基于MIKE FLOOD和ArcObjects的洪水淹没模拟及可视化

摘  要：文以辽河中游平原地区为研究对象, 使用水动力学计算软件MIKE FLOOD对漫堤洪水淹没过程进行模拟, 并在此基础上采用GIS开发组件ArcObjects结合可视化编程语言C#开发了洪水演进显示模块。该模块具有洪水蔓延过程动态演示、淹没信息查询及洪灾损失统计的功能，实现了洪水淹没模拟计算结果的可视化。汛期时可以利用该模块为防洪救灾提供决策信息。 

关键词：水淹没模拟, MIKE FLOOD, ArcObjects, 可视化

1  引言(Introduction) 

我国是一个洪涝灾害频繁发生的国家，每年因洪灾造成的经济损失约占全部自然灾害损失的60%以上[1]，如何有效地减少洪灾损失一直是人们关注的焦点。早期的防洪措施主要是修建水库、加高堤防、建立蓄滞洪区等工程性措施，近些年来随着信息技术的发展，计算机仿真逐渐成为防洪减灾的重要手段之一[2]。该方法是通过对某一地区可能发生的洪水提前进行淹没模拟，计算出淹没范围和淹没水深并制定相应的防洪救灾策略。一旦发生洪水，可以按照先前制定的策略进行防洪调度和抢险救灾，从而达到减少洪灾损失的目的 。 

如何使用计算机仿真技术科学，准确地预测、模拟和显示洪水淹没范围，对于防洪救灾和损失评估具有十分重要的意义。不少学者在这方面进行了深入研究并取得一定的成果，如刘仁义等提出基于GIS的种子蔓延算法来确定洪水的淹没范围[3]，崔宝侠等采用广度优先搜索算法模拟洪水的淹没过程[4]，丁志雄等以GIS技术为基础，采用平面模拟方法进行洪水淹没范围和水深分布的计算[5]。以上这些方法虽然都可以仿真洪水的淹没过程，但仅仅是对水流蔓延过程的一种简化模拟，并未从水动力学计算模型的角度出发进行洪水淹没模拟，因此计算结果会存在一定误差。 

为了得到更加准确的洪水淹没模拟计算结果， 本文选择丹麦DHI公司的水动力学计算软件MIKE FLOOD，对辽河中游石佛寺水库至辽中县河段左岸可能发生的漫堤洪水进行淹没模拟，并在此基础上使用地理信息系统二次开发组件ArcObjects实现计算结果的可视化，为汛期时的防洪调度和抢险救灾提供了决策依据。

2 洪水淹没模拟及可视化流程(Process of Flood Simulation and Visualization) 

根据研究需要，漫堤洪水淹没模拟及可视化流程主要由三个部分组成，如图1所示。首先根据研究区域的地面高程数据、堤防设计资料、土地利用状况及上游流量过程等数据在MIKE FLOOD软件中建立洪水淹没计算模型并进行漫堤洪水的淹没模拟，然后将计算结果在地理信息系统软件ArcGIS中处理，转化成GIS可以显示的数据格式，最后使用ArcObjects结合可视化编程语言C#开发洪水演进显示模块，实现洪水蔓延过程的动态演示、淹没信息查询、洪灾损失统计等功能。

3   洪水淹没计算模型(Computation Model of Flood Submergence) 

3.1 MIKE FLOOD计算过程及原理(Computation 

Process and Theory of MIKE FLOOD) 在MIKE FLOOD软件中建立洪水淹没计算模型主要需完成三项工作：设定上游入流洪水的流量变化曲线、构建研究区域的数字高程模型以及设定研究区域的地面糙率。其中，上游入流洪水的流量变化曲线用于计算河道内的洪水泛滥过程，数字高程模型和地面糙率值则用于计算洪水在泛滥区内的蔓延状况。计算过程中，模型首先根据河流上游的流量数据计算河道内水位高度的变化；当河道内水位超过堤防高度时就会发生漫堤洪水，之后计算模型会根据研究区域的数字高程模型和水动力学模型计算洪水的流向、流速和水深等数据，实现洪水蔓延过程的模拟。 

