基于GIS技術(shù)在山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作中的應(yīng)用

王全益，張虎，王靖，王春華

1孝感市水文水資源勘測(cè)局；2襄陽(yáng)市水文水資源勘測(cè)局

基于GIS技術(shù)在山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作中的應(yīng)用

王全益1，張虎1，王靖1，王春華2

1孝感市水文水資源勘測(cè)局；2襄陽(yáng)市水文水資源勘測(cè)局

2014年湖北省襄陽(yáng)市以南漳縣、保康縣山洪易發(fā)區(qū)，開展山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作。根據(jù)山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)的要求，為山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)信息，調(diào)查工作中以GIS信息為基礎(chǔ)，聯(lián)合GPS詳查定位，GIS技術(shù)的應(yīng)用為山洪災(zāi)害調(diào)查工作提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。為其他防災(zāi)減災(zāi)非工程措施建設(shè)探索依據(jù)。

山洪災(zāi)害；GIS技術(shù)；調(diào)查評(píng)價(jià)；應(yīng)用

1 引言

山洪災(zāi)害是指因降雨在山丘區(qū)引發(fā)的洪水及由山洪誘發(fā)的泥石流、滑坡等對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)造成損失的災(zāi)害。山洪災(zāi)害突發(fā)性強(qiáng)，破壞力大，預(yù)報(bào)預(yù)警難，在局部地區(qū)引發(fā)的災(zāi)害經(jīng)常是毀滅性的，防御非常困難。為了解山洪災(zāi)害防御區(qū)域的詳細(xì)基本情況，2014年湖北省襄陽(yáng)市以南漳縣、保康縣山洪易發(fā)區(qū)，開展了山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作。為山洪災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供基礎(chǔ)信息，調(diào)查工作中以GIS信息為基礎(chǔ)，聯(lián)合GPS詳查定位，GIS技術(shù)應(yīng)用為山洪災(zāi)害調(diào)查工作提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。本文就GIS技術(shù)在山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作的應(yīng)用及相關(guān)成果進(jìn)行闡述，為其他防災(zāi)減災(zāi)非工程措施系統(tǒng)建設(shè)提供一定的依據(jù)。

2 GIS技術(shù)基本原理

地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,簡(jiǎn)稱GIS)是介于信息科學(xué)、空間科學(xué)和地球科學(xué)之間的交叉學(xué)科與新技術(shù)學(xué)科,是專用于地理空間信息處理和管理的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。GIS是一種有效地收集、存貯、分析、再現(xiàn)空間信息的地理信息系統(tǒng),它不僅利用屬性數(shù)據(jù),更重要是利用空間信息進(jìn)行分析、模擬與評(píng)價(jià)，以解決復(fù)雜的山洪災(zāi)害區(qū)域評(píng)價(jià)、預(yù)警、管理等問題，打破傳統(tǒng)水文地理空間分析中以單一的模型分析缺陷，提高山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)的勘查、評(píng)價(jià)與信息管理效率和精度，為山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)、預(yù)警、管理等探索新的技術(shù)途徑。

3 GIS技術(shù)在山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作中的主要工作流程

山洪災(zāi)害的主導(dǎo)因子是局部短歷時(shí)暴雨或強(qiáng)降雨，大多發(fā)生在小流域地區(qū)，本次山洪調(diào)查評(píng)價(jià)以小流域?yàn)閱卧?，開展山洪災(zāi)害基本情況、小流域基本特征、水文、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等情況的調(diào)查，綜合分析沿河村落、集鎮(zhèn)和城鎮(zhèn)的現(xiàn)狀防洪能力，以村為單元?jiǎng)澐治ｋU(xiǎn)區(qū)，科學(xué)確定預(yù)警指標(biāo)和閾值，為及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)警和災(zāi)害防御提供基礎(chǔ)支撐。

