寇嘉瑋，董增川，付曉花，施 露，王雪薇

（1.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098）

根據(jù)聯(lián)合國(guó)公布的1970～2007年間世界多國(guó)重大自然災(zāi)害的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，洪水災(zāi)害損失在全球所有自然災(zāi)害造成的損失中占40%[1]。如何在復(fù)雜的氣候變化環(huán)境下有效降低洪水風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)的損失是各國(guó)普遍關(guān)注的問(wèn)題。隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中小流域人口與資產(chǎn)密度迅速增加，但總體防洪標(biāo)準(zhǔn)偏低，管理跟進(jìn)不足，導(dǎo)致洪水風(fēng)險(xiǎn)急劇提升，洪澇災(zāi)害損失持續(xù)增長(zhǎng)。洪水風(fēng)險(xiǎn)圖是集地理信息、工程信息、洪水風(fēng)險(xiǎn)信息、社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息于一體，以圖表方式直觀地反映洪水風(fēng)險(xiǎn)和避洪轉(zhuǎn)移的防洪非工程措施。20世紀(jì)90年代后期，歐洲開(kāi)始了較大規(guī)模的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制工作。我國(guó)洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制工作最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代中期[2]，1997年國(guó)家開(kāi)始全面組織繪制洪水風(fēng)險(xiǎn)圖[3]，2015年我國(guó)已初步形成洪水風(fēng)險(xiǎn)圖應(yīng)用與管理制度體系，并基本完成典型重點(diǎn)地區(qū)的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制工作。

目前，我國(guó)中小流域洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的編制工作較之大江大河還很薄弱，主要是由于中小流域氣象、水文資料，尤其是洪水資料欠缺。中小流域洪水多發(fā)生在山丘區(qū)的溪流中，是由強(qiáng)降雨或持續(xù)降雨引起的突發(fā)性、暴漲暴落的地表徑流，成災(zāi)快、破壞性強(qiáng)[4]；而中小流域往往水文資料信息少，歷史洪水資料難以獲得，流域基本特征資料缺乏，僅有資料的精度、一致性與完備性不足。實(shí)踐中，洪水推求多借助解析方法，但參數(shù)獲取是突出問(wèn)題。近年來(lái)，GIS和RS等技術(shù)在洪水管理中發(fā)揮著日趨重要的作用[5]。目前研究主要集中在基于GIS的洪澇災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分析[6-7]、洪澇災(zāi)害區(qū)劃[8]以及洪水風(fēng)險(xiǎn)圖管理系統(tǒng)建設(shè)[9]等方面。于文金[10]、崔洪波[11]、劉鵬[12]等從不同角度研究了基于GIS的制圖方法，但對(duì)GIS與RS相結(jié)合解決中小流域洪水計(jì)算參數(shù)提取與可視化表現(xiàn)的研究較少。鑒于此，本文以復(fù)新河流域?yàn)槔?，系統(tǒng)地闡述了將GIS與RS技術(shù)相結(jié)合快速制作中小流域洪水風(fēng)險(xiǎn)圖的關(guān)鍵技術(shù)，并構(gòu)建了洪水風(fēng)險(xiǎn)可視化模型，能動(dòng)態(tài)適應(yīng)不同來(lái)水和下墊面條件下的洪水風(fēng)險(xiǎn)，為流域洪水的科學(xué)應(yīng)對(duì)提供了理論參考和技術(shù)支持。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文采用的數(shù)據(jù)包括水文資料、地形地貌、河流水系、行政區(qū)劃、交通路網(wǎng)、河道斷面圖、構(gòu)筑物及工程調(diào)度規(guī)則、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、歷史洪水及災(zāi)害資料等。數(shù)據(jù)來(lái)源包括水文年鑒、統(tǒng)計(jì)年鑒、紙質(zhì)地圖和遙感衛(wèi)星等。可用于洪水風(fēng)險(xiǎn)圖繪制的RS數(shù)據(jù)包括TM、ETM、MSS、SPOT、CBERS、AVHRR、MODIS等光學(xué)影像，以及SAR、ASAR、SSM等微波影像[13]。小型無(wú)人機(jī)[14]的輔助和多源數(shù)據(jù)的融合也為遙感資料的快速獲取提供了有效途徑。

