李 昌 文，徐 照 明，甘 拯，游 中 瓊，馬 強

(長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010)

湖泊不同水位條件下的面積、容積是一項最基本的水文特征值[1]和重要的生態(tài)變量[2-3]，是表征湖泊受氣候變化與人類活動影響程度的重要指示器[4-5]。目前，關于湖泊的水位-面積(容積)關系構建方法已取得了大量研究成果。研究表明，利用遙感可快速提取湖泊面積，然而遙感數據并非實時獲取、云層厚度影響精度、衛(wèi)星偏角易產生畸變，存在時效性不強、時間分辨率不高等缺點，在低水位下的模擬值誤差較大[6-8]；MODIS遙感影像反演湖泊面積的精度較好，可為云霧天氣下水體面積遙感定量監(jiān)測提供彌補方法[9-12]；通過DEM與遙感結合，可解決遙感影像受時空分辨率和云覆蓋影響不能反演關鍵水位下的面積問題[13]；利用水動力模型構建的實測水位與湖面面積的相關關系整體誤差較小，但易受“漲退水”過程的影響，即同一水位下存在不同的湖面面積[8]；在湖泊水面面積提取的基礎上，可結合湖區(qū)水位站同期水位觀測數據，建立統一的水位-面積關系[14]或刻畫不同時期的水位-面積繩套關系[1, 15]；傳統方法基于地形圖等高線，建立水位-面積關系，采用體積公式計算水位-容積關系，山區(qū)由于等高距較大，無法滿足工程精度要求，平原地區(qū)由于地勢平坦，等高線繪制困難帶來較大誤差，而基于DEM可解決該問題[16]。

洞里薩湖地處柬埔寨西北部，湄公河三角洲金邊河段北岸，是東南亞最大的天然淡水湖泊，流域面積8.6萬km2，被稱為柬埔寨的心臟，是人民的“生命之湖”。洞里薩湖是湄公河的一個過水型、吞吐型、季節(jié)型湖泊，水位漲落、面積變化受控于湖區(qū)支流及湄公河的多重影響，入湖支流來水變化和湄公河干流水位變化的不同組合，造成洞里薩湖水位與面積年內、年際變化較大[17-18]。因此，合理構建洞里薩湖的水位-面積(容積)關系對洞里薩湖區(qū)與湄公河三角洲的防汛抗旱、調蓄能力評估、水資源開發(fā)利用和生態(tài)環(huán)境保護具有重要指導意義。

Sogreah[19]和柬埔寨農業(yè)、森林和漁業(yè)部水文司Sopharith T[20]分別于1966年和1997年基于1∶250 000 Sogreah地形圖建立了洞里薩湖的水位-面積(容積)關系，Sogreah湖區(qū)地形圖于1963年由3組航拍照片繪制而成，平面精度為100～250 m，垂向上有5條等高線，由于沒有建立地面控制點進行幾何精校正，精度較差，很難與其他地形圖進行比較。1998年，Teng Peng Seang[21]基于湄公河委員會秘書處提供的洞里薩湖區(qū)Certeza測繪圖和衛(wèi)星影像數據分別構建了洞里薩湖水位-面積(容積)關系。Certeza 測圖為1∶100 000地形圖，于1964年完成，水平精度為65 m，垂向精度為1 m，包括1～13 m共計13條等高線，精度較差。衛(wèi)星影像由于不能識別洞里薩湖區(qū)的大片洪泛森林和湖周的大片農田，造成中水位時模擬面積偏小(湖泊水體受洪泛森林遮擋)，高水位時模擬面積偏大(湖周農田被誤判劃入了湖區(qū))，由于不能準確反演湖水深度，提取的洞里薩湖容積小于實際值[22]。2001年，Jantunen T[23]基于Certeza測繪圖和更新的水文圖集UHA構建了DEM和不規(guī)則三角網TIN，并基于Arc Info構建了洞里薩湖的水位-面積(容積)關系曲線，柬埔寨水文圖集包括FINNMAP 1999年完成的洞里薩湖1∶100 000地形圖和洞里薩河1∶20 000地形圖，水平精度為1～2 m，垂直精度為0.2 m，計算精度得到了進一步提高。近幾年，湄委會和柬埔寨國家湄公河委員會[24-25]結合1998～1999年的旱季水文調查成果、1993年的洞里薩湖洪泛平原Certeza測繪圖、2003年的SRTM等數據，構建了更高精度的DEM，在此基礎上建立了洞里薩湖水位-面積(容積)函數關系。

