基于GIS 栅格数据的叶尔羌河灌区洪水风险动态模拟与识别

彭 亮，马云飞，卫仁娟，何 英，穆振侠，李晓庆，刘成红

（1.新疆农业大学 水利与土木工程学院，乌鲁木齐 830052；2.新疆干旱区湖泊环境与资源实验室， 乌鲁木齐 830054；3.四川大学 水利水电学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室， 成都 610065；4. 四川水利职业技术学院， 成都 611230；5.新疆喀什地区水利局， 新疆 喀什 844000）

0 引 言

国际减灾十年委员会（IDNDR） 指出，洪水灾害是人类面临的损失最严重的自然灾害之一[1]。联合国国际减灾战略（UNISDR）发布报告称，1998—2017年全球发生重大自然灾害7 255 件，其中91%的自然灾害为气象灾害，尤以暴风和洪水二大灾害频繁发生。20 世纪以来，以气候变暖为主的自然系统的变异，特别是洪水灾害造成了极大的影响。人类在总结社会发展与洪水灾害的历史经验中，逐步提出了人水和谐发展，观念由“防御洪水”转变为“洪水风险管理”。美国、日本等发达国家早在20 世纪50—60 年代就已开展洪水灾害风险分析研究[2]，制作并发布了洪水灾害风险图[3-4]，我国则从20 世纪80 年代中期开始开展洪水灾害风险研究[5-6]。洪水灾害风险分析对于减轻洪水灾害的损失具有重要意义，已引起人们的高度重视。

20 世纪90 年代以来，利用GIS 技术进行洪水淹没研究和洪水风险识别，大多停留在以历史洪水数据为依据的静态层面。通过对水面高程做差值运算获得洪水过程的水文特征，在洪水模拟中充分考虑洪水演进的物理机制，加入坡度、坡向等因子，是当前研究的一个热点方向。陈秀万[7]和李观义[8]运用遥感技术的实时和宏观性进行洪水检测和淹没范围的划定；王腊春等[9]和陈德清等[10]基于GIS 空间分析技术进行二维平面的洪水淹没分析；刘仁义等[11]和葛小平等[12]在基于DEM 三维空间分析技术进行给定淹没高程下的洪水淹没区绘制。近年来，将GIS 技术与RS 技术相结合，根据数字高程模型DEM 提供的三维数据和遥感影像数据来预测、模拟显示洪水淹没场景，并进行洪水灾害评估，已成为GIS 在洪水方面的主要研究领域[13-18]。

【研究意义】叶尔羌河上游的冰川阻塞湖及其突发洪水就是典型代表，历史上发生多次溃决洪水[19-21]。据统计1959—2018 年叶尔羌河灌区发生洪水灾害的年份共有43 个，其中有7 次洪水洪峰流量超过4 000 m3/s，其中，1997 年后发生3 次，洪灾损失及频繁程度在新疆河流中居第一位。1959—2018 年叶尔羌河山区干流无控制性水库工程，洪峰不能被调控削减，直接进入平原区河段，使平原灌区形成频繁的大范围的灾害。【研究进展】在平原灌区数百公里的河段上，形成的防洪险工险段上百处，防洪工程建设较多，但洪水风险管理研究较少。绘制叶尔羌河灌区洪水风险图作为一种重要的非工程减灾措施，可以广泛地应用于洪泛区防洪规划与管理、应急决策与灾情评估、土地开发利用、居民避难、灾害保险、公共减灾对策以及灾害教育与宣传。张艳等[22]以叶尔羌河喀群渠首至中游渠首之间的区域为例，构建了MIKEFlood 洪水淹没演算模型，计算了不同洪水方案下的淹没范围、水深、流速等风险要素，只完成了一部分河段的洪水风险。【切入点】叶尔羌河从喀群渠首至艾力克塔木之间的整个平原灌区河段的洪水频发，历史上多次发生冰川湖突发洪水，冲毁了莎车、巴楚、麦盖提等县域内沿河两岸的村庄以及农三师部分团场的房屋、农田、公路等设施，造成人员和牲畜的伤亡，开展洪水淹没风险分析，可以识别沿河两岸洪水淹没的主要地带和淹没范围。【拟解决的关键问题】采用基于GIS栅格数据内嵌FloodArea 的二维水文水动力学模型[23-24]，模拟1999 年和2015 年夏季实测洪水过程，充分考虑行洪过程的物理机制，识别典型的高情景和低情景洪水淹没风险，与调查的实际洪水淹没范围进行对比，为沿河各级防洪指挥部门指挥防汛抗洪与洪水损失评估工作提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