1.2 多源數(shù)據(jù)處理

將地形圖、河流水系、行政區(qū)劃、交通路網(wǎng)、構(gòu)筑物等紙質(zhì)地圖進(jìn)行數(shù)字化處理，并對(duì)不同特征的多源信息進(jìn)行融合與疊置分析。對(duì)地形地貌影像（如DEM），采用Geomatica PCI進(jìn)行分析，并進(jìn)行分類(lèi)和特征識(shí)別，再對(duì)分類(lèi)結(jié)果進(jìn)行拓?fù)錂z查并重新歸類(lèi)，最后統(tǒng)計(jì)各土地利用類(lèi)型的面積。

2 洪水計(jì)算與淹沒(méi)分析

2.1 洪水計(jì)算與模擬

洪水計(jì)算一般采用歷史洪水法、水文與水力學(xué)法以及水災(zāi)頻率分析法等，其中水文與水力學(xué)法較為常用。根據(jù)流域的土地利用特征和工程條件，由水文學(xué)法計(jì)算設(shè)計(jì)暴雨和設(shè)計(jì)洪水過(guò)程，再利用水力學(xué)法模擬洪水演進(jìn)過(guò)程。

暴雨、洪水計(jì)算需先劃分計(jì)算單元，利用GIS技術(shù)建立水系生成模型，進(jìn)而快速提取計(jì)算單元。模型對(duì)流域DEM進(jìn)行自動(dòng)填洼、計(jì)算流向、計(jì)算匯流累積量等一系列處理后得到矢量河網(wǎng)與子流域，再結(jié)合水文站點(diǎn)分布與模型邊界入流條件等，確定水文學(xué)產(chǎn)、匯流計(jì)算單元。暴雨計(jì)算運(yùn)用泰森多邊形法求得各計(jì)算單元年最大1/3/7日的面平均雨量，再用適線法求出不同頻率下的1/3/7日設(shè)計(jì)暴雨。對(duì)于不同的土地利用類(lèi)型凈雨計(jì)算采用不同的計(jì)算方法，再采用加權(quán)平均值法求得總凈雨。匯流計(jì)算采用瞬時(shí)單位線法，選取《暴雨參數(shù)圖集》中的參數(shù)和經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行單位線差值計(jì)算，得到各計(jì)算單元的凈雨過(guò)程，再采用單位線法得到各子流域的出口斷面流量過(guò)程。

洪水模擬基于圣維南方程組模擬河道內(nèi)洪水演進(jìn)的一維非恒定流水力學(xué)模型與基于ADI方法根據(jù)下墊面地形和水深模擬坡面匯流的二維非恒定流水力學(xué)模型，河道外采用一維和二維模型進(jìn)行耦合運(yùn)算。設(shè)置一維河道與斷面、剖分二維地形網(wǎng)格后，再設(shè)置模型的上、下邊界條件：將水文學(xué)模型得到的各子流域出口斷面流量過(guò)程作為水力學(xué)模型外邊界條件，將計(jì)算區(qū)域內(nèi)的阻水建筑物與過(guò)水建筑物、閘門(mén)調(diào)度等作為模型內(nèi)邊界條件。根據(jù)不同的土地利用類(lèi)型，先利用GIS技術(shù)為模型逐網(wǎng)格賦地形糙率值和凈雨深值，再進(jìn)行二維水力學(xué)模擬與一、二維耦合運(yùn)算：當(dāng)一維河道水位超過(guò)堤防時(shí)滿(mǎn)溢出河道流向二維網(wǎng)格，同時(shí)根據(jù)地形網(wǎng)格中的水自動(dòng)匯入低洼區(qū)；當(dāng)水位超過(guò)河道堤防或河道無(wú)堤防時(shí)，河道附近網(wǎng)格中的水將自動(dòng)匯入河道中；當(dāng)?shù)谭纼?nèi)側(cè)或外側(cè)水位過(guò)高，或?yàn)榱藴詈樗畷r(shí)可被動(dòng)或主動(dòng)決堤。

