CN117172034B - 一种基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法，包括获取河段信息和城市范围图层，还包括以下步骤：提取城市的流经河段；计算城市的汇流面积；计算城市潜在洪水淹没风险值；根据所述城市潜在洪水淹没风险值判断河网流域中全部城市的洪水淹没风险。本发明提出的一种基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法，利用地形提取所有河段，并提取每个河段的汇流关系（上游汇入河段、下游汇入河段）和每个河段的汇流面积；然后跟城市范围多边形叠加，选择流经城市的河段，之后统计流入这些河段的所有河段，累加所有河段的面积即为城市的汇流面积。同时，统计汇流范围内的平均高程和流程城市的河段流量，计算洪水淹没风险值。
Description
技术领域
本发明涉及洪水监测的技术领域，特别是一种基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法。
背景技术
城市是人类和经济活动主要聚集地。近年来，随着城市化发展，城市规模不断扩大，人口不断增加。由于人类活动和气候变化影响，城市地区极端暴雨越发频繁，很多大城市都发生过极端暴雨，造成了重大损失。
当发生超过历史极值极端暴雨时，城市可能面临的洪水淹没风险程度，为潜在的洪水淹没风险。如果潜在风险高，可提醒城市管理者和城市居民提高警惕，万一发生极端暴雨，有效防灾避险，减少人员伤亡和经济损失。
目前评估城市洪水淹没风险主要依靠不同重现期暴雨或洪水，以及河道行洪能力、堤防防护能力等信息。存在的主要问题是，如果发生超过历史极值的暴雨，利用专业模型计算的洪水会不准确，洪水会远超过堤防防洪能力、洪水会漫溢出河道，从而导致重大损失。因此，评估城市潜在的洪水淹没风险，虽然实际发生的概率很低，但还是有可能。
申请号为CN 115115262A的发明专利申请公开了一种洪水风险灾害评估的方法，包括以下步骤：S1：基础数据收集，S2：建立水力计算模型，S3：风险要素计算，S4：风险度计算，S5：风险等级划分。本发明利用洪水模型分析不同频率洪水淹没过程，结合洪水风险评估对象所在区域的“最大淹没水深”、“行进流速”、“最大淹没历时”，对区域风险程度进行综合判定。该方法的缺点是主要面对常规洪水，即在防洪工程、设施等防洪体系尚可发挥作用情况下的洪水风险，不适用于极端洪水情况下的洪水淹没风险评估，即本方法所采用的水力学计算模型，在极端情况下，模型输入条件都会改变，因此不适用于极端情况下的潜在风险评估。
申请号为CN 115809800 A的发明专利申请公开了洪涝灾害风险评估方法，所述的方法包括：S1)收集基础数据；S2)确定承灾体并整理承灾体数据，包括：人口密度、建筑用地占比、农业用地占比、工矿用地占比、路网密度；S3)确定淹没水深为致灾因子；S4)以致灾因子和承灾体数据作为评估指标，形成因素集；S5)确定每个评估指标的隶属度；S6)确定评估指标权重；S7)利用确定的指标权重与各指标的等级隶属度计算总隶属度。该方法的缺点是适用于一定范围内洪水淹没发生后承载体的灾害风险评估，无法判别极端情况下城市可能面临的潜在淹没风险，即该方法针对的是淹没后的风险评估方法，而不是判别是不是会被淹没。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提出的一种基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法，利用地形提取所有河段，并提取每个河段的汇流关系（上游汇入河段、下游汇入河段）和每个河段的汇流面积；然后跟城市范围多边形叠加，选择流经城市的河段，之后统计流入这些河段的所有河段，累加所有河段的面积即为城市的汇流面积。同时，统计汇流范围内的平均高程和流程城市的河段流量，计算洪水淹没风险值。
本发明的目的是提供一种基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法，包括获取河段信息和城市范围图层，还包括以下步骤：
步骤1：提取城市的流经河段；
步骤2：计算城市的汇流面积；
步骤3：计算城市潜在洪水淹没风险值；
步骤4：根据所述城市潜在洪水淹没风险值判断河网流域中全部城市的洪水淹没风险。
优选的是，利用地形数据通过水文分析和/或已有数据源中提取所述河段信息，所述河段信息包括河段图层的属性。
在上述任一方案中优选的是，所述河段图层的属性包括比降、汇流面积、年平均流量和汇入河段属性。
