摘  要：文以遼河中游平原地區為研究對象, 使用水動力學計算軟件MIKE FLOOD對漫堤洪水淹沒過程進行模擬, 并在此基礎上采用GIS開發組件ArcObjects結合可視化編程語言C#開發了洪水演進顯示模塊。該模塊具有洪水蔓延過程動態演示、淹沒信息查詢及洪災損失統計的功能，實現了洪水淹沒模擬計算結果的可視化。汛期時可以利用該模塊為防洪救災提供決策信息。 

關鍵詞：水淹沒模擬, MIKE FLOOD, ArcObjects, 可視化

1  引言(Introduction) 

我國是一個洪澇災害頻繁發生的國家，每年因洪災造成的經濟損失約占全部自然災害損失的60%以上[1]，如何有效地減少洪災損失一直是人們關注的焦點。早期的防洪措施主要是修建水庫、加高堤防、建立蓄滯洪區等工程性措施，近些年來隨著信息技術的發展，計算機仿真逐漸成為防洪減災的重要手段之一[2]。該方法是通過對某一地區可能發生的洪水提前進行淹沒模擬，計算出淹沒范圍和淹沒水深并制定相應的防洪救災策略。一旦發生洪水，可以按照先前制定的策略進行防洪調度和搶險救災，從而達到減少洪災損失的目的 。 

如何使用計算機仿真技術科學，準確地預測、模擬和顯示洪水淹沒范圍，對于防洪救災和損失評估具有十分重要的意義。不少學者在這方面進行了深入研究并取得一定的成果，如劉仁義等提出基于GIS的種子蔓延算法來確定洪水的淹沒范圍[3]，崔寶俠等采用廣度優先搜索算法模擬洪水的淹沒過程[4]，丁志雄等以GIS技術為基礎，采用平面模擬方法進行洪水淹沒范圍和水深分布的計算[5]。以上這些方法雖然都可以仿真洪水的淹沒過程，但僅僅是對水流蔓延過程的一種簡化模擬，并未從水動力學計算模型的角度出發進行洪水淹沒模擬，因此計算結果會存在一定誤差。 

為了得到更加準確的洪水淹沒模擬計算結果， 本文選擇丹麥DHI公司的水動力學計算軟件MIKE FLOOD，對遼河中游石佛寺水庫至遼中縣河段左岸可能發生的漫堤洪水進行淹沒模擬，并在此基礎上使用地理信息系統二次開發組件ArcObjects實現計算結果的可視化，為汛期時的防洪調度和搶險救災提供了決策依據。

2 洪水淹沒模擬及可視化流程(Process of Flood Simulation and Visualization) 

根據研究需要，漫堤洪水淹沒模擬及可視化流程主要由三個部分組成，如圖1所示。首先根據研究區域的地面高程數據、堤防設計資料、土地利用狀況及上游流量過程等數據在MIKE FLOOD軟件中建立洪水淹沒計算模型并進行漫堤洪水的淹沒模擬，然后將計算結果在地理信息系統軟件ArcGIS中處理，轉化成GIS可以顯示的數據格式，最后使用ArcObjects結合可視化編程語言C#開發洪水演進顯示模塊，實現洪水蔓延過程的動態演示、淹沒信息查詢、洪災損失統計等功能。

3   洪水淹沒計算模型(Computation Model of Flood Submergence) 

3.1 MIKE FLOOD計算過程及原理(Computation 

Process and Theory of MIKE FLOOD) 在MIKE FLOOD軟件中建立洪水淹沒計算模型主要需完成三項工作：設定上游入流洪水的流量變化曲線、構建研究區域的數字高程模型以及設定研究區域的地面糙率。其中，上游入流洪水的流量變化曲線用于計算河道內的洪水泛濫過程，數字高程模型和地面糙率值則用于計算洪水在泛濫區內的蔓延狀況。計算過程中，模型首先根據河流上游的流量數據計算河道內水位高度的變化；當河道內水位超過堤防高度時就會發生漫堤洪水，之后計算模型會根據研究區域的數字高程模型和水動力學模型計算洪水的流向、流速和水深等數據，實現洪水蔓延過程的模擬。 