2.2 參數(shù)率定

對(duì)于缺乏水文資料數(shù)據(jù)的中小流域，充分利用RS技術(shù)對(duì)地面直接或間接的感知功能和寬闊的觀測(cè)視野對(duì)不同目標(biāo)地物光譜特征差異進(jìn)行識(shí)別與解譯，類(lèi)比選擇與地形地貌、植被、河谷形態(tài)相近的參數(shù)已知的中小流域作為參考，推求研究流域洪水計(jì)算參數(shù)[15-16]。水文學(xué)模型中，不同地形地貌與土地利用類(lèi)型的凈雨計(jì)算參數(shù)依據(jù)土地利用圖和遙感影像特征識(shí)別確定，總凈雨計(jì)算的權(quán)重即各土地利用類(lèi)型的面積比。水力學(xué)模型計(jì)算主要需確定表征河道與泛濫區(qū)影響水流阻力的糙率系數(shù)。糙率系數(shù)一般根據(jù)河槽物質(zhì)組成、植被覆蓋、河道形態(tài)以及可能淹沒(méi)區(qū)土地利用情況，參考《水力手冊(cè)》與實(shí)際經(jīng)驗(yàn)初選，并根據(jù)率定過(guò)程進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；再利用1～2場(chǎng)洪水進(jìn)行驗(yàn)證。利用下墊面遙感資料，借助監(jiān)督、非監(jiān)督分類(lèi)與GIS技術(shù)為河道和地形網(wǎng)格率定驗(yàn)證后的糙率賦值，再將下墊面數(shù)據(jù)輸入二維模型進(jìn)行模擬。研究區(qū)參考糙率系數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 復(fù)新河流域下墊面糙率系數(shù)取值表

2.3 淹沒(méi)分析

洪水風(fēng)險(xiǎn)圖中的洪水淹沒(méi)圖層作為洪水水情特征分布的指示，根據(jù)空間地理關(guān)系將其與居民地、土地利用、公路、重點(diǎn)單位圖層進(jìn)行疊置分析，可分析洪水影響；將水情特征與社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，根據(jù)水深—損失率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可估算并統(tǒng)計(jì)各類(lèi)社會(huì)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的損失情況。

3 洪水模擬結(jié)果可視化模型

相較于傳統(tǒng)處理方法，洪水模擬結(jié)果可視化模型的主觀性低、通用性強(qiáng)、可擴(kuò)充性強(qiáng)，提高了成圖的效率與精確性。MIKE和Infoworks等洪水模擬軟件已基本實(shí)現(xiàn)與GIS的無(wú)縫對(duì)接。利用GIS技術(shù)構(gòu)建洪水模擬結(jié)果可視化模型，可實(shí)現(xiàn)對(duì)洪水模擬模型輸出結(jié)果的自動(dòng)處理與發(fā)布，快速生成可供網(wǎng)絡(luò)使用者訪問(wèn)的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖。洪水模擬結(jié)果可視化模型包括模擬結(jié)果處理和地圖發(fā)布兩大模塊，如圖1所示。

圖1 洪水模擬結(jié)果可視化模型結(jié)構(gòu)圖

模擬結(jié)果處理模塊包括6個(gè)子模塊：①風(fēng)險(xiǎn)要素字段計(jì)算子模塊，從流場(chǎng)文件中提取洪水演進(jìn)開(kāi)始后所有計(jì)算網(wǎng)格每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的水深值，整個(gè)淹沒(méi)過(guò)程中的最大水深、最大水流時(shí)速和淹沒(méi)歷時(shí)的特征值，并賦給洪水風(fēng)險(xiǎn)要素，再結(jié)合研究區(qū)的淹沒(méi)情況設(shè)定約束條件與計(jì)算閾值，求得洪水實(shí)際最大淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)和最大流速；②網(wǎng)格幾何修復(fù)子模塊，主要對(duì)空幾何、自相交、非閉合和不匹配屬性等幾何問(wèn)題進(jìn)行修復(fù)；③洪水淹沒(méi)范圍生成子模塊，根據(jù)淹沒(méi)水深確定淹沒(méi)范圍；④風(fēng)險(xiǎn)要素平滑與去碎片化子模塊，用于美化成圖效果；⑤到達(dá)時(shí)間等時(shí)線生成子模塊，根據(jù)到達(dá)時(shí)間字段生成洪水到達(dá)時(shí)間分別為＜3、3～6、6～24、24～48、＞48的等時(shí)線序列并進(jìn)行平滑處理；⑥ 投影轉(zhuǎn)換子模塊，將洪水風(fēng)險(xiǎn)要素投影或地理坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至所需坐標(biāo)系。模擬結(jié)果處理模塊輸出的洪水淹沒(méi)圖層，可分級(jí)展示淹沒(méi)水深、淹沒(méi)歷時(shí)、洪水到達(dá)時(shí)間、洪水最大流速等風(fēng)險(xiǎn)信息，模塊流程可視，水深分級(jí)、等時(shí)線間距、淹沒(méi)區(qū)域邊緣平滑度等子模塊參數(shù)可調(diào)，可對(duì)任意模擬洪水情形下的任意區(qū)域進(jìn)行處理。

