基于HydraN和GIS网络技术的复杂河网洪灾分析

第４０卷第１４期２００９年７月人　民　长　江Ｙａｎｇｔｚｅ　ＲｉｖｅｒＶｏｌ．４０，Ｎｏ．１４Ｊｕｌｙ，２００９收稿日期：２００９－０５－１２基金项目：长江学者和创新团队发展计划资助（ＩＲＴ０７１９）；水利部“９４８”项目（２００５２５）；国家杰出青年科学基金资助项目（５０４２５９２７）；国家重点基础研究发展计划（９７３计划）课题（２００５ＣＢ７２４２０３）作者简介：石　林，男，湖南大学环境科学与工程学院，博士研究生。

文章编号：１００１－４１７９（２００９）１４－００００－００基于ＨｙｄｒａＮ和ＧＩＳ网络技术的复杂河网洪灾分析石　林　谢更新　曾光明　张硕辅　韦安磊　梁　婕　李晓东（湖南大学环境科学与工程学院，湖南长沙４１００８２）摘要：复杂河网地区的洪水灾害分析研究一直缺乏准确性与时效性，尤其在洪水高发的雨季。

如何直观准确地反映洪水涨落趋势，科学地指导抗洪救灾更是决策者最为关心的问题。

引入英国禾乐公司开发的ＨｙｄｒａＮ洪水模拟和调度软件，结合ＧＩＳ的网络分析技术，进行洪水分析。

该方法可即时呈现复杂河网地区的地形地貌，并通过权重过滤、河流追踪等分析，有效地帮助决策者进行应急处置。

以西洞庭湖区的常德冲柳区复杂河网为例，进行了综合分析，获得到了较好的分析结果，并提出了相应的治理建议。

关　键　词：ＨｙｄｒａＮ，网络分析技术，复杂河网，洪水灾害中图分类号：Ｐ４２６．６１６ 文献标识码：Ａ１　概述近年来全球极端气候越来越频繁，致使我国洪水灾害日渐严重，所造成的损失也不断增加。

复杂河网地区由于其地形的复杂多样，河网的交错贯通以及周边人类活动频繁等因素的影响，更加容易受到洪水侵害与威胁。

ＨｙｄｒａＮ软件是英国的工业标准软件，在英国的洪水模拟中被广泛应用。

该软件可以进行洪水流量预报、水流形态模拟、洪水调度方案演示及比较、洪水淹没显示等，对复杂河网的洪水风险分析及水利设施调度决策有着非常重要的辅助作用。

利用ＤＥＭ及ＧＩＳ技术研究和分析洪水一直以来都是防洪研究的热点，取得了很大的成果，例如：葛小平等利用ＤＥＭ和ＧＩＳ的二维技术模拟了洪水的淹没范围，刘仁义等利用ＤＥＭ和种子蔓延法计算洪水淹没面积，吴作平等人也对复杂河网水沙模型进行了研究。

但是，对于如何以最有效的方式在复杂河网区调度水资源及应急洪水处置，依然有待深入研究。

本文在高精度的ＤＥＭ基础上，引入ＧＩＳ的网络分析技术，利用权值分析、追踪分析等技术，对洪水宏观控制及灾后快速响应进行研究，对决策者有着重要的意义。

２　基于ＧＩＳ的网络分析技术网络分析是运筹学模型中的一个基本模型，它的根本目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最佳，ＧＩＳ中的网络分析功能能够对地理网络进行地理分析和模型化，使得地理空间资源配置及路线安排最优化。

２．１　网络的组成网络模型要素包括：边线和交点。

边线代表线模型，例如公路、河流等；交点代表点模型，例如控制点、污染源（点源）等。

这些要素组成的网络具有几何形状并且是可视的，因此被称为几何网络，而储存这些要素之间的关系网络被称为逻辑网络。

每一个几何网络均对应一个逻辑网络。

网络分析的过程就是在几何网络要素的基础上，对其连接关系即逻辑网络进行操作分析，最终反映到几何网络的可视化界面上的一个过程。

在网络模型中，物质在网络中进行流动既有连通性（是否能通过）也有方向性（怎么通过）。

因此，每一个交点模型可以定义为源头（Ｓｏｕｒｃｅｓ）和终点（Ｓｉｎｋｓ），物质按照从源头到终点的方式进行流动；每一个交点和边线模型也可以定义为允许通过（Ｅｎａｂｌｅｄ）和不允许通过（Ｄｉｓａｂｌｅｄ）。

