基于GIS的乡镇级洪涝水淹风险研究.pdf

第 卷 第 期 年 月自 然 灾 害 学 报 .收稿日期:修回日期:基金项目:自然资源部地理国情监测重点实验室开放基金重点项目()作者简介:高牧寒()女硕士研究生主要从事洪涝灾害分析、和遥感研究:.通讯作者:秦 昆()男教授博士主要从事时空大数据分析、空间人文社会地理计算研究:.文章编号:()./.基于 的乡镇级洪涝水淹风险研究高牧寒秦 昆王妮满陈 昆(.武汉大学 遥感信息工程学院湖北 武汉 .自然资源部海南测绘资料信息中心海南 海口)摘 要:洪涝灾害是最严重的自然灾害之一 乡镇排水系统差相关数据与技术受限脆弱性高亟需技术支持 空间信息技术在洪涝灾害研究中主要采用被动遥感与 但被动遥感数据获取困难以灾后评估为主 提出了一种基于 的乡镇级洪涝水淹风险分析方法服务于洪涝灾前评估以湖北省随州市何店镇为研究区主要应用开源数据资料根据历史降雨、土壤和地形等特征分析不同重现期的降雨与积水过程划分水淹风险等级并提供避险建议 结果表明研究成果基本符合实地调研情况能够较准确地反映研究区水淹风险可为乡镇级洪涝灾害科学决策提供有效的数据与技术支持关键词:地理信息系统乡镇洪涝灾害降雨量模拟重现期水淹分析中图分类号:.文献标识码:(.):.:引言洪涝灾害具有突发性、区域性等特点是最严重、最常见的自然灾害之一 近些年洪涝灾害造成的损失呈上升趋势自 然 灾 害 学 报第 卷洪涝灾害评估可以为防洪减灾、应急预警和科学决策提供重要依据主要以致灾危险性为主承灾体脆弱性、孕灾环境敏感性、防灾减灾能力为辅进行评估 致灾危险性作为灾害风险的直观反映指标研究者选用的衡量因子各不相同包括暴雨强度、暴雨频次、汛期平均降雨量和水淹深度等 其中水淹深度由于资料缺失模拟困难通常会被其他指标替代 然而水淹深度可以直接反映灾害的危险程度利于灾前应急避险、灾害评估等对洪涝灾害决策有重要意义现有的洪涝水淹风险研究方法主要包括模型评估、空间信息技术等 模型评估对数据量要求高如林森等收集近 万条数据利用 算法建立了 个评估模型 等以 个洪水位置点为基础使用多变量判别分析、分类回归树以及支持向量机对洪涝风险进行集合预测 空间信息技术主要采用被动遥感以及地理信息系统()技术 随着遥感卫星数据的发展不少研究者选用合成孔径雷达()影像进行水淹提取 如孙书腾等利用灾害前后多时相遥感影像提取河南省鹤壁市浚县水淹范围沈兰芝等以河南省鹤壁市为例提出了一种可以快速提取 影像中水体信息的最大类间方差法()等以洞庭湖为研究区根据 影像提出了启发式自动水体提取算法 被动遥感获取水淹范围后可以根据数字高程模型()数据计算水淹深度 但是受灾期间的洪涝区域被动遥感数据获取受限不一定能够获取灾前灾后的合适数据且不利于分析不同重现期的水淹情况 而 工具与技术在早期就为洪涝水淹风险分析提供了支撑如麻荣永等、陈鹏霄应用 工具研究先进合成孔径雷达()数据与 数据等提取暴雨空间分布、水深等洪涝评价指标 等应用 及其他模型进行情景模拟评估不同暴雨重现期下的上海市静安区内涝风险 相比于被动遥感 技术更灵活数据需求低可以只考虑 数据进行水文分析又可以分析多源数据完善模拟效果研究范围方面当前研究主要针对市级、区级、县级等较大尺度范围针对乡镇级小尺度范围的相关研究相对较少 现有研究中薛晓萍等利用 空间分析技术对山东省淄博市临淄区内的乡镇单元进行洪涝风险评估姜鎏鹏利用环境减灾卫星 遥感影像解译吉林省永吉县口前镇的洪水淹没范围殷杰等结合实地调查与 技术对上海市某社区淹没深度进行模拟分析受灾情况 与城市相比乡镇属于高脆弱地区 年 月中旬湖北省随州市连续遭遇强降雨袭击 多个乡镇严重受灾 