基于遥感与GIS技术的洪水淹没状况分析——以安徽省安庆市望江县为例

徐 韧, 吉阳光, 赵东儒, 罗 静, 董张玉

(1.合肥工业大学 土木与水利工程学院, 安徽 合肥 230009; 2.合肥工业大学 计算机与信息学院, 安徽 合肥 230009)

洪灾频繁是中国数千年来无法回避的问题，从两个方面可以说明洪灾对中国的巨大影响。第一,洪水是中国成灾频率最高的灾害，平均每两年就会发生一次洪水灾害，对中国抗洪技术提出了挑战。其次,洪灾造成经济损失为各大灾害之首。根据民政部门的统计，1991—2008年短短不到20 a间，中国洪水灾害所造成的直接经济损失就超过2.1×1012元，严重减缓了中国经济迅速发展的步伐[1]。洪水淹没分析在洪水泛滥之前就对灾情进行模拟，能够做好灾害的防范与处置工作，使灾害处于可控状态，让各项工作有序进行，减少灾害带来的损失。

水文方法设计洪水通常分为两类，一是通过历年水文数据(统计结果)对指定区域洪水进行设计，另一种则是通过气象及其他影响因素推求设计洪水[2],但是两种方法在反映洪水带来的影响和损失方面都不够直观。过去的几十年中，遥感技术和地理信息系统进一步发展完善[3-4]，遥感技术和GIS技术在洪水淹没灾情分析上的应用更为成熟可靠[5]，这也为实现洪水预警与设计的立体化与可视化，为更加高效地设计洪水、评估损失、拟定救灾措施提供了技术支持。中国关于遥感与GIS的研究起步较慢，开始于20世纪80年代末,但发展迅速，短短20 a多内达到了一定的高度。通过查阅相关文献[6-9]我们可以总结得到，目前国内外洪水淹没研究主要分为3大类。第1类，通过传统的水文分析与计算，将结果带入风险评估模型中对洪水进行定性分析。第2类则是通过建立水文数据模型，与风险评估模型相结合，能够更加客观直接地看到洪水淹没的范围，准确评估损失，衡量风险性。而第3类则是应用遥感与GIS技术，利用水文数据直接模拟洪水淹没范围，再通过与地理信息数据相结合，定量地对洪水淹没情况展开分析，准确地计算损失，评估风险。这种方法由于其强大的可操作性正在慢慢成为主流。

本文拟在运用遥感与GIS技术的基础上，利用历史水文数据设计望江县20 a一遇的洪水水位，与遥感处理影像相叠加，得到淹没范围数据。在试验数据及相关资料支持下，使用风险及灾情评估模型对望江县地区20 a一遇的洪水进行灾情评估与分析，利用类比法提出相应的减灾措施。

1 研究区概况及数据准备

1.1 研究区概况

望江县坐落于安徽省西南角，皖鄂赣3省交界处，总面积1 357.37 km2，地势西高东低，西北部是山地丘陵地区，最高海拔达489 m(香茗山南尖)，东南为滨江滨湖平原，最低海拔为8.5 m(大湾稻香圩底)。县内有武昌湖、青草湖、泊湖、焦赛湖、岚杆湖等5个大湖泊，皖河、华阳河两大河流，自西向东流入长江。望江县属亚热带季风气候区，气候温和，四季分明[10]，年平均气温16.5 ℃，年平均降水量1 300 mm，地表径流量近6.00×108m3。望江县统计总人口达6.39×105人，分布于8县、2乡之中，目前望江县GDP已突破1.00×1010元。

1.2 数据预处理

(1) 水文数据处理。武昌湖位于望江县中部，是望江县最大水体，但望江县洪水多发区却在南部平原，其中西南部尤为突出。杨湾闸位于望江县西南部杨湾镇，处于洪水多发带。南部平原水文状况及气候条件相似，通过水文比拟法，可将杨湾闸设计洪水资料用于广大南部平原地区。

