基于GIS 柵格數據的葉爾羌河灌區洪水風險動態模擬與識別

彭 亮，馬云飛，衛仁娟，何 英，穆振俠，李曉慶，劉成紅

（1.新疆農業大學 水利與土木工程學院，烏魯木齊 830052；2.新疆干旱區湖泊環境與資源實驗室， 烏魯木齊 830054；3.四川大學 水利水電學院水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室， 成都 610065；4. 四川水利職業技術學院， 成都 611230；5.新疆喀什地區水利局， 新疆 喀什 844000）

0 引 言

國際減災十年委員會（IDNDR） 指出，洪水災害是人類面臨的損失最嚴重的自然災害之一[1]。聯合國國際減災戰略（UNISDR）發布報告稱，1998—2017年全球發生重大自然災害7 255 件，其中91%的自然災害為氣象災害，尤以暴風和洪水二大災害頻繁發生。20 世紀以來，以氣候變暖為主的自然系統的變異，特別是洪水災害造成了極大的影響。人類在總結社會發展與洪水災害的歷史經驗中，逐步提出了人水和諧發展，觀念由“防御洪水”轉變為“洪水風險管理”。美國、日本等發達國家早在20 世紀50—60 年代就已開展洪水災害風險分析研究[2]，制作并發布了洪水災害風險圖[3-4]，我國則從20 世紀80 年代中期開始開展洪水災害風險研究[5-6]。洪水災害風險分析對于減輕洪水災害的損失具有重要意義，已引起人們的高度重視。

20 世紀90 年代以來，利用GIS 技術進行洪水淹沒研究和洪水風險識別，大多停留在以歷史洪水數據為依據的靜態層面。通過對水面高程做差值運算獲得洪水過程的水文特征，在洪水模擬中充分考慮洪水演進的物理機制，加入坡度、坡向等因子，是當前研究的一個熱點方向。陳秀萬[7]和李觀義[8]運用遙感技術的實時和宏觀性進行洪水檢測和淹沒范圍的劃定；王臘春等[9]和陳德清等[10]基于GIS 空間分析技術進行二維平面的洪水淹沒分析；劉仁義等[11]和葛小平等[12]在基于DEM 三維空間分析技術進行給定淹沒高程下的洪水淹沒區繪制。近年來，將GIS 技術與RS 技術相結合，根據數字高程模型DEM 提供的三維數據和遙感影像數據來預測、模擬顯示洪水淹沒場景，并進行洪水災害評估，已成為GIS 在洪水方面的主要研究領域[13-18]。

【研究意義】葉爾羌河上游的冰川阻塞湖及其突發洪水就是典型代表，歷史上發生多次潰決洪水[19-21]。據統計1959—2018 年葉爾羌河灌區發生洪水災害的年份共有43 個，其中有7 次洪水洪峰流量超過4 000 m3/s，其中，1997 年后發生3 次，洪災損失及頻繁程度在新疆河流中居第一位。1959—2018 年葉爾羌河山區干流無控制性水庫工程，洪峰不能被調控削減，直接進入平原區河段，使平原灌區形成頻繁的大范圍的災害?！狙芯窟M展】在平原灌區數百公里的河段上，形成的防洪險工險段上百處，防洪工程建設較多，但洪水風險管理研究較少。繪制葉爾羌河灌區洪水風險圖作為一種重要的非工程減災措施，可以廣泛地應用于洪泛區防洪規劃與管理、應急決策與災情評估、土地開發利用、居民避難、災害保險、公共減災對策以及災害教育與宣傳。張艷等[22]以葉爾羌河喀群渠首至中游渠首之間的區域為例，構建了MIKEFlood 洪水淹沒演算模型，計算了不同洪水方案下的淹沒范圍、水深、流速等風險要素，只完成了一部分河段的洪水風險?！厩腥朦c】葉爾羌河從喀群渠首至艾力克塔木之間的整個平原灌區河段的洪水頻發，歷史上多次發生冰川湖突發洪水，沖毀了莎車、巴楚、麥蓋提等縣域內沿河兩岸的村莊以及農三師部分團場的房屋、農田、公路等設施，造成人員和牲畜的傷亡，開展洪水淹沒風險分析，可以識別沿河兩岸洪水淹沒的主要地帶和淹沒范圍?！緮M解決的關鍵問題】采用基于GIS柵格數據內嵌FloodArea 的二維水文水動力學模型[23-24]，模擬1999 年和2015 年夏季實測洪水過程，充分考慮行洪過程的物理機制，識別典型的高情景和低情景洪水淹沒風險，與調查的實際洪水淹沒范圍進行對比，為沿河各級防洪指揮部門指揮防汛抗洪與洪水損失評估工作提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

