CN104794753A - 一种土石围堰溃堰洪水风险图编制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土石围堰溃堰洪水风险图编制方法，包括以下步骤：步骤1：数据提取，所述的数据包括溃堰洪水数据及库区地形数据，是风险图编制的基础；步骤2：数据耦合，是对提取的数据进行匹配分析；步骤3：风险图编制，是对数据匹配分析结果进行可视化表达。本发明提供的技术方案能够灵活的提取溃堰洪水演进数据，利用栅格数据模型替代矢量数据模型做空间分析，实现复杂地形的适用性，及空间分析位置配准方法的通用性；对淹没水深场栅格模型进行表面插值处理，克服栅格数据模型分辨率的局限，全面考虑库区淹没区域的水深分布；同时提出划定等深线作为判定淹没水深分级的依据，使水深分级区域符号化更为准确客观。

Description

一种土石围堰溃堰洪水风险图编制方法

技术领域

本发明属于水利水电工程和防洪减灾科学技术领域，是一种土石围堰溃堰洪水风险图编制方法。

背景技术

水利水电工程修筑土石围堰较为常见。围堰的风险评估、厘定风险损失与安全运行是水利水电工程设计、建设的重要组成部分，土石围堰溃堰洪水风险图编制方法为工程安全管理提供技术支持。

导流系统中存在诸如施工来流量的水文不确定性、影响施工导流能力的水力不确定性、坝体施工进度计划的不确定性以及坝体结构不确定性等许多影响因素，各影响因素往往具有模糊及非正态性特点，同时施工导流系统失效的极限状态方程十分复杂，具有高度非线性特点。目前风险测度方法主要有MFOSM法，AFOSM法，JC法，Monte-Carlo法，相比其他方法，Monte-Carlo法具有计算原理明晰，方法可靠的优点，通过建立一个施工洪水和导流泄水的随机模型、导流系统随机调洪模型和堰前水位的统计模型，实现围堰运行风险测度的数值解；但无论哪种方法都是以数值解来刻画溃堰风险度，不可避免地在直观性及培育风险意识方面有着先天的不足。

可视化技术应用在洪水灾害领域有些进展，目前主要是集中在常规洪水风险图制作、洪水风险编制标准化的思考。洪水风险图主要分类为：江河湖泊洪水风险图、蓄滞洪区洪水风险图、水库洪水风险图、城市洪水风险图等四类，目前研究也有多种方法，但土石围堰溃堰洪水风险图编制研究却是一片空白，目前还没有出现土石围堰溃堰洪水风险图编制方法，直观展现围堰溃决损失的文献和工程实例。

发明内容

针对上述溃堰洪水风险测度方法变现形式的局限，本发明旨在为编制溃堰洪水风险图提供一种路径，可制作洪水淹没范围图，洪水淹没水深图，洪水淹没历时图，洪水流速图以及洪水到达时间图等洪水风险图。

本发明所采用的技术方案是：一种土石围堰溃堰洪水风险图编制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：数据提取，所述的数据包括溃堰洪水数据及库区地形数据，是风险图编制的基础；

步骤2：数据耦合，是对提取数据的匹配分析；

步骤3：风险图编制，是对数据匹配分析结果的可视化表达。

作为优选，步骤1中所述的溃堰洪水数据是计算得到的数据；所述的库区地形数据是指地形等高线数据，为二维等高线数据或三维等高线数据。

作为优选，步骤1的具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：提取溃堰洪水水面信息，通过断面高程属性生成水面矢量模型；

步骤1.2：提取库区地形数据，生成地面矢量模型；其中二维等高线数据添加高程属性生成地面矢量模型，三维等高线数据自动生成地面矢量模型。

作为优选，步骤2的具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：根据水面矢量模型，建立水面栅格数据模型；

步骤2.2：根据地面矢量模型，建立地面栅格数据模型；

步骤2.3：利用水面栅格数据模型，耦合地面栅格数据模型，通过坐标位置系统匹配，对重叠覆盖区域进行空间位置分析，建立以水深为属性量值的栅格数据模型，实现水面与地形空间位置匹配，得到淹没水深场。