地圖發(fā)布模塊包括地圖加載圖層、圖層渲染、地圖上傳與地圖發(fā)布4個(gè)子模塊，采用WebGIS 2.0和Python腳本語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。空地圖文檔自動(dòng)加載洪水淹沒(méi)圖層、基礎(chǔ)地理圖層、水利工程圖層等并進(jìn)行渲染，上傳至ArcGIS Server后發(fā)布為地圖服務(wù)，并借助ArcGIS API for Javascript調(diào)用服務(wù)。當(dāng)用戶(hù)訪問(wèn)地圖數(shù)據(jù)時(shí)，GIS服務(wù)器接收Web服務(wù)器發(fā)送的請(qǐng)求，將洪水風(fēng)險(xiǎn)圖在Web端進(jìn)行展示。

4 應(yīng)用實(shí)例

4.1 研究區(qū)概況

復(fù)新河是蘇、魯兩省的邊界河，發(fā)源于安徽省碭山縣廢黃河堤北，東北流經(jīng)豐縣至魚(yú)臺(tái)縣西姚村，南匯入昭陽(yáng)湖，全長(zhǎng)75 km，流域總面積為1 812 km2；主要支流包括蘇北堤河、白衣河、苗城河、太行堤河等。該流域?yàn)槠皆孛?，西南略高于東北，高程為33～47 m，自然坡降為1/3 000～1/5 000，北部圩區(qū)為易澇洼地，面積為320.5 km2；屬暖溫帶半濕潤(rùn)氣候，多年平均降水量為740 mm；河道治理工程最高可達(dá)20 年一遇防洪和5年一遇除澇標(biāo)準(zhǔn)。流域內(nèi)洪水主要由暴雨形成，其特點(diǎn)為：有明顯的季節(jié)變化，多集中在7～9 月；根據(jù)歷史資料，全流域同時(shí)發(fā)生洪水幾率大；由于河道比降小，洪水演進(jìn)速度慢，起漲快而消退緩慢，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；受昭陽(yáng)湖水位頂托以及支流洪峰相互疊加，下游洪水災(zāi)害嚴(yán)重。

4.2 模擬結(jié)果與分析

利用GIS和RS技術(shù)采集全國(guó)水利普查5 m分辨率DEM數(shù)據(jù)和Landsat8 OLI多波段遙感影像，采用基于經(jīng)驗(yàn)的決策樹(shù)與監(jiān)督分類(lèi)相結(jié)合的方法進(jìn)行影像分類(lèi)，得到流域土地利用類(lèi)型圖（圖2）。在充分分析復(fù)新河流域水文特性的基礎(chǔ)上，將DEM輸入子流域提取模型，生成復(fù)新河左岸的苗城河、太行堤河、西支河子流域以及右岸的義河、東營(yíng)子河、史南河、豐沛運(yùn)河、子午河、復(fù)新河子流域，如圖3所示。

圖2 復(fù)新河流域土地利用類(lèi)型圖

圖3 復(fù)新河子流域劃分圖

采用徐鮑莊、宋樓、豐縣閘、魚(yú)臺(tái)、鹿樓等18 個(gè)雨量站的水文資料和降雨徑流數(shù)據(jù)計(jì)算復(fù)新河流域20 年一遇設(shè)計(jì)暴雨與設(shè)計(jì)洪水。在凈雨計(jì)算中，旱地采用次降雨徑流相關(guān)法，水田采用扣損法，水體按設(shè)計(jì)暴雨扣除水面蒸發(fā)量計(jì)算，居民地采用初損后損法。匯流計(jì)算采用瞬時(shí)單位線法，選取《江蘇省暴雨參數(shù)圖集》中的參數(shù)、經(jīng)驗(yàn)公式與平原區(qū)瞬時(shí)單位線參數(shù)m1小于6 h的單位線關(guān)系計(jì)算復(fù)新河（皖）、苗城河（皖）、太行堤河（魯）以及西支河（魯）4個(gè)水力學(xué)模型的上邊界和義河、東營(yíng)子河、史南河、復(fù)新河、豐沛運(yùn)河以及子午河6個(gè)側(cè)向支流的入流流量過(guò)程。蘇北堤河口潰決后的分洪流量過(guò)程也作為水力學(xué)模型的入流邊界條件。同時(shí)，將內(nèi)澇模型計(jì)算的流域面上積水量作為凈雨輸入二維水力學(xué)模型，上邊界入流過(guò)程與凈雨過(guò)程采用同頻率組合。

