基于遙感影像和DEM數(shù)據(jù)的高原湖泊溢流模擬

羅永臻，董春

(中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100036)

0 引言

近50年當(dāng)中青藏高原地區(qū)氣候發(fā)生顯著變化，融水增加，但由于青藏高原特殊的地理位置，該地區(qū)的水文資料等相關(guān)數(shù)據(jù)難以獲取，而數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)既保證了一定的地形精度，在數(shù)據(jù)量上又比其他遙感數(shù)據(jù)更為小巧且容易獲取，在盡可能小地耗費(fèi)人力物力的情況下，可以得到較為滿意的研究結(jié)果。而在2011年前后，位于可可西里地區(qū)的卓乃湖發(fā)生潰決導(dǎo)致洪水流向下游庫(kù)塞湖區(qū)，受此影響，庫(kù)塞湖出現(xiàn)湖水外溢的情況，導(dǎo)致其下游的海丁諾爾出現(xiàn)類似情況，并最終匯入海丁諾爾東南側(cè)的鹽湖[1]。楊勇[2]認(rèn)為，卓乃湖潰決的主要原因在于古河道季節(jié)河流的溯源侵蝕所導(dǎo)致，而姚曉軍等[3]認(rèn)為可可西里地區(qū)降水增加和蒸發(fā)減少是該地區(qū)湖水潰決的主要原因。不管何種原因，卓乃湖、庫(kù)塞湖、海丁諾爾和鹽湖已經(jīng)建立出了自上而下影響的水文關(guān)系。

而下游的鹽湖作為該水文系統(tǒng)中的最終接收者，在2018年前后也出現(xiàn)了與上游相同的潰決溢流風(fēng)險(xiǎn)。不同于上游3個(gè)湖區(qū)的情況是，鹽湖東部有青藏鐵路和青藏公路高寒區(qū)國(guó)家工程，較大的湖水溢流可能會(huì)對(duì)這些工程的路基造成破壞[4]，所以需要進(jìn)行鹽湖溢流的模擬分析，從而確定其大致影響范圍。本文就是要在快速反應(yīng)迅速確定影響面積的條件下，基于數(shù)字高程模型來(lái)進(jìn)行鹽湖區(qū)域的水文模擬分析。2002年，吳險(xiǎn)峰等[5]利用DEM數(shù)據(jù)對(duì)黃河小花間流域進(jìn)行了數(shù)字降水徑流模擬，得出了研究區(qū)域的流域模擬圖；2005年，黃金良等[6]利用DEM數(shù)據(jù)對(duì)九龍江流域進(jìn)行水文模擬獲取到了該地區(qū)流量模擬；Tarekkegn等[7]2010年利用15 m的DEM數(shù)據(jù)作為水動(dòng)力模型的輸入數(shù)據(jù)，精確地模擬了塔納湖水位變化影響；Gichamo等[8]于2012年利用全球數(shù)字高程模型進(jìn)行垂直偏差校正后，對(duì)匈牙利Tisza河部分地區(qū)的洪水進(jìn)行模擬，得到了較好結(jié)果，證明了DEM數(shù)據(jù)在該方面的應(yīng)用潛力；在2016年，李林娜等[9]基于ArcGIS平臺(tái)與90 m DEM數(shù)據(jù)對(duì)元江縣內(nèi)的水域進(jìn)行了河網(wǎng)提取，并通過(guò)水文模擬對(duì)居民地規(guī)劃提供了參考；2021年，劉鳳梅等[10]通過(guò)DEM數(shù)據(jù)水文分析對(duì)珠江三角洲流域進(jìn)行了流域盆地范圍模擬，在當(dāng)?shù)赝恋乩靡?guī)劃中發(fā)揮了重要的指導(dǎo)意義。

