ArcGIS雨涝风险模拟

所谓雨涝模拟分析,

就是模拟降雨量达到一定强度,

城市的哪些区域容易被淹没形成内涝。

雨涝模拟更重要的是提前预测,

可在预测结果的基础上进行实地勘察,

为项目规划、风险防控等工作提供指导作用。

雨涝模拟的原理和思想多种多样,

方法也比较复杂,

本文以模拟广州市雨涝风险区域为例,

介绍一种“体积比较法”的原理和分析思路。

01基本原理

首先搞明白什么是地表径流:地表径流指的是降水或融雪强度一旦超过下渗强度,超过的水量暂时留于地表,当地表贮留量达到一定限度时,即向低处流动,成为地表水而汇入溪流的水量。

本文的原理是基于体积比较法,通俗简明的解释下:

以某种降水量(年均降水量、极端降水量等)为基础,以集水流域为分析单元(简称“集水单元”),计算每个集水单元的径流量,从而得到集水单元的体积,当集水单元的体积(高度)>该集水单元内栅格表面的体积(高度),即形成雨涝淹没区。

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该图来源于:ArcGIS帮助文档

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技术路线示意图

02数据与模型

原理虽然清楚,但是涉及的内容可不简单,需要制备的数据包括——

降雨量

DEM

集水单元

土地利用

地表径流

1. 降雨量:降雨量的数据可以到中国气象数据网去获取,本次我们模拟了粤港澳30年长时间序列的平均降雨量,从中提取出广州市降水量。(你也可以获取极端降雨数据等等,不同的降水量模拟的结果肯定也是不同的哦)。

第一步,得到带有降水量的气象站点数据——

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粤港澳气象站点分布图

第二步,对数据进行分析检验——

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数据分析检验示意图

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趋势分析与Voronoi图

第三步,模拟预测降水量分布——

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克里金插值半变异函数拟合分析

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粤港澳年均降水量的插值模拟

2. 集水单元:区域的模拟分析,都要有一个分析单元,一般而言,和水有关的分析,常常结合DEM数据,利用水文分析,提取出集水流域,作为分析单元,本例也不例外——

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广州市集水单元

3. 地表径流:地表径流量需要根据降雨量和径流系数(不同地表覆盖的径流系数)来计算,参考的计算模型为“双评价指南”的模型:

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计算地表径流基本的步骤是:

第一步:为每种地类赋予对应的径流系数;

第二步:集水单元与地类叠加,计算出每个集水单元的加权平均径流系数;

第三步:将计算出加权平均径流系数的集水单元与降水量的数据叠加计算,得到每个集水单元的径流量。

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集水单元流量模拟示意图

03雨涝风险斑块识别

下面我们开始进行雨涝风险斑块的识别。

第一,计算每个集水单元的集水体积:这一步倒是不难,就是用每个集水单元径流量与每个集水单元面积相乘即可;

第二,体积比较法识别淹没区域:如果只是分析一个集水单元的雨涝淹没情况,可以利用“表面体积”工具,不断的试验集水高度,直到接近该集水单元的体积,则该高度以下即为淹没区,当然,这个方法工作量很大,而且只适用于一个集水单元,很多集水单元的话,这个方法就扑街了;

下面,就需要介绍下体积比较法,简明介绍下基本思想——

每个集水单元的体积是一定的,某区域集水单元的面积<该集水单元区域地表的面积,则,该区域集水高度>该区域的地表高度,即为淹没区!

这基本思想看起来简单,但是涉及到的操作可真是不少!通过集水单元栅格面积的计算与比较,基于上述思想,得到了集水高度>地表高度的区域,也就是潜在的雨涝淹没风险区——

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第三,风险集中度分级:这一步又简单了,就是将淹没区进行核密度的分析,根据集中程度进行分级就可以啦——

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最后再说明一下,城市雨涝淹没分析原理多样,方法也比较复杂,本文主要基于“体积比较法”的一个思路框架。

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