總體來看，洞里薩湖的水位-面積(容積)關系已有研究成果質量隨著地形資料精度的提高逐步提升，但仍存在以下不足：這些關系均基于洞里薩湖在1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 m等高線的面積和容積關系構建，其他高程下的面積和容積只能通過插值計算得出，插值計算成果與實際值有所差別，而洞里薩湖是開敞湖泊，湖水位的年內、年際變化較大，水位波動尤其是枯水位的較小變化均會造成湖泊面積、容積的大幅改變[26]，進而對洞里薩湖的結構和功能產生重要影響。因此迫切需要構建更為精細的洞里薩湖水位-面積(容積)關系來反映湖區(qū)地形的實際變化情況。同時，洞里薩湖的水位-面積(容積)關系尚未與湖區(qū)控制性水位站的實測水位進行匹配，響應關系不明晰，不符合防汛抗旱精準預報及水資源綜合管理的實際工作需求。

1 數據與方法

1.1 數據來源

1.1.1采用的地形數據

本次研究收集了洞里薩湖區(qū)的陸上地形圖、水下地形圖和DEM資料。

(1)陸上地形。收集到柬埔寨全國1∶50 000陸上地形圖(紙質)，該圖于20世紀60～70年代測繪，基本等高距為10 m，部分平坦地區(qū)有5 m間曲線。

(2)水下地形。收集到柬埔寨水文圖集(UHA)，UHA包括洞里薩湖1∶100 000、洞里薩河1∶20 000水下地形圖，水平精度為1～2 m，垂直精度為0.2 m，該圖于1992～1993年測量，1998～1999年更新，無等深線只有水深點。水下地形資料有紙質和GIS矢量數據兩種，其中紙質地圖有屬性信息，水深單位圖面注明為分米；GIS地圖沒有屬性信息，洞里薩湖水深單位為厘米、洞里薩河水深單位為分米。經檢查、核對，紙質和GIS兩種資料為同一數據源。因此，本次研究采用GIS數據，相關屬性信息采用紙質圖。

(3)DEM。收集到芬蘭環(huán)境研究所(Finnish Environment Institute)基于洞里薩湖區(qū)1993年1∶100 000 Certeza測繪圖、柬埔寨水文圖集和2003年SRTM數據構建的洞里薩湖湖區(qū)DEM，間距為100 m，格式為xyz文本文件。芬蘭環(huán)境研究所提取的DEM數據相對1∶50 000陸上地形圖+洞里薩湖1∶100 000水下地形圖+洞里薩河1∶20 000水下地形圖信息更全，精度更高，近年來常被湄公河委員會和柬埔寨水利氣象部用來構建洞里薩湖的水位-面積(容積)關系[24-25]。

1.1.2采用的坐標基準

陸上地形和水下地形的平面基準分別為INDIAN DATUM 1960 UTM Zone 48N和INDIAN DATUM 1975 UTM Zone 48N，高程基準分別為M.S.L.Hatien datum和當地基面LLW，為與柬埔寨境內水文站網的坐標基準保持一致，本次研究將洞里薩湖區(qū)地形和河流水系、行政區(qū)劃等有關數據的平面基準統一轉換為WGS 1984 UTM Zone 48N，高程基準統一轉換為M.S.L.Hatien datum。

1.1.3量算范圍

洞里薩湖出湖控制站為波雷格丹站，實測最高水位為10.54 m(2011年10月20日)，最低水位為1.11 m(2010年6月8日)，結合洞里薩湖區(qū)地形以及湄公河委員會和柬埔寨水利氣象部對湖區(qū)范圍的界定情況，本次研究將洞里薩湖區(qū)的量算范圍界定為波雷格丹站以上1～11 m等高線之間的區(qū)域。

1.2 研究方法

1.2.1量算思路

基于方法一(采用1∶50 000陸上地形圖+洞里薩湖1∶100 000水下地形圖+洞里薩河1∶20 000水下地形圖)和方法二(采用芬蘭環(huán)境研究所DEM)分別構建洞里薩湖湖的水位-面積(容積)曲線。

首先，對洞里薩湖區(qū)地形資料進行矢量化和接合等處理，在此基礎上基于ArcGIS構建不規(guī)則三角網TIN，量算不同水位下的洞里薩湖面積和容積。洞里薩湖湖區(qū)水位-面積(容積)曲線構建的技術路線見圖1。

