張 情，賈艾晨，許士國(guó)

（大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，遼寧大連116024）

基于GIS的中小河流典型洪水淹沒(méi)圖編制研究

張 情，賈艾晨，許士國(guó)

（大連理工大學(xué)水利工程學(xué)院，遼寧大連116024）

針對(duì)中小流域洪水分析資料相對(duì)匱乏等情況，應(yīng)用GIS技術(shù)，以數(shù)字高程模型（DEM）為基礎(chǔ)，結(jié)合歷史洪水調(diào)查水位資料 ，繪制典型洪水淹沒(méi)范圍和水深分布圖。以大連市復(fù)州河為例，繪制了2012年臺(tái)風(fēng)“達(dá)維”暴雨洪水淹沒(méi)圖，得到洪水淹沒(méi)水深的空間分布狀況，為洪災(zāi)損失評(píng)估和洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為流域洪災(zāi)預(yù)案編制、土地利用規(guī)劃提供技術(shù)依據(jù)。

洪水調(diào)查；數(shù)字高程模型；GIS；水深分布；洪水淹沒(méi)圖

洪水災(zāi)害是世界上最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，我國(guó)洪水災(zāi)害頻發(fā)且影響范圍廣泛，全國(guó)約有35%的耕地、40%的人口和70%的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)常受到江河洪水的威脅，造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失，嚴(yán)重影響我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生命財(cái)產(chǎn)安全［1］。僅僅利用工程措施并不能完全抵御洪水，非工程措施也是防洪減災(zāi)的有效方法之一，洪水風(fēng)險(xiǎn)圖作為重要的非工程措施對(duì)防洪減災(zāi)和洪災(zāi)評(píng)估具有重要意義［2］。我國(guó)對(duì)大江大河流域進(jìn)行了充分研究與治理，但中小河流的治理總體滯后，近年來(lái)中小流域常發(fā)生集中暴雨，形成較大洪水，造成嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害［3］。典型洪水淹沒(méi)圖可以還原歷史洪水的真實(shí)淹沒(méi)情況，反映流域的洪災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)分布情況，為流域洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)于增強(qiáng)民眾水患意識(shí)、促進(jìn)防洪科學(xué)決策、制定實(shí)施洪災(zāi)應(yīng)急預(yù)案、規(guī)范土地科學(xué)規(guī)劃與管理等具有重要指導(dǎo)意義。

科學(xué)的洪水淹沒(méi)分析是洪水淹沒(méi)圖編制的前提，常用的分析方法有水文學(xué)法、水力學(xué)法和歷史洪水法等。水文學(xué)法和水力學(xué)法都需要非常詳細(xì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而我國(guó)中小流域地區(qū)水文站和雨量站較少，也缺乏精度高的地形數(shù)據(jù)，因此在中小河流洪水風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)中這兩種方法的應(yīng)用受到局限［4］。鑒于廣大小流域地區(qū)普遍存在的數(shù)據(jù)缺乏等實(shí)際困難和中小流域洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制的需要，應(yīng)用GIS技術(shù)與歷史洪水法相結(jié)合，需要的資料條件少，操作簡(jiǎn)單易行，成本較低，且基于歷史數(shù)據(jù)可信度高，對(duì)于全面掌握流域的歷史洪水情況具有重要意義［5］。本文以大連市復(fù)州河下游段為例，通過(guò)洪水調(diào)查獲取實(shí)際洪水淹沒(méi)數(shù)據(jù)，以研究區(qū)DEM為基礎(chǔ)，利用GIS的空間分析功能，進(jìn)行洪水淹沒(méi)分析，繪制該區(qū)域2012年臺(tái)風(fēng)“達(dá)維”暴雨洪水淹沒(méi)圖。