叶尔羌河流域位于东经74°28′—80°54′，北纬34°50′—40°31′，流域总面积为10.81 万km2，其中平原区面积约为4.73 万km2。叶尔羌河流域平原灌区系指叶尔羌河喀群出山口以下至巴楚夏河林场之间的灌区和提孜那甫河江卡渠首以下灌区。依靠叶尔羌河水系灌溉的平原人工绿洲区，其总面积为16 042 km2，占流域面积的14.8%。人工绿洲区东西两侧处在塔克拉玛干大沙漠与布古里、托格拉克沙漠的挟持之中，呈带状分布，宽40～80 km，长400 km，灌溉面积50.22 hm2。流域总人口约240 万，共有24 个县级（含兵团）以上用水单位。叶尔羌河河水被大量用于农业灌溉，当卡群水文站（简称卡群站）流量达1 200 m3/s以上时，进入防洪状态；当卡群站流量达2 000 m3/s以上时，有可能出现洪水灾害风险。叶尔羌河上有喀群、勿甫、依干其、中游、民生、艾里克塔木渠首，在喀群和艾里克塔木之间有许多取水闸和相连的灌溉渠系，引水闸设计引水能力大都在80～175 m3/s 之间，在洪水期间可以开闸分洪，从而部分减少洪峰流量。

叶尔羌河流域的洪水类型按其成因和灾害特点可分为4 种类型：冰雪消融型洪水、冰川湖突发洪水、暴雨型洪水和混合型洪水。由于其河源段有大面积冰川发育及冰川堰塞湖，常有突发性洪水发生。洪水进入平原区后，河道蜿蜒游荡，两岸受淘刷破坏，汛期泛滥成灾，使得沿河各县深受其害，防洪问题十分突出。其中冰川湖突发洪水与消融型洪水相遇形成的混合型洪水峰高量大、来势凶猛，危害极大，洪水发生时间集中于6—9 月，1961 年实测洪峰流量达6 270 m3/s，1999 年实测洪峰流量达6 070 m3/s。

1.2 研究区数据

为评估由叶尔羌河洪水决堤导致灌区洪水淹没范围，应用GIS 工具生成数字高程模型（DEM），调查叶尔羌河沿岸的土地利用情况、防洪建筑物和取水口引水量等信息。沿叶尔羌河道进行以下洪水事件调查和分析工作：

①输入基本信息，如航拍相片和卫星图像、DTM、山体阴影分析、土地利用/地貌学/地质学、流量监测等；

②研究区南高北低、地形平缓，渠系众多，属于典型的大范围人工绿洲，二维洪水模型输入处理后的数字高程模型（DEM）；

③设置二维洪水模型参数（如糙率系数，洪水过程线，防洪建筑物，取水口等）；

④定义洪水模拟情景；

⑤建立二维洪水模拟模型。

1）数字高程模型

通过卫星图像提供的数字高程模型（DEM）和土地利用信息评估模型参数，并模拟洪水情景，文中采用SRTM（航天雷达地形测绘任务）数据中的高程信息建立研究区数字高程模型（DEM），见图1。由此可以创建一个满足洪水模型需求的地形模型，并且可以调整数字地形数据投影的像元值。研究区地形模型的栅格间距为85 m。

2）糙率系数

糙率系数对二维洪水模型是必要的。然而，由于DTM 分辨率和大范围研究区的精度要求，糙率系数只能由不同土地利用信息来推求。一方面根据已有的数据库，如交通基础设施；另一方面，土地利用类型的划分，如从卫星图像获取的居民点、沙漠地区、戈壁、滩涂等划分。

根据航拍及地面相片，河床大部分由粗颗粒组成，岸坡由疏松细颗粒材料组成。河床周边地区大部分为人工渠系和灌区。几个大小不同的居民点位于叶尔羌河的下游。根据调查研究区域的河道和周边地形地貌实际情况，按照曼宁系数经验值的划分类型，将土地利用分为河床、水域、居民区、灌区和戈壁等10 类。结合《水力计算手册》[25]和相关的文献[26-30]确定糙率初值，不同土地利用类型Strickler 系数（以Kst表示）见表1。