圖1 洞里薩湖湖區(qū)水位-面積(容積)曲線構建技術路線

1.2.2量算方法

不規(guī)則三角網(TIN)能隨地形起伏變化的復雜性而改變采樣點的密度并決定采樣點的位置，因而它能夠避免地形起伏平坦時的數據冗余，又能按地形特征點如山脊，山谷線，地形變化線等表示數字高程特征。為了提高地形表達精度，運用ArcGIS來構建不規(guī)則三角網對洞里薩湖區(qū)域進行高程模擬。提取已有地形圖高程點，等高線，水系特征線等關鍵要素生成TIN。不同的幾何類型可以提供不同的表面要素類型,主要包括以下幾個方面。

(1)水深點及高程點-離散多點。離散多點是TIN中的主要輸入要素，由它們來決定表面的總體形狀。通過離散點構造數字高程模型效果如圖2所示。

圖2 通過離散點構造數字高程模型

(2)洞里薩湖邊線及雙線河-水系特征線(隔斷線)。隔斷線通常用于呈現自然要素(如山脊線或河流)或建筑要素(如道路)。隔斷線有以下2種：硬隔斷線與軟隔斷線。隔斷線可以有高程信息，也可以沒有高程信息。硬隔斷線：硬隔斷線用于表示表面坡度的不連續(xù)性。河流和道路斷面可作為硬隔斷線包括在TIN中。硬隔斷線能夠捕獲表面的突變并能改進TIN的顯示和分析質量。軟隔斷線：軟隔斷線是不會改變表面局部坡度的線狀要素，例如表示研究區(qū)范圍邊界的線等。

(3)量算范圍-裁剪多邊形。裁剪多邊形用于定義TIN表面的邊界。位于裁剪多邊形之外的輸入數據將被從插值和分析操作(例如，等值線或體積計算)中排除。

(4)不同水位下的洞里薩湖面積和容積量算。利用已建立的不規(guī)則三角網(TIN)，根據實際形態(tài)特征將水體微分成若干個棱柱體，通過對每個柱體的體積求和，即可求得整個湖泊的容積。在此次運算過程中運用ArcGIS中3D Analyst中Surface Volumne工具進行計算分析，獲取指定參考平面以下的TIN數據集表面的面積和容積。洞里薩湖不規(guī)則三角網(TIN)如圖3所示。

圖3 洞里薩湖不規(guī)則三角網(TIN)

1.2.3基礎數據處理

(1)地形圖矢量化。因收集到的1∶50 000地形圖均為紙質數據，需要進行矢量化。

精度控制要求：矢量化依據CH/T 1015.4-2007《中華人民共和國測繪行業(yè)標準》基礎地理信息數字產品1∶10 000，1∶50 000生產技術規(guī)程。具體精度要求為：圖紙掃描分辨率不低于400 dpi，圖廓定向點點位誤差小于0.1 mm，線狀地物采集誤差一般小于0.2 mm，點狀地物采集誤差小于0.1 mm。

紙質地圖掃描：圖紙掃描采用卡萊泰克GX+38C彩色大幅面掃描儀進行掃描，掃描分辨率為400 dpi。

地圖校正：由于紙質地圖存在變形，且掃描得到的地圖JPG文件缺少坐標定位，需要對地圖JPG圖片進行糾正及配準。首先將掃描好的影像數據進行地理幾何糾正，生產帶標準坐標的DRG數據，具體坐標系統為Indian 1960 UTM Zone 48N。為了消除圖像局部變形，選取圖廓四周的圖廓點以及所有的公里網格為控制點進行糾正，糾正精度≤0.2 mm。

地圖矢量化：洞里薩湖矢量化涉及1∶50 000地形圖共計65幅，接合圖如圖4所示。矢量化軟件平臺采用Geoway 3.6，矢量化范圍設定為洞里薩湖及其周邊0～20 m等高線之間的區(qū)域，按精度≤0.2 mm對0～20 m高程范圍內高程點、等高線、湖泊、雙線河進行矢量化，部分不閉合的5 m和15 m間曲線保持其狀態(tài)，生成shp格式地形數據。

圖4 洞里薩湖1∶50000地形圖接合示意

(2)水下地形數據處理。對洞里薩湖1∶100 000的4幅水下地形圖和洞里薩河1∶20 000水下21幅地形圖進行接合，如圖5所示。

圖5 洞里薩湖水下地形接合示意

高程系統轉換：采用GIS數據，利用紙質水下地形圖中的轉換公式(LLW=Ha Tien MSL + 1.20)，將水深點轉換為HaTien平均海平面的高程點。每幅圖水深點轉換為HaTien平均海平面的高程點加常數不同。