葉爾羌河流域位于東經74°28′—80°54′，北緯34°50′—40°31′，流域總面積為10.81 萬km2，其中平原區面積約為4.73 萬km2。葉爾羌河流域平原灌區系指葉爾羌河喀群出山口以下至巴楚夏河林場之間的灌區和提孜那甫河江卡渠首以下灌區。依靠葉爾羌河水系灌溉的平原人工綠洲區，其總面積為16 042 km2，占流域面積的14.8%。人工綠洲區東西兩側處在塔克拉瑪干大沙漠與布古里、托格拉克沙漠的挾持之中，呈帶狀分布，寬40～80 km，長400 km，灌溉面積50.22 hm2。流域總人口約240 萬，共有24 個縣級（含兵團）以上用水單位。葉爾羌河河水被大量用于農業灌溉，當卡群水文站（簡稱卡群站）流量達1 200 m3/s以上時，進入防洪狀態；當卡群站流量達2 000 m3/s以上時，有可能出現洪水災害風險。葉爾羌河上有喀群、勿甫、依干其、中游、民生、艾里克塔木渠首，在喀群和艾里克塔木之間有許多取水閘和相連的灌溉渠系，引水閘設計引水能力大都在80～175 m3/s 之間，在洪水期間可以開閘分洪，從而部分減少洪峰流量。

葉爾羌河流域的洪水類型按其成因和災害特點可分為4 種類型：冰雪消融型洪水、冰川湖突發洪水、暴雨型洪水和混合型洪水。由于其河源段有大面積冰川發育及冰川堰塞湖，常有突發性洪水發生。洪水進入平原區后，河道蜿蜒游蕩，兩岸受淘刷破壞，汛期泛濫成災，使得沿河各縣深受其害，防洪問題十分突出。其中冰川湖突發洪水與消融型洪水相遇形成的混合型洪水峰高量大、來勢兇猛，危害極大，洪水發生時間集中于6—9 月，1961 年實測洪峰流量達6 270 m3/s，1999 年實測洪峰流量達6 070 m3/s。

1.2 研究區數據

為評估由葉爾羌河洪水決堤導致灌區洪水淹沒范圍，應用GIS 工具生成數字高程模型（DEM），調查葉爾羌河沿岸的土地利用情況、防洪建筑物和取水口引水量等信息。沿葉爾羌河道進行以下洪水事件調查和分析工作：

①輸入基本信息，如航拍相片和衛星圖像、DTM、山體陰影分析、土地利用/地貌學/地質學、流量監測等；

②研究區南高北低、地形平緩，渠系眾多，屬于典型的大范圍人工綠洲，二維洪水模型輸入處理后的數字高程模型（DEM）；

③設置二維洪水模型參數（如糙率系數，洪水過程線，防洪建筑物，取水口等）；

④定義洪水模擬情景；

⑤建立二維洪水模擬模型。

1）數字高程模型

通過衛星圖像提供的數字高程模型（DEM）和土地利用信息評估模型參數，并模擬洪水情景，文中采用SRTM（航天雷達地形測繪任務）數據中的高程信息建立研究區數字高程模型（DEM），見圖1。由此可以創建一個滿足洪水模型需求的地形模型，并且可以調整數字地形數據投影的像元值。研究區地形模型的柵格間距為85 m。

2）糙率系數

糙率系數對二維洪水模型是必要的。然而，由于DTM 分辨率和大范圍研究區的精度要求，糙率系數只能由不同土地利用信息來推求。一方面根據已有的數據庫，如交通基礎設施；另一方面，土地利用類型的劃分，如從衛星圖像獲取的居民點、沙漠地區、戈壁、灘涂等劃分。

根據航拍及地面相片，河床大部分由粗顆粒組成，岸坡由疏松細顆粒材料組成。河床周邊地區大部分為人工渠系和灌區。幾個大小不同的居民點位于葉爾羌河的下游。根據調查研究區域的河道和周邊地形地貌實際情況，按照曼寧系數經驗值的劃分類型，將土地利用分為河床、水域、居民區、灌區和戈壁等10 類。結合《水力計算手冊》[25]和相關的文獻[26-30]確定糙率初值，不同土地利用類型Strickler 系數（以Kst表示）見表1。

