長江中游干流河段洲灘民垸行蓄洪能力研究

畢禎珊　李昌文　伍岳　黃艷　張維奇

摘要：長江中下游洲灘民垸具有巨大行蓄洪能力，對保障重點地區(qū)防洪安全起重要作用。但是，洲灘民垸點多面廣，地形數(shù)據(jù)缺乏，無法充分利用并有效構(gòu)建數(shù)學(xué)模型分析行蓄洪作用?；陂L江中下游高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建長江中游干流河段洲灘民垸數(shù)字高程模型，以生產(chǎn)水位-面積-容積關(guān)系成果，分區(qū)分類研究洲灘民垸的行蓄洪能力。結(jié)果表明：長江中游干流洲灘民垸行蓄洪能力強(qiáng)，但空間分布差異大，其中，荊江河段洲灘民垸面積及蓄洪容積占比最高，在面臨大洪水時調(diào)度運(yùn)用多。研究成果能夠直觀有效呈現(xiàn)長江中游干流洲灘民垸的行蓄洪能力，為洲灘民垸的調(diào)度運(yùn)用打牢數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為科學(xué)準(zhǔn)確制定防洪決策提供有力支持。

關(guān)鍵詞：洲灘民垸； 行蓄洪能力； 水位-面積-容積關(guān)系； 遙感影像； 長江中游

中圖法分類號：P237 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.007

文章編號：1006-0081（2024）04-0041-06

0 引 言

長期以來，長江流域遭受著不同程度、不同類型的洪水災(zāi)害威脅［1］。經(jīng)過多年的水利建設(shè)，長江中下游基本建成了以堤防為基礎(chǔ)，三峽工程為骨干，其他干支流水庫、蓄滯洪區(qū)、河道整治相配合，平垸行洪、退田還湖、水土保持等工程措施與防洪非工程措施相結(jié)合的防洪減災(zāi)體系［2］。

長江中下游形成了數(shù)量眾多的洲灘民垸，作為長江防洪減災(zāi)體系的一部分，洲灘民垸在遇大洪水時需做好行蓄洪區(qū)運(yùn)用準(zhǔn)備，以保障流域重點地區(qū)和重要城市的防洪安全［3］。然而，洲灘民垸一直未得到系統(tǒng)治理，缺乏有效的調(diào)度管控措施，很難保證遇大洪水時及時運(yùn)用［4］。尚全民等［5］在梳理防御洪水經(jīng)驗時分析得出洲灘民垸管理不到位、實際運(yùn)用難度大的結(jié)論；王樂等［6］總結(jié)超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御預(yù)案思路時，提出洲灘民垸作為水利工程調(diào)度的一部分可以充分發(fā)揮防洪潛力；褚茜茜等［7］從完善政策法規(guī)體系、健全管理體制機(jī)制等方面提出了加強(qiáng)洲灘民垸管理制度建議。加強(qiáng)洲灘民垸防洪治理是新時期完善流域防洪體系的重要任務(wù)，也是當(dāng)前流域

各地普遍面臨的現(xiàn)實迫切需求。因此，如何更好發(fā)揮和運(yùn)用洲灘民垸，是非常值得關(guān)注和研究的問題。

隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，很多學(xué)者以數(shù)字高程模型（DEM）為基礎(chǔ)，將GIS應(yīng)用到洪水淹沒分析中［8-10］。楊愛玲等［11］使用不同分辨率數(shù)字高程模型進(jìn)行模擬，提出了高精度數(shù)字高程模型能為洪澇災(zāi)害預(yù)防提供準(zhǔn)確的評判依據(jù)。羅永臻［12］證明了缺少水文資料也可在遙感影像和DEM數(shù)據(jù)支持下得到水文模擬結(jié)果。張靜等［13］采用25 m分辨率的DEM對大連市進(jìn)行了淹沒分析，并得到了淹沒范圍和水深分布數(shù)據(jù)。李昌文等［14-15］基于多源數(shù)據(jù)融合方法構(gòu)建了洞里薩湖水位-面積（容積）關(guān)系。其他學(xué)者應(yīng)用GIS對多個城市和流域進(jìn)行了洪水淹沒分析［16-18］。目前，長江中下游洲灘民垸數(shù)量多、面積大，尚無明確的水位-面積-容積關(guān)系，調(diào)蓄洪能力不明，精準(zhǔn)調(diào)度手段缺乏。針對這些問題，可基于高分辨率遙感影像，結(jié)合GIS淹沒分析技術(shù)進(jìn)行快速科學(xué)地模擬計算。因此，本研究以長江中游干流河段洲灘民垸為例，借助高分辨率遙感影像構(gòu)建水位-面積-容積關(guān)系，對洲灘民垸行蓄洪能力進(jìn)行分析，以期為洲灘民垸防洪治理和調(diào)度運(yùn)用提供借鑒。

