基于GIS技术在山洪灾害调查评价工作中的应用

2015-01-28王全益张虎王靖王春华

科学中国人 2015年15期

关键词：南漳县山洪流域

王全益，张虎，王靖，王春华

1孝感市水文水资源勘测局；2襄阳市水文水资源勘测局

基于GIS技术在山洪灾害调查评价工作中的应用

王全益1，张虎1，王靖1，王春华2

1孝感市水文水资源勘测局；2襄阳市水文水资源勘测局

2014年湖北省襄阳市以南漳县、保康县山洪易发区，开展山洪灾害调查评价工作。根据山洪灾害调查评价的要求，为山洪灾害监测系统提供基础信息，调查工作中以GIS信息为基础，联合GPS详查定位，GIS技术的应用为山洪灾害调查工作提供了强有力的技术支持。为其他防灾减灾非工程措施建设探索依据。

山洪灾害；GIS技术；调查评价；应用

1 引言

山洪灾害是指因降雨在山丘区引发的洪水及由山洪诱发的泥石流、滑坡等对国民经济和人民生命财产造成损失的灾害。山洪灾害突发性强，破坏力大，预报预警难，在局部地区引发的灾害经常是毁灭性的，防御非常困难。为了解山洪灾害防御区域的详细基本情况，2014年湖北省襄阳市以南漳县、保康县山洪易发区，开展了山洪灾害调查评价工作。为山洪灾害监测系统提供基础信息，调查工作中以GIS信息为基础，联合GPS详查定位，GIS技术应用为山洪灾害调查工作提供了强有力的技术支持。本文就GIS技术在山洪灾害调查评价工作的应用及相关成果进行阐述，为其他防灾减灾非工程措施系统建设提供一定的依据。

2 GIS技术基本原理

地理信息系统(Geographic Information System,简称GIS)是介于信息科学、空间科学和地球科学之间的交叉学科与新技术学科,是专用于地理空间信息处理和管理的计算机技术系统。GIS是一种有效地收集、存贮、分析、再现空间信息的地理信息系统,它不仅利用属性数据,更重要是利用空间信息进行分析、模拟与评价，以解决复杂的山洪灾害区域评价、预警、管理等问题，打破传统水文地理空间分析中以单一的模型分析缺陷，提高山洪灾害易发区的勘查、评价与信息管理效率和精度，为山洪灾害评价、预警、管理等探索新的技术途径。

3 GIS技术在山洪灾害调查评价工作中的主要工作流程

山洪灾害的主导因子是局部短历时暴雨或强降雨，大多发生在小流域地区，本次山洪调查评价以小流域为单元，开展山洪灾害基本情况、小流域基本特征、水文、社会经济等情况的调查，综合分析沿河村落、集镇和城镇的现状防洪能力，以村为单元划分危险区，科学确定预警指标和阈值，为及时准确预警和灾害防御提供基础支撑。

调查评价工作按县行政区划（或按水文分区）划分若干片区进行，具体工作流程如下：工作准备阶段→暴雨洪水计算阶段→分析评价阶段→成果整理阶段→防御措施及综合评价。基于GIS的山洪灾害调查评价系统可高效的实现整个程序的调查与评价工作。

4 实例

4.1 调查评价区域概况

根据山洪灾害调查评价技术大纲的要求，在湖北省襄阳市保康县、南漳县两山区县的山洪防治区内，按照已划分的小流域为单元，以沿河乡镇、厂矿企业、村落等为对象，全面开展山洪灾害调查和评价工作。

保康县、南漳县地处鄂西北山区，属亚热带季风气候，境内多为山地，地势陡峭，沟叉丛横，交通环境复杂是山洪灾害多发区域。项目区保康境内有河流分别属南河、沮漳河、蛮河三大流域，河长10km以上的河流有37条。南漳县境内共有大小河流187条，其中流域面积在100km2以上的有12条，50～100km2的有9条，50km2以下的有166条。

主要河流有蛮河、沮河、漳河、渭水等。蓄水工程大型5座、中型3座、小型157座、塘坝11364座。堤防74.83km；其中4级堤防7处，5级堤防4处。

自然灾害主要表现在旱、涝、风、雹等，局部灾害几乎年年发生。

4.2 基础数据系统建立

山洪灾害调查评价工作包括外业采集和内业分析评价两大阶段。

（1）GIS基础信息资料收集

收集调查区域范围内的GIS基础地理信息数据和卫星遥感影像数据，包括1：5万DLG数据、DEM数据等，利用ArcGIS软件在DLG和DEM中获取河流名称、水系形状、集水区域边界。

工作底图中小流域基本信息包括：小流域面积、周长、形心高程、出口高程、最高高程、流域坡度、最长汇流路径长度、最长汇流路径比降、形状系数、河段长度、河段比降、单位线洪峰模数、汇流时间、降雨量、村落、水利工程、桥涵、受威胁人口及调查河段等。