几何网络中流向的建立就是通过当前设置的源头、终点的位置以及每一个要素（交点和边线）的连通状态来决定的。

物质穿过一条边线或者通过一个交点都需要消耗，权值就是用来存储和表示这种消耗。

例如交通量或者污染物的浓度都可以作为一个消耗量，而公路或者河流的长度则可以作为权值，消耗量与权值之间具有一一对应的关系。

权值同样可以具有方向性，物质在“ｆｒｏｍ－ｔｏ”和“ｔｏ－ｆｒｏｍ”两种相反的方向进行开销时，所对应的权值不同。

例如：河道中逆流和顺流时物质的开销（污染物的转移）会有不同。

在网络模型中，要素的连通性也非常重要。

要素之间的连通性是通过边线—交点规则、边线—边线规则、边线—交点基数等规则进行连通的。

在洪水灾害模拟的网络分析中，利用ＤＥＭ及要素的连通性能够很好地反映出模拟效果。

所有的这些连接关系都被储存在逻辑网络中。

２．２　洪水管理中的网络分析功能网络分析是利用网络的连通性与方向性定制程序，产生一些有意义的结果。

例如，利用连通性解决复杂河网行洪时的开关闸等。

对于不同的用户要求，所利用的解算程序以及解算结果不同。

最常见的解算程序包括网络连通性分析、网络流向分析、追踪分析、最短路径查找以及上游路径查找等。

在网络分析之前，一般需要对网络的各项要素建立拓扑关系、设定初值，还要根据需要加入网络标识和障碍。

网络标识用于标识网络中的一个位置，它不是逻辑网络的一个部分，只表示某个位置，例如某次解算的起始点。

网络标识既可以是点标识也可以是线标识，线标识相比点标识多一个属性，反映该标识位置在边线中的相对位置。

障碍代表该网络在此处状态为Ｄｉｓａ ｂｌｅｄ，本身既不是点要素也不是边线要素。

利用权值过滤器（ＷｅｉｇｈｔＦｉｌｔｅｒｓ）可设置某要素在一个权值或者一段权值范围内通过或者不允许通过（即是否成为障碍）。

在复杂河网的行洪模拟过程中，以下网络分析经常用到并对决策者有着很大的帮助。

（１）顺（逆）向追踪。

从某一个网络标识开始，顺（逆）着流向进行追踪，当遇到障碍、终点及Ｄｉｓａｂｌｅｄ状态的网络元素时，追踪停止。

在大型洪灾或突发性水污染事故中，都能够根据该网络连通状态，进行上下游追踪查询，并得到应急处置方案。

（２）寻找公共源头及相通要素。

从所有网络标识开始，逆流追踪，寻找他们的公共源头，并寻找所有与网络标识相通的边线和交点。

在有关水资源的合理配置中，决策者能够通过网络的相关连通状态及公共源头，得到更为科学的配比方案。

（３）最佳路径选择。

寻找两个网络标识之间的最佳路径。

在复杂河网中，往往河道之间错综复杂又相互连通，如果能根据用户指定，得到连通两特定标识之间的最佳路径，将对决策者处理复杂河网十分有帮助。

３　ＨｙｄｒａＮ软件在洪水调度中的应用３．１　ＨｙｄｒａＮ软件简介ＨｙｄｒａＮ软件是英国合乐公司开发的一款综合、成熟的专门针对洪水模拟和调度的工业标准软件，在英国乃至全世界都有着广泛的应用。

软件的水文模块ＨｙｄｒａｎＨｙｄｒｏｌｏｇｙ可利用流域降雨径流模型来预报洪水流量，水动力学模块ＨｙｄｒａｎＦｌｏｗ能准确可靠模拟各个水工结构的功能及动态效果，特别在模拟闸门和泵站方面优势非常明显。

在相同来流边界条件下，Ｈｙｄｒａｎ可以批量运行多种防洪方案，并进行最优方案；Ｈｙｄｒａｎ与ＧＩＳ的结合更直观地展示洪水三维演进过程，并能更好的兼容各种地理数据。

３．２　ＨｙｄｒａＮ软件的功能及应用ＨｙｄｒａＮ软件虽然是针对英国河流治理开发的商业软件，但其模型的兼容性以及参数的多种选择性使得该软件在全世界都有着广泛的使用。

