CN110400014A - 一种基于gis栅格运算的沿海城市多源洪涝数值模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于GIS栅格运算的沿海城市多源洪涝数值模拟方法，该方法设有参数设置模块、地表数据输入模块、水文多边界条件输入模块、洪涝数值即时模拟模块和可视化输出模块。在参数设置模块中设置模拟基本参数；地表数据输入模块中输入研究区域基本地理信息包括地形数据，土地类型，土壤类型以及管网数据；水文多边界条件输入模块中输入多源洪涝序列文件包括暴雨内涝，海岸风暴潮，和河流洪水三种洪涝灾种；可视化输出模块设置输出文件格式类别；启动运行洪涝数值即时模拟模块，将即时显示多源洪涝数值模拟结果。本发明基于GIS栅格运算，模拟预测沿海城市多源洪涝碰头的灾害情景。
Description
技术领域
本发明涉及水文、气象、海洋及地理信息技术，具体涉及一种基于GIS栅格运算的沿海城市多源洪涝数值模拟方法。
背景技术
洪涝灾害是全球最为频发、且影响最为严重的自然灾害之一。洪涝模拟研究方法也逐步由定性、半定量分析转向数值模拟与情景分析的定量化研究。国内外对于洪涝情景模拟已经开展了大量理论方法与案例分析研究，在研究方法上，经历了从定性到定量、从经验分析到数值模拟、从静态评估到动态模拟的发展过程，但多针对于单一致灾因子危险性的分析，对于多致灾因子综合作用方面的探讨较少，尤其对于灾害群发和混发效应下，多致灾因子“关联性”的定量化及其危险性综合分析仍相对薄弱。
沿海城市往往受到多重洪涝风险，洪涝灾害通常由于多个致灾因子影响，因此，在评估方法上，需要综合考虑多源洪涝(多边界条件)同时作用在沿海城市下垫面的情景，并且目前的洪涝数值模式在模拟复杂下垫面环境下的致灾过程中的精度还需进一步提高，可以结合遥感和GIS空间分析手段进一步加以完善。目前的技术主要有以下问题：
现有方法多模拟沿海城市单一洪涝致灾因子造成的危害，并没有综合考虑多致灾因子导致的洪涝情景对沿海城市的影响。
目前的洪涝数值模式在模拟复杂下垫面环境下的致灾过程中的精度和模拟速度还需进一步提高。
基于GIS规则网格(rastergrid)耦合运算方法没有很好应用。
上个世纪90年代以来，随着高精度数字地形高程数据(DEM)的逐渐普及，使得基于GIS栅格运算的洪涝模拟技术成为可能。区别于传统的洪水水动力数值模拟中需预先采用非结构网格(如三角网格)构建地形，基于GIS的栅格运算方法可以直接利用(无需构建)现有的精细化数字高程模型(如LiDAR DEM)计算浅水波非恒定流在GIS规则网格(rastergrid)之间的传导过程，具有操作简便、计算高效、模拟精确等优势，尤其适用于地形较为复杂的城市地区的洪涝数值模拟。此外，沿海城市地区受来自降雨、河流和海洋的多源洪涝威胁，传统的洪水水动力数值模拟技术无法同时实现暴雨内涝、河流洪水和海洋风暴洪水“多碰头”情景模拟，而基于GIS栅格运算的洪涝模拟方法可以胜任多源洪涝(多边界条件)在沿海城市下垫面的同时集成模拟工作。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于GIS栅格运算的沿海城市多源洪涝数值模拟方法，以解决的技术问题主要有两方面：
(1)如何综合考虑多致灾因子导致的洪涝情景对沿海城市的影响，即多源洪涝(多边界条件)下城市多源洪涝过程数值集成模拟计算方法；
(2)洪水波非恒定流在GIS规则网格(raster grid)之间传导过程的模拟计算。实现本发明目的的具体技术方案是：
一种基于GIS栅格运算的沿海城市多源洪涝数值模拟方法，该方法设有参数设置模块、地表数据输入模块、水文多边界条件输入模块、洪涝数值即时模拟模块和可视化输出模块；包括以下具体步骤：
步骤1：在参数设置模块中设置模拟基本参数；
步骤2：在地表数据输入模块中输入研究区域基本地理信息包括地形数据，河流位置数据，土地类型，土壤类型以及管网数据；
步骤3：水文多边界条件输入模块中输入多源洪涝序列文件分别是暴雨内涝，海岸风暴潮，和河流洪水三种洪涝灾种，序列文件包括降雨时间序列文件(.txt)、河流水量时间序列文件(.txt)和风暴潮位时间序列文件(.txt)，必须为文本格式；
