南方丘陵区流域提取及洪水淹没模拟----以赣江上游为例

王小军，刘光旭 (赣南师范大学 地理与规划学院，江西 赣州 341000)

0 引 言

近百年气候变化下，极端灾害频繁发生，我国处在世界季风最显著的区域，由此导致的暴雨洪涝等灾害迅速增多，对城市、工农业生产、居民生活等造成重大损失。因此，分析河流水系特征，探索洪水淹没规律，模拟并预测洪水淹没范围具有重要的现实意义，应用GIS技术进行水文分析也成为研究重点方向。流域提取相关研究主要集中在基于GIS的水系提取及流域水文分析[1,2]，Barnes等[3]提出凹陷填充算法，高翔等[4]提出等差分级算法，以优化DEM填洼算法；为了避免主观性和随意性，常直杨等[5]提出均指变点分析法，叶章蕊等[6]提出曲线割线斜率法，对集水面积阈值合理性进行探索；李彪等[7]从分形分维和数学函数分析南流江流域并提取河网信息，提高了研究结果的准确性和可靠性。洪水淹没方面，主要有洪水淹没区提取[8,9]，洪水灾害风险区划[10,11]，洪灾损失评估[12,13]，和洪水淹没模拟[14-16]四大方向。对于洪水淹没模拟，杨军等[17]分析了给定水位与水量两种洪水淹没范围计算方法，得出两种方法都有一定现实意义；来全[18]和金哲等[19]对比无源淹没与有源淹没后，都认为有源淹没更适宜推广；孙海等[20]提出新的环形淹没算法，陈静等[21]提出地形瓦片为单元的有源淹没算法，进行不同算法的比较分析；杨启贵等[22]针对常规种子蔓延算法大量递归运算，效率不高，不能运算大型数据等缺点，提出分块种子蔓延算法，李娟等[23]针对有源淹没模型效率问题提出兼顾连通性和效率的淹没区扩展法，以改进现有算法的效率，这些研究为抗洪救灾、防洪疏散提供了积极有益的指导。以上研究主要从理论和技术上改进和丰富了水文分析的内容，较少将成果应用在某研究区的实际范围，因此本文以得到具体行政区淹没范围为目标，进行相关研究。

在河网众多且降水变率大的南方丘陵区中，江西赣江上游流域是深受暴雨洪涝灾害侵袭的典型区域之一，已有研究显示赣州降水强度和最大日降水量呈上升趋势[24]。因此基于GIS提取赣江上游水系并进行流域特征分析，将洪水模拟与具体行政区叠加以得到淹没区实际范围，为抗洪救灾、转移安置提供重要信息参考，不仅是水利工程研究价值的具体体现，也是人民生命财产安全得到保障的重要技术支持。

1 研究数据与方法

1.1 研究区概况

赣江是长江主要支流之一，江西“五河”之首，发源于赣闽边界武夷山西麓，赣州石城县赣江源村，自南向北流经整个江西，分别以赣州和新干划分为上中下游。赣江上游流域在江西省南部，位于113°54′～116°38′E，24°29′～27°09′N之间，处于我国东南沿海地区向中部内地延伸的过渡地带，也是内地通向东南沿海的重要通道之一。研究区赣江上游流域，绝大部分在赣州市境内，四周山峦重叠、丘陵起伏，形成溪水密布，河流纵横，地势周高中低，南高北低，水系呈辐辏状向中心。千余条支流汇成上犹江、章水、桃江、濂江、湘水、绵水、琴江、梅江、平江和贡水10 条较大支流。流域处中亚热带南源，年平均气温18.5～19 ℃，多年平均降水量1439.8～1 515.6 mm，多集中在5-10月，属典型的亚热带季风性湿润气候，呈四季分明，光热充足，生长季长，冷暖变化显著，降水丰沛但分配不均等特点。

1.2 数据来源

高程数据来源于地理空间数据云GDEM30 m分辨率数字高程数据，主要是赣州市范围的DEM；水系图、行政区图来自国家基础地理信息中心，包括赣江东源至鄱阳湖线状要素，江西省、赣州市、宁都县、石城县的行政边界线状和面状要素。地理坐标系统为GCS_Xian_1980，投影坐标系统为Xian_1980_3_Degree_GK_CM_114E。

1.3 水系提取及特征分析

ArcGIS水文分析目的是地表水的运动建模，再现水流的流动过程。应用Arc Hydro模型进行流域水系特征自动提取，主要步骤有：①采用AGREE算法进行DEM校正，保证流域连贯性进行洼地填充；②采用单流向法中的D8算法进行流向分析；③根据流向分析汇流累积量进行汇流分析；④确定集水面积阈值进行河网分析；⑤流域分析。