乡镇存在排水系统不佳、数据资料受限、技术不足等问题导致乡镇面对洪涝灾害时主要依靠领导和相关技术人员的经验判断科学性和有效性不够迫切需要引入先进的科学技术因此本文以湖北省随州市何店镇为研究区采用开源数据与地方相关资料针对不同重现期降雨情况从“降雨积水”角度出发考虑降雨不均、地表渗水、水库滞流和局部地形等影响提出了一种基于 的乡镇级洪涝水淹风险分析方法为相关决策提供有效的数据与技术支持服务于乡镇洪涝灾害评估研究区概况何店镇位于湖北省随州市曾都区南部与柳林镇、均川镇、洛阳镇和南郊区相邻地理位置为 地势南高北低东北一隅及镇区为平川水源汇流于此后流入淅河镇 境内有中型水库 处小(一)型水库 处小(二)型水库 处主要河流 条全长 多公里研究区地势由西南渐向东北微缓倾斜水库资源丰富覆盖广且大部分临近其他镇区可以储蓄来自邻域的降水 受地形与水库影响研究区在水库不泄洪或溃坝的情况下基本不需要考虑其他区域的降雨影响研究方法与数据来源.数据来源本文方法采用的开源数据资料包括 数据、土壤数据集、土地覆盖数据以及湖北暴雨统计参数图集数据来源与精度如表 所示 辅助数据主要包括地方提供的历史水库雨情数据资料以及水库点数据如表 所示以供进一步的降雨量与积水量修正第 期高牧寒等:基于 的乡镇级洪涝水淹风险研究表 开源研究数据情况 数据数据制作与生产分辨率 数据日本宇宙航空研究开发机构().土壤数据集国际粮农组织()等 土地覆盖数据自然资源部等 湖北暴雨统计参数图集湖北省水文水资源局等表 地方辅助数据情况 序号水库名称水库类型所在村镇经度纬度数据年份/年数据量/条白果河水库中型何店镇王店村荞麦河水库小(一)型何店镇荞麦河村椒藤河水库小(一)型何店镇椒藤河村天星沟水库小(一)型何店镇天星沟村鲁家垄水库小(二)型何店镇龚家店村高潮水库小(二)型何店镇桂华村金花岭水库小(二)型何店镇金花岭村芦家河水库小(二)型何店镇贯庄村慈山水库小(二)型何店镇花塆村井湾水库小(二)型何店镇响堂街居委会桂花水库小(二)型何店镇桂华村浪河水库小(二)型何店镇浪河村东楼水库小(二)型何店镇浪河村十月水库小(二)型何店镇谌家岭村红光水库小(二)型何店镇谢店村青龙寺水库小(二)型何店镇谢店村小桃园河水库小(二)型何店镇花塆村苏家冲水库小(二)型何店镇龚家店村梅花垄水库小(二)型何店镇三岔湖村二湾水库小(二)型何店镇龚家店村花湾水库小(二)型何店镇花塆村.研究方法本文考虑乡镇数据资料缺乏等限制主要采用开源数据以 技术为主以湖北暴雨统计参数图集与()产流模型为辅根据历史降雨、土壤和地形等特征分析降雨与积水过程划分研究区内的水淹风险区域 其中 产流模型由美国农业部土壤保持局提出可以用于无水文资料的地区或缺乏水文资料的中小流域首先根据湖北暴雨统计参数图集、历史水库雨情等资料考虑不同重现期降雨量与历史降雨分布进行不同降雨历时的降雨量计算与修正 参考土壤与土地覆盖数据采用 产流模型模拟地表渗水影响根据 数据通过水文分析评估水库滞洪影响进行积水量的计算其次考虑局部地形对积水的影响结合预估的洪涝积水量与 数据利用表面体积工具与栅格计算器分析不同积水量的淹没范围及对应水深 最终综合分析不同重现期、不同持续时间的淹没情况采用自然断点法对水淹风险进行重分类划分水淹危害风险区为相关决策提供基础数据 具体流程如图 所示可概括为以下 步:降雨量模拟积水量计算水淹范围提取与水深计算水淹风险等级划分 其中涉及的 功能包括水文分析、表面体积、栅格计算器和重分类等自 然 灾 害 学 报第 卷图 研究技术流程图.