作为优选，步骤2.3中所述的利用水面栅格数据模型耦合地面栅格数据模型，是以矩阵运算为运算法则。

作为优选，步骤2.3中所述的淹没水深场有分辨率的区别，需要进行空间插值以形成连续栅格面，以量化和离散数据模拟逼近面状分布对象，对栅格表面进行反距离插值以生成连续且规则的栅格面。

作为优选，步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：分级所述的淹没水深场；在淹没水深场连续栅格面上根据浅点相近原则划定等深线，依据等深线做水深区域分级判定，不同分级等深线将淹没水深场分成不同等级的淹没水深区域；

步骤3.2：通过数字对象的符号化，将溃堰洪水区域地形可视化以及淹没水深场可视化，生成溃堰洪水风险图。

作为优选，步骤3.2中所述的数字对象的符号化，其具体实现过程为直接给不同的地类赋以相应的编码，通过地物属性码与相应符号编码的匹配实现地形要素的符号化。

作为优选，步骤3.2中所述的数字对象的符号化，其具体实现过程为通过卫星照片或者是航拍照片与地形进行配准后针对不同的显示比例，生成不同精度的光栅图片。

作为优选，步骤3.2中所述的生成溃堰洪水风险图，其具体实现过程为在等深线范围内配置不同的面状地图符号，面状地图符号由边界线和边界线内填充图形组成，以面状地图符号颜色明确淹没区域间的水深定量差异，表达不同区域的水深分布。

本发明的优点及有益效果为：

1.本发明对土石围堰溃堰空间数据及属性数据联合分析，建立水面及地面栅格模型，转换分析得到淹没水深场，提供了一种溃堰洪水风险可视化的生成方法，弥补溃堰洪水风险长期以来仅依靠数值解测度表现形式的不足；

2.利用栅格数据模型替代矢量数据模型的空间分析，实现复杂地形的适用性，及空间分析位置配准方法的通用性；溃堰洪水多发生在山区河流，地形情况复杂，矢量数据模型实现空间位置匹配会占用大量计算资源，在位置配准中常需要人工配准，不利于模式化制图；

3.对淹没水深场栅格模型进行表面插值处理，克服栅格数据模型分辨率的局限，考虑了库区淹没区域的水深分布；栅格数据模型对场景模拟的真实度取决于栅格数据模型的分辨率，设置较大分辨率不利于空间位置快速匹配，选择适宜分辨率的栅格数据模型配准后通过栅格模型插值实现较密网格分布，模拟真实地貌。

附图说明

图1：是本发明实施例的溃堰洪水风险要素关系图；

图2：是本发明实施例的方法程序图；

图3：是本发明实施例的地类要素符号化表达流程图；

图4：是本发明实施例的三维化后的部分等高线图；

图5：是本发明实施例的库区原地形图以三维方式绘制的矢量模型图；

图6：是本发明实施例的库区地形高程栅格信息图；

图7：是本发明实施例的三维水面信息图；

图8：是本发明实施例的洪水淹没水深图；

图9：是本发明实施例的溃堰洪水风险可视化图例。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本实施例的风险图包括水深风险图、流速风险图、淹没历时风险图、洪水到达时间图、人口风险损失图和经济风险损失图。

请见图2，本实施例提供的一种土石围堰溃堰洪水风险图编制方法，包括以下步骤：

步骤1：数据提取，数据包括溃堰洪水数据及库区地形数据，是风险图编制的基础；其中溃堰洪水数据是计算得到的数据；库区地形数据主要是工程堰址下游以及相关部分的地形信息数据，提取时首先对工程所在地区及周边地区的数字地形图进行处理，库区地形数据是地形等高线数据，为二维等高线数据或三维等高线数据。数据提取的具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：提取溃堰洪水水面信息，通过断面高程属性生成水面矢量模型；

步骤1.2：提取库区地形数据，生成地面矢量模型；其中二维等高线数据添加高程属性生成地面矢量模型，三维等高线数据自动生成地面矢量模型。

本实施例中的库区原地形图通常为二维等高线图，即：图上虽然标注了等高线的高程，但是实际上该等高线对象并无高程信息(其Z坐标是0或者不代表任何意义)，需处理使之三维化，如图4，为三维化后的部分等高线图。

步骤2：数据耦合，是对提取数据的匹配分析；具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：根据水面矢量模型，建立水面栅格数据模型；