2 洞里薩湖水位-面積(容積)關系的構建

2.1 量算途徑

本次洞里薩湖水位容積關系量算，采用了以下2種途徑：

(1)途徑一,柬埔寨1∶50 000陸上地形圖+洞里薩湖1∶100 000水下地形圖+洞里薩河1∶20 000水下地形圖；

(2)途徑二,芬蘭環(huán)境研究所DEM數據。

2.2 量算成果

上述2種途徑與2006年湄委會WUP-FIN、2011年Huon Rath[24-25]構建的洞里薩湖水位-面積(容積)關系成果比較如圖6和圖7所示，可以看出，4套成果的水位-容積關系均較為接近。途徑一構建的洞里薩湖的水位-面積關系曲線不光滑，在水位為4，10 m時出現了陡變，分析其主要原因是高水位部分采用的數據為1∶50 000陸上地形圖，該圖基本等高距為10 m，精度相對較差。途徑二,湄委會WUP-FIN和Huon Rath基于芬蘭環(huán)境研究所DEM數據構建的洞里薩湖水位-面積關系曲線較為光滑，結果極為接近。根據地形資料分析，洞里薩湖區(qū)地勢非常平坦，水面比降小，多年平均水面比降為0.0 062‰，最大水面比降為0.0 189‰，水位-面積關系曲線不應出現突變或陡變，因此，途徑二量算的洞里薩湖水位—面積(容積)關系更為合理。從這個角度也反映出了2002年以前有關洞里薩湖水位-面積(容積)關系研究成果的缺陷性。因此，本次研究選取途徑二的量算結果作為最終成果。

圖6 洞里薩湖水位-面積關系曲線研究成果對比

圖7 洞里薩湖水位-容積關系曲線研究成果對比

為反映湖區(qū)地形的實際變化情況，滿足防汛抗旱精準預報的實際工作需求，將途徑二量算的水位-面積(容積)關系成果高程等間距由1 m細化為0.1 m，精細化的研究成果如圖8和圖9所示。從圖8，9可以看出：不同水位下的洞里薩湖面積、容積變化較緩，具有“低水似湖、高水湖相”的自然景觀特點，這與鄱陽湖的“低水河相、高水湖相”、“枯水一線、洪水一片”差異明顯。

圖8 洞里薩湖水位-面積關系精細成果

圖9 洞里薩湖水位-容積關系精細成果

3 洞里薩湖水位-面積(容積)關系復核

3.1 復核方法

洞里薩湖的湖盆平坦，平均比降為0.002 4‰，洞里薩湖主湖區(qū)有甘邦隆1個水位站，該站距離洞里薩河河口約172 km，對洞里薩湖水位的分析具有較強的代表性。洞里薩河為洞里薩湖與湄公河之間的連接河道，波雷格丹站為洞里薩湖的出湖水文控制站，距洞里薩河河口約32 km。

本次研究依據收集到的1999年和2000年倒灌期洞里薩湖入湖、出湖站點實測流量資料，分析其水量變化，并結合湖區(qū)控制站甘邦隆的實測水位，對洞里薩湖水位-面積(容積)關系進行復核。具體復核方法如下：依據支流入湖控制站的實測流量資料以及支流流域面積與出口控制站集水面積的2/3次方計算支流入湖徑流；依據波雷格丹的實測流量資料計算湄公河倒灌入湖水量；根據有關研究成果[24, 27]，按波雷格丹站實測流量的5%近似計算漫灘入湖水量，根據洞里薩湖區(qū)洪泛平原地形，漫灘時機考慮為水位高于8 m；依據洞里薩湖出、入湖水量計算成果，合成入湖洪水過程，分析湖容的變化過程；依據洞里薩湖水位-容積關系和湖容的變化過程計算洞里薩湖的水位變化過程(以下簡稱模擬水位)；比較甘邦隆站的實測水位及模擬水位，分析洞里薩湖水位-面積(容積)關系的合理性。由于本次研究未收集到湖區(qū)氣象站點的實測降雨、蒸發(fā)資料，因此暫不考慮湖面降雨量和蒸發(fā)量。

3.2 復核成果

1999年和2000年湄公河倒灌期間洞里薩湖的實測與模擬水位過程如圖10所示。由圖10可以看出：實測與模擬的水位過程非常接近，1999年絕對誤差最大為0.21 m，平均為0.06 m，相對誤差最大為9.9%，平均為1.5%；2000年絕對誤差最大為0.22 m，平均為0.03 m，相對誤差最大為5.1%，平均為0.1%。由此可認為，本次研究構建的洞里薩湖水位-面積(容積)關系是合理的。

