基于遥感影像和DEM数据的高原湖泊溢流模拟

罗永臻，董春

(中国测绘科学研究院，北京 100036)

0 引言

近50年当中青藏高原地区气候发生显著变化，融水增加，但由于青藏高原特殊的地理位置，该地区的水文资料等相关数据难以获取，而数字高程模型(digital elevation model，DEM)数据既保证了一定的地形精度，在数据量上又比其他遥感数据更为小巧且容易获取，在尽可能小地耗费人力物力的情况下，可以得到较为满意的研究结果。而在2011年前后，位于可可西里地区的卓乃湖发生溃决导致洪水流向下游库塞湖区，受此影响，库塞湖出现湖水外溢的情况，导致其下游的海丁诺尔出现类似情况，并最终汇入海丁诺尔东南侧的盐湖[1]。杨勇[2]认为，卓乃湖溃决的主要原因在于古河道季节河流的溯源侵蚀所导致，而姚晓军等[3]认为可可西里地区降水增加和蒸发减少是该地区湖水溃决的主要原因。不管何种原因，卓乃湖、库塞湖、海丁诺尔和盐湖已经建立出了自上而下影响的水文关系。

而下游的盐湖作为该水文系统中的最终接收者，在2018年前后也出现了与上游相同的溃决溢流风险。不同于上游3个湖区的情况是，盐湖东部有青藏铁路和青藏公路高寒区国家工程，较大的湖水溢流可能会对这些工程的路基造成破坏[4]，所以需要进行盐湖溢流的模拟分析，从而确定其大致影响范围。本文就是要在快速反应迅速确定影响面积的条件下，基于数字高程模型来进行盐湖区域的水文模拟分析。2002年，吴险峰等[5]利用DEM数据对黄河小花间流域进行了数字降水径流模拟，得出了研究区域的流域模拟图；2005年，黄金良等[6]利用DEM数据对九龙江流域进行水文模拟获取到了该地区流量模拟；Tarekkegn等[7]2010年利用15 m的DEM数据作为水动力模型的输入数据，精确地模拟了塔纳湖水位变化影响；Gichamo等[8]于2012年利用全球数字高程模型进行垂直偏差校正后，对匈牙利Tisza河部分地区的洪水进行模拟，得到了较好结果，证明了DEM数据在该方面的应用潜力；在2016年，李林娜等[9]基于ArcGIS平台与90 m DEM数据对元江县内的水域进行了河网提取，并通过水文模拟对居民地规划提供了参考；2021年，刘凤梅等[10]通过DEM数据水文分析对珠江三角洲流域进行了流域盆地范围模拟，在当地土地利用规划中发挥了重要的指导意义。

目前，基于DEM数据进行的水文分析都基本保持在河网提取和盆地分析层面，而本文在进行水文分析与模拟的基础上又根据河网与研究区高程值进行了湖泊溢流影响面积模拟，便于确定盐湖溢流后造成的影响面积并迅速对盐湖溢流可能造成的影响范围进行研究和探讨。

1 研究区域与数据情况

1.1 研究区域概况

研究区域为卓乃湖、海丁诺尔的下游盐湖地区，又名68道班盐湖[11]，位于格尔木市西南方，属于青海省玉树藏族自治州治多县，从海丁诺尔湖区至清水湖间海拔落差为4 462～4 497 m。湖区属于青海南部高寒草原半干旱气候，年平均气温为-4.0～-1.0 ℃，年降水量为150～200 mm，目前因为其位于可可西里自然保护区范围内，盐业开采活动在20世纪80年代已经停止。在盐湖西侧，自西向东分别为卓乃湖、库塞湖和海丁诺尔湖。其中自2011年后，卓乃湖溃决后便迅速形成了与库塞湖间的河道。

1.2 数据情况

受数据源限制，且为了实现快速预测湖泊溢流影响的目的，在保证一定精度的情况下，本研究用到的数字高程模型为航天飞机雷达地形测绘使命(shuttle radar topography mission，SRTM)数据，根据文献[12-15]等的研究，选取分辨率为30 m的DEM初始数据。该数据由美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)在2000年利用奋进号航天飞机上的雷达测观测所得，是利用次数最多的高程数据，覆盖了全球南北纬60°以内的区域。由Wang等[16]研究可知，DEM数据可以计算水文资料并具有一定可靠性。2011年10月，海丁诺尔湖水还未进入到盐湖当中，在这之后，海丁诺尔湖发生溢流现象，湖水溢流进入盐湖[17]，如图1所示。2012年开始，盐湖库容开始了快速增长的阶段，从2010年10月至2012年10月间，盐湖湖面积扩大了3倍左右，到2015年底，盐湖面积增加到了将近150 km2，而在2015年之后，根据Landsat卫星影像可以直接通过目视判别得出盐湖的面积直到2020年9月份仍在持续不断地增长(图2)。由于其恰好与东方向的青藏铁路与公路距离约12.5 km，所以对于盐湖可能溢流后所造成的影响亟待进行提前预测与分析。

2 溢流淹没分析方法

2.1 分析预测盐湖溢流河道

1)DEM填洼处理。洼地是影响地表流水过程的重要因素。在自然条件下，水流从高处向低处流动，遇到洼地的时候肯定会先将其填满后再从某一方向的最低出口处流出，但是洼地是局部的最低点，会导致无法确定该处的水流方向。因此，消除小洼地对确定水流的方向有重要的影响。在本研究中，研究区域为高寒高海拔冻土区域，且没有较大的地表坑洞，一般都为小洼地，可以直接进行处理，对其高程进行赋值，将其填平(图3)。