目前，基于DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行的水文分析都基本保持在河網(wǎng)提取和盆地分析層面，而本文在進(jìn)行水文分析與模擬的基礎(chǔ)上又根據(jù)河網(wǎng)與研究區(qū)高程值進(jìn)行了湖泊溢流影響面積模擬，便于確定鹽湖溢流后造成的影響面積并迅速對(duì)鹽湖溢流可能造成的影響范圍進(jìn)行研究和探討。

1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)情況

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域?yàn)樽磕撕⒑６≈Z爾的下游鹽湖地區(qū)，又名68道班鹽湖[11]，位于格爾木市西南方，屬于青海省玉樹(shù)藏族自治州治多縣，從海丁諾爾湖區(qū)至清水湖間海拔落差為4 462～4 497 m。湖區(qū)屬于青海南部高寒草原半干旱氣候，年平均氣溫為-4.0～-1.0 ℃，年降水量為150～200 mm，目前因?yàn)槠湮挥诳煽晌骼镒匀槐Ｗo(hù)區(qū)范圍內(nèi)，鹽業(yè)開(kāi)采活動(dòng)在20世紀(jì)80年代已經(jīng)停止。在鹽湖西側(cè)，自西向東分別為卓乃湖、庫(kù)塞湖和海丁諾爾湖。其中自2011年后，卓乃湖潰決后便迅速形成了與庫(kù)塞湖間的河道。

1.2 數(shù)據(jù)情況

受數(shù)據(jù)源限制，且為了實(shí)現(xiàn)快速預(yù)測(cè)湖泊溢流影響的目的，在保證一定精度的情況下，本研究用到的數(shù)字高程模型為航天飛機(jī)雷達(dá)地形測(cè)繪使命(shuttle radar topography mission，SRTM)數(shù)據(jù)，根據(jù)文獻(xiàn)[12-15]等的研究，選取分辨率為30 m的DEM初始數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)由美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)在2000年利用奮進(jìn)號(hào)航天飛機(jī)上的雷達(dá)測(cè)觀測(cè)所得，是利用次數(shù)最多的高程數(shù)據(jù)，覆蓋了全球南北緯60°以內(nèi)的區(qū)域。由Wang等[16]研究可知，DEM數(shù)據(jù)可以計(jì)算水文資料并具有一定可靠性。2011年10月，海丁諾爾湖水還未進(jìn)入到鹽湖當(dāng)中，在這之后，海丁諾爾湖發(fā)生溢流現(xiàn)象，湖水溢流進(jìn)入鹽湖[17]，如圖1所示。2012年開(kāi)始，鹽湖庫(kù)容開(kāi)始了快速增長(zhǎng)的階段，從2010年10月至2012年10月間，鹽湖湖面積擴(kuò)大了3倍左右，到2015年底，鹽湖面積增加到了將近150 km2，而在2015年之后，根據(jù)Landsat衛(wèi)星影像可以直接通過(guò)目視判別得出鹽湖的面積直到2020年9月份仍在持續(xù)不斷地增長(zhǎng)(圖2)。由于其恰好與東方向的青藏鐵路與公路距離約12.5 km，所以對(duì)于鹽湖可能溢流后所造成的影響亟待進(jìn)行提前預(yù)測(cè)與分析。

2 溢流淹沒(méi)分析方法

2.1 分析預(yù)測(cè)鹽湖溢流河道

1)DEM填洼處理。洼地是影響地表流水過(guò)程的重要因素。在自然條件下，水流從高處向低處流動(dòng)，遇到洼地的時(shí)候肯定會(huì)先將其填滿后再?gòu)哪骋环较虻淖畹统隹谔幜鞒觯峭莸厥蔷植康淖畹忘c(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致無(wú)法確定該處的水流方向。因此，消除小洼地對(duì)確定水流的方向有重要的影響。在本研究中，研究區(qū)域?yàn)楦吆吆０蝺鐾羺^(qū)域，且沒(méi)有較大的地表坑洞，一般都為小洼地，可以直接進(jìn)行處理，對(duì)其高程進(jìn)行賦值，將其填平(圖3)。