通过参数EX(样本均值，反映洪峰水位系列的平均情况)，Cv(变差系数，反映洪峰水位系列的离散程度)，Cs(偏态系数，反映洪峰水位系列的不对称程度)确定水文频率曲线，从而得到相应频率的洪峰水位。本试验中在确定了3个参数后得到当p=5%时的洪峰水位为16.85 m，后面的研究将把16.85 m作为淹没阈值。

(2) 土地分类。本文将通过监督分类对土地利用类型进行划分，划分为水体、林地、建设用地和耕地。分类前需对研究地区有一定的认识，然后结合实际选择合适的样本建立分类函数，才能达到较高的分类精度[11]。

通过查阅望江县土地规划资料，并进行实地考察，对望江县地区土地类别属性有了一定的了解。参考土地规划图以及实地考察结果对不同的训练样本进行选取。望江县地区草地仅占总面积的2.5%[12]，所以本次研究选择了林地、耕地、建设用地和水体4个样本。对选取的训练样本的离散化程度进行检验，分离性指标Jeffries-Matusita距离,transformed divergence(转换分离度)[13]可以直观反映所选择的样本之间的离散化程度。2个参数取值范围都在0～2.0,0表示样本完全混淆，2.0表示样本完全分离，检验结果越靠近2.0则分类效果越好。经过检验，本试验样本离散程度均在1.8～2.0，分离效果较好，整体精度达到了93.056%，满足要求。

根据分类数据的分散程度的不同和波段对精度的需求等确定使用最合适的分类方式。本次研究选用最大似然法(maximum likelihood)来进行监督分类。最大似然法因为与贝叶斯理论相结合，能够清晰地展示出分类结果[14]，而且对于较少波段的TM图像，最大似然法在精度上有很大优势，与本次研究数据相契合。最终土地分类结果如表1所示。

表1 望江县监督分类土地类型统计

2 研究方法

2.1 伪洼地的去除

在DEM数据中，高程低于周围栅格的区域就称为洼地。洼地分为天然洼地和伪洼地两种，天然洼地则是实际存在的洼地，伪洼地则是来自插值误差、数据读入错误等因素[15]。由于天然洼地实际数目远小于伪洼地，而伪洼地在地理数据处理的过程中会产生很大误差，所以我们对其进行了填洼处理，削弱了伪洼地的影响，很大程度上保证了精度。

2.2 灾情评估流程

结合望江县土地分类结果，通过种子蔓延淹没法，将淹没范围在DEM数据上呈现出来。通过将淹没范围与各种地理信息数据相叠加，建立灾情评估模型，通过与评估值相近的历史灾害相类比，对灾情进行模拟，提高灾害可控性，试验过程如图1所示。

图1 安徽省安庆市望江县洪水灾情设计流程

2.3 洪水淹没算法

在模拟洪水淹没范围时，本试验采用基于水位(H)的洪水淹没范围计算，在伪洼地填充后，可以近似将淹没区域地看作1个完整的水平面[16]。

水位H通过重要水文站点实测得到，或者是经由水文水力学模型推算得到的数值。如果需要对指定程度的灾情进行模拟，可以根据试验要求设置淹没阈值。

判断区域淹没的条件。格网高程值低于所给水位H，并且格网单元之间以及区域格网和洪水淹没入口区域(指坝堤溃口或山洪径流源头等洪灾发源地)相连通。

采用扫描线种子填充算法模拟洪水淹没范围。首先在河岸边界、水库堤坝等特征点处选择一个起始点作为种子点，并且保证该种子点所在扫描线位于给定区域内。将该种子点放入一个初始化的堆栈容器中。同时建立一张与研究区域格网大小相同的二维表，为淹没的点作标记，帮助在判断淹没分析过程中查找，避免重复判断同一点淹没。然后开始算法主要过程：当堆栈不为空时，从栈顶弹出一个种子点，求出种子点所在的扫描线，然后从上下相邻的扫描线中找出淹没到的子区段，并把能代表该子区段的端点压入栈。重复扫描，直到堆栈容器为空，即可得出总的淹没范围。