MIKE FLOOD的计算原理依据的是描述水流运动的二维非恒定流方程组，共包括三个方程，分别是：水流连续方程、水流沿x方向的动量方程及沿y方向的动量方程。

3.2  实验区域概况(General Situation of Study Region) 本研究以辽河中游石佛寺水库至辽中县河段左岸为实验区域，西起辽河左岸大堤，东至京沈高速公路，北到石佛寺水库，南至辽中县，共计2000多平方公里。区域内道路纵横交错、乡镇分布密集、人口数量众多，是辽宁省的重点防洪区，对该区域进行洪水淹没模拟对于制定防洪措施有重要意义。 3.3 上游入流洪水(Upstream Flood) 

MIKE FLOOD计算模型需要使用上游入流洪水的流量变化曲线作为计算时的边界条件。辽河曾于1953年发生过洪水，根据1953年汛期时的实测流量可以推算出等级相当于100年一遇的设计洪水。为了研究100年一遇洪水对实验区域的影响，选择该设计洪水的流量数据作为MIKE FLOOD计算模型的上游入流洪水，流量变化曲线如图2所示（数据由辽宁省水利厅河务局提供）。

3.4 数字高程模型的构建 (Construction of Digital     

Elevation Model) 

数字高程模型（Digital Elevation Model, 简称DEM）是地理空间中地理对象海拔高度的数字化表达，是通过有限的地形高程数据实现对地形曲面数字化模拟的一种方法。DEM主要有两种数据式：不规则三角网格TIN格式和规则矩形网格Grid格式。这两种格式有各自的优缺点及适用范围，如表1所示[6]。MIKE FLOOD洪水淹没计算模型中使用的是第二种Grid格式的数据。 

构建数字高程模型是建立洪水淹没计算模型最关键的一步，其精度大小会直接影响到计算结果的准确性。构建过程主要在ArcGIS中完成，将已有的地面高程散点数据（辽宁省水利厅河务局提供）插值生成连续的地形曲面，再进行数据格式转化就完成了研究区域数字高程模型的构建，局部三维效果图如图3所示。

3.5  地面糙率(Ground Roughness) 

糙率是用于描述地表对水流流速阻碍程度的物理量，大小与实际土地利用状况有关。一般河道、空地的糙率值较低，对洪水的阻碍作用较小，林地、水田的糙率值较高，对洪水的阻碍作用较大。根据研究区域内的土地利用状况设定计算模型的地面糙率值

如表2所示（参数值依据国家防办的《洪水风险图编制导则》设定）。

4 模型率定和结果分析(Model Calibration and Result Analysis) 

4.1 模型率定(Model Calibration) 

洪水淹没计算模型建好后需要用实际洪水数据进行参数率定，从而使其计算结果更加精确。模型率定过程中使用的数据是1995年辽河洪水的实测水文数据，图4是1995年汛期辽河马虎山水文站的实测流量数据。

将模型率定后的计算结果与实验区内辽河沿岸马虎山、巨流河、平安堡、辽中四个水文站1995年的实测水文数据进行比较，模型的计算值与四个水文站的实测数据基本相同（如表3所示）。这表明模型的率定效果较好，下一步即可用率定好的模型进行洪水淹没分析计算。

4.2 计算结果分析(Analysis of Calculation Results) 辽河石佛寺水库至辽中县河段的洪水淹没计算共仿真汛期内连续358小时的洪水泛滥过程，上游流量数据使用图2中的1953年洪水的推算流量过程曲线。计算结束后发现辽河左岸新城子区黄家锡伯族乡境内的戈三家子堤防段和新民市兴隆镇境内的沈家岗子堤防段出现了漫堤，泛滥区内最大淹没范围约为65km2，最大淹没水深约为2.0m。通过分析辽河河道断面图和沿岸堤防设计资料，发现这两处堤防的高度较低，因此水位上涨时出现漫堤是可能的，计算结果比较合理。汛期时应对这两处堤防进行重点防护，以避免出现漫堤或溃堤险情。