2)水流方向矩陣計(jì)算。根據(jù)物理模型，水流方向的矩陣計(jì)算有以下幾種方法：?jiǎn)瘟飨蛩惴?single flow direction algorithm，SFD)、多流向算法(multi-flow direction algorithms，MFD)以及其他算法。由于多流向算法認(rèn)為水流分布具有分散性，即水流方向具有不確定性，可能同時(shí)流向相鄰8個(gè)鄰域中的幾個(gè)網(wǎng)格鄰域，這樣會(huì)造成計(jì)算量很大，算法復(fù)雜、工作效率低下。因此，本實(shí)驗(yàn)采用單流向算法，根據(jù)DEM柵格單元與相鄰8個(gè)單元之間的最大坡降來(lái)確定水流方向。如圖4所示，將目標(biāo)柵格的相鄰8個(gè)領(lǐng)域格網(wǎng)按二次冪值法進(jìn)行順時(shí)針?lè)较蚓幋a，如值為2，就為東南向流向。

3)累計(jì)矩陣提取水流網(wǎng)絡(luò)。即用數(shù)學(xué)的方法來(lái)描述經(jīng)過(guò)流水的多少，通過(guò)流向格網(wǎng)進(jìn)行流量累加然后得到所有格網(wǎng)數(shù)據(jù)的水流份數(shù)。而流域的匯流能力則是由確定流入每個(gè)柵格的累積上游柵格數(shù)目統(tǒng)計(jì)而成。將這種算法可以描述為：以每個(gè)柵格單元格為初始柵格，按順序?qū)α飨蚓仃囘M(jìn)行遍歷計(jì)算，根據(jù)水流方向追蹤，直到DEM邊界，由此通過(guò)計(jì)算累積柵格數(shù)目即可確定水流方向和匯流量。需要注意的是，在實(shí)際水文預(yù)報(bào)研究模擬中，都要考慮地面的土壤滲透系數(shù)以及地表植被的影響、植物根系會(huì)吸收流水的系數(shù)等，而這些不是本研究的重點(diǎn)，只需根據(jù)研究區(qū)域高程與流向來(lái)計(jì)算水流量大小，并最終提取水流的路徑。

2.2 淹沒(méi)范圍模擬

在提取到鹽湖溢流河道后確定其上游溢出點(diǎn)與下游和清水河的匯水點(diǎn)的高程值后，用此范圍高程值從30 m的DEM數(shù)據(jù)中進(jìn)行屬性值提取分析。由于高程值為一個(gè)范圍值，且提取次數(shù)較多，所以采用Python語(yǔ)言對(duì)DEM影像進(jìn)行遍歷分析提取。

3 鹽湖湖水外溢模擬

3.1 提取溢出點(diǎn)

本研究通過(guò)ArcGIS平臺(tái)所提供的水文分析模塊，首先對(duì)研究區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行洼地填充以消除小洼地對(duì)下一步流向計(jì)算的誤差影響。在獲得了洼地填充后的DEM數(shù)據(jù)后，利用D8算法對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行流向計(jì)算獲得研究區(qū)域的流向圖(圖5)。根據(jù)其地形圖以及流向圖共同分析可以看出，鹽湖水的流向基本為正東至正南方向之間，在這之后，根據(jù)流向圖進(jìn)行匯流累積量計(jì)算，并通過(guò)條件分析篩選出流入值大于2 000的像元值，由此獲得研究區(qū)域的河網(wǎng)圖。為了捕捉溢流點(diǎn)，利用Landsat 8全彩色影像疊加研究區(qū)域河網(wǎng)圖，根據(jù)流向圖在東南方向上目視捕捉到該河網(wǎng)匯流點(diǎn)即鹽湖溢流位置(圖6)，并根據(jù)相同方法提取到下游清水湖的入水點(diǎn)，各點(diǎn)地理位置及高程如表1所示，該地點(diǎn)位置與文獻(xiàn)[12]分析得到的入水點(diǎn)位置無(wú)較大差異，證明了該方法的有效性。