2.4 洪水灾情模型评估权重选取

结合水利洪水评估规范，针对各指标选取合适的权重对于洪水的准确分析意义重大。下面给出洪水灾情评估值的计算公式。

C=D×W1+P×W2+A×W3+L×W4+

F×W5+H×W6+R1×W7+

R2×W8+S×W9+T×W10

(1)

参考国家《中华人民共和国水利行业标准》，将洪涝灾害分为江河洪水灾害、台风灾害、山洪灾害、城市洪涝灾害4类[17]，此次洪灾还造成了房屋倒塌、设施破坏，损失超过一般城市洪涝灾害，所以定性为江河洪水灾害。规范中对于江河洪水灾害具体参数含义及权重值W见表2。望江县地区县城位于南部平原，耕地多分布于东南部平原，主要经济产出、人口和耕地分布地区都在淹没范围内，受洪灾影响较大，权重选择对于研究地区较为合理。

3 结果及分析

3.1 试验结果

在20 a一遇的洪水条件下，由种子蔓延法得出的淹没情况如图2所示。由于望江县最大水体，武昌湖靠近南部平原，且平原地区地势普遍较低，南部受灾严重。望江县市政府位于南部华阳镇，是望江县行政中心，虽然华阳镇较周边地区地势较高，仍然受到较大影响，将望江县人口按密度分布到各地后与淹没范围进行叠加可以得到，超过90%人口将受到如此规模洪灾影响，超过100 hm2农田绝收，超过60%建筑用地难以正常使用，受灾程度远大于遭遇相似程度洪涝侵害地区。受灾情况如表3所示。

表2 望江县灾情评估模型权重分配

图2 望江县设计洪水淹没范围表3 望江县洪水淹没受灾土地类型统计

受灾情况总面积/km2受灾面积/km2受灾比例/%建设用地319.48211.5966.23农用地855.89374.3943.74整体受灾情况1 357.37739.6754.49

3.2 望江县洪水淹没现状

望江县地形非常容易造成洪水发生，水利工程在其中起到了至关重要的作用[18]。在1998年长江中下游特大洪涝灾害后，望江县开始通过水利工程的建设改善内外洪涝状况。即使如此，望江县的洪涝灾害依旧对当地经济发展与人民的生活产生了巨大的负面影响，当前防洪、除涝设施远远不能满足发展的需求。防洪工程建设速度缓慢加上围湖垦田现象严重导致目前望江县地区抗洪形势依旧不容乐观，而通过灾情评估可以快速估算损失，参考类似等级的各地区洪灾情况并结合研究地区实际情况提出合适的抗灾措施，以求减少灾害带来的损失。

3.3 模型计算与灾情分析

如图3所示，2016年6月下旬，7月上旬于望江县发生了持续降水，最高水位达到了16.9 m，淹没实际情况与本试验设计淹没水深16.85相似，此处利用本试验淹没范围与调查受灾数据相结合对此次灾情进行设计分析。利用综合指数的洪水灾情评估模型可以快速对洪水等级进行评估，在最快时间得出应对洪水的方案，通过参考灾情模型指数相似的洪灾处理方法可以迅速合理地给出解决方案，减少损失。

由试验数据淹没范围与望江县人口密度分布图相叠加可以得到受灾人口及受灾人口占总人口的比例，用淹没范围与土地利用类型相叠加可以得到农作物受灾面积以及受灾面积占总耕地面积的比例。

图3 2016年望江县设计洪水期间降雨量水位关系

通过调查暴雨持续时间内降水量以及水位数据如图3所示，可以直观反映出洪水水位升降快慢及变化趋势，便于针对灾情提出解决方案，并能够直观反映受灾持续时间以及各时段受灾程度大小。