圖1 葉爾羌河流域中下游灌區雷達影像 Fig.1 The recorded radar image strips over the floodplain of the Yarkant river

表1 不同土地利用類型Strickler（Kst）系數Table1 The Strickler coefficient Kst table for different Surface types

3）典型洪水情景

按照《葉爾羌河流域規劃》要求，在平原灌區內沿河兩岸通過建設護岸工程與堤防工程，保障一些重要的險工段能抵御重現期為20 a 的洪水，使之不造成較大損失；一般性險工段能抗御重現期為10 a 洪水，使之不受較大損失。近期待阿爾塔什水利樞紐建成后，與灌區河段防洪工程聯合運行，可將平原灌區防洪標準從重現期為20 a 提高到重現期為50 a。

根據1959—2015 年卡群站的洪峰流量觀測資料，選擇接近防洪標準的典型洪水事件。基于洪峰流量、洪量、洪水持續時間、漲洪和退洪時間等參數，洪水模型基于高情景和低情景洪水事件2 個場景。高情景描述了1999 年8 月11 日冰川湖突發洪水事件的重大危害情況，近似重現期為20 a 的洪水（5 596 m3/s）；低情景描述了2015 年7 月28 日在未發生重大過岸洪水情況下的洪水事件，小于重現期為5 a的洪水（2 935 m3/s）。葉爾羌河卡群站2 種情景洪水參數列于表2。輸入FloodArea 模型卡群站高情景和低情景洪水過程線作為上邊界條件，艾力克塔木站水位流量關系為下邊界條件。

表2 葉爾羌河卡群站典型情景洪水參數 Table2 Scenarios for flood modelling derived by discharge measurements at Kaqun gauge station

1.3 研究方法

洪水是水流漫溢出河段或其他水體的正常范圍，或者在正常情況下水流向不受淹沒區域累積的現象[31]。葉爾羌河灌區洪水風險主要由洪水在喀群渠首以下河道中傳播及漫堤淹沒產生。FloodArea 模型主要應用于洪水動態模擬及洪水淹沒區域劃分[23]，根據模型輸入的不同，FloodArea 可模擬3 種洪水工況：①水位模式（Water Level）：整個河道網絡漫頂式，有設定水位的河道網絡柵格；②水文過程線（Hydrograph）：用戶定義的一個或多個流量過程線，如指定的堤壩潰口（或分洪口）的流量過程線；③暴雨（Rainstorm）：對一個較大面積區域暴雨的模擬，面雨量以權重柵格設置。不同于靜態洪水風險區劃圖，FloodArea 使用水動力學方法進行洪水淹沒區域模擬，在每個模擬運行時間里，相應淹沒范圍和水深都以柵格形式存儲和呈現，單元計算結果由周邊相鄰的8 個單元柵格決定，見圖3。從某單元向周邊單元流出量由Manning-Strickler 公式計算：

式中：V為流速（m/s）；Kst為下墊面糙率系數（Strickler系數，m1/3/s）；R為水力半徑（m），即流體截面積與濕周的比值；J為水力坡降。

水流的淹沒深度為淹沒水位高程與地面高程之差，即： 式中：hf為淹沒深度（m）；ha為淹沒水位高程（m）；max（ea，eb）為出流沿程最大高程（m）。淹沒過程中由地形坡向來決定水流方向。坡向指地表面上一點的切平面的法線矢量在水平面的投影與過該點的正北方向的夾角，反映斜坡所指示的方向。對地面任何一點來說，坡向表征了該點高程值改變量的最大變化方向。計算公式如下：

FloodArea 洪水模型用戶必須至少定義洪水過程線和表面糙率參數。FloodArea 模型直接結合數字高程模型（DEM），可以將水流障礙（堤壩、擋水壩，取水建筑物等）融合到DEM 模型中，從而對模型結果進行修正。

在數字高程模型（DEM）基礎上，FloodArea 模型模擬演進以柵格為單位，柵格單元劃分見圖2。

圖2 柵格單元劃分 Fig.2 Grid cell division

用Manning-Strickler 公式計算每個柵格單元與周圍8 個單元之間的洪水深度、流速以及每一個柵格單元的流向，從而得出淹沒范圍，并把這些信息顯示在洪水風險災害指示圖中。淹沒結果直觀地表現為淹沒水深的空間分布形態，通過調查葉爾羌河灌區攔河建筑物、防洪工程、水庫、洼地等，共計21 個點，實際受災點的淹沒水深或一定區域的平均淹沒水深與相同地理位置的模擬結果的對比分析，對模型模擬結果進行了修正。