表1 出水點(diǎn)與入水點(diǎn)位置

3.2 淹沒(méi)模擬分析

當(dāng)鹽湖湖面高程值超過(guò)其出水點(diǎn)高程時(shí)，則滿足其湖水外溢的條件。根據(jù)圖7位置示意圖發(fā)現(xiàn)溢流河道穿過(guò)青藏鐵路匯入清水湖，而鹽湖溢流點(diǎn)距離青藏鐵路直線距離約為12.5 km，鹽湖的擴(kuò)容會(huì)極大威脅到青藏鐵路的安全。

當(dāng)鹽湖發(fā)生溢流現(xiàn)象后，受地理因素影響會(huì)匯聚成新的河道并向外發(fā)展形成漫流，而本文根據(jù)所提取的溢流點(diǎn)和入流點(diǎn)高程值(表1)作為閾值，對(duì)原30 m DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性值提取。通過(guò)屬性值提取，獲得不同高程值下的淹沒(méi)面積。由于研究區(qū)域水文數(shù)據(jù)難以獲取造成該研究無(wú)法利用水文模型進(jìn)行時(shí)間序列上的分析，故本文將所模擬得到的淹沒(méi)影響范圍根據(jù)溢流湖面高程值疊加至2021年3月的Landsat 8真彩色影像上，并以鹽湖和清水湖為觀察對(duì)象劃定觀察范圍，從而進(jìn)行被淹沒(méi)影響范圍的演示(圖8)，并得到鹽湖溢流后的湖區(qū)面積及所有受影響區(qū)域(圖9)。本文進(jìn)行水文分析發(fā)現(xiàn)，如果鹽湖溢流造成下游清水湖也發(fā)生潰堤現(xiàn)象，最終將會(huì)導(dǎo)致溢流河道匯入楚瑪爾河形成長(zhǎng)江支流。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于D8算法，利用SRTM數(shù)據(jù)對(duì)研究區(qū)域進(jìn)行水文分析與模擬，研究了鹽湖溢流后可能的淹沒(méi)區(qū)域，主要結(jié)論如下。

1)根據(jù)Landsat 8影像可知，可可西里鹽湖從2015—2020年間發(fā)生了明顯變化，由于上游卓乃湖潰堤導(dǎo)致下游庫(kù)塞湖、海丁諾爾發(fā)生了一系列的連鎖反應(yīng)致使鹽湖出現(xiàn)了湖面積增加、湖區(qū)擴(kuò)容。2015年，鹽湖湖面積為152.29 km2，至2020年12月，湖區(qū)面積已達(dá)到200.85 km2，在這5年間共增長(zhǎng)了48.56 km2。

2)當(dāng)鹽湖湖水發(fā)生溢流時(shí)，整個(gè)湖區(qū)湖泊面積將會(huì)達(dá)到219.94 km2。已知青藏鐵路路基單向?qū)挾葹?7 m，當(dāng)湖泊發(fā)生溢流后，先從下游開(kāi)始形成積水區(qū)，當(dāng)下游清水湖湖面積突破5.84 km2時(shí)，青藏鐵路部分路基將會(huì)開(kāi)始與水體接觸，在路基周圍形成小而淺的積水區(qū)從而影響路基的穩(wěn)定性。

3)若鹽湖發(fā)生溢流后不進(jìn)行人為引流任由其自然發(fā)展，其溢流河道最終會(huì)匯入到下游楚瑪爾河中，成為一條長(zhǎng)江支流。

本文結(jié)果證明，在缺失水文資料等數(shù)據(jù)的情況下，憑借遙感影像和DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行高原地區(qū)的湖泊溢流模擬分析是具有可行性的，由此可見(jiàn)DEM數(shù)據(jù)的廣泛應(yīng)用性。但如果要對(duì)一些更加復(fù)雜的地形區(qū)域進(jìn)行溢流模擬和精確估算，利用高精度地形和必要的水文數(shù)據(jù)會(huì)得到更加精確的結(jié)果。