1 基本原理

洪水淹沒(méi)是受多重因素影響的復(fù)雜過(guò)程，其中洪水特性與受淹區(qū)的地形地貌是影響的主要因素。洪水淹沒(méi)主要有兩種形式，一種是漫堤式淹沒(méi)，即堤防沒(méi)有發(fā)生潰決，而是由于河流中水位過(guò)高超過(guò)堤防高程，洪水漫過(guò)堤頂進(jìn)入淹沒(méi)區(qū)；另一種是決堤式淹沒(méi)，即堤防潰決，洪水從決口處進(jìn)入淹沒(méi)區(qū)［6］。我國(guó)大部分中小河流的暴雨洪水多為漫堤式淹沒(méi)，對(duì)于漫堤式淹沒(méi)的淹沒(méi)范圍和水深分布研究，可選用洪水調(diào)查得到的洪痕高程作為洪水水位進(jìn)行淹沒(méi)分析。

洪水調(diào)查資料與洪水實(shí)測(cè)資料獲得的淹沒(méi)區(qū)內(nèi)空間各點(diǎn)的洪水水位，其分布稀疏為離散數(shù)據(jù)，無(wú)法直接判斷洪水淹沒(méi)區(qū)域和水深分布。要得到連續(xù)的水面高程，需將每個(gè)水位點(diǎn)看成空間部分特征點(diǎn)，利用樣條插值法，將離散的空間特征點(diǎn)內(nèi)插為連續(xù)洪水曲面，得到水位高程面［7］。樣條插值法是使用一種名為樣條的特殊分段多項(xiàng)式進(jìn)行插值的形式，可以使用低階多項(xiàng)式樣條實(shí)現(xiàn)較小的插值誤差，避免了使用高階多項(xiàng)式所出現(xiàn)的龍格現(xiàn)象，適用于逐漸變化的曲面 ，例如溫度、高程或地下水位等［8］。其公式為：

歷史洪水的淹沒(méi)水深分布需在GIS中利用插值得到的洪水水面模型與研究區(qū)的地面高程模型相減得到［9］，其計(jì)算公式為 ：

式中：D為淹沒(méi)水深（m），Hw為插值得到的水面高程值（m），Hg為地面高程值（m）。

2 研究區(qū)概況

大連市復(fù)州河發(fā)源于普蘭店市老帽山南麓，是大連地區(qū)第二大河流。該河屬于山溪性河流，流經(jīng)普蘭店市的安波、同益和瓦房店市的松樹(shù)、得利寺、三臺(tái)子等14個(gè)鄉(xiāng)、鎮(zhèn)，于三臺(tái)子鄉(xiāng)西藍(lán)旗的老羊頭注入渤海，干流全長(zhǎng)137 km，流域面積為1 628 km2，地形復(fù)雜，中游為平原與丘陵交錯(cuò)地帶，下游為濱海區(qū)域，易發(fā)生洪澇。

復(fù)州河流域?qū)倥瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，受特定地理位置和季風(fēng)氣候影響，降水量四季變化明顯，年內(nèi)分配很不均勻。年平均降水量550 mm～700 mm，主要集中在夏、秋汛期（6—9月），該時(shí)段內(nèi)降雨量占全年降水量的75%。洪水主要由暴雨形成，河川基流、洪峰水量集中，洪峰流量大小取決于暴雨大小。洪水與暴雨存在著明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，略緩于暴雨。

2012年8月3—4日受第10號(hào)臺(tái)風(fēng)“達(dá)維”影響，大連市地區(qū)普降暴雨到大暴雨，局部特大暴雨，雨量時(shí)空分布不均，其中研究區(qū)所處瓦房店市最大降雨量310 mm。此次強(qiáng)降雨造成復(fù)州河流域發(fā)生大洪水，復(fù)州河?xùn)|風(fēng)水庫(kù)3日22時(shí)水位超汛限1.19 m。洪水造成復(fù)州河下游地區(qū)多處民房、耕地受淹，道路、橋梁、河堤損毀，人員財(cái)產(chǎn)損失慘重。

3 典型洪水淹沒(méi)圖編制

典型洪水淹沒(méi)圖的編制按照《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》要求在GIS中將行政區(qū)劃圖、地形圖、水系圖、防洪工程分布圖等合成為工作底圖，依據(jù)洪水風(fēng)險(xiǎn)分析成果，在工作底圖上繪制洪水的淹沒(méi)范圍［10］。本文在進(jìn)行洪水調(diào)查基礎(chǔ)上，根據(jù)調(diào)查淹沒(méi)點(diǎn)信息，進(jìn)行空間插值計(jì)算生成水面高程模型，其與研究區(qū)數(shù)字高程模型進(jìn)行疊加分析，得到洪水的淹沒(méi)范圍與淹沒(méi)水深圖層。技術(shù)路線如圖1所示。

