基于GIS技術在山洪災害調查評價工作中的應用

王全益，張虎，王靖，王春華

1孝感市水文水資源勘測局；2襄陽市水文水資源勘測局

基于GIS技術在山洪災害調查評價工作中的應用

王全益1，張虎1，王靖1，王春華2

1孝感市水文水資源勘測局；2襄陽市水文水資源勘測局

2014年湖北省襄陽市以南漳縣、保康縣山洪易發區，開展山洪災害調查評價工作。根據山洪災害調查評價的要求，為山洪災害監測系統提供基礎信息，調查工作中以GIS信息為基礎，聯合GPS詳查定位，GIS技術的應用為山洪災害調查工作提供了強有力的技術支持。為其他防災減災非工程措施建設探索依據。

山洪災害；GIS技術；調查評價；應用

1 引言

山洪災害是指因降雨在山丘區引發的洪水及由山洪誘發的泥石流、滑坡等對國民經濟和人民生命財產造成損失的災害。山洪災害突發性強，破壞力大，預報預警難，在局部地區引發的災害經常是毀滅性的，防御非常困難。為了解山洪災害防御區域的詳細基本情況，2014年湖北省襄陽市以南漳縣、保康縣山洪易發區，開展了山洪災害調查評價工作。為山洪災害監測系統提供基礎信息，調查工作中以GIS信息為基礎，聯合GPS詳查定位，GIS技術應用為山洪災害調查工作提供了強有力的技術支持。本文就GIS技術在山洪災害調查評價工作的應用及相關成果進行闡述，為其他防災減災非工程措施系統建設提供一定的依據。

2 GIS技術基本原理

地理信息系統(Geographic Information System,簡稱GIS)是介于信息科學、空間科學和地球科學之間的交叉學科與新技術學科,是專用于地理空間信息處理和管理的計算機技術系統。GIS是一種有效地收集、存貯、分析、再現空間信息的地理信息系統,它不僅利用屬性數據,更重要是利用空間信息進行分析、模擬與評價，以解決復雜的山洪災害區域評價、預警、管理等問題，打破傳統水文地理空間分析中以單一的模型分析缺陷，提高山洪災害易發區的勘查、評價與信息管理效率和精度，為山洪災害評價、預警、管理等探索新的技術途徑。

3 GIS技術在山洪災害調查評價工作中的主要工作流程

山洪災害的主導因子是局部短歷時暴雨或強降雨，大多發生在小流域地區，本次山洪調查評價以小流域為單元，開展山洪災害基本情況、小流域基本特征、水文、社會經濟等情況的調查，綜合分析沿河村落、集鎮和城鎮的現狀防洪能力，以村為單元劃分危險區，科學確定預警指標和閾值，為及時準確預警和災害防御提供基礎支撐。

調查評價工作按縣行政區劃（或按水文分區）劃分若干片區進行，具體工作流程如下：工作準備階段→暴雨洪水計算階段→分析評價階段→成果整理階段→防御措施及綜合評價。基于GIS的山洪災害調查評價系統可高效的實現整個程序的調查與評價工作。

4 實例

4.1 調查評價區域概況

根據山洪災害調查評價技術大綱的要求，在湖北省襄陽市保康縣、南漳縣兩山區縣的山洪防治區內，按照已劃分的小流域為單元，以沿河鄉鎮、廠礦企業、村落等為對象，全面開展山洪災害調查和評價工作。

保康縣、南漳縣地處鄂西北山區，屬亞熱帶季風氣候，境內多為山地，地勢陡峭，溝叉叢橫，交通環境復雜是山洪災害多發區域。項目區保康境內有河流分別屬南河、沮漳河、蠻河三大流域，河長10km以上的河流有37條。南漳縣境內共有大小河流187條，其中流域面積在100km2以上的有12條，50～100km2的有9條，50km2以下的有166條。

主要河流有蠻河、沮河、漳河、渭水等。蓄水工程大型5座、中型3座、小型157座、塘壩11364座。堤防74.83km；其中4級堤防7處，5級堤防4處。

自然災害主要表現在旱、澇、風、雹等，局部災害幾乎年年發生。

4.2 基礎數據系統建立

山洪災害調查評價工作包括外業采集和內業分析評價兩大階段。

（1）GIS基礎信息資料收集

收集調查區域范圍內的GIS基礎地理信息數據和衛星遙感影像數據，包括1：5萬DLG數據、DEM數據等，利用ArcGIS軟件在DLG和DEM中獲取河流名稱、水系形狀、集水區域邊界。

工作底圖中小流域基本信息包括：小流域面積、周長、形心高程、出口高程、最高高程、流域坡度、最長匯流路徑長度、最長匯流路徑比降、形狀系數、河段長度、河段比降、單位線洪峰模數、匯流時間、降雨量、村落、水利工程、橋涵、受威脅人口及調查河段等。

在數據地圖中按1～50km面積劃分出小流域分水線，保康縣、南漳縣山洪災害調查項目區縣內共劃分小流域數量693個（詳情見圖1）。詳查標注蓄水工程大型5座、中型3座、小型157座、塘壩11364座，堤防74.83km，調查河段425處。