在上述任一方案中优选的是，所述河段图层和所述城市范围图层具有相同的坐标系。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤1包括叠加河段图层和城市范围图层，当某个河段全部或部分在城市面图层范围内时，则认为该河段为城市的流经河段，叠加得到每个城市的所有流经河段。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤2包括对城市的每一个流经河段，逐级溯源，直到找到最源头的河段，将汇入流经河段的所有河段作为城市的汇流河段，累加所有流经河段和汇流河段的汇流面积，得到城市的汇流面积。
在上述任一方案中优选的是，第i座城市的所述城市潜在洪水淹没风险值的计算公式为
，
其中，Risk i 为第i座城市的潜在洪水淹没风险值，A i 为第i座城市的汇流面积，G i 为所有流经河段和汇流河段的平均比降，Fmax i 为所有流经河段中年平均流量的最大值的分级结果。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤3包括对流量进行分级处理：
1级，年平均流量≥100000m³/s；
2级，10000m³/s≤年平均流量＜100000m³/s；
3级，1000m³/s≤年平均流量＜10000m³/s；
4级，100m³/s≤年平均流量＜1000m³/s；
5级，10m³/s≤年平均流量＜100m³/s；
6级，10m³/s≤年平均流量＜10m³/s；
7级，0.1m³/s≤年平均流量＜1m³/s；
8级，0.01m³/s≤年平均流量＜0.1m³/s；
9级，0.001m³/s≤年平均流量＜0.01m³/s；
10级，年平均流量＜0.001m³/s。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤4包括统计河网流域内所有城市的所述城市潜在洪水淹没风险值，并进行排序。
在上述任一方案中优选的是，所述步骤4还包括根据排序结果对河网流域内所有城市的洪水淹没风险进行分级。
本发明提出了一种基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法，可以判别在发生极端洪水情况下，城市面临的潜在淹没风险。虽然这种风险发生的概率很低，但一旦发生，破坏力极大。本发明的目标就是识别流域中哪些城市可能存在这种极端风险，从而可以提前准备预演，以便在出现极端风险时，可能更有效的应对。
附图说明
图1为按照本发明的基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法的一优选实施例的流程图。
图2为按照本发明的基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法的另一优选实施例的流程图。
图3为按照本发明的基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法的提取的河段图层和城市面图层的一实施例的示意图。
图4为按照本发明的基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法的河段坡度和流量的一实施例的示意图。
图5为按照本发明的基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法的城市的流经河段的一实施例的分布示意图。
图6为按照本发明的基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法的城市汇流面积计算结果的一实施例的分布示意图。
图7为按照本发明的基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法的城市潜在洪水淹没风险指数分布情况的一实施例的分级示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
如图1所示，一种基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法，执行步骤100，获取河段信息和城市范围图层，利用地形数据通过水文分析和/或已有数据源中提取所述河段信息，所述河段信息包括河段图层的属性，所述河段图层的属性包括比降、汇流面积、年平均流量和汇入河段属性，所述河段图层和所述城市范围图层具有相同的坐标系
执行步骤110，提取城市的流经河段，叠加河段图层和城市范围图层，当某个河段全部或部分在城市面图层范围内时，则认为该河段为城市的流经河段，叠加得到每个城市的所有流经河段。