步骤4：运行洪涝数值即时模拟模块，该模块包括以下计算模块，并顺序执行以下模块(a)执行城市水文过程模块：根据下渗方程，蒸散发公式，以及管网排水量计算多边界条件下GIS格网水文条件；
(b)执行径流模拟模块，根据曼宁公式推导出的GIS规则网络中洪涝数值模拟公式计算GIS规则网格单元的水深变化。
步骤5：在可视化输出模块设置输出内容与形式
(a)设置图像输出间隔
(b)设置变量输出间隔
(c)设置是否选择显示时间和水深尺度
(d)设置图像输出命名选项。
所述各步骤的具体操作如下：
步骤1：在参数设置模块中设置模拟基本参数，参数包括曼宁糙率系数，地表糙率，模拟总时长(s)，以及地形数据的水平精度(m)；
步骤2：在地表数据输入模块中输入研究区域基本地理信息包括地形数据，河流位置数据、土地利用类型，土壤类型以及管网数据；
(a)地形数据是根据实测数据或遥感数据提供，输入模块之前需要转换为ASCII码形式(.ascii)；
(b)河流位置数据来源于研究区域地理信息数据；
(c)土地利用数据来源于测绘信息；
(d)土壤类型数据包括不同类型的土壤区块地理位置，来源于勘测信息；
(e)管网数据包括管网排水量，管网地理位置信息，来源于研究区测绘信息。
步骤3：水文多边界条件输入模块输入多源洪涝序列文件分别是暴雨内涝，海岸风暴潮，和河流洪水三种洪涝灾种，序列文件包括降雨时间序列文件(.txt)、河流水量时间序列文件(.txt)和风暴潮位时间序列文件(.txt)，必须为文本格式；
(a)序列文件数据来源于实测数据或经验模型模拟数据
(b)降雨时间序列文件讲述每隔一定时间，研究区降雨量值(mm)；
(c)河流水量时间序列文件讲述每隔一定时间，研究区河流水位值(m)；
(d)风暴潮位时间序列文件讲述每隔一定时间，沿海城市风暴潮位值(m)；
(e)注意：每个序列文件的间隔时间需要设置成相同值；
(f)文本文件按照以下格式(以降雨时间序列文件为例)；
时间间隔(s)
降雨量(mm)
降雨量(mm)
…….
如以1小时为例，记录每个小时的降雨量，假设第一个小时降雨量为50mm，第二个小时为40mm，则时间序列写为：
3600
50
40
步骤4：运行洪涝数值即时模拟模块，该模块包括以下计算模块，并顺序执行以下模块(a)执行城市水文过程模块：根据下渗方程，蒸散发公式，以及管网排水量计算多边界条件下GIS格网水文条件；
(b)执行径流模拟模块，根据曼宁公式推导出的GIS规则网络中洪涝数值模拟公式计算GIS规则网格单元的水深变化。
步骤5：在可视化输出模块输出上一模块计算得到的水深的变化Δd，并设置输出内容与形式
(a)设置图像输出间隔(s)：本设置含义表示可视化图像输出时间间隔，单位秒；
(b)设置变量输出间隔：输出变量包括水量、水深、水速和淹没范围；
(c)设置是否选择显示时间和水深尺度；
(d)设置图像输出命名选项。
有益效果
(1)操作简便：无需构建简化的地形高程非结构网格；
(2)计算高效：计算效率较现有技术提高约1-2倍；
(3)计算精确：支持高精度规则网络，洪涝模拟精度较现有技术提高约10-15％；
(4)集成模拟：实现沿海城市多源洪涝过程的耦合集成模拟；
(5)即时显示：支持即时模拟和即时参数的显示。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做出详细描述。
参阅图1，本发明设有参数设置模块、地表数据输入模块、水文多边界条件输入模块、洪涝数值即时模拟模块和可视化输出模块；各模块含义：
参数设置模块：本模块设置模拟情景必要参数，根据研究区实际情况设置；
水文多边界条件输入模块：本模块输入需要模拟的洪涝情景(暴雨内涝，风暴潮，河流洪水)，可以是单一灾种洪涝，也可以是多种洪涝碰头情景；
地表数据输入模块：本模块输入研究区实际地表数据，包括地形，河流数据。地面沉降，土地利用，土壤类型；
洪涝数值即时模拟模块：本模块结合上述输入基本模拟条件和研究区实际地理信息，根据洪水波非恒定流在GIS规则网格(raster grid)之间传导物理过程推导公式，求解水深变化情景；
