基于微流域划分的洪水淹没分析
目录
前言
正文
水文分析
确定研究区
填洼
计算流向
计算流量
设置阈值提取河网
河流链接
河网分级
栅格河流矢量化
提取河口
捕捉倾泻点
集水区
补充说明
划分微流域
暴雨强度计算
径流系数计算
出口流量计算
坡降计算
流速、水深计算
淹没范围
结语
前言
- 想做洪涝淹没区分析，但是数据不足没法用SWMM，不会编程、技术不够、不会用动态的元胞自动机，今天就教大家一个最简单的用GIS实现区域洪涝淹没区分析的方法，即基于微流域划分的雨洪过程模拟。
- 你需要的数据有区域的DEM（精度越高越好，高精度的地形图最好，实在找不到就在地理空间数据云下载30m分辨率的也行）、区域的土地利用（可在GlobeLand30数据集下载，具体的操作可参考这篇文章）、地区的暴雨公式和土壤类型（用于设计降雨量和地表径流系数参照，资料是属性数据，获取的途径很多，而且很方便获得），主要的参考文献来自于赵丹丹,桑玉昆,王水源,徐建刚.GIS支持的小流域雨洪过程模拟与定量计算应用——以南京农业大学白马教科基地为例[J].遥感信息,2014,29(05):118-124.
- 本文以福建长汀为例带大家用GIS和EXCEL实现整个过程，所用的数据和相关的参考文献已放置在资料包中，需要请自取，数据仅供学习操作之用，不保证数据的准确性请自行审核，以及请勿随意转载。理论和技术不足之处还望大家多多指教，创作不易希望大家多多支持。
正文
水文分析
水文分析是ArcGIS的成名之宝，也是ArcGIS能够在水文领域发挥重要分析作用的基础，当然，也是本文依赖的最主要的技术工具。在实际操作之前，建议大家先了解水文分析的基本原理以及如何使用ArcGIS实现相关的操作，有一位大佬已经做了很详细的介绍，这里附上链接（搜索“ArcGIS水文分析实战教程”）。
同时，ArcGIS的水文分析的所有功能都在“水文分析”的工具包里面，比较方便找到和使用。
确定研究区
水文分析之前得先确定研究区，一般以自然山水的边界、城市建成区的边界、或者是给定的区划范围来确定，如果水文分析的结果不是特别理想，也可以考虑扩大或者是缩小研究区的范围。
本文的研究区受限于所得数据，即选择为地形数据的边界，首先把矢量的高程点和等高线转为DEM（也可以通过生成TIN得到），如图。
需要说明的是，ArcGIS默认会自动生成一个矩形的数据，数据边界以外的值是插值得到的，不过也不用刻意去裁剪到原始的边界。
然后，就是将下载到的土地利用数据也裁剪准备一下。
下载的数据大概长这样，然后就是裁剪。
因为下载的土地利用数据分辨率是30m的，数据精度不是特别好，用来做演示足够用，但是分析结果可能缺乏科学性。
填洼
做水文分析一般需要的是无洼的DEM数据，具体的原理详见前面的链接，这里不过多说明。
计算流向
计算流量
设置阈值提取河网
这里需要说明的是，不同地区的自然条件不同，因而提取河网时设置的阈值也有所不同，具体设置多少需要根据实际情况来看（最好是以该地区的某一条河流为参照），这里我们选取的阈值为800。
河流链接
河网分级
栅格河流矢量化
提取河口
顺便先把河口（倾斜点）提一提，用到的工具是要素折点转点。
捕捉倾泻点
集水区
补充说明
以上的步骤由于基本是一个机械过程，因而可以借助ArcGIS提供的Model功能实现。
嗯，步骤比较多，就看不清楚了，建议自己搭建，也可以参照上传的附件。
划分微流域
由于得到的集水区是栅格数据，不便于对具体的区域进行赋值，故先把其转为矢量的面。
然后就根据河流的分布情况划分微流域，值得注意的是，水文学上对于子微流域的划分有很多的规则，但是我们仅仅把其作为研究的一个步骤，不去刻意强调规范性，只要能够支撑最终的研究需要即可。同时，本文作为一个案例，不过多的探讨细节问题，一切从简所以划分的时候也尽量减少数量。
我们首先添加一个字段。
然后打开编辑器赋值，得到最终结果，然后附上颜色，标注等，查看效果。
到此，水文分析就算是差不多完成了，接下来为了简洁的需要，我们只用流域A来完成后续的分析。
暴雨强度计算
从这部分开始，我们会遇到大量的计算，ArcGIS的使用相对来说就比较少了一点。
这里我们选取的是福建省城乡规划设计研究院根据长汀县1985-1998年共14年的降雨资料总结出的长汀县暴雨强度