1 研究區(qū)域概況

長江中游干流河道上起宜昌，下至湖口，全長約955 km。在河流自然演變過程中，形成了大量的天然沙洲和灘地。隨著長江中下游人口增多、社會經(jīng)濟(jì)活動的發(fā)展，在人類長期活動作用下，這些灘地形成了數(shù)量眾多、大小不一的洲灘民垸。曾經(jīng)沿江沿湖的小圩并垸連堤形成大圩，掀起了大規(guī)模的圍墾建垸活動［19］?，F(xiàn)如今，洲灘民垸內(nèi)有大量人口、經(jīng)濟(jì)作物及重要基礎(chǔ)設(shè)施，既是長江行洪、滯洪的場所，也是數(shù)百萬人民群眾賴以生存的家園［20］。

1998年長江流域性特大洪水后，為治理水患和災(zāi)后重建，政府啟動實施了平垸行洪、退田還湖工程措施，重點是對長江流域影響江河湖泊行蓄洪或防洪標(biāo)準(zhǔn)較低的民垸圩堤進(jìn)行平退，包括退人不退田的“單退”和既退人又退田的“雙退”2種退田還湖方式，形成了單退垸、雙退垸和其他垸3種類型的洲灘民垸。經(jīng)統(tǒng)計，共平退圩垸1 442個，遷移58.67萬戶、244.12萬人，恢復(fù)調(diào)蓄容積178.34億m3［21］。但是由于多種原因，有一些洲灘民垸仍未完成平退，見圖1。

當(dāng)前長江防洪體系已基本建成，整體防洪能力顯著提高，但洪水的威脅依然存在。洲灘民垸作為長江防洪體系的重要組成部分，若能充分利用其行蓄洪能力，可進(jìn)一步提高水旱災(zāi)害防御能力。但是洲灘民垸的地形數(shù)據(jù)及水位-面積-容積關(guān)系缺乏，成為長江流域洪水調(diào)度的短板。因此，加強(qiáng)洲灘民垸防洪治理已成為迫切需要。在確保防洪安全的前提下，對不同類型的洲灘民垸進(jìn)行分類細(xì)化研究，有利于最大限度地發(fā)揮洲灘民垸行蓄洪能力，為應(yīng)對流域大洪水提供支撐。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

選用長江中游干流河段洲灘民垸0.8 m高分辨率遙感影像和12.5 m分辨率ALOS DEM數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行融合處理，利用ArcGIS進(jìn)行數(shù)據(jù)鑲嵌、邊界配準(zhǔn)、范圍裁剪等預(yù)處理，采用坐標(biāo)投影變換成為平面坐標(biāo)系，利用水文工具將轉(zhuǎn)換坐標(biāo)后的DEM進(jìn)行填洼處理［22］，以滿足研究需要。

2.2 研究方法

2.2.1 研究思路

作為行蓄洪空間，長江中游洲灘民垸起著調(diào)節(jié)洪水、減輕下游地區(qū)防洪負(fù)擔(dān)的作用。對洲灘民垸行蓄洪能力進(jìn)行研究，可為長江中下游的洪水災(zāi)害治理與決策提供可靠的依據(jù)。但是洲灘民垸點多面廣，地形數(shù)據(jù)獲取成本較大，而遙感影像可一次性免費(fèi)提取大范圍洲灘民垸地形數(shù)據(jù)。因此，本文基于遙感影像和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，采取GIS淹沒分析技術(shù)，對洲灘民垸的空間分布與面積容積特征進(jìn)行分析，研究洲灘民垸的行蓄洪能力。