图1 叶尔羌河流域中下游灌区雷达影像 Fig.1 The recorded radar image strips over the floodplain of the Yarkant river

表1 不同土地利用类型Strickler（Kst）系数Table1 The Strickler coefficient Kst table for different Surface types

3）典型洪水情景

按照《叶尔羌河流域规划》要求，在平原灌区内沿河两岸通过建设护岸工程与堤防工程，保障一些重要的险工段能抵御重现期为20 a 的洪水，使之不造成较大损失；一般性险工段能抗御重现期为10 a 洪水，使之不受较大损失。近期待阿尔塔什水利枢纽建成后，与灌区河段防洪工程联合运行，可将平原灌区防洪标准从重现期为20 a 提高到重现期为50 a。

根据1959—2015 年卡群站的洪峰流量观测资料，选择接近防洪标准的典型洪水事件。基于洪峰流量、洪量、洪水持续时间、涨洪和退洪时间等参数，洪水模型基于高情景和低情景洪水事件2 个场景。高情景描述了1999 年8 月11 日冰川湖突发洪水事件的重大危害情况，近似重现期为20 a 的洪水（5 596 m3/s）；低情景描述了2015 年7 月28 日在未发生重大过岸洪水情况下的洪水事件，小于重现期为5 a的洪水（2 935 m3/s）。叶尔羌河卡群站2 种情景洪水参数列于表2。输入FloodArea 模型卡群站高情景和低情景洪水过程线作为上边界条件，艾力克塔木站水位流量关系为下边界条件。

表2 叶尔羌河卡群站典型情景洪水参数 Table2 Scenarios for flood modelling derived by discharge measurements at Kaqun gauge station

1.3 研究方法

洪水是水流漫溢出河段或其他水体的正常范围，或者在正常情况下水流向不受淹没区域累积的现象[31]。叶尔羌河灌区洪水风险主要由洪水在喀群渠首以下河道中传播及漫堤淹没产生。FloodArea 模型主要应用于洪水动态模拟及洪水淹没区域划分[23]，根据模型输入的不同，FloodArea 可模拟3 种洪水工况：①水位模式（Water Level）：整个河道网络漫顶式，有设定水位的河道网络栅格；②水文过程线（Hydrograph）：用户定义的一个或多个流量过程线，如指定的堤坝溃口（或分洪口）的流量过程线；③暴雨（Rainstorm）：对一个较大面积区域暴雨的模拟，面雨量以权重栅格设置。不同于静态洪水风险区划图，FloodArea 使用水动力学方法进行洪水淹没区域模拟，在每个模拟运行时间里，相应淹没范围和水深都以栅格形式存储和呈现，单元计算结果由周边相邻的8 个单元栅格决定，见图3。从某单元向周边单元流出量由Manning-Strickler 公式计算：

式中：V为流速（m/s）；Kst为下垫面糙率系数（Strickler系数，m1/3/s）；R为水力半径（m），即流体截面积与湿周的比值；J为水力坡降。

水流的淹没深度为淹没水位高程与地面高程之差，即： 式中：hf为淹没深度（m）；ha为淹没水位高程（m）；max（ea，eb）为出流沿程最大高程（m）。淹没过程中由地形坡向来决定水流方向。坡向指地表面上一点的切平面的法线矢量在水平面的投影与过该点的正北方向的夹角，反映斜坡所指示的方向。对地面任何一点来说，坡向表征了该点高程值改变量的最大变化方向。计算公式如下：

FloodArea 洪水模型用户必须至少定义洪水过程线和表面糙率参数。FloodArea 模型直接结合数字高程模型（DEM），可以将水流障碍（堤坝、挡水坝，取水建筑物等）融合到DEM 模型中，从而对模型结果进行修正。

在数字高程模型（DEM）基础上，FloodArea 模型模拟演进以栅格为单位，栅格单元划分见图2。

图2 栅格单元划分 Fig.2 Grid cell division

用Manning-Strickler 公式计算每个栅格单元与周围8 个单元之间的洪水深度、流速以及每一个栅格单元的流向，从而得出淹没范围，并把这些信息显示在洪水风险灾害指示图中。淹没结果直观地表现为淹没水深的空间分布形态，通过调查叶尔羌河灌区拦河建筑物、防洪工程、水库、洼地等，共计21 个点，实际受灾点的淹没水深或一定区域的平均淹没水深与相同地理位置的模拟结果的对比分析，对模型模拟结果进行了修正。