公式，是。其中，P为暴雨重现期，一般在水利工程上取五十年一遇和百年一遇；t为降雨历时。按照《水利水电工程设计洪水设计规范》规定，校核洪水应加安全修正值，以保证水利工程的安全。若σ为设计数值的标准差，则安全修正值Δ应该与σ成正比，即Δ=a*σ，式子中的a为可靠系数，一般取值0.7，根据安全修正原则，在《中国暴雨参数统计图集》中查取变差系数Cv和均值X。
由于暴雨公式比较复杂，Excel里面输入不方便，我是直接用计算器算的，当然，也可以写一个简单的小程序完成，这里就不贴出来了，结果如下。
| 多情景下研究区设计暴雨量 | ||||||
| 情景模式 | 暴雨公式值(mm) | 变差系数 | 均值(mm) | 可靠系数 | 修正后暴雨量(mm) | |
| P=50,t=1h | 76.47 | 0.45 | 40 | 0.7 | 89.07 | |
| P=50,t=6h | 164.63 | 0.55 | 70 | 0.7 | 191.58 | |
| P=50,t=24h | 291.11 | 0.55 | 100 | 0.7 | 329.61 | |
| P=100,t=1h | 82.57 | 0.45 | 40 | 0.7 | 95.17 | |
| P=100,t=6h | 177.74 | 0.55 | 70 | 0.7 | 204.69 | |
| P=100,t=24h | 314.31 | 0.55 | 100 | 0.7 | 352.81 | |
径流系数计算
由径流系数表：
| 径流系数表 | ||
| 级别 | 土壤名称 | 径流系数 |
| Ⅰ | 无缝岩石、沥青面层、混凝土层、冻土、重粘土、冰沼土、沼泽土、沼化灰壤（沼化灰化土） | 1 |
| Ⅱ | 粘土、盐土与碱土、龟裂地、水稻土 | 0.85 |
| Ⅲ | 壤土、红壤、黄壤、灰化土、灰钙土、漠钙土 | 0.8 |
| Ⅳ | 黑钙土、黄土、栗钙土、灰色森林土、棕色森林土（棕壤）、褐色图、生草砂壤土 | 0.7 |
| Ⅴ | 砂壤土、生草的砂 | 0.5 |
| Ⅵ | 砂 | 0.35 |
以及相关的土壤资料得知，长汀地区为花岗岩发育的红壤类型，经过长期改造的农田地区为水稻土类型，建成区视为混凝土层，植被覆盖较好的地区视为森林土，因此建筑用地、水域、道路及其他硬质铺地取1.0，农田采用0.85，森林采用0.7，其余自然土地径流系数取0.8，（注意：径流系数的取值很重要，尽管是靠经验取值，但尽量保证科学性），然后将土地利用现状数据与微流域划分进行空间叠合，统计不同微流域各类用地的比例，计算得到各流域的综合径流系数，这里我们只演示A流域。
首先把得到的数据矢量化。
然后我们新建一个字段并赋值（使用按属性选择，然后字段计算器）。（当然你也可以用其他方式实现批量赋值）注意仔细查看用地类型的代号，为属性表的gridcode值。
然后叠置（相交）。
然后我们添加一个面积字段，计算面积然后输出表格，到Excel里面去计算综合径流系数。
建议导出为txt格式，以免Excel编码出问题（打开时记得是用逗号分隔）。
由于我们在ArcGIS的数据框使用的高斯克吕格投影坐标系，所以在矢量面数据中自带了面积这一栏，不需要额外计算面积，如果是以地理坐标系为基准，则需要将其换为投影坐标系（只是更换数据框的坐标系，不是改变原始数据的坐标系）并通过“计算几何”工具计算面积。
然后我们做一个加权平均，就得到了A流域的综合径流系数了，这个过程不复杂，大家应该都有自己习惯的方式就不多介绍了。
得到A流域的综合径流系数为0.91。
出口流量计算
接着我们就计算一下在设计暴雨量的条件之下A流域的出口断面流量，这里我们选取几个典型的出口断面，差不多就是不同级别河流的交点或者是尽端。
计算公式是Q=0.278∗Ψ∗q∗S，其中，Q为子流域汇水量（m3/s）；q为降雨强度（mm/h）；S为子流域汇水面积（km2）； Ψ为综合径流系数，计算得到：
| 多情景下流域出口流量 | ||
| 情景模式 | 流域A(m3/s) | |
| P=50,t=1h | 8.22 | |
| P=50,t=6h | 17.69 | |
