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基于GIS 与遥感技术的某水电站库区_图文

工程地质计算机应用

2008 年

第 4期

总 52 期

※专题研究 问题探讨 ※ 问题探讨※

基于 GIS 与遥感技术的某水电站库区 蓄水淹没分析
许冲 1 ,任静 2 ,詹涛 3 ,王彦颖 4
(1,中国科学院 地质与地球物理研究所 (2,河南省地矿局第二水文地质工程地质队 (3,重庆江北地质工程勘察院 (4,吉林省民政厅区划地名处 北京 100029) 河南 450053)

重庆 401120)

吉林 长春 130062)

【摘要】水电站库区蓄水淹没分析是水电建设中不可缺少的一个环节.本文基于 GIS 与遥感技术,运用 ArcGIS 系列桌面软件,以金沙江某库区流域为研究对象,实现了库区蓄水淹没分析与三维模拟.首先,应用 ArcMap 的 三维分析模块,水文分析模块与空间分析模块进行库区流域的 DEM 提取;然后,在 DEM 的基础上,提取蓄水 淹没范围并计算淹没区面积;最后,结合库区的 DEM 与遥感影像,使用 ArcScene 平台分别建立了库区蓄水淹没 前后的三维模拟效果图. 【关键词】 GIS;遥感;DEM;库区蓄水;淹没分析;三维模拟

1 引言
进入 21 世纪,我国的水电能资源开发利用进入快速发展的黄金时期,水电能源建设成为我国现代化 建设与国家可持续发展的重要内容之一[1] .其中西南地区金沙江,澜沧江,怒江三江并流,蕴藏着大量的 水力资源.而库区蓄水淹没分析是水电能源开发中不可缺少的一个环节.进行库区蓄水淹没分析,关系着 移民与赔偿事项,关系着土地损失评估,也关系着岸坡地质条件变化影响范围划分等方面.本文基于 GIS 与遥感技术,采用 ArcGIS 系列桌面软件,建立金沙江某库区流域数字高程模型(DEM)进行库区蓄水淹没 分析,计算蓄水淹没区面积,并结合库区 DEM 与遥感影像建立库区蓄水淹没前后的三维模拟图.

2 研究现状
近年来,GIS 与遥感技术支持下的洪水淹没研究一直是一个研究热点.刘仁义与刘南[2]给出有源淹没 与无源淹没两种基于种子蔓延算法的淹没区计算方法.葛小平与许有鹏等[3] 采用 GIS 与水力演进模型,结 合三维模拟技术对浙江奉化江流域洪水淹没范围进行了模拟.丁志雄与李纪人等 [4]以遥感与 GIS 为 平 台 , 基于 DEM 数据,在给定洪水水位与洪量的条件下,得出洪水淹没结果.李天文与吴琳等[5] 实现了渭河下游 洪水淹没范围的计算,并基于 ERDAS 进行了三维可视化模拟.杨存建与魏一鸣等[6] 探讨了以星载雷达检测 所获得的数据为数据源,提取洪水灾害淹没范围的基本原理和方法.姜红梅,任立良等[7] 将通过遥感技术 获取的土地利用与地表覆盖栅格信息与 DEM 进行空间配准, 进行了汉江褒河流域的多场洪水过程模拟研究 . 以上可知,基于 GIS 的洪水淹没分析的研究较多,而库区蓄水淹没分析的研究相对较少,两者的不同 之处在于前者的主要水源为大面积区域降水,更适合于无源淹没分析的情况,而后者的主要水源是上游来 水,使用有源淹没分析更合理.因此,开展 GIS 与遥感技术应用于库区蓄水淹没分析研究是有必要的.