降雨量模拟强降雨是造成乡镇洪涝的主要原因是洪水总量的决定性因素 降雨量模拟是开展水淹风险分析的基础本文将通过参考湖北暴雨统计参数图集模拟降雨量初值并根据地方提供的历史水库雨情资料进行降雨量修正)降雨量计算湖北暴雨统计参数图集是分析研究湖北省的水文、气候等自然地理特征的基础资料主要用于雨量观测资料缺乏地区可直接从中查取所需地点的暴雨统计参数并计算对应重现期、降雨标准历时的暴雨降水量 降雨标准历时包括 个:、对于不属于标准历时的降雨时间进行插值计算 内任意降雨历时的模拟降雨量插值计算方法为 ()()式中:为重现期、降雨历时 对应的模拟降雨量值为重现期 下的降雨历时与 为相邻的标准历时与 分别为重现期 下历时、的模拟降雨量考虑到短重现期暴雨产生的洪涝风险低结合研究区数据情况与相关部门关注的时间节点本文针对重现期为、对应降水历时为、的情况进行降雨量模拟并提供降雨历时为 的模拟降雨量为参考具体如表 所示表 研究区降雨量模拟情况 重现期/持续时间模拟值/雨强/(/).)降雨量修正考虑到实际情况下全镇范围内降雨不均本文分析历史水库雨情根据往期洪涝的水库情况进行降雨量的修正以优化最终计算的流域内总降雨量表达式为第 期高牧寒等:基于 的乡镇级洪涝水淹风险研究 ()式中:为修正后的降雨量 为综合修正系数 为根据式()计算出的模拟降雨量 为第 个历史洪涝时期的对应权重根据洪涝期间乡镇的受灾情况进行拟定为第 个历史洪涝时期所求得的修正系数为第 个在该历史洪涝期间降雨的水库降雨量 为该历史洪涝期间水库最大降雨量 为在该历史洪涝期间降雨的水库数量根据何店镇历史降雨情况近 较严重的洪涝(暴雨)历史时期包括 年 月 日、年 月日、年 月 日等 根据式()可计算 个时期的综合修正系数如表 所示表 研究区修正系数计算 指数 降雨/降雨/降雨/.积水量计算强降雨会引起河道水位上涨而泛滥在此之前需要考虑流域蓄渗过程 本文根据研究区排水特征主要考虑地表渗水、水库滞留影响计算各流域积水量表达式为 ()()()式中:为流域内积水量 为流域内水库的总滞留比例 为流域内总径流量 为流域面积)地表渗水 产流模型的降雨与径流的关系为:流域后损量()与总径流量()之比等于流域场次降雨最大滞留量()与实际径流量之比而实际径流量又与降雨量()与初损量()有关关系式为 ()实际应用中采用的 产流模型计算式为 .(.).()式中:为降雨量()为降雨最大滞留量()降雨最大滞留量 与流域的土壤质地、坡度、植被和土壤利用状况等有关 模型通过一个经验性的无因次参数()来综合反映上述因素来推求 的值为 ()式中:取值可参考美国国家工程手册及相关研究本文参考 土壤数据集及 土地覆盖数据根据研究区土壤分类及土地覆盖获取 值及分布情况如表 所示并通过式()计算流域总径流量()表 研究区土壤情况及对应 值 编号沙含量/淤泥含量/黏土含量/值自 然 灾 害 学 报第 卷)水库滞洪与城市雨洪调蓄空间等防洪排涝系统不同乡镇水库拦蓄洪水削减进入下游河道的洪峰流量在洪涝期间起到重要的滞洪防灾作用是乡镇防洪的主要手段 研究区水库覆盖广数量多可通过水文分析计算降水流经水库的流量通过与总流量对比估算水库蓄水滞流能力其表达式为 ()()式中:为流域内水库的总滞留比例 为水文分析中流域内各水库的流量 为水文分析中流域的总流量.水淹范围提取与水深计算发生水淹情况时积水并非一开始就集中在乡镇的低地势区域需要考虑局部地形、水系交汇以及水的流动性 因此本文根据研究区 数据通过水文分析提取何店镇流域并采用自然断点法按照面积将流域分为大、中、小型流域三类并根据经验与历史情况按照流域大小、降雨持续时间模拟各流域汇流与积水情况若降雨历时短则洪流在各流域积水以各流域为研究范围随着降雨历时增长小型流域积水将汇入中型流域需要按照临近关系合并中小流域为新的研究范围最终中型流域积水将汇入大型流域实现各流域间的流通洪流在全域范围积水 针对不同降雨历时的积水研究范围采用“表面体积”工具通过判断某一指定高程 下的体积等于总积水量来确定水淹高度原理为()()()式中:为流域内总积水量 为栅格单元 对应的地表高程值 为对应水深为 的栅格单元总面积 为通过“表面体积”工具所计算出的水淹高度值使用栅格计算器进行水淹范围的提取与水深计算表达式为(橙黄蓝)情况严重时会多次发布与危险程度密切相关 根据气象台发布的气象预告可以获取预警等级、大致的降雨地区、降雨量及降雨时长等信息 综合水淹风险成果洪涝预警与风险地区的判别、避险可大致总结为以下几个步骤其中洪涝水淹风险与避险判断流程如图 所示图 洪涝水淹风险与避险判断流程图.)