3.1 基礎(chǔ)資料收集整理

編制典型洪水淹沒(méi)圖需要的基礎(chǔ)資料包括流域的地形、水文氣象、歷史洪水、社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況、防洪工程情況及其他相關(guān)資料［11］。本文收集了復(fù)州河下游段1∶10000地形圖、1∶1000河道測(cè)量圖、日本ALOS衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)、防洪工程資料和研究區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)資料。利用GIS對(duì)地形圖進(jìn)行配準(zhǔn)后，提取地圖要素進(jìn)行矢量化處理，得到研究區(qū)的行政區(qū)劃、水系、居民地、等高線、堤防工程等圖層，將其合成為工作底圖。

圖1 技術(shù)路線圖

3.2 2012年洪水情況調(diào)查

為收集充足的洪水淹沒(méi)信息，對(duì)復(fù)州河下游段沿岸遭洪災(zāi)影響的23個(gè)村屯進(jìn)行洪水調(diào)查，實(shí)地走訪調(diào)查各村屯淹沒(méi)情況，詢問(wèn)歷史洪水的親歷者，獲得洪水淹沒(méi)信息，尋找指認(rèn)洪水痕跡，并利用基站式GPS對(duì)洪痕位置和高程進(jìn)行精確地定位測(cè)量，得到所有洪痕的經(jīng)緯度坐標(biāo)與高程數(shù)據(jù)，整理得到歷史洪水調(diào)查情況表［12］。

本文采用下游段洪水調(diào)查數(shù)據(jù)，點(diǎn)繪出的下游段歷史洪水的水面線（如圖2），符合流域洪水變化規(guī)律。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，在GIS中以工作底圖為背景，建立2012年歷史水位點(diǎn)圖層，將調(diào)查點(diǎn)繪制在圖層內(nèi)并添加每個(gè)調(diào)查點(diǎn)的地理位置、高程等詳細(xì)信息。

圖2 2012年洪水水面線

3.3 DEM數(shù)據(jù)的生成

DEM即數(shù)字高程模型，是指用一組有序數(shù)列來(lái)描述地形表面的空間位置特征以及地形高程屬性特征。廣義DEM包括規(guī)則格網(wǎng)模型GRID數(shù)據(jù)和不規(guī)則三角形網(wǎng)TIN數(shù)據(jù)；TIN數(shù)據(jù)可呈現(xiàn)數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)特征，數(shù)據(jù)冗余小，但數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于計(jì)算；GRID數(shù)據(jù)雖有難描述復(fù)雜地形及數(shù)據(jù)冗余度大的缺點(diǎn)，但同時(shí)也具有建模方式簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方便等優(yōu)點(diǎn)，基于單個(gè)像元的柵格數(shù)值更便于計(jì)算［13］。因此本文采用GRID數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)淹沒(méi)分析，具體生成過(guò)程在ArcGIS中實(shí)現(xiàn)：（1）將從地形圖上提取的等高線和GPS實(shí)測(cè)高程數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ArcGIS并轉(zhuǎn)換為矢量點(diǎn)數(shù)據(jù)；（2）由高程點(diǎn)數(shù)據(jù)生成不規(guī)則三角形網(wǎng)TIN地形數(shù)據(jù)；（3）再將TIN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格生成規(guī)則格網(wǎng)的DEM，得到研究區(qū)數(shù)字高程模型（如圖3）。