我国就引用了该软件进行撇洪工程优化调度。

该软件的主要功能级作用表现在：（１）根据实时降雨监测数据用流域降雨径流模型来预报洪水流量，已经是全球范围内公认的先进可靠的方法。

其水文模块ＨｙｄｒａｎＨｙｄｒｏｌｏｇｙ允许采用流域降雨径流模型或其他多种水文方法来预报洪水流量；（２）其水动力学模块ＨｙｄｒａｎＦｌｏｗ能准确可靠地模拟水库、堰坝、渠网、涵闸、泵站、桥梁、涵洞等各个水工结构中的水流形态，为洪水调度提供依据；（３）与ＧＩＳ及专家系统结合的ＨｙｄｒａＮ软件能够实时模拟演示洪水淹没情况，并对多种防洪调度决策方案进行对比分析；（４）为灾害损失计算专门开发的模块ＤａｍａｇｅＣａｌｃｕｌａｔｏｒ能够在ＧＩＳ环境下确定灾害计算曲线，进一步辅助灾害评估工作。

４　实例模拟４．１　概况与数据收集研究的河网区地处常德市区以北，目平湖（西洞庭湖）以西，地理位置为东经１１１°３６′～１１１°４４′，北纬２９°０３′～２９°０７′。

该区域北邻太阳山，南靠沅江，四周有大小水库１０余个，地势平坦，河网众多且交错复杂，是典型的复杂河网区域。

数字高程模型（ＤＥＭ）能够在一定程度上反映地形地貌，拥有高程的地形模型对于处理复杂河网区域的洪水灾害有着重大的意义。

本例在实地勘察、数字化以及遥感影象配准的基础上，建立了复杂河网区域空间数据库，并在此基础上形成了１０ｍ×１０ｍ的高精度ＤＥＭ。

在ＤＥＭ图中可以清楚地看出该区域的高程分布、复杂河网与周围山脉及平原的相对位置关系及相对高程，同时在此基础上有利于计算和模拟洪水淹没范围。

为了更好地研究该复杂河网区域，将区内所有河流断面、渠道、堤坝以及泵、闸等影响洪水流向和流速的水利设施储存于网络控制点要素层，根据其相对重要关系以及相对影响关系将沅江干流及北部各支流划分为６８个控制断面、６个上游边界条件，５个下游边界条件（见图１）。

区内所有的水系要素（河流、渠道、水利设施等）以及正常、非正常情况下的各条河流流向，都被存储在该区域的ＧＩＳ网络数据库中。

针对河网结构的复杂性，在网络分析中加入一个循环复核程序，保证在正常情况下和极端情况下都能较为准确地反应网络真实的流通情况。

图１　网络概括４．２　网络分析数字高程模型及ＧＩＳ的网络分析成果可以很好地帮助决策者解决一些实际问题。

根据用户的需要，利用ＡＲＣＧＩＳ系列的ＡＲＣＭＡＰ软件对该复杂河网区域进行了下列分析与操作。

４．２．１　洪水淹没分析在ＤＥＭ的基础上，针对河流间的相互补给关系以及泵、闸等水利设施开关的影响，并结合区内历史资料，进行了有源淹没和无源淹没的淹没范围分析，并完成了暴雨危险水位预警及洪灾救助应急工作。

根据区内历年洪灾显示以及城市和各大堤垸的相对位置，认为该区域无源淹没（大面积降雨）的风险性和易损性都大于有源淹没（某个堤垸溃堤），决策者可以在此基础上２　第１４期 石　林等：基于ＨｙｄｒａＮ和ＧＩＳ网络技术的复杂河网洪灾分析制定较为科学的城市防洪规划以及灾后应急措施。

４．２．２　河流追踪及最佳方案选择在该复杂河网区域的ＧＩＳ网络分析数据库中，对马家吉、苏家吉等几个重点堤垸以及常德市区北面几个重点河段的泵闸开关进行了几种方案的选取和尝试，并在此基础上，对于因为洪水而导致某污染物的扩散而引起的水质危机进行了最佳方案选择及应急处置分析，并形成了河流污染分布图。

污染分布图可用不同的颜色表示受到污染、即将受到污染的河道等，同时，可以根据污染物权值以及河道流向，确定该污染物到达某区域（例如柳叶湖）的具体时间。