在数据地图中按1～50km面积划分出小流域分水线，保康县、南漳县山洪灾害调查项目区县内共划分小流域数量693个（详情见图1）。详查标注蓄水工程大型5座、中型3座、小型157座、塘坝11364座，堤防74.83km，调查河段425处。

（2）外业数据采集

野外调查和保护范围的数据采集是山洪灾害调查评价工作的基础，本次外业采用山洪评价系统，是基于GIS地理信息划定沿河村落、重要集镇、厂矿企业、学校、水利工程、桥涵等调查路线，根据现场实际情况和CORS信号，采用网络RTK结合全站仪测量方案，对山洪威胁的沿河保护范围进行控制定位测量，地面定位测量成果主要反映河道断面形态和特征，标注成灾水位和历史最高洪水位等。断面测量工作的范围为沿河村落所在沟道的横断面测量和纵断面测量。采集数据应满足小流域暴雨洪水分析计算、防洪现状评价、危险区划定和预警指标分析的要求。

点数据采集具体方法是：在测区内选择数个通信信号较好的地点，布设控制点（不少于4个）并采用CORS网络RTK方式测定平面坐标和大地高，并通过HBCORS测绘中心进行在线解算获得控制点的平面坐标和85高程（黄海）。测区在CORS信号较差时，在测区架设基准站，采用电台传输差分信号，根据控制点平面坐标和85高程求解转换参数，采用流动站（RTK）直接测量。或选取合适的控制点位架设全站仪，采用全站仪测量。

（3）暴雨洪水计算模型的确定

由于调查区域内山洪灾害大多以小流域局部暴雨产生，小流域多在山丘区，集水面积小，河长短、汇流快，洪水过程往往只有几十分钟，受洪峰流量影响明显。假定Δt应与单位线时段一致，选取的时段过长雨量均化有漏峰现象，不能保证洪水的计算精度，时段过短又会增加计算工作量，且雨型选配困难。通常当集水面积＞20km,选择24小时雨型，计算时段Δt=1h；集水面积在20km以下的按6h雨型，计算时段Δt=0.5h；在5km以下的按3h雨型，计算时段Δt=0.5h，这样更符合实际洪水汇流快、峰值大的特点。设计洪水模型以暴雨形成洪水过程的理论为基础，采用瞬时单位线法、推理公式法、标准单位线法推求，推求保护区某河道控制断面设计洪水的洪峰流量、洪水总量和洪水过程线。而后基于GIS系统平台采用分布式水文预报模型逐控制单元推求暴雨洪水过程。

（4）评价系统的建立与分析

山洪灾害调查评价系统通过调查区域外业采集信息、雨洪采集分析系统、灾害评价系统、灾害防御警示系统等等子系统的基础上建立。

外业采集信息包含沿河村落、重要集镇、厂矿企业、学校、水利工程、桥涵等受到山洪威胁的区域地理位置信息，按照不同属性分类分层制作底图显示。以暴雨、山洪灾害、人口等基本信息建立数据库。

雨洪采集分析系统在原有的水文、雨量站点的基础上实行网络对接，结合历史暴雨洪水资料分析推求造洪阀值雨量、水位，确定保护范围预警指标。山洪灾害预警指标，特别是雨量指标的确定思路与方法的选择受到资料基础及技术条件等方面的限制，临界雨量指标的确定方法，主要方法包括以下几种。

1）历史洪水资料统计分析法；

2）历史实际山洪灾害事件统计法；

3）暴雨临界曲线法；

4）水位/流量反推法；

5）区域山洪临界雨量计算方法；

6）比拟法；

7）分布式流域水文模型法。

灾害评价系统及灾害防御警示系统是根据实时水雨情信息分析评价出灾害区域灾害等级，灾害等级分为：极度危险区、高危险区、危险区。根据不同的灾害等级基于GIS地理信息划定危险区域（见图2），提出预警分析成果和预警方式，划定灾害区域迁移路线。

4.3 成果提交

2014年襄阳市山洪灾害调查评价成果分为汇总成果、中间成果、过渡文档三部分，即分别为保康县、南漳县两个项目区山洪灾害防治区人口分布图集；山洪灾害防治区小流域图集；山洪灾害防治区小流域基础属性数据；山洪灾害防治区小流域河段基础属性数据；山洪灾害防治区小流域设计暴雨洪水成果；山洪灾害防治区小流域预警指标及阈值分析计算成果；山洪灾害防治区影响居民区安全的涉水工程基本信息；山洪灾害危险区图集；山洪灾害防治区沿河村落防洪现状评价报告等16项汇总成果。中间成果有测量观测工作手册；计算资料；纵、横断面成果表，纵、横断面图；断面基点成果表；测量技术报告、质量管理运行表等6项。过渡成果有外业调查日志；评价工作日志；项目例会、专题会等会议纪要；项目实施阶段总结报告等7项。