在河网分析和流域分析的基础上，计算得出赣江上游流域及其子流域的面积，河长，河网密度并分析水系平面形状。流域面积是指流域周围分水线与河口断面之间所包围的面积，一般指地表水的集水面积。河长是指从河口到河源的河道水面中心线的距离。河网密度，指流域内干支流总河长与流域面积的比值。流域内所有河流、湖泊等各种水体组成的水网系统，称作水系，水系平面形状即干支流组成的几何形态，有树枝状水系、扇形水系、羽状水系、平行状水系和格子状水系等。根据Spatial Analyst工具和Strahler的河流分级法进行水系分级，该方法定义直接发源于河源的河流为一级河流，同级的两条河流交汇形成的河流，其级别比原来高一级，不同级的两条河流交汇形成的河流，其级别为两条河流中较高者，一次类推至干流，干流是水系中最高级别的河流[25]。在水系分级条件下计算河流分叉比，河长比，和水系分形维数等。河流分叉比(Rb)，指流域内除最高级别水系外，每一级别水系的总数与比它高一级别水系总数的比值；河长比(RL)，指流域内除最低级别水系外，每一级别水系的平均长度与比它低一级别水系平均长度之比，全流域河网分叉比与河长比为所有等级水系的平均值；水系分形维数(Db)，反映水系的发育程度，表明水系密度的大小与河流弯曲程度，分形维数越大，则水系密度越大、河流越弯曲[26]。

1.4 洪水淹没分析

洪水淹没是由动态而至平衡的渐进过程，确定最终淹没范围，通常有2种方法：基于水量的洪水淹没范围计算和基于水位的洪水淹没范围计算[27]。给定水位的模型则相对简单，洪水水位数据的获取也较为容易，在实际防洪过程更具参考价值，故本文采用基于水位的淹没分析。基于水位的淹没分析，分两种情形：无源淹没和有源淹没[27]。有源淹没考虑淹没区之间的连通状况，在洪水模拟中更加合理。同时研究区赣江上游流域为降水变率大，容易发生洪水的丘陵地区，故本文采用有源淹没模型进行洪水淹没分析。

基于有源淹没分析，兼顾计算效率和稳定性，本文采用种子蔓延法进行有源淹没分析。种子蔓延算法是首先选定淹没区域的种子点，然后以种子点为扩散中心的一种空间特征的扩散探测算法[28]。其运行过程是，在某确定区域内，选择一个点，即种子点，并给其赋有实际作用值，然后从种子点开始向周围的8个方向扩散淹没，凡是高程低于给定水位的栅格都计入淹没区，否则则是非淹没区，如图1所示。只有在有源淹没情况下，且种子点需要与淹没区连通，才能使用种子蔓延算法，从而区分正确的淹没区。

图1 种子蔓延算法扩散方向Fig.1 Diffusion direction of seed spread algorithm

2 结果与分析

2.1 赣江上游水系提取及特征分析结果

Arc Hydro Tools是GIS和水文地理领域知识相结合的一种水文时空序列地理数据模型，它包括流域水文模拟最基本的流域要素和参数，是流域模拟的标准信息平台。下面介绍本研究具体的操作及结果。

(1)DEM校正：在GIS中添加Arc Hydro Tools工具条；依次单击Terrain Preprocessing，DEM Manipulation，DEM Reconditioning，打开DEM校正对话框。Raw DEM选择加载进来的赣江上游流域栅格型DEM，AGREE Stream选择相应的分水岭，生成校正后的DEM数据AgreeDEM。

(2)填洼：依次单击Terrain Preprocessing，DEM Manipulation，Fill Sinks，打开填洼对话框，DEM选择AgreeDEM，生成填洼后的DEM数据Fil。

(3)流向计算：依次单击Terrain Preprocessing，Flow Direction，打开计算流向对话框。Hydro DEM选择Fil，生成流向计算结果Fdr。

(4)汇流累积计算：依次单击Terrain Preprocessing，Flow Accumulation，打开流量计算对话框。Flow Direction Grid选择Fdr，生成流量计算结果Fac。

(5)定义水流：依次单击Terrain Preprocessing，Stream Definition，打开定义水流对话框。Flow Accumulation Grid选择Fac，以集水区面积350 km2(默认1%)为阈值，生成水流定义结果Str。

(6)水流分割：依次单击Terrain Preprocessing，Stream Segmentation，打开水流分割对话框。Flow Direction Grid 选择Fdr，Stream Grid选择Str，生成水流分割结果StrLnk。