圖10 倒灌期內洞里薩湖的實測與模擬水位過程

4 洞里薩湖河湖水位關系及水位-面積(容積)關系與實測湖水位的響應關系

目前，洞里薩湖湖區(qū)防汛抗旱水文情報預報以洞里薩湖的甘邦隆水位站和洞里薩河的波雷格丹水文站為代表，故以甘邦隆站和波雷格丹的水位為代表，建立洞里薩湖水位-面積(容積)關系與實測湖水位的響應關系。

根據洞里薩湖水位-面積(容積)關系復核成果，洞里薩湖水位-面積(容積)關系中水位數據直接采取甘邦隆站實測水位是合理的。因此，本次重點分析洞里薩湖水位-面積(容積)關系與波雷格丹站水位的響應關系。

4.1 河湖水位關系

甘邦隆站位于洞里薩湖湖區(qū)內，其與波雷格丹站的距離約為140 km，受復雜河湖水情及地形的擾動，其與波雷格丹站水位呈繩套曲線，如圖11所示?？梢钥闯觯?5°線以上對應為湄公河向洞里薩湖倒灌期，即河水位高于湖水位，甘邦隆站與波雷格丹站水位關系點據局部相對散亂，總體相關度較好，相關系數為0.947 6；45°線以下對應為汛后洞里薩湖向湄公河補水期，即湖水位高于河水位，兩站的水位關系點據較為密集，相關度較好，相關系數達到0.964 4。

圖11 甘邦隆站與波雷格丹站的水位相關關系

4.2 水位-面積(容積)關系與實測湖水位的響應關系

根據水位-面積(容積)關系及甘邦隆站1999～2011年逐日水位，計算得到洞里薩湖的逐日面積和容積值。

點繪補水期間洞里薩湖面積、容積與波雷格丹站水位的相關關系點群圖，見圖12。可以看出，洞里薩湖面積與波雷格丹站水位、洞里薩湖容積與波雷格丹站水位的相關關系均較好，相關系數分別為0.988 7和0.990 7。

圖12 補水期間波雷格丹站實測水位與洞里薩湖面積和容積的相關關系

考慮到湄公河倒灌入湖流量與河湖水位差密切相關，且隨著河湖水位差的增加而增加[17]，而倒灌水量的變化最終引起湖面面積和湖容的變化。因此，點繪倒灌期不同河湖水位差(洞里薩河河口金邊港站與洞里薩湖甘邦隆站的水位差)下的洞里薩湖面積、容積與波雷格丹站水位的相關關系點群圖，如圖13和圖14所示?？梢钥闯?，在相同河湖水位差條件下，洞里薩湖的面積和容積與洞里薩河水位的相關關系較好，相關系數達到0.98以上，且隨著洞里薩河水位的升高而增加。

圖13 倒灌期間波雷格丹站實測水位與洞里薩湖面積的相關關系

圖14 倒灌期間波雷格丹站實測水位與洞里薩湖容積的相關關系

5 結 論

基于本次收集到的不同來源的洞里薩湖湖區(qū)地形資料，在進行矢量化和接合、高程系統轉換等處理的基礎上，基于ArcGIS構建了不規(guī)則三角網TIN，量算得到不同水位下的洞里薩湖面積和容積。綜述了洞里薩湖水位-面積(容積)關系的已有研究成果，并與本次成果進行了對比分析，評估出了最為合理的洞里薩湖水位-面積-容積關系。依據水文學方法采用洞里薩湖入湖支流站點與洞里薩河出湖站點的實測流量資料，分析其水量變化，并結合湖區(qū)控制站甘邦隆的實測水位，對洞里薩湖水位-面積(及容積)曲線進行了復核分析。結果表明，本次研究構建的洞里薩湖水位-面積(容積)是合理的。

以洞里薩湖出湖控制站波雷格丹站為代表，建立了洞里薩湖水位-面積(容積)關系與實測湖水位的響應關系。結果表明：洞里薩湖面積、容積與波雷格丹站水位呈繩套曲線，繩套兩側分別對應汛期湄公河向洞里薩湖倒灌期和汛后洞里薩湖向湄公河補水期，結合河湖關系研究成果構建了不同時期、不同河湖水位差下的洞里薩湖面積、容積與波雷格丹站水位的相關關系。

本次研究基于實測地形資料構建的洞里薩湖水位-面積(容積)關系，從精度上達到了現有條件下的最高水平，避免了基于遙感技術反演的精度問題，刻畫了倒灌、補水等不同時期的水位-面積(容積)繩套關系，剖析了不同時期及河湖水位差對面積和容積的影響，同時精細化的量算成果不僅滿足了防汛抗旱精準預報的實際工作需求，還為下一步構建湄公河水文-水動力學-水質耦合模型奠定了基礎。