2 結果與分析

將洪水模擬模型與GIS 技術相結合，疊加河道、防洪工程、渠系、灌區和居民區等基礎信息，應用洪水仿真模型推演和識別了洪水的淹沒風險區域，繪制出不同情景下洪水最大可能淹沒范圍、淹沒水深、流速等風險指標的空間分布。圖中用不同的顏色深度表示淹沒深度和洪水流速等級。

繪制的葉爾羌河灌區風險圖，按水深等級，洪水沿河道淹沒范圍進行風險區劃，即：①極深水區（>5.0 m）；②重度深水區（2.5～5.0 m）；③深水區（1.0～2.5 m）；④淺水區（<1.0 m）。按流速等級，洪水沿河道淹沒范圍進行風險分區：①急速區（>5.0 m/s）；②快速區（2.5～5.0 m/s）；③中速區（1.0～2.5 m/s）；④低速區（<1.0 m/s）。

2.1 高情景洪水淹沒范圍分析

根據洪水調查，1999 年8 月11 日葉爾羌河發生特大洪水，卡群水文站洪峰流量達6 070 m3/s，洪水沖毀或沖斷的沿河大部分臨時防洪工程，造成下游莎車縣2 個鄉8 km 防洪堤被沖毀，麥蓋提縣3 鄉、4鄉及恰斯農場、經各團場至巴楚公路被沖斷，沿河村莊大都受到不同程度的災害。此次洪水造成水毀工程多處，淹沒農田1.3 萬hm2，房屋8 000 余間，人員傷亡168 人，死亡牲畜2 988 頭，糧食157 t，直接經濟損失達1.53 億元。

洪水淹沒過程沿程空間分布是不均的，淹沒水深的分布主要取決于河道及地形高差。采用FloodArea 模型模擬卡群水文站1999 年的最大洪水（6 070 m3/s）對葉爾羌河灌區的影響，包括洪水淹沒深度、洪水流速和洪水淹沒區域，見圖3。圖3中藍色區域表示水深淹沒區，黃色區域表示流速淹沒區，用不同的顏色表示淹沒深度和洪水流速的大小，小于1.0 m 水深的淺水區淹沒面積占64.8%，小于1.0 m/s 流速的低速區淹沒面積占66.4%，對應的淹沒面積見表3。

表3 葉爾羌河灌區洪水高情景洪水淹沒范圍 Table 3 The flooding high scene inundation area in Yarkant River irrigation area

根據現場調查和記載的1999 年8 月11 日洪水資料對洪水淹沒范圍進行合理性檢查，主要根據流場分布、對比調查點的淹沒水深、淹沒面積。葉爾羌河洪水主要在主要發生在葉爾羌河卡群站以下平原灌區河段附近，河段多處被洪水沖毀部分河段河堤，向四周滿溢，淹沒區主要分布在沿河道二旁及地勢低洼地區，一些農田滯留了部分洪水，洪水淹沒范圍較大，灌區以及居民點都受到影響。灌區實際淹沒區域主要分布在莎車縣河道左岸2 個鄉，麥蓋提縣河道右岸2個鄉，巴楚2 個村及農三師48 團，受災面積約133.34 km2，與模型模擬的河道外淹沒受災面積121.2 km2，誤差為9.3%。洪水從喀群渠首到艾力克塔木斷面之間流速變化范圍0.5～5.0 m/s，洪水平均傳播速度為3.5 m/s，洪水流至艾力克塔木斷面，流速逐漸減小到約1.0 m/s，與高情景洪水中模擬的結果基本吻合。

洪水淹沒區受高程標準差、河網渠系密度、地貌和植被覆蓋度的影響，洪水風險呈現出自南向北增加的分布格局。高危險性地區的面積占比?。s20%），受災面積約133.34 km2（占12.7%），主要集中在莎車縣2 個鄉、麥蓋提2 個鄉、巴楚2 個村及農三師48團，該區域河道彎曲，地處低洼，防洪工程薄弱，植被覆蓋度較小，因此容易發生洪水災害。

圖3 葉爾羌河灌區洪水高情景淹沒范圍 Fig.3 Schematic diagram of flooding high scene inundation area in Yarkant River irrigation area

圖4 葉爾羌河灌區洪水低情景淹沒范圍 Fig.4 Schematic diagram of flooding low scene inundation area in Yarkant River irrigation area