(7)流域栅格划定：依次单击Terrain Preprocessing，Catchment Grid Delineation，打开流域栅格划定对话框。Flow Direction Grid选择Fdr，Link Grid选择StrLnk，生成流域栅格划定结果Cat。

(8)排水路线：依次单击Terrain Preprocessing，Drainage Line Processing，打开排水路线处理对话框。Stream Link Grid选择StrLnk，Flow Direction Grid选择Fdr，生成排水路线结果DrainageLine，即提取的赣江上游水系，结果如图2所示。

(9)子流域划分：令Fac、DrainageLine和分水岭数据集可见，单击Batch Point Generation按钮“×”，选择DrainageLine中的某点作为排水点，在弹出的对话框中输入Name和Description，重复步骤知道排水点合适为止。依次单击Watershed Processing，Batch Subwatershed Delineation，打开批量划分子流域对话框。Flow Direction Grid 选择Fdr，Stream Grid选择Str，Batch Point选择BatchPoint，生成排水点Subwatershed Point和子流域Subwatershed，结果如图2所示。

(10)河网分级：打开ArcToolbox工具箱，依次单击Spatial Analyst Tools，Hydrology，Stream Order，打开河网分级对话框。Input River Grid Data选择Str，Input Flow Grid Data选择Fdr，Stream Order Method选择STRAHLER，生成水系等级，结果如图2所示。

图2 赣江上游子流域、排水点、水系及其等级Fig.2 The subbasin,drainage point,waterways and grade of upstream of Gan River

由图2可知，赣江上游水系呈树枝状，这与赣南地区花岗岩分布广泛有密切关系[29,30]；受四面环山的地形影响，支流从四周向中心，由北往南于中北部(章贡区)汇合；由此产生东西两面源头，西源章水发源于崇义县聂都山，纳上犹江称章江，发源于石城县横江镇的东源，纳绵水、湘水、濂水、桃江、琴江、梅江和平江为贡江，章江和贡江于赣江汇合称赣江。综合水系等级和流域面积因素，以章贡两江为基础，往上一级支流再划分出来，其中为了便于比较，使各流域面积适中，琴江和桃江上流域再次划分出来，所以选取11个(图中章水与贡水两点重合)排水点，划分成12个子流域。水系等级中，从源头开始，到流出赣州，生成4级河流，1级数量最多，4级数量最少；紫色代表源头1级，绿色表示两条1级汇合而成的2级河流，两条2级汇合成3级用蓝色表示，最高级用红色表示。

通过GIS计算赣江上游流域及其子流域河网长度、面积、河网密度，打开水系、子流域数据的Attribute Table，在相应字段上右击，选择Statistics，统计结果如表1所示。

表1 赣江上游流域特征Tab.1 The basin features of upstream of Gan River

以默认1%阈值，集水区面积350 km2提取的赣江上游流域河流总长度1 673.2 km，流域面积34 056.3 km2，河网密度0.05 km/km2；划分的12个子流域中，梅江流域的河网长度最长、流域面积最大，分别是239.7 km和4 884.8 km2，河网长度最短、流域面积最小的是赣江，分别是44 km和822.1 km2，河网密度最大0.07，最小0.03，分别是贡水和湘江。集水区阈值设置的不同，导致提取的河网长度存在差异，也因此计算出相对较小的河网密度。

根据河流分级结果，计算各级河流长度，分叉比，河长比等，结果见表2。河流分叉比(Rb)其计算公式为：河流分歧率=Nu/Nu+ 1，其中Nu为U级河流的条数，Nu+1为U+1级河流的条数。河长比(RL)计算方法为每一级别水系的平均长度与比它低一级别水系平均长度之比。水系分形维数(Db)计算公式为：

(1)

表2 赣江上游水系等级及特征Tab.2 The water level and the characteristics of upstream of Gan River

从图2和表1都可以看出，随着河流等级增高，河流数量减少；最大河长呈递减趋势，最小河长呈递增趋势，而平均长度则呈动态稳定，变化较小；各级水系的分叉比和河长比范围为1.7～4.5、0.9～1.1，全流域水系的分叉比为2.7，河长比为1.0。由式(1)得赣江上游流域水系分维数为2，该结果与马宗伟等[31]采用网格覆盖法得到的赣江上游流域分维结果差异较大，可能是研究区高等级河流路径短，由此平均长度差异较小，从而河长比为1，以及GIS默认1%集水区阈值不合理导致。但是基于此结果对分析赣江上游流域特征及洪水淹没模拟的影响在合理范围内。