由乡镇水利、水管部门相关人员注意气象预告根据气象预告(预警级别是否大于或等于橙色预警及其预警区域)确定关注的流域从地理位置或河流流向判断邻近的流域即后续可能影响到的区域)在水库降雨情况能够被及时反馈的情况下可将水库降雨强度与各重现期的 模拟降雨强度(表)进行对比判断本次降雨可能会属于哪一重现期查看对应的水淹风险图若无法判断则查看综合水淹风险图 若仅预警一次则通知处于高风险与较高水淹风险区域的各村书记及各水库监管人员实时关注水库降雨情况并向上级进行汇报 若情况恶化(如预警多次或雨强激增)则立即通知高风险区低楼层居民进行避险安置并联系相关村、镇级干部根据实地情况讨论高楼层及其他风险区的避险安置方案)以水淹风险图为基础按照不同的轻重缓急(表)采取不同的避险安置策略表 研究区洪涝避险安置优先等级及建议 优先等级指标转移建议河道距离优先转移河流两岸的居民水淹风险参考水淹风险图划分等级确定转移目标次生灾害根据历史灾情或地势数据优先转移处于易发生滑坡等次生灾害区域的居民楼层(地势)高度各风险区内的高层居民(如 层以上)可做好相关准备但暂不安置在洪灾避险转移过程中首先要确定转移单元和转移单位人口数量 优先转移河流两岸的居民再根据水淹风险等级转移 高风险区的居民应尽快优先安置到其他低风险区较高风险区的居民做好避险安置准第 期高牧寒等:基于 的乡镇级洪涝水淹风险研究备可以在高风险区的居民安置的同时考虑逐步开展避险安置中风险区与较低风险区可以分批安置或暂时不安置根据雨情进一步采取相应方案低风险区不安置但是需要做好居民的动员和提醒提前做好相关准备 其中高楼层居民可以暂时不安置而处于易发生次生灾害区域的居民需优先考虑转移至其他低风险区洪灾避险转移的安置场所应遵守以下原则:高程适宜考虑高地势区域的同时可结合历史灾情信息、水淹风险图与坡度数据择优选择安全性优先考虑具备生活保障与医疗设施的区域且应远离易燃易爆工厂与易滑坡区域通达性应尽量选择交通便捷区域容量充足可以选择不易受洪水影响的公园、校园操场等开阔空旷旳区域就近安置应尽可能筛选多个安置地点根据风险等级就近转移居民 对于熟悉周边地势的居民可以结合乡镇地形特征自行选择高地进行临时避险再根据雨情开展统一安置结论与讨论.结论洪涝灾害发生频繁对自然资源、社会经济和生命安全等构成严重威胁 面对洪涝乡镇脆弱性高亟需科学手段指导防灾减灾工作 作为空间信息技术研究洪涝灾害的主要手段具有强大的数据处理与分析能力 本文以 年 月中旬洪涝重灾区 湖北省随州市何店镇为研究区提出了一种基于 的乡镇级洪涝水淹风险分析方法综合历史降雨、水库分布、土壤和地形等特征分析不同重现期降雨的降水与积水过程划分水淹风险区域研究结果能够较好地反映研究区水淹风险 主要结论如下:)考虑到乡镇缺乏长期雨量观测数据与水文资料本文方法利用湖北暴雨统计参数图集与 产流模型辅助计算降雨量与积水量并以开源数据资料为主开展研究 结果显示灾害点均位于水淹模拟范围内说明可以采用开源资料弥补乡镇数据资源受限的不足降低水淹风险评估、洪涝灾害评估等相关研究的数据限制)地方提供的辅助资料在本文方法中起到了优化修正作用如根据历史降雨与受灾情况修正降雨量以模拟降雨不均匀的情况需根据提供的水库点位或根据遥感影像提取的水库点位通过水文分析来评估水库滞流能力 但是本文方法的总体框架不受地方数据所影响 丰富的数据资料可以改善其模拟与评价体系而在严重缺乏水文资料的情况下本文方法依旧能仅根据开源数据资料进行水淹风险评估)本文方法在模拟降雨量与积水量后考虑局部地形与强降雨特征进行水淹提取与风险分级 根据水淹综合风险统计情况总淹没风险区占研究区面积的.