2.2.2 計算方法

基于數(shù)字高程模型的洪水淹沒分析算法主要包括無源淹沒和有源淹沒兩種［23-25］。本研究基于洲灘民垸的地形特點，采用無源淹沒方法，運(yùn)用ArcGIS中3D Analyst中Surface Volume工具進(jìn)行計算分析，運(yùn)用積分思想，獲取指定參考平面以下的面積和容積。

考慮不同河段、不同類型洲灘民垸蓄洪作用的差異，將長江中游干流劃分為枝城至城陵磯、城陵磯至武漢、武漢至湖口3個子河段，將洲灘民垸劃分為單退垸、雙退垸、其他垸3種類型分別進(jìn)行計算（圖2）。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 洲灘民垸空間分布特征

從整體來看，長江中游干流洲灘民垸共125個，總面積為1 423.92 km2，空間分布差異較大，主要分布在湖北省內(nèi)。具體分析按洲灘民垸所在地區(qū)，荊州市數(shù)量最多，共計41個；其次為黃岡市，共計32個，分別占長江中游干流洲灘民垸總數(shù)的32.80%和25.60%。荊州市洲灘民垸總面積為623.19 km2，占比最大，占洲灘民垸總面積的43.77%。雖然湖南省岳陽市洲灘民垸數(shù)量最少，但總面積僅次于湖北省荊州市，為313.47 km2，占洲灘民垸總面積的22.01%（見表1和圖3，均為初步調(diào)查結(jié)果，下同）。

按洲灘民垸所屬河段分析，枝城至城陵磯河段總面積最大，為614.59 km2，城陵磯至武漢河段次之，為545.24 km2，分別占洲灘民垸總面積的43.16%和38.29%。武漢至湖口河段分汊河道眾多，洲灘民垸數(shù)量最多，共計57個，占長江中游洲灘民垸總數(shù)的45.60%（表2）。

按洲灘民垸不同類型分析，可以看出，長江中游干流單退垸的數(shù)量遠(yuǎn)超其他類型，共計103個，占洲灘民垸總數(shù)的82.40%；其他垸總面積最大，共計746.25 km2，占洲灘民垸總面積的一半以上；雙退垸數(shù)量最少、面積最?。ū?）。

3.2 洲灘民垸行蓄洪能力分析

基于衛(wèi)星遙感手段獲取高分辨率DEM數(shù)據(jù)，借助GIS平臺，構(gòu)建洲灘民垸水位-面積-容積關(guān)系（見圖4，以合鎮(zhèn)垸為例），計算得出各地區(qū)及不同河段洲灘民垸蓄洪容積（表2）。由表2可知，長江中游干流洲灘民垸總蓄洪容積為66.94億m3。

按蓄洪容積大小來看，長江中游干流125個洲灘民垸中容積大于1億m3的共計12個，總?cè)莘e48.26億m3；容積在0.5億～1.0億m3之間的共計13個，總?cè)莘e9.76億m3。兩者容積之和為58.02億m3，占125個洲灘民垸總?cè)莘e的比例為86.67%。容積小于0.5億m3的有100個，占總?cè)莘e的比例13.33%。除下荊江河段之外，長江中游干流其他河段單退垸和其他垸容積不大，均小于10億m3（表3）。

從洲灘民垸不同類型來看，單退垸全部運(yùn)用后可容納洪水29.45億m3，雙退垸全部運(yùn)用后可容納洪水1.22億m3，其他垸全部運(yùn)用后可容納洪水36.27億m3，分別占長江中游干流洲灘民垸蓄洪容積的43.99%、1.82%和54.19%?？梢姡黝愋椭逓┟褊袉瓮僳推渌趾榱看?，防洪作用大。

從分河段來看，枝城至城陵磯河段蓄洪容積約為33.38億m3，占長江中游干流洲灘民垸總蓄洪容積的49.87%；城陵磯至武漢河段蓄洪容積約為23.07億m3，武漢至湖口河段蓄洪容積約為10.49億m3?？梢钥闯觯G江河段洲灘民垸行蓄洪能力較強(qiáng)，因其地理位置，起著接納上游過量洪水和減緩下游防洪壓力的作用。