可视化输出模块：本模块用于模拟结果可视化显示设置。
本发明包括以下具体步骤：
步骤1：在参数设置模块中设置模拟基本参数；
步骤2：在地表数据输入模块中输入研究区域基本地理信息包括地形数据，河流位置数据，土地类型，土壤类型以及管网数据；
步骤3：水文多边界条件输入模块中输入多源洪涝序列文件分别是暴雨内涝，海岸风暴潮，和河流洪水三种洪涝灾种，序列文件包括降雨时间序列文件(.txt)、河流水量时间序列文件(.txt)和风暴潮位时间序列文件(.txt)，必须为文本格式；
步骤4：运行洪涝数值即时模拟模块，该模块包括以下计算模块，并顺序执行以下模块(a)执行城市水文过程模块：根据下渗方程，蒸散发公式，以及管网排水量计算多边界条件下GIS格网水文条件；
(b)执行径流模拟模块，根据曼宁公式推导出的GIS规则网络中洪涝数值模拟公式计算GIS规则网格单元的水深变化。
步骤5：在可视化输出模块设置输出内容与形式
(a)设置图像输出间隔
(b)设置变量输出间隔
(c)设置是否选择显示时间和水深尺度
(d)设置图像输出命名选项。
所述各步骤的具体操作如下：
步骤1：在参数设置模块中设置模拟基本参数，参数包括曼宁糙率系数，地表糙率，模拟总时长(s)，以及地形数据的水平精度(m)；
步骤2：在地表数据输入模块中输入研究区域基本地理信息包括地形数据，河流位置数据、土地利用类型，土壤类型以及管网数据；
(a)地形数据是根据实测数据或遥感数据提供，输入模块之前需要转换为ASCII码形式(.ascii)；
(b)河流位置数据来源于研究区域地理信息数据；
(c)土地利用数据来源于测绘信息；
(d)土壤类型数据包括不同类型的土壤区块地理位置，来源于勘测信息；
(e)管网数据包括管网排水量，管网地理位置信息，来源于研究区测绘信息。
步骤3：水文多边界条件输入模块输入多源洪涝序列文件分别是暴雨内涝，海岸风暴潮，和河流洪水三种洪涝灾种，序列文件包括降雨时间序列文件(.txt)、河流水量时间序列文件(.txt)和风暴潮位时间序列文件(.txt)，必须为文本格式；
(a)序列文件数据来源于实测数据或经验模型模拟数据
(b)降雨时间序列文件讲述每隔一定时间，研究区降雨量值(mm)；
(c)河流水量时间序列文件讲述每隔一定时间，研究区河流水位值(m)；
(d)风暴潮位时间序列文件讲述每隔一定时间，沿海城市风暴潮位值(m)；
(e)注意：每个序列文件的间隔时间需要设置成相同值；
(f)文本文件按照以下格式(以降雨时间序列文件为例)；
时间间隔(s)
降雨量(mm)
降雨量(mm)
。。。。。。
如以1小时为例，记录每个小时的降雨量，假设第一个小时降雨量为50mm，第二个小时为40mm，则时间序列写为：
3600
50
40
步骤4：运行洪涝数值即时模拟模块，该模块包括以下计算模块，并顺序执行以下模块(a)执行城市水文过程模块：根据下渗方程，蒸散发公式，以及管网排水量计算多边界条件下GIS格网水文条件；具体实施过程如下：
根据公式(1)计算每一个GIS格网内的平均水深，Inflow表示流入量，Inflowboundaryconditions表示多边界条件分别是分布式降雨、河流水量和风暴潮位水位时间序列,m表示多边界条件个数。
①渗透数据计算：降雨的入渗速率由由广泛使用的Green-Ampt渗透方程表示，该方程近似于作为毛细管电位，孔隙度，水力传导率和时间的函数的渗透速率，采用以下公式计算渗透速率：
式中，f(t)＝dF(t)/dt，为入渗速率；其中Ks是土壤饱和时的水力传导率，是湿润前沿的毛细管电位，ho是土壤表面上的积水，zf是累积渗透深度。
②蒸发蒸腾量数据计算：通过每日潜在蒸散量的季节性正弦曲线计算，其公式如下：
其中是平均每日潜在蒸散量，而i是一年中的一天。
③管网排水数据：
管网排水量获取城市管网排水量和城市管网位置数据。
(b)执行径流模拟模块，根据曼宁公式推导出的GIS规则网络中洪涝数值模拟公式计算GIS规则网格单元的水深变化。
①首先利用曼宁方程的一般形式，流量Q(m3s-1)，A(m2)是横截面积，R(m)是水力半径，n是曼宁糙率系数，S是能量斜率。