MIKE FLOOD的計算原理依據的是描述水流運動的二維非恒定流方程組，共包括三個方程，分別是：水流連續方程、水流沿x方向的動量方程及沿y方向的動量方程。

3.2  實驗區域概況(General Situation of Study Region) 本研究以遼河中游石佛寺水庫至遼中縣河段左岸為實驗區域，西起遼河左岸大堤，東至京沈高速公路，北到石佛寺水庫，南至遼中縣，共計2000多平方公里。區域內道路縱橫交錯、鄉鎮分布密集、人口數量眾多，是遼寧省的重點防洪區，對該區域進行洪水淹沒模擬對于制定防洪措施有重要意義。 3.3 上游入流洪水(Upstream Flood) 

MIKE FLOOD計算模型需要使用上游入流洪水的流量變化曲線作為計算時的邊界條件。遼河曾于1953年發生過洪水，根據1953年汛期時的實測流量可以推算出等級相當于100年一遇的設計洪水。為了研究100年一遇洪水對實驗區域的影響，選擇該設計洪水的流量數據作為MIKE FLOOD計算模型的上游入流洪水，流量變化曲線如圖2所示（數據由遼寧省水利廳河務局提供）。

3.4 數字高程模型的構建 (Construction of Digital     

Elevation Model) 

數字高程模型（Digital Elevation Model, 簡稱DEM）是地理空間中地理對象海拔高度的數字化表達，是通過有限的地形高程數據實現對地形曲面數字化模擬的一種方法。DEM主要有兩種數據式：不規則三角網格TIN格式和規則矩形網格Grid格式。這兩種格式有各自的優缺點及適用范圍，如表1所示[6]。MIKE FLOOD洪水淹沒計算模型中使用的是第二種Grid格式的數據。 

構建數字高程模型是建立洪水淹沒計算模型最關鍵的一步，其精度大小會直接影響到計算結果的準確性。構建過程主要在ArcGIS中完成，將已有的地面高程散點數據（遼寧省水利廳河務局提供）插值生成連續的地形曲面，再進行數據格式轉化就完成了研究區域數字高程模型的構建，局部三維效果圖如圖3所示。

3.5  地面糙率(Ground Roughness) 

糙率是用于描述地表對水流流速阻礙程度的物理量，大小與實際土地利用狀況有關。一般河道、空地的糙率值較低，對洪水的阻礙作用較小，林地、水田的糙率值較高，對洪水的阻礙作用較大。根據研究區域內的土地利用狀況設定計算模型的地面糙率值

如表2所示（參數值依據國家防辦的《洪水風險圖編制導則》設定）。

4 模型率定和結果分析(Model Calibration and Result Analysis) 

4.1 模型率定(Model Calibration) 

洪水淹沒計算模型建好后需要用實際洪水數據進行參數率定，從而使其計算結果更加精確。模型率定過程中使用的數據是1995年遼河洪水的實測水文數據，圖4是1995年汛期遼河馬虎山水文站的實測流量數據。

將模型率定后的計算結果與實驗區內遼河沿岸馬虎山、巨流河、平安堡、遼中四個水文站1995年的實測水文數據進行比較，模型的計算值與四個水文站的實測數據基本相同（如表3所示）。這表明模型的率定效果較好，下一步即可用率定好的模型進行洪水淹沒分析計算。

4.2 計算結果分析(Analysis of Calculation Results) 遼河石佛寺水庫至遼中縣河段的洪水淹沒計算共仿真汛期內連續358小時的洪水泛濫過程，上游流量數據使用圖2中的1953年洪水的推算流量過程曲線。計算結束后發現遼河左岸新城子區黃家錫伯族鄉境內的戈三家子堤防段和新民市興隆鎮境內的沈家崗子堤防段出現了漫堤，泛濫區內最大淹沒范圍約為65km2，最大淹沒水深約為2.0m。通過分析遼河河道斷面圖和沿岸堤防設計資料，發現這兩處堤防的高度較低，因此水位上漲時出現漫堤是可能的，計算結果比較合理。汛期時應對這兩處堤防進行重點防護，以避免出現漫堤或潰堤險情。