步骤2.2：根据地面矢量模型，建立地面栅格数据模型；

步骤2.3：以矩阵运算为运算法则，利用水面栅格数据模型，耦合地面栅格数据模型；通过坐标位置系统匹配，对重叠覆盖区域进行空间位置分析，建立以水深为属性量值的栅格数据模型，实现水面与地形空间位置匹配，得到淹没水深场。

矢量模型用于处理在不同位置上多种数据复合分析较为复杂，需要转化为以高程为属性的水面及地面栅格数据模型(Grid)，以规则的阵列来表示空间地物或现象分布：

G_f＝L(G_g,G_w)；

式中G_f为淹没水深场栅格数据模型；G_g、G_w分别为库区地面栅格数据模型、库区水面栅格数据模型；a_ij、b_ij为各栅格数据模型像元属性值；L表示栅格数据模型运算函数。

本发明中采用栅格数据模型运算函数L(a,b)＝a-b，是以二维数字矩阵分析法为基础，具有相同输入像元的两个或多个栅格数据逐单元按照关系函数运算。

栅格数据空间位置分析以二维数字矩阵分析法为基础，具有相同输入像元的两个或多个栅格数据逐单元按照运算函数L运算，淹没水深场是对水面栅格模型和地面栅格数据模型空间位置分析后的成果。

请见图5，是实施例的库区原地形图以三维方式绘制的矢量模型图(TIN)；库区原地形图等高线三维化后，即可使用多种工具制作三维地面模型，使用不规则三角形网格表现复杂工程地形；请见图6，为库区地形高程栅格信息图，为精简显示信息，加快显示速度，将TIN信息转换为以Elevate为内容的Grid(光栅信息)。

在实际应用中，淹没水深场有分辨率的区别，需要进行空间插值以形成连续栅格面，进而勾画等值线。淹没水深场栅格数据模型具有与地面栅格数据模型相同分辨率，是以量化和近似离散数据模拟逼近面状分布对象，对栅格表面进行反距离插值以生成连续且规则的栅格面。

步骤3：风险图编制，是对数据匹配分析结果的可视化表达；具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：分级所述的淹没水深场；在淹没水深场连续栅格面上根据浅点相近原则划定等深线，依据等深线做水深区域分级判定，不同分级等深线将淹没水深场分成不同等级的淹没水深区域；

步骤3.2：通过数字对象的符号化，将溃堰洪水区域地形可视化以及淹没水深场可视化，生成溃堰洪水风险图。

请见图3，数字对象的符号化，其具体实现过程为直接给不同的地类赋以相应的编码，通过地物属性码与国家地形图示标准库中相应符号编码的匹配实现地形要素的符号化；或者通过卫星照片或者是航拍照片与地形进行配准后针对不同的显示比例，生成不同精度的光栅图片。

生成溃堰洪水风险图，其具体实现过程为在等深线范围内配置不同的面状地图符号，面状地图符号由边界线和边界线内填充图形组成，以面状地图符号颜色明确淹没区域间的水深定量差异，表达不同区域的水深分布。

本实施例生成溃堰洪水风险图，首先处理土石围堰溃堰洪水演进信息。洪水演进基本问题是水力要素随时间和空间的演变规律，溃堰洪水流量远比常规河流入流量大，忽略侧向入流影响，溃堰水流一维非恒定流控制方程，采用6点Abbott隐式差分格式离散化处理，模拟溃堰洪水演进过程获取沿程河道溃堰洪水水位数据。计算初值条件采用围堰设计标准洪水，包括洪峰流量及初始水深。然后在溃堰洪水演进计算的基础上，得到洪水演进至各个断面随着时间水深变化的情况，主要有沿河槽剖面二维图示形式和三维水面信息两种如图7示。三维水位与原工程所在地的三维地形作差得到淹没水深图如图8示。

库区数字地形可视化及淹没水深场可视化，包括G_f、G_g；两者对于量值差异可视化表达要求不同。

数字地形G_g符号化较为常规，可直接采用国家地形图图示标准中的地理要素分类及编码，直接给不同的地类赋以相应的编码，通过地物属性码与相应符号编码的匹配实现地形要素的符号化表达，还可以通过卫星照片或者是航拍照片与地形进行配准后针对不同的显示比例，生成了不同精度的光栅图片。

