拟显示洪水淹没区，并进行灾情评估，已成为GIS应用于水利部门一个研究热点(刘学等，1999);国际上某些主要的GIS或遥感图象处理软件，虽然己有洪水淹没区显示的功能，但是，这方面研究大多从水利视角进行研究(Marinellil et al, 1997; Wahlstrom E et al, 1999);某些国内外研究虽然也讨论了GIS技术在水利领域的应用(Marinellil et al, 1997; Wahlstrom E et al, 1999; HallamCA, 1998)，但关于讨论如何具体实现淹没区显示，并进行灾情评估的计算机算法或方法的文献尚不多见(刘仁义和刘南，2001)。水文学中多是模拟流动水体的深度分布，如求解圣维南方程计算非恒定水流的演进。利用GIS计算淹没水深，通常是基于数字高程模型(DEM )，采用种子点进行邻域搜索比较，根据一定条件来判断边界与内部洼地，得到一定流域的水体范围与水深(葛小平等，2002;郭利华和龙毅，2002;陈德清等，2002; MOLENA W H, 1995)，该方法大多数是针对动态水流，适用于小范围水域。一些算法考虑了静态水体的水深，并视水面为一个水平面，直接用该水平面切割DEM而得到水深分布(陈德清等，2002;MOLENA W H, 1995;间国年，1998)，该方法要求水面范围不能太大。就洪灾损失评估而言，水深要求的精度允许将水面简化为一个水平面处理(万庆，1999)，这有助于运算效率的提高。

    刘仁义等(刘仁义和刘南，2001)基于有源淹没和无源淹没两种情形，采用栅格图像种子蔓延算法，计算给定洪水水位下的淹没区，并将结果可视化。刘仁义等(刘仁义和刘南，2002)还论述基于数字高程模型GRID数据结构，采用栅格图像模式下特征点网格蔓延算法，计算在一定的降水量或洪水水位下的淹没区范围，并将淹没区范围用OpenGL工具进行虚拟现实三维图形可视化。同时，刘仁义等(刘仁义和刘南，2001)基于数字高程模型(DEM)将淹没区栅格图像与土地利用现状等专题图数据或社会经济数据进行叠加分析，给出洪涝灾害的定量评估结果;提出洪水淹没区计算方法的精度和灾情评估的准确性主要取决于数字地面模型(DEM)的空间数据精度和社会经济信息数据的准确性，种子蔓延算法及空间叠加运算速度决定了整个模型的效率;并将洪水淹没区计算方法与灾情评估模型成功应用于浙江省杭嘉湖平原桐乡市和舟山市。李发文等(李发文等，2005)根据数学形态学原理，利用“膨胀算子”分析洪水淹没区域的连通性:运用GIS栅格数据格式建立淹没区内离散的高程数据，然后根据洪水的来水量与洪水淹没范围内水量体积相等的体积法原理，计算出洪水淹没范围和淹没区水深的分布。

    在进行二维洪水模拟计算时，必须建立一个能够描述计算域的几何形状、物理属性和边界条件的计算模型。格网模型的思想很早就己经提出，并且在各个领域得到广泛的应用，如有限元计算的离散单元模型。目前所能见到的较先进的洪水模拟演进模型，如基于水动力学的洪水演进模型(程晓陶，1996)，就是一种格网化的模型。自动生成计算格网以及为格网编码或建立拓扑关系，有可能大大减少建立格网的工作量并减少模型计算量。格网自动生成和编码算法各不相同，其取决于处理程序和分析程序的类型。一般将计算域离散成规则格网或不规则格网，这与GIS栅格数据结构(GRID)及不规则三角网(TIN)管理空间数据方式非常相似，

因此GIs中有不少成熟的格网自动生成算法可用于生成水文模型中的计算网格(马千程等，1999;狄小春，1990)，能提高空间分析单元的定义能力，可对计算域进行更好的离散，使计算域的数目达到一定的要求;利用GIS工具还能够准确地内插得到分析单元计算域的空间参数(Jain S K, 1997) o

    丁一志雄等(丁志雄等，2004)以数字高程模型(DEM)为基础，运用遥感与GIS技术相结合，将地形的连通性与三角形单元或者任意多边形格网模型技术相结合生成不同的格网模型进行洪水的淹没分析。在给定洪水位和洪水量两种条件下，对基一于三角形格网模型和任意多边形格网模型，分别得出洪水淹没结果。并根据洪水遥感监测获得的淹没范围，利用格网模型进行水深分布计算。研究结果表明，以GIS技术为支持，采用平面模拟方法能够比较准确科学地进行洪水淹没范围和水深分布的模拟，使遥感监测与一般洪涝灾害损失评估模型比较好地结合，得出更加准确的灾情损失评估结果。万洪涛等(万洪涛等，2002)通过对黄河下游花园口~夹河滩河段二维洪水模拟进行研究，提出设计模拟模型计算网格时需要考虑大堤、生产堤、明显高于地面的道路等阻水建筑物的影响，使这些堤及公路成为计算格网的边，而且不规则四边形网格能够很好地拟合黄河这种复杂的计算域。根据黄河河道复杂的实际情况采用有限体积法，为确保通量的单向性，使用Osher格式计算通量，并对黄河下游河道内洪水及行洪过程进行了数值模拟，然后运用模型对1982年黄河洪水进行了模拟分析。万洪涛等(万洪涛等，2001)还讨论了GIS支持下的洪水模型自动建立步骤，利用地形图、土地利用图、水利工程设施分布、水文站点图等^^文档，通过自动生成网格及其空间拓扑关系，建立了洪水过程数值模拟模型，并详细解释了计算网格数据格式。

    目前平原区洪水淹没模拟研究，大多采用二维水动力方程数值计算方法，来动态模拟洪泛区洪水淹没变化;由于这种计算方法涉及到大量准确的下垫面基础^^文档和边界条件，^^文档获取和更新都较为困难，因此该研究应用受到一定限制(万洪涛和陈德清，1998; Yang C R和Tsai C T, 2000)。遥感和GIS技术的发展为该研究带来了新的生机，GIS技术为下垫面^^文档提取和计算网格的确定带来了便利，遥感信息为下垫面^^文档实时更新和洪水淹没范围的监测创造了条件(童庆禧，1998;张金存等，2001;丁志雄和李纪人，2004)。但目前这些研究仍在探索阶段，其实用性和计算精度方面有待进一步提高(陈秀万，1997;陈秀万，1997;魏一鸣等，1999)。

    许有鹏等(许有鹏等，2005)把东南沿海甫江流域奉化江下游作为研究区，探讨了将遥感和地理信息系统应用于中小流域平原区洪水淹没模拟研究的方法和途径。开展了基于遥感和地理信息系统的流域降雨径流和洪水演进模型的研究，通过二维非稳定流的数值计算来预测和模拟洪水淹没状况，并结合研究区社会经济状况进行洪水灾情预评估分析，同时借助GIS中三维可视化技术动态显示洪水淹没范围和淹没水深的变化情景，建立了基于数字高程模型的洪水淹没范围计算方法和灾情评估模型。葛小平等(葛小平等，2002)运用地理信息系统(GIS)与水力演进模型，结合三维模拟技术和对象关系模型数据库，对浙江奉化江流域洪水淹没范围进行模拟。尝试把三维地形能够较真实地反映地形地貌特征和二维GIS技术中矢量栅格一体化的空间分析功能这两大优点相结合运用到洪水淹没范围的模拟研究中，采用分区平面模拟方法模拟淹没范围，更加准确、科学地确定和模拟洪水淹没范围。易永红等(易永红等，2005)利用遥感