調(diào)查評(píng)價(jià)工作按縣行政區(qū)劃（或按水文分區(qū)）劃分若干片區(qū)進(jìn)行，具體工作流程如下：工作準(zhǔn)備階段→暴雨洪水計(jì)算階段→分析評(píng)價(jià)階段→成果整理階段→防御措施及綜合評(píng)價(jià)。基于GIS的山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)系統(tǒng)可高效的實(shí)現(xiàn)整個(gè)程序的調(diào)查與評(píng)價(jià)工作。

4 實(shí)例

4.1 調(diào)查評(píng)價(jià)區(qū)域概況

根據(jù)山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)技術(shù)大綱的要求，在湖北省襄陽(yáng)市保康縣、南漳縣兩山區(qū)縣的山洪防治區(qū)內(nèi)，按照已劃分的小流域?yàn)閱卧匝睾余l(xiāng)鎮(zhèn)、廠礦企業(yè)、村落等為對(duì)象，全面開展山洪災(zāi)害調(diào)查和評(píng)價(jià)工作。

?？悼h、南漳縣地處鄂西北山區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，境內(nèi)多為山地，地勢(shì)陡峭，溝叉叢橫，交通環(huán)境復(fù)雜是山洪災(zāi)害多發(fā)區(qū)域。項(xiàng)目區(qū)保康境內(nèi)有河流分別屬南河、沮漳河、蠻河三大流域，河長(zhǎng)10km以上的河流有37條。南漳縣境內(nèi)共有大小河流187條，其中流域面積在100km2以上的有12條，50～100km2的有9條，50km2以下的有166條。

主要河流有蠻河、沮河、漳河、渭水等。蓄水工程大型5座、中型3座、小型157座、塘壩11364座。堤防74.83km；其中4級(jí)堤防7處，5級(jí)堤防4處。

自然災(zāi)害主要表現(xiàn)在旱、澇、風(fēng)、雹等，局部災(zāi)害幾乎年年發(fā)生。

4.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)系統(tǒng)建立

山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作包括外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)分析評(píng)價(jià)兩大階段。

（1）GIS基礎(chǔ)信息資料收集

收集調(diào)查區(qū)域范圍內(nèi)的GIS基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，包括1：5萬DLG數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)等，利用ArcGIS軟件在DLG和DEM中獲取河流名稱、水系形狀、集水區(qū)域邊界。

工作底圖中小流域基本信息包括：小流域面積、周長(zhǎng)、形心高程、出口高程、最高高程、流域坡度、最長(zhǎng)匯流路徑長(zhǎng)度、最長(zhǎng)匯流路徑比降、形狀系數(shù)、河段長(zhǎng)度、河段比降、單位線洪峰模數(shù)、匯流時(shí)間、降雨量、村落、水利工程、橋涵、受威脅人口及調(diào)查河段等。

在數(shù)據(jù)地圖中按1～50km面積劃分出小流域分水線，?？悼h、南漳縣山洪災(zāi)害調(diào)查項(xiàng)目區(qū)縣內(nèi)共劃分小流域數(shù)量693個(gè)（詳情見圖1）。詳查標(biāo)注蓄水工程大型5座、中型3座、小型157座、塘壩11364座，堤防74.83km，調(diào)查河段425處。

（2）外業(yè)數(shù)據(jù)采集

野外調(diào)查和保護(hù)范圍的數(shù)據(jù)采集是山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作的基礎(chǔ)，本次外業(yè)采用山洪評(píng)價(jià)系統(tǒng)，是基于GIS地理信息劃定沿河村落、重要集鎮(zhèn)、廠礦企業(yè)、學(xué)校、水利工程、橋涵等調(diào)查路線，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況和CORS信號(hào)，采用網(wǎng)絡(luò)RTK結(jié)合全站儀測(cè)量方案，對(duì)山洪威脅的沿河保護(hù)范圍進(jìn)行控制定位測(cè)量，地面定位測(cè)量成果主要反映河道斷面形態(tài)和特征，標(biāo)注成災(zāi)水位和歷史最高洪水位等。斷面測(cè)量工作的范圍為沿河村落所在溝道的橫斷面測(cè)量和縱斷面測(cè)量。采集數(shù)據(jù)應(yīng)滿足小流域暴雨洪水分析計(jì)算、防洪現(xiàn)狀評(píng)價(jià)、危險(xiǎn)區(qū)劃定和預(yù)警指標(biāo)分析的要求。