3 研究区概况
金沙江发源于青海境内唐古拉山脉的格拉丹冬雪山北麓,是西藏和四川的界河.它在江达县和四川的
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石渠县交界处(江达县邓柯乡的盖哈河口)进入昌都地区边界,经江达,贡觉和芒康等县东部边缘,至巴 塘县中心线附近的麦曲河口西南方小河的金沙汇口处入云南,然后在云南丽江折向东流,为长江上游.金 沙江全长 2 316 千米,流域面积 34 万平方千米.金沙江流经山高谷深的横断山区,落差达 3300 米,水力 资源丰富,占长江水力资源的 40%以上.根据河谷地貌特征,以德格县白曲河口和巴塘县玛曲河口为分界 线将金沙江分为上,中,下三段.上段为峡宽相间河谷段,中段为深切峡谷段,下段为峡谷间窄谷段.研 究库区位于金沙江中段四川省与西藏藏族自治区的界河上(图 1) ,该河段两岸为高山深谷区,地形险峻, 村落稀少,水量充沛,落差集中,动能指标优越,水库蓄水淹没损失小.库区流域地处东经 103°33′59 〃~103°43′18〃,北纬 31°01′58〃~31°22′10〃.海拔 2600~5400 米,相对高差 2800 米.库区 流域面积 2 820.平方千米,流域长 93.3 千米,图 2 为库区淹没区,水系与 DEM 叠加效果图.本文研究初 步拟定蓄水位高程为 2700 米,来模拟水位达到 2700 米时的库区淹没面积.

图1

研究区位置图

图2

研究区 DEM,水系与淹没范围图

4 研究方法与技术路线
研究方法概括如下: (1)根据区域地形图生成 DEM,使用 ArcMap 的水文分析模块提取库区流域边界, 并根据这个边界切割 DEM; 2) ( 应用 ArcMap 软件的栅格空间分析功能, 求得低于一定高程的洪水淹没范围 , 与原河流流经面积的差值即是库区蓄水淹没面积; (3)应用 ArcScene 软件与遥感影像对库区蓄水淹没前 后进行三维模拟.研究路线图见图 3.

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区域地形图 区域 DEM 设定流域入出口点 研究区流域边界 流域边界切割 DEM 研究区 DEM 遥感影像 提取淹没区 淹没区面积计算 图3 三维模拟 技术路线图

5 淹没分析
文献[2]将洪水淹没区分析分为无源淹没分析和有源淹没分析两种情形. 无源淹没分析是指凡是高程低 于给定水位的区域都记入淹没区, 这种情形相当于整个区域大面积均匀降水, 所有低洼处都可能积水成灾 . 从算法分析上看,这种情况不涉及到区域连通,洼地合并,地表径流等复杂问题,分析起来比较简单.有 源淹没情况下,水流受到地表起伏特征的影响,在这种情况下,即使在低洼处,也可能由于地形的阻挡而 不会被淹没.造成的淹没原因除了自然降水外,还包括上游来水,洼地溢出水等.在实际情况中,有源淹 没更为普遍也更为复杂.有源淹没涉及到水流方向,地表径流,洼地连通等情况的分析. 库区淹没分析不同于洪水淹没分析,洪水淹没分析中水源包括区域大面积降水与上游来水,应当考虑 有源淹没与无源淹没的情况.而库区蓄水淹没水源主要为上游来水,属于有源淹没分析一类,不考虑无源 淹没的情况.