2.2 低情景洪水淹沒范圍分析

2015 年7 月28 日，葉爾羌河發生突發洪水，卡群站斷面洪峰流量達2 450 m3/s。澤普、莎車縣基本沒有發生洪水災害，此次洪水造成葉爾羌河麥蓋提縣吐曼塔勒鄉肖卡西防洪點水毀1 450 m，巴楚縣民生渠首潰壩段被迫決口分流，麥蓋提縣吐曼塔勒鄉至民生渠首柏油路沖毀600 m，損壞路基800 m，損毀林帶1.2 km，淹沒農田40 hm2。

根據FloodArea 模型模擬卡群水文站通過2 450 m3/s 時對葉爾羌河灌區的影響，包括洪水淹沒深度、洪水流速和洪水淹沒區域，見圖4。圖4 中藍色區域表示水深淹沒區，黃色區域表示流速淹沒區，用不同的顏色表示淹沒深度和洪水流速的大小，小于1.0 m水深的淺水區淹沒面積占65.5%，小于1.0 m/s 流速的低速區淹沒面積占74.5%，對應的淹沒面積見表4。從喀群渠首到艾力克塔木斷面之間流速變化范圍小于5.0 m/s，洪水平均傳播速度為1.5 m/s，而洪水流至艾力克塔木斷面，流速逐漸減小到0.5 m/s 以內。

根據2015 年實測洪水調查對洪水模擬淹沒范圍進行合理檢查，洪水主要發生在葉爾羌河卡群站以下河道內，卡群至麥蓋提段河床相對寬闊，新修建的堤防發揮良好的防護作用，大部分河段未被洪水破壞，僅麥蓋提以下河段有3 處被洪水沖毀部分河段河堤，決口淹沒區主要分布在沿河道二旁及地勢低洼地區，淹沒面積約0.5 km2，居民點未受到影響，洪水淹沒范圍較小。

表4 葉爾羌河灌區洪水低情景洪水淹沒范圍 Table 4 The flooding low scene inundation area in Yarkant River irrigation area

3 討 論

根據1999年和2015年夏季洪水實測資料，基于GIS柵格數據構建了FloodArea洪水淹沒演算模型，考慮了行洪過程的物理機制，模擬葉爾羌河平原灌區洪水淹沒風險范圍，計算了高情景和低情景2種典型歷史洪水量級下的淹沒范圍、水深、流速等風險要素。由于不同輸入參數情況下，FloodArea模型可能表現出差異性，即使對同一場洪水而言，模型輸入參數是造成明顯程度差異性的主要原因。張艷等[22]以葉爾羌河喀群渠首至中游渠首之間的區域為例，構建了MIKEFlood洪水淹沒演算模型，計算了不同方案洪水下的淹沒范圍、水深、流速等風險要素。2個不同模型模擬的河段長度差異 較大，選取的典型洪水和洪水參數等也不相同，洪水風險趨勢基本相似。

在應用中發現，冰川湖突發洪水水流陡漲陡落，由于地形（數字高程模型）、參數處理（如糙率系數，洪水過程線，防洪建筑物，取水口等）等原因，二維潰壩洪水演進的計算結果尚不能準確反映空間上的洪水演進規律。今后，模型構建方法也有待改進，獲取更高精度的地理信息數據支撐，并研究構建三維突發洪水模型，參照更多的淹沒實例模擬，更精細地刻畫洪水在灌區河道三維空間的變化規律。

4 結 論

1）葉爾羌洪水淹沒區主要位于平原區河段附近，重現期為20 a 洪水風險較高，卡群站以下河段多處被洪水沖毀部分河段河堤，洪水漫溢淹沒區主要分布在沿河道二邊灌區的地勢低洼地區，洪水淹沒范圍較大；重現期為5 a 洪水的流程強度和洪水淹沒區比重現期為20 a 洪水有所減少，危險性等級降低，灌區以及居民點基本未受到影響。

2）防洪工程的重點是在平原灌區莎車縣、麥蓋提縣、巴楚縣河段，對于一些重點防洪河段和行蓄洪區修筑護岸防洪堤壩工程。

3）葉爾羌河的總體防洪方案是：上游山區段修建山區控制性水庫調蓄洪水，削減洪峰；平原灌區的上、中游段修筑護岸防洪堤壩工程，灌區下游主要是修筑堤坊，結合引洪灌溉控制洪水，下游生態林河道段主要是疏竣河道，結合少數堤防工程保證向塔里木河送水及維護下游百余公里的生態林生長。