點(diǎn)數(shù)據(jù)采集具體方法是：在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇數(shù)個(gè)通信信號(hào)較好的地點(diǎn)，布設(shè)控制點(diǎn)（不少于4個(gè)）并采用CORS網(wǎng)絡(luò)RTK方式測(cè)定平面坐標(biāo)和大地高，并通過HBCORS測(cè)繪中心進(jìn)行在線解算獲得控制點(diǎn)的平面坐標(biāo)和85高程（黃海）。測(cè)區(qū)在CORS信號(hào)較差時(shí)，在測(cè)區(qū)架設(shè)基準(zhǔn)站，采用電臺(tái)傳輸差分信號(hào)，根據(jù)控制點(diǎn)平面坐標(biāo)和85高程求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，采用流動(dòng)站（RTK）直接測(cè)量?；蜻x取合適的控制點(diǎn)位架設(shè)全站儀，采用全站儀測(cè)量。

（3）暴雨洪水計(jì)算模型的確定

由于調(diào)查區(qū)域內(nèi)山洪災(zāi)害大多以小流域局部暴雨產(chǎn)生，小流域多在山丘區(qū)，集水面積小，河長(zhǎng)短、匯流快，洪水過程往往只有幾十分鐘，受洪峰流量影響明顯。假定Δt應(yīng)與單位線時(shí)段一致，選取的時(shí)段過長(zhǎng)雨量均化有漏峰現(xiàn)象，不能保證洪水的計(jì)算精度，時(shí)段過短又會(huì)增加計(jì)算工作量，且雨型選配困難。通常當(dāng)集水面積＞20km,選擇24小時(shí)雨型，計(jì)算時(shí)段Δt=1h；集水面積在20km以下的按6h雨型，計(jì)算時(shí)段Δt=0.5h；在5km以下的按3h雨型，計(jì)算時(shí)段Δt=0.5h，這樣更符合實(shí)際洪水匯流快、峰值大的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)洪水模型以暴雨形成洪水過程的理論為基礎(chǔ)，采用瞬時(shí)單位線法、推理公式法、標(biāo)準(zhǔn)單位線法推求，推求保護(hù)區(qū)某河道控制斷面設(shè)計(jì)洪水的洪峰流量、洪水總量和洪水過程線。而后基于GIS系統(tǒng)平臺(tái)采用分布式水文預(yù)報(bào)模型逐控制單元推求暴雨洪水過程。

（4）評(píng)價(jià)系統(tǒng)的建立與分析

山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)系統(tǒng)通過調(diào)查區(qū)域外業(yè)采集信息、雨洪采集分析系統(tǒng)、災(zāi)害評(píng)價(jià)系統(tǒng)、災(zāi)害防御警示系統(tǒng)等等子系統(tǒng)的基礎(chǔ)上建立。

外業(yè)采集信息包含沿河村落、重要集鎮(zhèn)、廠礦企業(yè)、學(xué)校、水利工程、橋涵等受到山洪威脅的區(qū)域地理位置信息，按照不同屬性分類分層制作底圖顯示。以暴雨、山洪災(zāi)害、人口等基本信息建立數(shù)據(jù)庫(kù)。

雨洪采集分析系統(tǒng)在原有的水文、雨量站點(diǎn)的基礎(chǔ)上實(shí)行網(wǎng)絡(luò)對(duì)接，結(jié)合歷史暴雨洪水資料分析推求造洪閥值雨量、水位，確定保護(hù)范圍預(yù)警指標(biāo)。山洪災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)，特別是雨量指標(biāo)的確定思路與方法的選擇受到資料基礎(chǔ)及技術(shù)條件等方面的限制，臨界雨量指標(biāo)的確定方法，主要方法包括以下幾種。