②本方法基于GIS规则网络，将洪涝泛滥区域分成规则的单元，将每个单元格面上的流量视为单独的面板作为具有分辨率w的常规网格。然后根据下式计算每个单元上的水流面积A：
A＝w*d
(5)
其中w是单元格的宽度，d是流动深度。
③水动力半径等于网格深度：
其中P(m)是湿润参数。
④GIS规则网络中的曼宁方程推导如下:
⑤推导参数(能量斜率S和有效深度d)
考虑到规则网格和与其相邻的四个单元，网格单元的正交方向称为i和j。求解方程(7)，需要从配置中推导出两个参数，即能量斜率S和有效深度d，每个正交方向的能量斜率通过网格之间水位差异除以网格中心之间的距离(方程式(8a)和(8b))。只有当源网格的斜率与另一个相邻时，才允许水流至相邻的网格，h表示水面高程：
⑥通过确定i和j方向上的能量斜率的矢量Si，Sj来确定流动方向。水流仅允许在由斜率的矢量和定义的两个相邻正交方向上流出。沿i和j方向斜率值的矢量S，由下式给出:
⑦四个方向中的每个方向上的有效水深被确定为上方的网格水位沿着i或j方向的两个地平面中较高的一个，如下所示：
⑧其中d是有效深度，h是水面高程，g是地面高程。流出方向上的水流深度可以通过计算两个流动有效深度的算术平均值取得，
求解GIS规则网络中的曼宁方程，计算每个单元中水深的变化。
⑨将等式(9)和(11)代入等式(7)求解在规则网格中的曼宁方程。在网格的两个正交方向i或j上求解流向量Qi,Qj，从而给出每个时间步骤中从源网格流至最多两个相邻的单元格的水量：
⑩对于每个时间步长，给出计算域中每个单元的流入和流出的通量等式(12a)和(12b)。然后根据等式(13)计算每个单元中水深的变化Δd。
步骤5：在可视化输出模块输出上一模块计算得到的水深的变化Δd，并设置输出内容与形式
(a)设置图像输出间隔(s)：本设置含义表示可视化图像输出时间间隔，单位秒；
(b)设置变量输出间隔：输出变量包括水量、水深、水速和淹没范围；
(c)设置是否选择显示时间和水深尺度；
(d)设置图像输出命名选项。
Claims (2)
1.一种基于GIS栅格运算的沿海城市多源洪涝数值模拟方法，该方法设有：参数设置模块、地表数据输入模块、水文多边界条件输入模块、洪涝数值即时模拟模块和可视化输出模块；其特征在于，具体步骤如下：
步骤1：在参数设置模块中，设置模拟基本参数；
步骤2：在地表数据输入模块中输入研究区域基本地理信息，包括地形数据，河流位置数据，土地类型，土壤类型以及管网数据；
步骤3：水文多边界条件输入模块中输入多源洪涝序列文件分别是暴雨内涝，海岸风暴潮，和河流洪水三种洪涝灾种，序列文件包括降雨时间序列文件(.txt)、河流水量时间序列文件(.txt)和风暴潮位时间序列文件(.txt)，必须为文本格式；
步骤4：运行洪涝数值即时模拟模块，该模块包括以下计算模块，并顺序执行以下模块：
(a)执行城市水文过程模块：根据下渗方程，蒸散发公式，以及管网排水量计算多边界条件下GIS格网水文条件；
(b)执行径流模拟模块：根据曼宁公式推导出的GIS规则网络中洪涝数值模拟公式计算GIS规则网格单元的水深变化；
步骤5：在可视化输出模块设置输出内容与形式
(a)设置图像输出间隔
(b)设置变量输出间隔
(c)设置是否选择显示时间和水深尺度
(d)设置图像输出命名选项。
2.根据权利要求1所述的基于GIS栅格运算的沿海城市多源洪涝数值模拟方法，其特征在于，各步骤的具体操作如下：
步骤1：在参数设置模块中设置模拟基本参数，参数包括曼宁糙率系数，地表糙率，模拟总时长(s)，以及地形数据的水平精度(m)；
步骤2：在地表数据输入模块中输入研究区域基本地理信息包括地形数据，河流位置数据、土地利用类型，土壤类型以及管网数据；
(a)地形数据是根据实测数据或遥感数据提供，输入模块之前要转换为ASCII码形式(.ascii)；
(b)河流位置数据来源于研究区域地理信息数据；
(c)土地利用数据来源于测绘信息；
(d)土壤类型数据包括不同类型的土壤区块地理位置，来源于勘测信息；
(e)管网数据包括管网排水量，管网地理位置信息，来源于研究区域测绘信息；