淹没水深场可视化要求在一个较窄水深变化区间分级表现水深分布情况，先进行等深线勾画，以等深线为依据将水深场属性量值划分若干级别，用隔断色彩匹配不同数值范围，反映淹没水深场的定量差异。

请见图9，为本实施例生成的土石围堰溃堰洪水风险图，从图中可以看出围堰溃决洪水发生下游河道淹没范围及水深分布：洪水淹没区域呈狭长带状分布，呈现从河道岸坡往河槽轴线方向颜色加深，水深逐渐变大，反映山区河流溃堰洪水集中河槽分布特点；同时洪水淹没范围由河道上游向下游逐渐扩大，淹没程度逐渐加深，至下游梯级电站(研究边界)，洪水淹没范围达到最大，水深等级达到最大。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种土石围堰溃堰洪水风险图编制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：数据提取，所述的数据包括溃堰洪水数据及库区地形数据，是风险图编制的基础；

步骤2：数据耦合，是对提取数据的匹配分析；

步骤3：风险图编制，是对数据匹配分析结果的可视化表达。

2.根据权利要求1所述的土石围堰溃堰洪水风险图编制方法，其特征在于：步骤1中所述的溃堰洪水数据是计算得到的数据；所述的库区地形数据是指地形等高线数据，为二维等高线数据或三维等高线数据。

3.根据权利要求2所述的土石围堰溃堰洪水风险图编制方法，其特征在于：步骤1的具体实现包括以下子步骤：

步骤1.1：提取溃堰洪水水面信息，通过断面高程属性生成水面矢量模型；

步骤1.2：提取库区地形数据，生成地面矢量模型；其中二维等高线数据添加高程属性生成地面矢量模型，三维等高线数据自动生成地面矢量模型。

4.根据权利要求3所述的土石围堰溃堰洪水风险图编制方法，其特征在于：步骤2的具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：根据水面矢量模型，建立水面栅格数据模型；

步骤2.2：根据地面矢量模型，建立地面栅格数据模型；

步骤2.3：利用水面栅格数据模型，耦合地面栅格数据模型，通过坐标位置系统匹配，对重叠覆盖区域进行空间位置分析，建立以水深为属性量值的栅格数据模型，实现水面与地形空间位置匹配，得到淹没水深场。

5.根据权利要求4所述的土石围堰溃堰洪水风险图编制方法，其特征在于：步骤2.3中所述的利用水面栅格数据模型耦合地面栅格数据模型，是以矩阵运算为运算法则。

6.根据权利要求4所述的土石围堰溃堰洪水风险图编制方法，其特征在于：步骤2.3中所述的淹没水深场有分辨率的区别，需要进行空间插值以形成连续栅格面，以量化和离散数据模拟逼近面状分布对象，对栅格表面进行反距离插值以生成连续且规则的栅格面。

7.根据权利要求4所述的土石围堰溃堰洪水风险图编制方法，其特征在于：步骤3的具体实现包括以下子步骤：

步骤3.1：分级所述的淹没水深场；在淹没水深场连续栅格面上根据浅点相近原则划定等深线，依据等深线做水深区域分级判定，不同分级等深线将淹没水深场分成不同等级的淹没水深区域；

步骤3.2：通过数字对象的符号化，将溃堰洪水区域地形可视化以及淹没水深场可视化，生成溃堰洪水风险图。

8.根据权利要求7所述的土石围堰溃堰洪水风险图编制方法，其特征在于：步骤3.2中所述的数字对象的符号化，其具体实现过程为直接给不同的地类赋以相应的编码，通过地物属性码与国家地形图示标准库中相应符号编码的匹配实现地形要素的符号化。

9.根据权利要求7所述的土石围堰溃堰洪水风险图编制方法，其特征在于：步骤3.2中所述的数字对象的符号化，其具体实现过程为通过卫星照片或者是航拍照片与地形进行配准后针对不同的显示比例，生成不同精度的光栅图片。

10.根据权利要求7所述的土石围堰溃堰洪水风险图编制方法，其特征在于：步骤3.2中所述的生成溃堰洪水风险图，其具体实现过程为在等深线范围内配置不同的面状地图符号，面状地图符号由边界线和边界线内填充图形组成，以面状地图符号颜色明确淹没区域间的水深定量差异，表达不同区域的水深分布。