1）歷史洪水資料統(tǒng)計(jì)分析法；

2）歷史實(shí)際山洪災(zāi)害事件統(tǒng)計(jì)法；

3）暴雨臨界曲線法；

4）水位/流量反推法；

5）區(qū)域山洪臨界雨量計(jì)算方法；

6）比擬法；

7）分布式流域水文模型法。

災(zāi)害評(píng)價(jià)系統(tǒng)及災(zāi)害防御警示系統(tǒng)是根據(jù)實(shí)時(shí)水雨情信息分析評(píng)價(jià)出災(zāi)害區(qū)域?yàn)?zāi)害等級(jí)，災(zāi)害等級(jí)分為：極度危險(xiǎn)區(qū)、高危險(xiǎn)區(qū)、危險(xiǎn)區(qū)。根據(jù)不同的災(zāi)害等級(jí)基于GIS地理信息劃定危險(xiǎn)區(qū)域（見圖2），提出預(yù)警分析成果和預(yù)警方式，劃定災(zāi)害區(qū)域遷移路線。

4.3 成果提交

2014年襄陽(yáng)市山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)成果分為匯總成果、中間成果、過渡文檔三部分，即分別為?？悼h、南漳縣兩個(gè)項(xiàng)目區(qū)山洪災(zāi)害防治區(qū)人口分布圖集；山洪災(zāi)害防治區(qū)小流域圖集；山洪災(zāi)害防治區(qū)小流域基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)；山洪災(zāi)害防治區(qū)小流域河段基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)；山洪災(zāi)害防治區(qū)小流域設(shè)計(jì)暴雨洪水成果；山洪災(zāi)害防治區(qū)小流域預(yù)警指標(biāo)及閾值分析計(jì)算成果；山洪災(zāi)害防治區(qū)影響居民區(qū)安全的涉水工程基本信息；山洪災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)圖集；山洪災(zāi)害防治區(qū)沿河村落防洪現(xiàn)狀評(píng)價(jià)報(bào)告等16項(xiàng)匯總成果。中間成果有測(cè)量觀測(cè)工作手冊(cè)；計(jì)算資料；縱、橫斷面成果表，縱、橫斷面圖；斷面基點(diǎn)成果表；測(cè)量技術(shù)報(bào)告、質(zhì)量管理運(yùn)行表等6項(xiàng)。過渡成果有外業(yè)調(diào)查日志；評(píng)價(jià)工作日志；項(xiàng)目例會(huì)、專題會(huì)等會(huì)議紀(jì)要；項(xiàng)目實(shí)施階段總結(jié)報(bào)告等7項(xiàng)。

5 結(jié)語(yǔ)

在山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)工作中GIS地理信息系統(tǒng)的采用,有效的利用空間信息進(jìn)行分析、模擬與評(píng)價(jià)，改變了傳統(tǒng)水文地理空間分析中以單一表格、數(shù)據(jù)和單個(gè)模型分析帶來的部分缺陷，提高了山洪災(zāi)害易發(fā)區(qū)的勘查、評(píng)價(jià)與信息管理效率和精度，為山洪災(zāi)害評(píng)價(jià)、預(yù)警、管理等提供可靠的技術(shù)途徑和技術(shù)支撐。

[1]國(guó)務(wù)院第一次全國(guó)水利普查領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室，水利普查空間數(shù)據(jù)采集與處理，北京：中國(guó)水利水電出版社，2010年.

[2]全國(guó)山洪災(zāi)害防治規(guī)劃項(xiàng)目辦，山洪災(zāi)害調(diào)查技術(shù)要求，2014年.

[3]李紀(jì)南，黃詩(shī)峰，“3S”技術(shù)在水利應(yīng)用指南,北京：中國(guó)水利水電出版社，2002年.

[4]申邵洪謝文君，空間信息技術(shù)在水利普查中的應(yīng)用，長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2013年第30卷第30期.

[5]襄陽(yáng)市2013年度?？悼h、南漳縣山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目組，湖北省襄陽(yáng)市（?？悼h、南漳縣）2013年度山洪災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)項(xiàng)目技術(shù)大綱，2014年8月.

王全益（1963-），男，湖北隨州，工程師，長(zhǎng)期從事水文水資源工作。