（2）外業數據采集

野外調查和保護范圍的數據采集是山洪災害調查評價工作的基礎，本次外業采用山洪評價系統，是基于GIS地理信息劃定沿河村落、重要集鎮、廠礦企業、學校、水利工程、橋涵等調查路線，根據現場實際情況和CORS信號，采用網絡RTK結合全站儀測量方案，對山洪威脅的沿河保護范圍進行控制定位測量，地面定位測量成果主要反映河道斷面形態和特征，標注成災水位和歷史最高洪水位等。斷面測量工作的范圍為沿河村落所在溝道的橫斷面測量和縱斷面測量。采集數據應滿足小流域暴雨洪水分析計算、防洪現狀評價、危險區劃定和預警指標分析的要求。

點數據采集具體方法是：在測區內選擇數個通信信號較好的地點，布設控制點（不少于4個）并采用CORS網絡RTK方式測定平面坐標和大地高，并通過HBCORS測繪中心進行在線解算獲得控制點的平面坐標和85高程（黃海）。測區在CORS信號較差時，在測區架設基準站，采用電臺傳輸差分信號，根據控制點平面坐標和85高程求解轉換參數，采用流動站（RTK）直接測量。或選取合適的控制點位架設全站儀，采用全站儀測量。

（3）暴雨洪水計算模型的確定

由于調查區域內山洪災害大多以小流域局部暴雨產生，小流域多在山丘區，集水面積小，河長短、匯流快，洪水過程往往只有幾十分鐘，受洪峰流量影響明顯。假定Δt應與單位線時段一致，選取的時段過長雨量均化有漏峰現象，不能保證洪水的計算精度，時段過短又會增加計算工作量，且雨型選配困難。通常當集水面積＞20km,選擇24小時雨型，計算時段Δt=1h；集水面積在20km以下的按6h雨型，計算時段Δt=0.5h；在5km以下的按3h雨型，計算時段Δt=0.5h，這樣更符合實際洪水匯流快、峰值大的特點。設計洪水模型以暴雨形成洪水過程的理論為基礎，采用瞬時單位線法、推理公式法、標準單位線法推求，推求保護區某河道控制斷面設計洪水的洪峰流量、洪水總量和洪水過程線。而后基于GIS系統平臺采用分布式水文預報模型逐控制單元推求暴雨洪水過程。

（4）評價系統的建立與分析

山洪災害調查評價系統通過調查區域外業采集信息、雨洪采集分析系統、災害評價系統、災害防御警示系統等等子系統的基礎上建立。

外業采集信息包含沿河村落、重要集鎮、廠礦企業、學校、水利工程、橋涵等受到山洪威脅的區域地理位置信息，按照不同屬性分類分層制作底圖顯示。以暴雨、山洪災害、人口等基本信息建立數據庫。

雨洪采集分析系統在原有的水文、雨量站點的基礎上實行網絡對接，結合歷史暴雨洪水資料分析推求造洪閥值雨量、水位，確定保護范圍預警指標。山洪災害預警指標，特別是雨量指標的確定思路與方法的選擇受到資料基礎及技術條件等方面的限制，臨界雨量指標的確定方法，主要方法包括以下幾種。

1）歷史洪水資料統計分析法；

2）歷史實際山洪災害事件統計法；

3）暴雨臨界曲線法；

4）水位/流量反推法；

5）區域山洪臨界雨量計算方法；

6）比擬法；

7）分布式流域水文模型法。

災害評價系統及災害防御警示系統是根據實時水雨情信息分析評價出災害區域災害等級，災害等級分為：極度危險區、高危險區、危險區。根據不同的災害等級基于GIS地理信息劃定危險區域（見圖2），提出預警分析成果和預警方式，劃定災害區域遷移路線。

4.3 成果提交

2014年襄陽市山洪災害調查評價成果分為匯總成果、中間成果、過渡文檔三部分，即分別為保康縣、南漳縣兩個項目區山洪災害防治區人口分布圖集；山洪災害防治區小流域圖集；山洪災害防治區小流域基礎屬性數據；山洪災害防治區小流域河段基礎屬性數據；山洪災害防治區小流域設計暴雨洪水成果；山洪災害防治區小流域預警指標及閾值分析計算成果；山洪災害防治區影響居民區安全的涉水工程基本信息；山洪災害危險區圖集；山洪災害防治區沿河村落防洪現狀評價報告等16項匯總成果。中間成果有測量觀測工作手冊；計算資料；縱、橫斷面成果表，縱、橫斷面圖；斷面基點成果表；測量技術報告、質量管理運行表等6項。過渡成果有外業調查日志；評價工作日志；項目例會、專題會等會議紀要；項目實施階段總結報告等7項。

5 結語

在山洪災害調查評價工作中GIS地理信息系統的采用,有效的利用空間信息進行分析、模擬與評價，改變了傳統水文地理空間分析中以單一表格、數據和單個模型分析帶來的部分缺陷，提高了山洪災害易發區的勘查、評價與信息管理效率和精度，為山洪災害評價、預警、管理等提供可靠的技術途徑和技術支撐。

[1]國務院第一次全國水利普查領導小組辦公室，水利普查空間數據采集與處理，北京：中國水利水電出版社，2010年.

[2]全國山洪災害防治規劃項目辦，山洪災害調查技術要求，2014年.

[3]李紀南，黃詩峰，“3S”技術在水利應用指南,北京：中國水利水電出版社，2002年.

[4]申邵洪謝文君，空間信息技術在水利普查中的應用，長江科學院院報，2013年第30卷第30期.

[5]襄陽市2013年度保康縣、南漳縣山洪災害調查評價項目組，湖北省襄陽市（保康縣、南漳縣）2013年度山洪災害調查評價項目技術大綱，2014年8月.

王全益（1963-），男，湖北隨州，工程師，長期從事水文水資源工作。