执行步骤120，计算城市的汇流面积，对城市的每一个流经河段，逐级溯源，直到找到最源头的河段，将汇入流经河段的所有河段作为城市的汇流河段，累加所有流经河段和汇流河段的汇流面积，得到城市的汇流面积。
执行步骤130，计算城市潜在洪水淹没风险值，第i座城市的所述城市潜在洪水淹没风险值的计算公式为
，
其中，Risk i 为第i座城市的潜在洪水淹没风险值，A i 为第i座城市的汇流面积，G i 为所有流经河段和汇流河段的平均比降，Fmax i 为所有流经河段中年平均流量的最大值的分级结果。
对流量进行分级处理：
1级，年平均流量≥100000m³/s；
2级，10000m³/s≤年平均流量＜100000m³/s；
3级，1000m³/s≤年平均流量＜10000m³/s；
4级，100m³/s≤年平均流量＜1000m³/s；
5级，10m³/s≤年平均流量＜100m³/s；
6级，10m³/s≤年平均流量＜10m³/s；
7级，0.1m³/s≤年平均流量＜1m³/s；
8级，0.01m³/s≤年平均流量＜0.1m³/s；
9级，0.001m³/s≤年平均流量＜0.01m³/s；
10级，年平均流量＜0.001m³/s。
执行步骤140，根据所述城市潜在洪水淹没风险值判断河网流域中全部城市的洪水淹没风险。统计河网流域内所有城市的所述城市潜在洪水淹没风险值，并进行排序，根据排序结果对河网流域内所有城市的洪水淹没风险进行分级。
实施例2
本发明提出一种城市潜在洪水淹没风险计算方法，用来评估城市洪水淹没风险。该方法首先利用地形提取所有河段，并提取每个河段的汇流关系（上游汇入河段、下游汇入河段）和每个河段的汇流面积；然后跟城市范围多边形叠加，选择流经城市的河段，之后统计流入这些河段的所有河段，累加所有河段的面积即为城市的汇流面积。同时，统计汇流范围内的平均高程和流程城市的河段流量，计算洪水淹没风险值。技术路线如图2所示。
（1）获取河段信息和城市面图层
首先需要获取河段图层和城市范围图层。河段图层的属性需包括比降、汇流面积、年平均流量、汇入河段属性。河段信息可以利用地形数据通过水文分析提取，也可以从已有数据源中提取，只需具有以上属性即可。河段图层和城市面图层需要采用相同的坐标系。
（2）提取城市的流经河段
叠加河段图层和城市范围图层，如果某个河段全部或部分在城市面图层范围内，则认为该河段为城市的流经河段，得到每个城市的所有流经河段。
（3）计算城市的汇流面积
对城市的每一个流经河段，逐级溯源，直到找到最源头的河段，将汇入流经河段的所有河段作为城市的汇流河段，累加所有流经河段和汇流河段的汇流面积，得到城市的汇流面积。
（4）城市潜在洪水淹没风险计算
某个城市的潜在洪水淹没风险值计算方法为：
，
其中，Risk i 为第i座城市的指数值，A i 为第i座城市的汇流面积，G i 为所有流经河段和汇流河段的平均比降，Fmax i 为所有流经河段中年平均流量的最大值的分级结果，由于流量波动幅度大，对流量进行分级处理：1级（年平均流量≥100000m³/s）、2级（10000m³/s≤年平均流量＜100000m³/s）、3级（1000m³/s≤年平均流量＜10000m³/s）、4级（100m³/s≤年平均流量＜1000m³/s）、5级（10m³/s≤年平均流量＜100m³/s）、6级（10m³/s≤年平均流量＜10m³/s）、7级（0.1m³/s≤年平均流量＜1m³/s）、8级（0.01m³/s≤年平均流量＜0.1m³/s）、9级（0.001m³/s≤年平均流量＜0.01m³/s、10级（年平均流量＜0.001m³/s）。
该指数的实际意义是：汇流面积越大，则在发生极端暴雨时，产生的洪水量级越大；坡度越大，洪水汇流越快，即洪峰越大；流经河段的年平均流量越大，表示河道泄洪能力越强，对风险有消减作用。
为了方便对比，对最终计算到的城市风险值进行分级，从低到高，分为5级，保证每级的城市数量基本一致。
本发明通过统计城市上游汇流面积大小，作为洪水淹没风险的主要基础，汇流面积越大，发生极端暴雨时，产生的洪水就会越多，潜在风险相对较大。另外，结合地形和河道流量对风险值进行修正，如果城市上游汇流面积坡度大，风险会更高，如果河道流量大，风险会降低，因此在公式中增加了坡度和河道流量的参数。
实施例3
选择某个大流域所有示例区域，流域总面积54000km²，有25个城市。
（1）从公开的HydroRIVERS_v10数据集中提取了该流域的河段图层，河段属性中包括该河段的汇流面积、年平均流量。如图3所示，从城市多边形数据中选择示例区域内的所有城市。如图4所示，从30m分辨率的strm数据中提取每个河段的比降和河段流量。