根據(jù)流域地形地貌和水利工程狀況，借助MIKE 11構(gòu)建一維水力學(xué)模型。概化中小河流49條，根據(jù)水普資料提供的河道寬度、河底寬度、河底高程以及邊坡比，將河道斷面概化為規(guī)則梯形斷面。借助MIKE 21構(gòu)建二維水力學(xué)模型，模型采用不規(guī)則三角形計(jì)算網(wǎng)格，共剖分網(wǎng)格24 702個(gè)，單個(gè)網(wǎng)格面積不超過(guò)0.05 km2。采用MIKE FLOOD進(jìn)行一、二維模型耦合計(jì)算，模擬了流域遭遇20年一遇洪水加同頻率暴雨蘇北堤河口潰決情形下復(fù)新河左岸的洪水演進(jìn)過(guò)程。將洪水演進(jìn)結(jié)果輸入洪水模擬結(jié)果處理模型，繪制了所模擬方案洪水影響范圍內(nèi)的洪水風(fēng)險(xiǎn)圖并進(jìn)行了發(fā)布，對(duì)流域基礎(chǔ)地理信息和復(fù)新河蘇北堤河潰決洪水影響范圍內(nèi)的淹沒(méi)情況進(jìn)行了展示，采用SL 483-2010《洪水風(fēng)險(xiǎn)圖編制導(dǎo)則》中規(guī)定的CGCS2000坐標(biāo)系，淹沒(méi)水深以導(dǎo)則規(guī)定的分級(jí)色彩展示，洪水到達(dá)時(shí)間等時(shí)線以橙色的包絡(luò)線表示，并沿線標(biāo)注洪水到達(dá)時(shí)間（單位：h），支持放大、縮小及平移等基本瀏覽操作。Web端展示效果如圖4所示。

圖4 復(fù)新河流域洪水風(fēng)險(xiǎn)圖

運(yùn)用GIS空間分析功能對(duì)復(fù)新河流域進(jìn)行洪水影響分析，得到不同洪水水深條件下的洪水影響面積、人口、耕地面積以及GDP，如表2所示。對(duì)10類(lèi)資產(chǎn)損失進(jìn)行了分析，如表3所示，各類(lèi)資產(chǎn)總損失高達(dá)5 169.71萬(wàn)元，其中家庭財(cái)產(chǎn)和居民房屋損失最為嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、工業(yè)產(chǎn)值和工業(yè)資產(chǎn)損失相對(duì)較少，商貿(mào)業(yè)主營(yíng)收入次之，道路損失最少。

表2 各水深范圍內(nèi)洪水影響結(jié)果

表3 資產(chǎn)損失結(jié)果/萬(wàn)元

5 結(jié) 語(yǔ)

本文闡述了基于GIS與RS技術(shù)的中小流域洪水風(fēng)險(xiǎn)圖快速制圖的關(guān)鍵技術(shù)，包括多源數(shù)據(jù)融合與集成、參數(shù)提取、洪水模擬與分析、動(dòng)態(tài)可視化展示和受災(zāi)損失統(tǒng)計(jì)等，創(chuàng)建了洪水模擬結(jié)果處理與自動(dòng)發(fā)布模型，提高了制圖的準(zhǔn)確性，較快地完成了洪水風(fēng)險(xiǎn)分析。以復(fù)新河流域?yàn)槔疚倪\(yùn)用上述方法與模型進(jìn)行了研究，結(jié)果表明GIS與RS技術(shù)的結(jié)合運(yùn)用可對(duì)中

小流域洪災(zāi)的可能性、空間分布、危險(xiǎn)程度等進(jìn)行快速預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)，為中小流域防洪減災(zāi)決策提供重要理論參考和技術(shù)支撐。

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