步骤3：水文多边界条件输入模块输入多源洪涝序列文件分别是暴雨内涝，海岸风暴潮，和河流洪水三种洪涝灾种，序列文件包括降雨时间序列文件(.txt)、河流水量时间序列文件(.txt)和风暴潮位时间序列文件(.txt)，必须为文本格式；
(a)序列文件数据来源于实测数据或经验模型模拟数据；
(b)降雨时间序列文件讲述每隔一定时间，研究区域降雨量值(mm)；
(c)河流水量时间序列文件讲述每隔一定时间，研究区河流水位值(m)；
(d)风暴潮位时间序列文件讲述每隔一定时间，沿海城市风暴潮位值(m)；
(e)每个序列文件的间隔时间需要设置成相同值；
(f)文本文件按照以下格式，以降雨时间序列文件为例；
时间间隔(s)
降雨量(mm)
降雨量(mm)；
步骤4：运行洪涝数值即时模拟模块，该模块包括以下计算模块，并顺序执行以下模块：
(a)执行城市水文过程模块：根据下渗方程，蒸散发公式，以及管网排水量计算多边界条件下GIS格网水文条件；具体实施过程如下：
①根据公式(1)计算每一个GIS格网内的平均水深，Inflow表示流入量，Inflowboundaryconditions表示多边界条件分别是分布式降雨、河流水量和风暴潮位水位时间序列，m表示多边界条件个数；
渗透数据计算：降雨的入渗速率由广泛使用的Green-Ampt渗透方程表示，该方程近似于作为毛细管电位，孔隙度，水力传导率和时间的函数的渗透速率，采用以下公式计算渗透速率：
式中，f(t)＝dF(t)/dt，为入渗速率；其中Ks是土壤饱和时的水力传导率，是湿润前沿的毛细管电位，ho是土壤表面上的积水，zf是累积渗透深度；
②蒸发蒸腾量数据计算：通过每日潜在蒸散量的季节性正弦曲线计算，其公式如下：
其中是平均每日潜在蒸散量，而i是一年中的一天；
③管网排水数据：
管网排水量获取城市管网排水量和城市管网位置数据；
(b)执行径流模拟模块，根据曼宁公式推导出的GIS规则网络中洪涝数值模拟公式计算GIS规则网格单元的水深变化；
①首先利用曼宁方程的一般形式，流量Q(m3s-1)，A(m2)是横截面积，R(m)是水力半径，n是曼宁糙率系数，S是能量斜率；
②基于GIS规则网络，将洪涝泛滥区域分成规则的单元，将每个单元格面上的流量视为单独的面板作为具有分辨率w的常规网格；然后根据下式计算每个单元上的水流面积A：
A＝w*d (5)
其中w是单元格的宽度，d是流动深度；
③水动力半径等于网格深度：
其中P(m)是湿润参数；
④GIS规则网络中的曼宁方程推导如下：
⑤推导参数(能量斜率S和有效深度d)
考虑到规则网格和与其相邻的四个单元，网格单元的正交方向称为i和j；求解方程(7)，从配置中推导出两个参数，即能量斜率S和流动深度d，每个正交方向的能量斜率通过网格之间水位差异除以网格中心之间的距离即方程式(8a)和(8b)；只有当源网格的斜率与另一个相邻时，才允许水流至相邻的网格，h表示水面高程：
⑥通过确定i和j方向上的能量斜率的矢量Si，Sj来确定流动方向；水流仅允许在由斜率的矢量和定义的两个相邻正交方向上流出；沿i和j方向斜率值的矢量S，由下式给出：
⑦四个方向中的每个方向上的有效水深被确定为上方的网格水位沿着i或j方向的两个地平面中较高的一个，如下所示：
⑧其中d是有效深度，h是水面高程，g是地面高程；流出方向上的水流深度通过计算两个流动有效深度的算术平均值取得，
求解GIS规则网络中的曼宁方程，计算每个单元中水深的变化
⑨将等式(9)和(11)代入等式(7)求解在规则网格中的曼宁方程；在网格的两个正交方向i或j上求解流向量Qi，Qj，从而给出每个时间步骤中从源网格流至最多两个相邻的单元格的水量：
⑩对于每个时间步长，给出计算域中每个单元的流入和流出的通量等式(12a)和(12b)；然后根据等式(13)计算每个单元中水深的变化Δd；
步骤5：在可视化输出模块输出计算得到的水深的变化Δd，并设置输出内容与形式
(a)设置图像输出间隔(s)：本设置含义表示可视化图像输出时间间隔，单位秒；
(b)设置变量输出间隔：输出变量包括水量、水深、水速和淹没范围；
(c)设置是否选择显示时间和水深尺度；
(d)设置图像输出命名选项。
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