2.2 赣江上游淹没模拟结果

根据有源淹没模型和种子蔓延算法，结合需求选择洪水模拟区域，本研究选择较易发生洪水的琴江流域，通过流域面进而确定所对应流域DEM，借助ArcGIS平台实现淹没区模拟。

(1)选择梅江琴江流域：令子流域Subwatershed图层显示，激活Editor工具，选择琴江流域，然后导出数据，并命名为“QinJ”。

(2)剪裁对应DEM：令QinJ图层和全流域DEM图层显示，依次点击Data Management Tools，Raster，Raster Processing，Clip，打开剪裁对话框，在Input Raster下拉选择全流域DEM数据，在Output Extent下拉选择QinJ矢量数据，勾选“Use Input Features for Clipping Geometry”，保证剪裁范围按照矢量多边形范围剪裁，点击OK并命名为“QinJ_dem”。

(3)设置洪水高程：激活Spatial Analyst工具，点击Spatial Analyst菜单下Raster Calculator，打开设置洪水位高程对话框，琴江流域最低海拔150 m，故分别设置“QinJ_dem”≤165，180，200 m，结果如图3所示。

图3 琴江流域洪水淹没模拟Fig.3 Flood inundation simulation of Qin River basin

(4)将Raster转化成Features：依次点击Spatial Analyst，Convert，Raster to Features，打开对话框，在Input raster中选择上求得的淹没区栅格数据，在Output geometrytype中选择Polygon，写好保存路径后点击OK生成Features。

(5)建立个人数据库：打开ArcCatalog，在相应文件夹下，新建FeatureDateset，打开要素集对话框，设置Name为“QinJ_FeatureDateset”，在Coordinate System中依次选择Geographic Coordinate Systems，Asia，Xian1980。

(6)将Features数据导入QinJ_FeatureDateset要素集中，并命名为“QinJ_Feature”。

(7)确定连通区：打开QinJ_Feature数据的Attribute Table，对照图层显示，确定连通区。

(8)计算淹没面积：在确定好的淹没区Attribute Table，点击Options，Add Field，添加Name为Shape_Area字段，Type为Double。然后右击Shape_Area，选择∑Statietic，弹出的对话框中将显示淹没区总面积的统计数据。

当洪水高程为180 m时，通过GIS计算得到淹没面积为3 165 m2。将淹没区与行政区叠加得到直观的淹没范围，结果如图4所示。

图4 琴江30 m高洪水实际淹没范围Fig.4 30 m high flood actual submerged area in Qin River

图4中可以看出，琴江流域易发洪水区域，从行政区域看主要宁都县和石城县交界处，尤其是宁都县；从河流分布看主要在河流两侧，且在下游，原因是地形地势分布；从与河流的相对位置看主要在琴江北岸，可能是洪灾时期，流速快、流量大的洪水，在科里奥利力作用下，聚集在河流相对平缓且靠右处。

3 结 语

本文基于GIS知识与技术，从赣江上游流域DEM数据中提取水系，分析流域信息，并进行洪水淹没模拟，与行政功区域叠合得到实际淹没区。得出以下结论。

(1)运用GIS技术和知识提取赣江流域信息速度快、准确度高。相比于编写代码，ArcGIS尤其是Arc Hydro Tools，既集合了各种空间分析功能，又具备专业工具，只需要根据相应需求进行操作即可实现所求。

(2)基于水位且有源的洪水淹没模拟在赣江上游丘陵区具有较好的适用性，种子蔓延算法在数据量不大的赣江上游研究区效率较高。本研究采用有源淹没模型，得到较好的模拟效果；虽然种子淹没算法尚有改进空间，但是在数据量不大的情况下，速度和效率兼具，仍具备较大价值。

(3)提取的赣江上游水系及流域信息较准确。以默认1%的集水区阈值提取的赣江上游水系呈树枝状，流域面积34 056.3 km2，河流总长度1 673.2 km，河网密度0.05 km/km2，流域盆地形状，河流弯曲系数为，12个子流域水系的分叉比为1.7～4.5，河长比范围为0.9～1.1；以子流域琴江为例进行洪水淹没模拟，在洪水高程为180 m时，淹没面积为3 165 m2。

(4)淹没区与实际区域叠合分析，发现宁都与石城交界处更易发生洪灾，且琴江北岸淹没范围较大。本研究在淹没模拟后，与行政图叠加分析，进一步得到实际淹没范围，更具有现实意义；对琴江流域淹没区具体分析后，发现受灾区主要在宁都石城交界处，河流两侧以及河流北岸。

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