2)水流方向矩阵计算。根据物理模型，水流方向的矩阵计算有以下几种方法：单流向算法(single flow direction algorithm，SFD)、多流向算法(multi-flow direction algorithms，MFD)以及其他算法。由于多流向算法认为水流分布具有分散性，即水流方向具有不确定性，可能同时流向相邻8个邻域中的几个网格邻域，这样会造成计算量很大，算法复杂、工作效率低下。因此，本实验采用单流向算法，根据DEM栅格单元与相邻8个单元之间的最大坡降来确定水流方向。如图4所示，将目标栅格的相邻8个领域格网按二次幂值法进行顺时针方向编码，如值为2，就为东南向流向。

3)累计矩阵提取水流网络。即用数学的方法来描述经过流水的多少，通过流向格网进行流量累加然后得到所有格网数据的水流份数。而流域的汇流能力则是由确定流入每个栅格的累积上游栅格数目统计而成。将这种算法可以描述为：以每个栅格单元格为初始栅格，按顺序对流向矩阵进行遍历计算，根据水流方向追踪，直到DEM边界，由此通过计算累积栅格数目即可确定水流方向和汇流量。需要注意的是，在实际水文预报研究模拟中，都要考虑地面的土壤渗透系数以及地表植被的影响、植物根系会吸收流水的系数等，而这些不是本研究的重点，只需根据研究区域高程与流向来计算水流量大小，并最终提取水流的路径。

2.2 淹没范围模拟

在提取到盐湖溢流河道后确定其上游溢出点与下游和清水河的汇水点的高程值后，用此范围高程值从30 m的DEM数据中进行属性值提取分析。由于高程值为一个范围值，且提取次数较多，所以采用Python语言对DEM影像进行遍历分析提取。

3 盐湖湖水外溢模拟

3.1 提取溢出点

本研究通过ArcGIS平台所提供的水文分析模块，首先对研究区域的DEM数据进行洼地填充以消除小洼地对下一步流向计算的误差影响。在获得了洼地填充后的DEM数据后，利用D8算法对该数据进行流向计算获得研究区域的流向图(图5)。根据其地形图以及流向图共同分析可以看出，盐湖水的流向基本为正东至正南方向之间，在这之后，根据流向图进行汇流累积量计算，并通过条件分析筛选出流入值大于2 000的像元值，由此获得研究区域的河网图。为了捕捉溢流点，利用Landsat 8全彩色影像叠加研究区域河网图，根据流向图在东南方向上目视捕捉到该河网汇流点即盐湖溢流位置(图6)，并根据相同方法提取到下游清水湖的入水点，各点地理位置及高程如表1所示，该地点位置与文献[12]分析得到的入水点位置无较大差异，证明了该方法的有效性。

表1 出水点与入水点位置

3.2 淹没模拟分析

当盐湖湖面高程值超过其出水点高程时，则满足其湖水外溢的条件。根据图7位置示意图发现溢流河道穿过青藏铁路汇入清水湖，而盐湖溢流点距离青藏铁路直线距离约为12.5 km，盐湖的扩容会极大威胁到青藏铁路的安全。

当盐湖发生溢流现象后，受地理因素影响会汇聚成新的河道并向外发展形成漫流，而本文根据所提取的溢流点和入流点高程值(表1)作为阈值，对原30 m DEM数据进行属性值提取。通过属性值提取，获得不同高程值下的淹没面积。由于研究区域水文数据难以获取造成该研究无法利用水文模型进行时间序列上的分析，故本文将所模拟得到的淹没影响范围根据溢流湖面高程值叠加至2021年3月的Landsat 8真彩色影像上，并以盐湖和清水湖为观察对象划定观察范围，从而进行被淹没影响范围的演示(图8)，并得到盐湖溢流后的湖区面积及所有受影响区域(图9)。本文进行水文分析发现，如果盐湖溢流造成下游清水湖也发生溃堤现象，最终将会导致溢流河道汇入楚玛尔河形成长江支流。

4 结束语

本文基于D8算法，利用SRTM数据对研究区域进行水文分析与模拟，研究了盐湖溢流后可能的淹没区域，主要结论如下。

1)根据Landsat 8影像可知，可可西里盐湖从2015—2020年间发生了明显变化，由于上游卓乃湖溃堤导致下游库塞湖、海丁诺尔发生了一系列的连锁反应致使盐湖出现了湖面积增加、湖区扩容。2015年，盐湖湖面积为152.29 km2，至2020年12月，湖区面积已达到200.85 km2，在这5年间共增长了48.56 km2。

2)当盐湖湖水发生溢流时，整个湖区湖泊面积将会达到219.94 km2。已知青藏铁路路基单向宽度为17 m，当湖泊发生溢流后，先从下游开始形成积水区，当下游清水湖湖面积突破5.84 km2时，青藏铁路部分路基将会开始与水体接触，在路基周围形成小而浅的积水区从而影响路基的稳定性。

3)若盐湖发生溢流后不进行人为引流任由其自然发展，其溢流河道最终会汇入到下游楚玛尔河中，成为一条长江支流。

本文结果证明，在缺失水文资料等数据的情况下，凭借遥感影像和DEM数据进行高原地区的湖泊溢流模拟分析是具有可行性的，由此可见DEM数据的广泛应用性。但如果要对一些更加复杂的地形区域进行溢流模拟和精确估算，利用高精度地形和必要的水文数据会得到更加精确的结果。