（2）提取城市的流经河段
如图5所示，利用ArcGIS软件，将河段图层与城市面图层叠加，得到每个城市的流经河段。
（3）计算城市的汇流面积
如图6所示，针对每个城市，利用水流的汇流关系，计算每个流经河段的所有上级河段，累加这些河段的汇流面积，得到该城市的汇流面积。
（4）城市潜在洪水淹没风险指数计算
按照公式1，计算每个城市的风险指数，计算结果如图7所示，在计算的25座城市中，5级洪水淹没风险的城市有5座，4级洪水淹没风险的城市有5座，3级洪水淹没风险的城市有5座，2级洪水淹没风险的城市有5座，1级洪水淹没风险的城市有5座。
为了更好地理解本发明，以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。本说明书中每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。对于系统实施例而言，由于其与方法实施例基本对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
Claims (7)
1.一种基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法，包括获取河段信息和城市范围图层，还包括以下步骤：
步骤1：提取城市的流经河段；包括叠加河段图层和城市范围图层，当某个河段全部或部分在城市面图层范围内时，则认为该河段为城市的流经河段，叠加得到每个城市的所有流经河段；
步骤2：计算城市的汇流面积；包括对城市的每一个流经河段，逐级溯源，直到找到最源头的河段，将汇入流经河段的所有河段作为城市的汇流河段，累加所有流经河段和汇流河段的汇流面积，得到城市的汇流面积；
步骤3：计算城市潜在洪水淹没风险值，第i座城市的所述城市潜在洪水淹没风险值的计算公式为，
其中，Risk i 为第i座城市的潜在洪水淹没风险值，A i 为第i座城市的汇流面积，G i 为所有流经河段和汇流河段的平均比降，Fmax i 为所有流经河段中年平均流量的最大值的分级结果；
步骤4：根据所述城市潜在洪水淹没风险值判断河网流域中全部城市的洪水淹没风险。
2.如权利要求1所述的基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法，其特征在于，利用地形数据通过水文分析和/或已有数据源中提取所述河段信息，所述河段信息包括河段图层的属性。
3.如权利要求2所述的基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法，其特征在于，所述河段图层的属性包括比降、汇流面积、年平均流量和汇入河段属性。
4.如权利要求3所述的基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法，其特征在于，所述河段图层和所述城市范围图层具有相同的坐标系。
5.如权利要求4所述的基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法，其特征在于，所述步骤3包括对流量进行分级处理：
1级，年平均流量≥100000m³/s；
2级，10000m³/s≤年平均流量＜100000m³/s；
3级，1000m³/s≤年平均流量＜10000m³/s；
4级，100m³/s≤年平均流量＜1000m³/s；
5级，10m³/s≤年平均流量＜100m³/s；
6级，10m³/s≤年平均流量＜10m³/s；
7级，0.1m³/s≤年平均流量＜1m³/s；
8级，0.01m³/s≤年平均流量＜0.1m³/s；
9级，0.001m³/s≤年平均流量＜0.01m³/s；
10级，年平均流量＜0.001m³/s。
6.如权利要求5所述的基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法，其特征在于，所述步骤4包括统计河网流域内所有城市的所述城市潜在洪水淹没风险值，并进行排序。
7.如权利要求6所述的基于河网特征的城市潜在洪水淹没风险评估方法，其特征在于，所述步骤4还包括根据排序结果对河网流域内所有城市的洪水淹没风险进行分级。
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| GR01 | Patent grant | ||
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