圖3 研究區(qū)數(shù)字高程模型

3.4 典型洪水水面高程模型

洪水水面高程模型反映研究區(qū)典型洪水的水面高程分布，其每個(gè)柵格值代表洪水水位。利用洪水調(diào)查的洪痕水位數(shù)據(jù)可以得到2012年洪水的數(shù)字水面模型，由于此次洪水調(diào)查得到的水位數(shù)據(jù)有限，只得到淹沒(méi)區(qū)內(nèi)空間點(diǎn)的洪水水位，其分布稀疏為離散數(shù)據(jù)，無(wú)法直接判斷洪水淹沒(méi)區(qū)域和水深分布。要得到連續(xù)的水面高程，需將每個(gè)水位點(diǎn)看成空間部分特征點(diǎn)，在GIS中利用張力樣條插值法，將離散的空間特征點(diǎn)內(nèi)插為連續(xù)洪水曲面，得到2012年洪水的水面高程模型（如圖4）。

圖4 洪水水面高程模型

3.5 洪水淹沒(méi)圖繪制

利用建立的典型洪水水面高程模型數(shù)據(jù)，在ArcGIS中應(yīng)用柵格計(jì)算功能，將其與研究區(qū)數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)相減，結(jié)果大于零的網(wǎng)格即被洪水淹沒(méi)的區(qū)域，得到的每個(gè)格網(wǎng)的值即為淹沒(méi)水深，得到淹沒(méi)水深分布圖層。將其與工作底圖疊加和渲染后，繪制得到復(fù)州河2012年達(dá)維暴雨洪水淹沒(méi)水深分布圖（如圖5）［14］。經(jīng)當(dāng)?shù)厮ぷ魅藛T和群眾驗(yàn)證，認(rèn)為圖中的淹沒(méi)范圍、水深分布與洪水發(fā)生時(shí)的情況基本一致。

圖5 復(fù)州河2012年達(dá)維暴雨洪水淹沒(méi)水深分布圖（入海口段）

據(jù)淹沒(méi)圖統(tǒng)計(jì)此次洪水淹沒(méi)入?？诜秶鷥?nèi)土地63 km2，受災(zāi)嚴(yán)重的村莊有沙陀屯、西藍(lán)旗、河?xùn)|、西甸子等，對(duì)入?？诙窝蜎](méi)分析，該河段防洪能力低，洪水風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重。近年來(lái)該河段沿岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，存在大量生產(chǎn)價(jià)值很高的海珍養(yǎng)殖區(qū)，歷次較大洪水均對(duì)沿岸居民的生活和沿岸產(chǎn)業(yè)，尤其是對(duì)海珍養(yǎng)殖業(yè)產(chǎn)生了較大的破壞，造成了比較大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，應(yīng)及時(shí)對(duì)該河段河道進(jìn)行整治，對(duì)兩岸堤防進(jìn)行修復(fù)加固，使防洪保護(hù)目標(biāo)的要求和防洪標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)。對(duì)于相對(duì)開(kāi)闊的地段可以考慮分級(jí)建設(shè)不同標(biāo)準(zhǔn)的堤防，給洪水留出應(yīng)有的出路，有策略地防御設(shè)計(jì)洪水。在滿足防洪要求的前提下，兼顧河口地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需求，對(duì)河道進(jìn)行合理規(guī)劃，搬遷平面布局不合理的建筑物或養(yǎng)殖區(qū)，拓寬主河道，保證主流行洪能力［15］。根據(jù)需要對(duì)洪泛區(qū)內(nèi)的部分防護(hù)對(duì)象進(jìn)行搬遷和保護(hù)，從根本上解決洪泛區(qū)群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全問(wèn)題。

4 結(jié) 論

極端天氣引發(fā)的中小河流暴雨洪水災(zāi)害日趨頻繁，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了極大危害，但受資料條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r限制，中小河流的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖制作相對(duì)薄弱。本文在進(jìn)行歷史洪水調(diào)查基礎(chǔ)上，利用GIS工具將調(diào)查的洪痕點(diǎn)數(shù)據(jù)插值擴(kuò)展到面，生成洪水水面高程模型，與流域地形數(shù)據(jù)進(jìn)行柵格運(yùn)算后，繪制完成典型洪水的淹沒(méi)范圍和淹沒(méi)水深分布圖，可以快速掌握典型洪水的災(zāi)情，為流域逃生避險(xiǎn)、防洪規(guī)劃、土地利用規(guī)劃等提供參考，同時(shí)這種方法也可以用于更新洪水風(fēng)險(xiǎn)圖，適用于資料缺乏的中小河流的洪水風(fēng)險(xiǎn)分析。

［1］ 邱 林.灤河下游水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度研究［M］.鄭州：黃河水利出版社，2009.