2 结果与分析

将洪水模拟模型与GIS 技术相结合，叠加河道、防洪工程、渠系、灌区和居民区等基础信息，应用洪水仿真模型推演和识别了洪水的淹没风险区域，绘制出不同情景下洪水最大可能淹没范围、淹没水深、流速等风险指标的空间分布。图中用不同的颜色深度表示淹没深度和洪水流速等级。

绘制的叶尔羌河灌区风险图，按水深等级，洪水沿河道淹没范围进行风险区划，即：①极深水区（>5.0 m）；②重度深水区（2.5～5.0 m）；③深水区（1.0～2.5 m）；④浅水区（<1.0 m）。按流速等级，洪水沿河道淹没范围进行风险分区：①急速区（>5.0 m/s）；②快速区（2.5～5.0 m/s）；③中速区（1.0～2.5 m/s）；④低速区（<1.0 m/s）。

2.1 高情景洪水淹没范围分析

根据洪水调查，1999 年8 月11 日叶尔羌河发生特大洪水，卡群水文站洪峰流量达6 070 m3/s，洪水冲毁或冲断的沿河大部分临时防洪工程，造成下游莎车县2 个乡8 km 防洪堤被冲毁，麦盖提县3 乡、4乡及恰斯农场、经各团场至巴楚公路被冲断，沿河村庄大都受到不同程度的灾害。此次洪水造成水毁工程多处，淹没农田1.3 万hm2，房屋8 000 余间，人员伤亡168 人，死亡牲畜2 988 头，粮食157 t，直接经济损失达1.53 亿元。

洪水淹没过程沿程空间分布是不均的，淹没水深的分布主要取决于河道及地形高差。采用FloodArea 模型模拟卡群水文站1999 年的最大洪水（6 070 m3/s）对叶尔羌河灌区的影响，包括洪水淹没深度、洪水流速和洪水淹没区域，见图3。图3中蓝色区域表示水深淹没区，黄色区域表示流速淹没区，用不同的颜色表示淹没深度和洪水流速的大小，小于1.0 m 水深的浅水区淹没面积占64.8%，小于1.0 m/s 流速的低速区淹没面积占66.4%，对应的淹没面积见表3。

表3 叶尔羌河灌区洪水高情景洪水淹没范围 Table 3 The flooding high scene inundation area in Yarkant River irrigation area

根据现场调查和记载的1999 年8 月11 日洪水资料对洪水淹没范围进行合理性检查，主要根据流场分布、对比调查点的淹没水深、淹没面积。叶尔羌河洪水主要在主要发生在叶尔羌河卡群站以下平原灌区河段附近，河段多处被洪水冲毁部分河段河堤，向四周满溢，淹没区主要分布在沿河道二旁及地势低洼地区，一些农田滞留了部分洪水，洪水淹没范围较大，灌区以及居民点都受到影响。灌区实际淹没区域主要分布在莎车县河道左岸2 个乡，麦盖提县河道右岸2个乡，巴楚2 个村及农三师48 团，受灾面积约133.34 km2，与模型模拟的河道外淹没受灾面积121.2 km2，误差为9.3%。洪水从喀群渠首到艾力克塔木断面之间流速变化范围0.5～5.0 m/s，洪水平均传播速度为3.5 m/s，洪水流至艾力克塔木断面，流速逐渐减小到约1.0 m/s，与高情景洪水中模拟的结果基本吻合。

洪水淹没区受高程标准差、河网渠系密度、地貌和植被覆盖度的影响，洪水风险呈现出自南向北增加的分布格局。高危险性地区的面积占比小（约20%），受灾面积约133.34 km2（占12.7%），主要集中在莎车县2 个乡、麦盖提2 个乡、巴楚2 个村及农三师48团，该区域河道弯曲，地处低洼，防洪工程薄弱，植被覆盖度较小，因此容易发生洪水灾害。

图3 叶尔羌河灌区洪水高情景淹没范围 Fig.3 Schematic diagram of flooding high scene inundation area in Yarkant River irrigation area