6 蓄水淹没面积计算
库区蓄水淹没面积计算对应着有源淹没分析.首先计算无源淹没面积,方法是将所有低于或等于预测 水位高程的像元都将计人淹没区,经累加计算得出淹没面积;然后考虑到连通要求,去除连通外区域,获 得有源淹没面积的结果. 6.1 建立区域 DEM 使用 ArcMap 的三维分析模块建立区域 DEM,具体步骤如下: (1)使用"Create TIN From Features" 功能将等高线生成 TIN; 2)使用"Convert TIN to Raster"功能将 TIN 转化为 Grid.这样,通过等高 ( 线就生成了整个大范围区域的 DEM. 6.2 提取流域边界 提取流域边界需要使用 ArcMap 的水文分析模块,步骤如下: (1)去除洼地,现实地貌中,满足洼地 判断条件的区域有可能是平原地区或小平地,这里不考虑这种情况,使用 "Fill Sinks "功能对区域 DEM 的洼地进行填充处理; (2)使用"Flow Direction"功能对填充后的 DEM 进行操作,生成流向栅格; (3) 对流向格网进行"Flow Accumulation "操作,建立流量累积格网; (4)确定流域的入口点与出口点,即库 区的起始点与终点,并分别对这两个点使用"Watershed"功能划分流域. (5)将流域入口点与出口点获得 的流域范围相减,便获得了库区的流域范围. 6.3 提取库区流域 DEM 使用 ArcMap 空间分析模块, 根据流域边界对区域 DEM 进行切割, 获得库区流域范围的 DEM(图 2).
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方法可以采用 "Raster Calculate"功能, 进行边界 DEM 与区域 DEM 的相乘操作, 以获取流域范围内 DEM. 6.4 蓄水淹没面积计算 蓄水淹没面积计算步骤如下: (1)使用 ArcMap 空间分析模块中的"Raster Calculator"模块,提取高 程值小于或等于 2700 米的区域,获得栅格格式的淹没区范围. (2)使用"Raster to Features"功能将栅格 格式的淹没区范围转换为 shp 格 式 ; (3)检查 shp 的连通情况,去除非连通区域,以保证蓄水淹没区的面 积是有源淹没区的面积; (4)根据淹没区的面要素 shp 文件计算出蓄水后的水面面积为 50.14km2,蓄水前 江面宽度采取多年平均值,原水面面积为 8.40km2,两者的差值为 41.74km2,即是蓄水至 2700 米高程所 造成库区淹没区的面积.

7 洪水淹没三维模拟
ArcScene 是 ArcGIS 桌面软件系列的三维场景模拟软件,具有三维飞行,叠加分析,视域分析,动画 制作等强大功能.使用 ArcScene 可将 DEM 带有直观的立体显示效果,将遥感影像叠加到 DEM 上,可以 建立效果良好的研究区三维模拟图.图 4 是库区蓄水前三维模拟图,图 5 是库区蓄水至 2700 米后的三维 模拟图.

图4

库区蓄水前三维效果图

图5

库区蓄水后三维效果图

8 结论
(1)GIS 与遥感技术是库区蓄水淹没面积分析的强有力的工具,应用 ArcGIS 这一 GIS 的领军软件, 可以方便,准确地进行库区蓄水淹没分析,为库区蓄水淹没影响范围划分提供一个有力的工具. (2)本文应用的库区蓄水淹没区面积计算方法,可以迅速准确地计算淹没区的面积,为库区淹没准 确评估和预测分析提供了重要基础和依据;根据 DEM 与遥感影像建立了库区三维模拟图与库区蓄水淹没三

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维模拟图,通过两者对比,真实直观地再现了蓄水淹没前后的库区场景. (3)本文研究可进行的后续工作包括根据淹没分析结果对蓄水位的合理性进行初步判断;设定多个 蓄水位高程,获取相对应的淹没区面积,得到库区蓄水淹没高程与淹没面积的变化关系;根据"蓄水位- 高程"关系曲线选择出库区最佳蓄水位高程.

参考文献
[1] 张超.水电能资源开发利用[M].北京:化学工业出版社,2005. [2] 刘仁义,刘南.基于GIS的复杂地形洪水淹没区计算方法[J].地理学报,2001,56(1) 1-6. : [3] 葛小平,许有鹏,张琪,等.GIS支持下的洪水淹没范围模拟[J].水科学进展,2002,13(4) 456-460. : [4] 丁志雄,李纪人,李琳.基于GIS格网模型的洪水淹没分析方法[J].水利学报,2006,(6) 56-61. : [5] 李天文,吴琳,曹颖.基于渭河下游DEM的洪水淹没分析与模拟[J].水土保持通报,2005,25(4) 53-57. : [6] 杨存建,魏一鸣,陈德清.基于星载雷达的洪水灾害淹没范围获取方法探讨[J].自然灾害学报,1998,7(3) 45-50. : [7] 姜红梅,任立良,安如,等.基于土地利用与地表覆盖遥感信息的洪水过程模拟[J].河海大学学报(自然科学版) 2004,32 , (2) 131-135. :

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