4 結(jié) 論

本文通過利用長江干流高精度測繪數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建洲灘民垸水位-面積-容積關(guān)系，分析長江中游個河段、各類型干流洲灘民垸的行蓄洪能力，并分析其空間差異，經(jīng)過初步調(diào)查后得到主要結(jié)論如下：① 長江中游干流洲灘民垸共125個，總面積1 423.92 km2，總蓄洪容積66.94億m3。② 洲灘民垸行蓄洪能力較強(qiáng)的河段為荊江河段，占長江中游干流洲灘民垸總蓄洪容積的49.87%。③ 洲灘民垸面積較大的地區(qū)主要為湖北省荊州市和湖南省岳陽市，分別占洲灘民垸總面積的43.77%和22.01%。④ 從長江中游干流不同類型洲灘民垸行蓄洪能力的分布來看，單退垸和其他垸分洪量大，起到了主要蓄洪作用。

洲灘民垸作為長江中游防洪體系的重要組成部分，應(yīng)維持其行蓄洪功能，根據(jù)河段防洪形勢和防洪需求，通過加強(qiáng)治理最大程度保障河段防洪安全。對長江中游洲灘民垸的行蓄洪能力研究能夠直觀有效呈現(xiàn)洲灘民垸的具體情況，為科學(xué)準(zhǔn)確制定防洪決策提供有力支持，為洲灘民垸防洪治理提供基礎(chǔ)依據(jù)。本文利用DEM數(shù)據(jù)開展洲灘民垸水位-面積-容積關(guān)系構(gòu)建分析，但受遙感影像精度影響，模擬數(shù)據(jù)與真實情況存在一定誤差，未來研究建議開展洲灘民垸無人機(jī)航測，獲取高精度和高分辨率的地形數(shù)據(jù)，提高洲灘民垸容積計算精度。此外，為進(jìn)一步研究洲灘民垸的行蓄洪作用，建議引入相關(guān)水動力學(xué)模型，定量評估不同洲灘民垸組合調(diào)度的防洪作用。

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（編輯：李 慧）

Characteristics of flood regulation and storage capacity of floodplains and polders in middle reaches of Yangtze River

BI Zhenshan1，2，LI Changwen2，WU Yue1，HUANG Yan1，2，ZHANG Weiqi2

（1.College of Civil Engineering & Architecture，China Three Gorges University，Yichang 443002，China； 2.College of Hydraulic & Environmental Engineering，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Abstract： The floodplains and polders in the middle and lower reaches of Yangtze River have great flood storage capacity and play an important role in ensuring flood control safety in key areas.However，due to its large quantity and area and lack of topographic data，it is impossible to make full use of it and effectively construct a mathematical model to analyze the flood storage effect.Based on the high-resolution remote sensing image data of the middle and lower reaches of Yangtze River，the digital elevation model of floodplains and polders was constructed to establish the water level-area-capacity relationship，and the flood storage capacity of the floodplains and polders was studied by partition classification.The results showed that the flood storage capacity of the floodplains and polders in the middle reaches of Yangtze River was strong，but the spatial distribution was different.The area and flood storage capacity of the floodplains and polders in Jingjiang River accounted for the highest proportion，which would be used most when a large flood occured.The research results can present the flood storage capacity of the floodplains and polders in the middle reaches of Yangtze River as the data foundation for the operation of the floodplains and polders and provide a support for the flood control decision.

Key words： floodplains and polders； flood regulation and storage capacity；water level-area-capacity relationship； remote sensing image； middle reaches of Yangtze River

收稿日期：2023-11-27

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目（52009079）；湖北省自然科學(xué)基金一般面上項目（2023AFB594）；水利部重大科技項目（SKS-2022003）；中國水利水電科學(xué)研究院 水利部泥沙科學(xué)與北方河流治理重點實驗室開放研究基金（IWHR-SEDI-2023-07）；流域水安全保障湖北省重點實驗室開放創(chuàng)新基金重點項目（CX2023K13）

作者簡介：畢禎珊，女，碩士，主要從事資源與環(huán)境遙感研究工作。E-mail：bizhenshan2020@163.com

通信作者：李昌文，男，教授，博士，主要從事防洪減災(zāi)研究工作。E-mail：764984847@qq.com