根据调查资料得知截止7月5日，全县约50万人受到洪水影响，无人遇难，受灾面积超过4.00×104hm2，成灾面积超过3.00×104hm2。洪灾期间5条省级道路因路面低洼而积水严重，望江县华阳镇内9条城区主交通干道无法投入使用，严重阻碍县城发展，影响人民正常生活。洪水期间倒塌房屋170多间，县城区超过四成地区受灾。望江县在此次洪灾中整体经济损失超过7.70×108元，其中仅农业损失一项就超过6.30×108元，水利设施经济损失达到32 192元。通过水位时间图4可以得知水位在7月5日已经接近最高点，以上信息较具有代表性。

通过以上试验数据及调查资料，得到最终洪灾评估值如表4所示，其中在计算参数取值时利用直线插值法。

表4 望江县灾情评估模型结果

注：同一参数内不同取值取较大的作为参考值。参数上限采用参数取值50～75段构造出的插值直线外延取值，超出上限参数取100。

通过查阅相关资料得知，台风“珍珠”洪涝灾情评估值为48[17]，与本次试验受灾程度相似，下面本文参考“珍珠”的抢险救灾措施并结合望江县地形与本次试验数据提出合理救灾方案。

首先，对洪灾的预警与防范能够提高应对和处理灾情的能力。在对抗“珍珠”的过程中，汕头各市在预知了台风的到来之后对辖区内危房逐一检查，加强对各个施工地点的安全监控，及时发现问题加以修复。为了减少潜在的威胁，针对堤坝、山区径流、蓄水设施等水工建筑进行全面安全排查，并且准备了充足的救灾物资。在望江县地区，除了对房屋、路标、供电设施等进行质量检查，还可以通过试验数据判断受灾范围，设立灾害庇护中心，转移可能受灾严重地区的人民，增派医护人员支援，及时地对受灾人口提供医药救护。通过对城镇、低洼区域淹没水位试验数据的分析，可以提前做好排涝准备，检查地下排水系统，保证排水能力最大限度满足排涝需要。

其次，专业人员的指导对于救灾至关重要。在“珍珠”抢险救灾过程中，专家组第一时间赶到沿海各市受灾区，在抗洪救灾现场进行指挥，力求正确应对突发情况，避免因救灾不当而造成损失。在本试验中，通过分析遥感与GIS试验数据，专家组可以在到达现场之前就对灾情有一定的认识。对于淹没范围、淹没深度、洪水蔓延趋势的准确认知可以帮助专家组决策，提出最优方案，进一步减少损失。

对于灾后重建工作，根据试验数据，对受灾范围进行卫生防疫、全面检修，可提高重建效率。试验数据可以直接记录到档案作为样本，有助于在以后的研究、灾情分析中快速准确地提供数据支持。另外，淹没模拟可以用于防洪演习中，提高人民群众对于洪灾的处置能力，减少人员伤亡。

4 结 论

本次研究通过对望江县地区20 a一遇的洪水灾情进行分析，体现了遥感与GIS在洪水灾情分析中对于灾情范围的精确掌握，展现了其在洪水灾情分析中能够起到的重要作用。

试验结果表明，遥感技术与GIS技术在洪水灾害的预警方面有着很强的能力，可以呈现设计水位下洪水淹没范围，表现淹没蔓延趋势，缩小防灾范围，有针对性地进行预防，提高灾情处理能力。在抢险救灾时，可以根据淹没数据提出最佳救灾方案，减小损失。遥感与GIS数据记入档案能比数字数据更直观地反映灾情，为后续研究、抗洪救灾等提供支持。

由此可见，遥感与GIS技术强大的洪灾模拟能力正是洪灾泛滥的中国所需要的，科学合理地处置洪灾可以减少大量损失，用于建设发展。在未来的抗洪救灾道路上，遥感与GIS技术应当被更加广泛地利用，为中国抵御洪灾提供科学技术支持。