| P=50,t=24h | 30.43 | |
| P=100,t=1h | 8.79 | |
| P=100,t=6h | 18.90 | |
| P=100,t=24h | 32.57 | |
坡降计算
坡降的计算方法有很多，这里由于方法的粗略性，我们选择的是最简单的计算方法，即用ArcGIS剖面分析工具选取河流的一段来作为所需的坡降。
尽管方法很粗略，但是对于我们分析应该是足够用了，大致算一算（我们选择的区域实在是太小了，数据精度也不足，考虑一点误差和科学性），坡降为5.3‰ 。
流速、水深计算
根据河滩糙率表：
| 河滩糙率表 | |
| 滩地特征 | 糙率 |
| 50%蔓生杂草的河滩 | 0.115-0.09；平均水深1m-2m |
| 长有中等密度植物或垦为耕地的河滩平面不够顺直，下游有束水影响，滩甚宽 | 0.10-0.077 |
| 长满中密度杂草及农作物平面尚顺直，纵面横面起伏不平，有洼地土埂等 | 0.12-0.08 |
| 长有中密度杂草间有灌木丛平面顺直，纵横起伏不大，下又有石滩控制 | 0.12-0.07；夏汛；平均水深0.6m-3m；0.05-0.04；春汛；平均水深0.7-1.5m |
结合研究区的实际，研究区的坡降大，流域面积小，旱季时，沟谷中并没有水流，河槽不足以泄洪，因此河滩也将被淹没，研究区河谷长有中等密度的植物，并部分被垦为耕地，河谷平缓，因此取糙率为0.1。（糙率的选取也很重要）
这里我们也用一个经验公式计算流速和水深，我们选用的是曼宁-谢才公式（当然了，你如果了解一些水力学的知识，也可以用其他的公式或者方程组求解，这里我们就选用最简单的），公式为：
其中，v为流速；J为河槽总比降；R为水力半径；n为平均糙率系数；H为水深；Q为断面流量。
然后计算的时候用的是水力学上的试算法进行计算，原理大家可以自行去百度，个人理解有点类似于开根号时的二分逼近法。
| 情景模式 | 最大流量(m3/s) | 流速(m/s) | 水深(m) | |
| P=50,t=1h | 8.22 | 0.17 | 0.23 | |
| P=50,t=6h | 17.69 | 0.24 | 0.38 | |
| P=50,t=24h | 30.43 | 0.31 | 0.56 | |
| P=100,t=1h | 8.79 | 0.18 | 0.24 | |
| P=100,t=6h | 18.90 | 0.25 | 0.41 | |
| P=100,t=24h | 32.57 | 0.32 | 0.58 | |
淹没范围
结束了前面那些繁杂的计算，终于我们可以开始出图了，首先加载一张天地图的卫星底图吧。（注意：天地图的在线地图服务现在需要API密钥，需要的可以参考这篇文章。）
（看，我们的研究区范围很小吧）
然后我们使用栅格计算器进行淹没分析（覆盖）。（记得把环境设置为流域A）
数字为出口断面的高程加上前面计算的淹没水深，然后重复几次将六种情景模式都计算出来（当然你也可以使用二次开发模块，做一个循环，将这个步骤自动化完成）。
尽管我们已经设置了ArcGIS的环境为流域A的范围，但是ArcGIS是默认一个矩形范围，所以我们还得裁剪一下。（希望有大佬也可以教教我怎么把这个范围改为不是矩形的严格的多边形范围）
然后就换换颜色，加一些图例什么的，出图吧。（如果想让效果更加直观一点，建议把当地的一些河流矢量化，出图风格因人而异，这里只是提供一个参考）
（嗯，就这样吧，原谅偷工减料对于出图美学的忽略。）
结语
本文是教大家如何在技术上实现用划分微流域的方法实现洪水淹没区的分析，并不保证分析结论的科学性和准确性。在实际应用中，应该考虑方方面面的问题，很多的细节都需要把握，很多的经验取值和计算也很有讲究，当然，最终做出来的结果也会存在很大的差异，但是基本上能够反映降雨产生的地表径流对于城镇的洪涝淹没风险。在前文也谈到，这是一种在各种资料匮乏的情况下相对简单的分析方法，它有优势也存在很多的不足，在应用上既可以单独作为一个专题分析，也可以成为其他分析（例如一些敏感性评价）的基础。最后，创作不易，希望大家批评指正，多多支持。
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