基于GIS技術(shù)在山洪災(zāi)害調(diào)查評價工作中的應(yīng)用

王全益，張虎，王靖，王春華

1孝感市水文水資源勘測局；2襄陽市水文水資源勘測局

基于GIS技術(shù)在山洪災(zāi)害調(diào)查評價工作中的應(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局；2襄陽市水文水資源勘測局

2014年湖北省襄陽市以南漳縣、保康縣山洪易發(fā)區(qū)，開展山洪災(zāi)害調(diào)查評價工作。根據(jù)山洪災(zāi)害調(diào)查評價的要求，為山洪災(zāi)害監(jiān)測系統(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)查評價；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、滑坡等對國民經(jīng)濟(jì)和人民生命財產(chǎn)造成損失的災(zāi)害。山洪災(zāi)害突發(fā)性強，破壞力大，預(yù)報預(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)查評價工作。為山洪災(zāi)害監(jiān)測系統(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)查評價工作的應(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算機技術(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、模擬與評價，以解決復(fù)雜的山洪災(zāi)害區(qū)域評價、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、評價與信息管理效率和精度，為山洪災(zāi)害評價、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)查評價工作中的主要工作流程

山洪災(zāi)害的主導(dǎo)因子是局部短歷時暴雨或強降雨，大多發(fā)生在小流域地區(qū)，本次山洪調(diào)查評價以小流域為單元，開展山洪災(zāi)害基本情況、小流域基本特征、水文、社會經(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，以村為單元劃分危險區(qū)，科學(xué)確定預(yù)警指標(biāo)和閾值，為及時準(zhǔn)確預(yù)警和災(zāi)害防御提供基礎(chǔ)支撐。

調(diào)查評價工作按縣行政區(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→暴雨洪水計算階段→分析評價階段→成果整理階段→防御措施及綜合評價。基于GIS的山洪災(zāi)害調(diào)查評價系統(tǒng)可高效的實現(xiàn)整個程序的調(diào)查與評價工作。

4 實例

4.1 調(diào)查評價區(qū)域概況

根據(jù)山洪災(zāi)害調(diào)查評價技術(shù)大綱的要求，在湖北省襄陽市保康縣、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為單元，以沿河鄉(xiāng)鎮(zhèn)、廠礦企業(yè)、村落等為對象，全面開展山洪災(zāi)害調(diào)查和評價工作。

保康縣、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級堤防7處，5級堤防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)查評價工作包括外業(yè)采集和內(nèi)業(yè)分析評價兩大階段。

（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、形心高程、出口高程、最高高程、流域坡度、最長匯流路徑長度、最長匯流路徑比降、形狀系數(shù)、河段長度、河段比降、單位線洪峰模數(shù)、匯流時間、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，保康縣、南漳縣山洪災(zāi)害調(diào)查項目區(qū)縣內(nèi)共劃分小流域數(shù)量693個（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)查評價工作的基礎(chǔ)，本次外業(yè)采用山洪評價系統(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)場實際情況和CORS信號，采用網(wǎng)絡(luò)RTK結(jié)合全站儀測量方案，對山洪威脅的沿河保護(hù)范圍進(jìn)行控制定位測量，地面定位測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。斷面測量工作的范圍為沿河村落所在溝道的橫斷面測量和縱斷面測量。采集數(shù)據(jù)應(yīng)滿足小流域暴雨洪水分析計算、防洪現(xiàn)狀評價、危險區(qū)劃定和預(yù)警指標(biāo)分析的要求。

點數(shù)據(jù)采集具體方法是：在測區(qū)內(nèi)選擇數(shù)個通信信號較好的地點，布設(shè)控制點（不少于4個）并采用CORS網(wǎng)絡(luò)RTK方式測定平面坐標(biāo)和大地高，并通過HBCORS測繪中心進(jìn)行在線解算獲得控制點的平面坐標(biāo)和85高程（黃海）。測區(qū)在CORS信號較差時，在測區(qū)架設(shè)基準(zhǔn)站，采用電臺傳輸差分信號，根據(jù)控制點平面坐標(biāo)和85高程求解轉(zhuǎn)換參數(shù)，采用流動站（RTK）直接測量。或選取合適的控制點位架設(shè)全站儀，采用全站儀測量。

（3）暴雨洪水計算模型的確定

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)與單位線時段一致，選取的時段過長雨量均化有漏峰現(xiàn)象，不能保證洪水的計算精度，時段過短又會增加計算工作量，且雨型選配困難。通常當(dāng)集水面積＞20km,選擇24小時雨型，計算時段Δt=1h；集水面積在20km以下的按6h雨型，計算時段Δt=0.5h；在5km以下的按3h雨型，計算時段Δt=0.5h，這樣更符合實際洪水匯流快、峰值大的特點。設(shè)計洪水模型以暴雨形成洪水過程的理論為基礎(chǔ)，采用瞬時單位線法、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)平臺采用分布式水文預(yù)報模型逐控制單元推求暴雨洪水過程。

（4）評價系統(tǒng)的建立與分析

山洪災(zāi)害調(diào)查評價系統(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)害評價系統(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。

雨洪采集分析系統(tǒng)在原有的水文、雨量站點的基礎(chǔ)上實行網(wǎng)絡(luò)對接，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)計分析法；

2）歷史實際山洪災(zāi)害事件統(tǒng)計法；

3）暴雨臨界曲線法；

4）水位/流量反推法；

5）區(qū)域山洪臨界雨量計算方法；

6）比擬法；

7）分布式流域水文模型法。

災(zāi)害評價系統(tǒng)及災(zāi)害防御警示系統(tǒng)是根據(jù)實時水雨情信息分析評價出災(zāi)害區(qū)域災(zāi)害等級，災(zāi)害等級分為：極度危險區(qū)、高危險區(qū)、危險區(qū)。根據(jù)不同的災(zāi)害等級基于GIS地理信息劃定危險區(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年襄陽市山洪災(zāi)害調(diào)查評價成果分為匯總成果、中間成果、過渡文檔三部分，即分別為保康縣、南漳縣兩個項目區(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)害危險區(qū)圖集；山洪災(zāi)害防治區(qū)沿河村落防洪現(xiàn)狀評價報告等16項匯總成果。中間成果有測量觀測工作手冊；計算資料；縱、橫斷面成果表，縱、橫斷面圖；斷面基點成果表；測量技術(shù)報告、質(zhì)量管理運行表等6項。過渡成果有外業(yè)調(diào)查日志；評價工作日志；項目例會、專題會等會議紀(jì)要；項目實施階段總結(jié)報告等7項。

5 結(jié)語

在山洪災(zāi)害調(diào)查評價工作中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、模擬與評價，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、評價與信息管理效率和精度，為山洪災(zāi)害評價、預(yù)警、管理等提供可靠的技術(shù)途徑和技術(shù)支撐。

[1]國務(wù)院第一次全國水利普查領(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：中國水利水電出版社，2010年.

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

[3]李紀(jì)南，黃詩峰，“3S”技術(shù)在水利應(yīng)用指南,北京：中國水利水電出版社，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，長江科學(xué)院院報，2013年第30卷第30期.

[5]襄陽市2013年度保康縣、南漳縣山洪災(zāi)害調(diào)查評價項目組，湖北省襄陽市（保康縣、南漳縣）2013年度山洪災(zāi)害調(diào)查評價項目技術(shù)大綱，2014年8月.

王全益（1963-），男，湖北隨州，工程師，長期從事水文水資源工作。