其中高风险区域占水淹区域总面积的.较高风险区域占.中风险区域占.较低风险区域占.低风险区域占.不同重现期的高风险、较高风险区域范围相近占比较大需重视相关区域的避险安置)对比实地调查情况风险区基本符合历史受灾情况高风险区域为历史水淹严重区域 结果表明本文方法能够较准确地反映研究区的整体水淹情况可为研究区应急避险提供科学依据可为乡镇级洪涝灾害风险评估提供技术支持.讨论)目前乡镇的洪涝灾害相关工作缺乏科学性和实时性 乡镇在应对洪涝灾害时决策主要依靠经验判断缺乏科学参考 这种做法导致了灾害发生前的预防和准备不足主要的工作集中在灾害发生后的救援和恢复工作中 为了提高乡镇应对洪涝灾害的科学性空间信息技术被认为是一种可行的解决方案 其中被动遥感和 技术是主要的科学方法 然而由于被动遥感数据获取困难不利于重现期分析和灾前评估 因此本文采用 技术对研究区水淹风险进行分析并提供相应的避险建议为乡镇开展洪涝灾前准备工作和洪涝应急避险提供支持)山区(山地、丘陵、崎岖的高原)面积约占我国国土面积的/山区乡镇在遇到强降雨时更容易发生洪涝灾害其中盆地乡镇在洪涝期间还存在排水难等问题亟需科学的风险评估以开展应急避险 本文方法可为山区乡镇洪涝水淹风险评估提供技术参考适用于具备以下条件的乡镇:盆地地形地势总体上四周高中间低水库资源丰富类似盆地地形且有一定水库资源即在地形或水库资源等条件影响下该乡镇为独立单元基本不需要考虑邻域降雨)针对重点区域仅采用开源数据的成果精度会有所不足可进一步收集雨情实时反馈数据以及精细自 然 灾 害 学 报第 卷化 数据以实现降雨重现期的判断以及降雨量与转移人群的对应 雨情数据采集方面:优化水库降雨监测频率各水库或靠近人口聚集区域的重点水库远程监控每分钟的雨强或降雨量在镇区等人口聚集且易发水淹的区域安置雨量监测站实现远程实时监控 高精度 数据可通过无人机倾斜摄影技术生成厘米级高分辨率、数字表面模型()模型以模拟精确到楼栋、楼层的水淹风险情况)水库库容不足时泄洪与溃坝会加剧洪涝危害但本文方法仅考虑了水库在乡镇滞洪防灾中的作用后续本文方法将考虑降雨前水库蓄水量及提前泄洪对强降雨时水库滞洪能力和水淹的影响进行改进参考文献:.:()/.:/./.李莹 赵珊珊.年中国洪涝灾害损失与致灾危险性研究.气候变化研究进展 ():.():.()赵娅君 郑粉莉 姚亚庆 等.年我国农业气象灾害时空变化特征.自然灾害学报 ():.():.().:.():.王光朋 刘连友 胡子瑛.京津冀都市圈格网尺度洪涝灾害风险评价研究.灾害学 ():.():.()汪怡 梁龙 孙延忠 等.山西省不可移动文物洪涝灾害风险研究.自然灾害学报 ():.():.()林森 刘蓓蓓 闫雪 等.灾害大数据驱动的县域重大洪涝过程灾害风险评估.灾害学 ():.():.().:.孙书腾 刘培 王光彦.基于多时相主被动遥感协同处理的洪涝灾害应急监测.水利水电技术(中英文)():.():.()沈兰芝 谌华 范凤云 等.基于 算法高分三号水体快速提取方法研究 以河南鹤壁洪涝灾害监测为例.自然灾害学报():.:.():.().():.麻荣永 张东龙.南宁市洪涝灾害风险评价.自然灾害学报 ():.():.()陈鹏霄.基于 和遥感数据的洪水风险分析.水利水电快报 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