［2］ 孫阿麗，徐林山，等.基于GIS的洪水淹沒(méi)范圍模擬［J］.華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，30（2）：9－11.

［3］ 彭業(yè)偉.淺談中小河流治理的認(rèn)識(shí)和建議［J］.治淮，2013，（11）：10－11.

［4］ 王 靜，李 娜.山區(qū)小流域典型洪水淹沒(méi)圖制作——以江西省黎川縣大源水為例［J］.中國(guó)防汛抗旱，2010，20（2）：56－58.

［5］ 陳德清，楊存建，黃詩(shī)峰.應(yīng)用GIS方法反演洪水最大淹沒(méi)水深的空間分布研究［J］.災(zāi)害學(xué)，2002，17（2）：1－6.

［6］ 丁志雄，李紀(jì)人 ，李 琳 .基于GIS格網(wǎng)模型的洪水淹沒(méi)分析方法［J］.水利學(xué)報(bào)，2004，35（6）：56－61.

［7］ 陳鵬霄，申邵洪 ，譚德寶 .基于空間插值的洪水淹沒(méi)空間分布快速獲?。跩］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011，43（6）：727－729.

［8］ 艾福利.基于GIS的臺(tái)風(fēng)路徑生成及災(zāi)害預(yù)估［D］.長(zhǎng)沙：湖南師范大學(xué)，2009.

［9］ 賈艾晨，王 營(yíng)，楊 茜.農(nóng)田洪災(zāi)淹沒(méi)損失評(píng)估模型研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2012，9（6）：15－18.

［10］ 李 娜 .GIS技術(shù)在洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制中的應(yīng)用［J］.中國(guó)水利，2007，（17）：17－19.

［11］ 謝 圣，陳敏嬌，董福平，等.小流域山洪風(fēng)險(xiǎn)圖的編制及實(shí)踐［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2008，（3）：88－90.

［12］ 張 星 .廣西右江歷史洪水調(diào)查［J］.紅水河 ，2011，30（4）：85－89.

［13］ 阮平平，賈艾晨.Google Earth在城市洪災(zāi)分析中的應(yīng)用研究［J］.水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2013，11（6）：213－216.

［14］ 潘向軍，樓玉先，邱志章.基于一維水力學(xué)法的小流域洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制［J］.浙江水利科技，2008，（3）：6－8.

［15］ 賈艾晨，許士國(guó)，張 情.大連地區(qū)城市雨水利用前景分析［J］.中國(guó)防汛抗旱，2012，22（1）：43－45.

Research on the Typical Mapping of Flood Inundated Areas of Medium and Small Rivers Based on GIS

ZHANGQing，JIA Ai－chen，XU Shi－guo
（School of Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning 116024，China）

Regarding to the relative scarcity of data formedium and small rivers and so on，GIS technologywas applied，combining the digital elevationmodel（DEM）and historical records of flood water level，to draw the distributionmap of flood inundated areas and water depths.Taking Fuzhou River in Dalian as an example，themap of flood inundated areas of Typhoon“DAMREY”in 2012was developed，and the spatial distribution of flood depthswasobtained.These findings provide data basis for flood damage and risk assessmentand also give technical support for flood disaster emergency planning and landscape planning.

flood investigation；DEM；GIS；the distribution of water depths；themap of flood inundated areas

P941.77

A

1672—1144（2014）04—0181—04

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.036

2014－03－07

2014－04－19

張 情（1988—），男 ，山東淄博人 ，碩士研究生 ，研究方向?yàn)楹樗L(fēng)險(xiǎn)分析與風(fēng)險(xiǎn)圖編制。

賈艾晨（1962—），女 ，山東萊州人 ，博士 ，教授 ，主要從事洪水風(fēng)險(xiǎn)分析的教學(xué)與科研工作。