图4 叶尔羌河灌区洪水低情景淹没范围 Fig.4 Schematic diagram of flooding low scene inundation area in Yarkant River irrigation area

2.2 低情景洪水淹没范围分析

2015 年7 月28 日，叶尔羌河发生突发洪水，卡群站断面洪峰流量达2 450 m3/s。泽普、莎车县基本没有发生洪水灾害，此次洪水造成叶尔羌河麦盖提县吐曼塔勒乡肖卡西防洪点水毁1 450 m，巴楚县民生渠首溃坝段被迫决口分流，麦盖提县吐曼塔勒乡至民生渠首柏油路冲毁600 m，损坏路基800 m，损毁林带1.2 km，淹没农田40 hm2。

根据FloodArea 模型模拟卡群水文站通过2 450 m3/s 时对叶尔羌河灌区的影响，包括洪水淹没深度、洪水流速和洪水淹没区域，见图4。图4 中蓝色区域表示水深淹没区，黄色区域表示流速淹没区，用不同的颜色表示淹没深度和洪水流速的大小，小于1.0 m水深的浅水区淹没面积占65.5%，小于1.0 m/s 流速的低速区淹没面积占74.5%，对应的淹没面积见表4。从喀群渠首到艾力克塔木断面之间流速变化范围小于5.0 m/s，洪水平均传播速度为1.5 m/s，而洪水流至艾力克塔木断面，流速逐渐减小到0.5 m/s 以内。

根据2015 年实测洪水调查对洪水模拟淹没范围进行合理检查，洪水主要发生在叶尔羌河卡群站以下河道内，卡群至麦盖提段河床相对宽阔，新修建的堤防发挥良好的防护作用，大部分河段未被洪水破坏，仅麦盖提以下河段有3 处被洪水冲毁部分河段河堤，决口淹没区主要分布在沿河道二旁及地势低洼地区，淹没面积约0.5 km2，居民点未受到影响，洪水淹没范围较小。

表4 叶尔羌河灌区洪水低情景洪水淹没范围 Table 4 The flooding low scene inundation area in Yarkant River irrigation area

3 讨 论

根据1999年和2015年夏季洪水实测资料，基于GIS栅格数据构建了FloodArea洪水淹没演算模型，考虑了行洪过程的物理机制，模拟叶尔羌河平原灌区洪水淹没风险范围，计算了高情景和低情景2种典型历史洪水量级下的淹没范围、水深、流速等风险要素。由于不同输入参数情况下，FloodArea模型可能表现出差异性，即使对同一场洪水而言，模型输入参数是造成明显程度差异性的主要原因。张艳等[22]以叶尔羌河喀群渠首至中游渠首之间的区域为例，构建了MIKEFlood洪水淹没演算模型，计算了不同方案洪水下的淹没范围、水深、流速等风险要素。2个不同模型模拟的河段长度差异 较大，选取的典型洪水和洪水参数等也不相同，洪水风险趋势基本相似。

在应用中发现，冰川湖突发洪水水流陡涨陡落，由于地形（数字高程模型）、参数处理（如糙率系数，洪水过程线，防洪建筑物，取水口等）等原因，二维溃坝洪水演进的计算结果尚不能准确反映空间上的洪水演进规律。今后，模型构建方法也有待改进，获取更高精度的地理信息数据支撑，并研究构建三维突发洪水模型，参照更多的淹没实例模拟，更精细地刻画洪水在灌区河道三维空间的变化规律。

4 结 论

1）叶尔羌洪水淹没区主要位于平原区河段附近，重现期为20 a 洪水风险较高，卡群站以下河段多处被洪水冲毁部分河段河堤，洪水漫溢淹没区主要分布在沿河道二边灌区的地势低洼地区，洪水淹没范围较大；重现期为5 a 洪水的流程强度和洪水淹没区比重现期为20 a 洪水有所减少，危险性等级降低，灌区以及居民点基本未受到影响。

2）防洪工程的重点是在平原灌区莎车县、麦盖提县、巴楚县河段，对于一些重点防洪河段和行蓄洪区修筑护岸防洪堤坝工程。

3）叶尔羌河的总体防洪方案是：上游山区段修建山区控制性水库调蓄洪水，削减洪峰；平原灌区的上、中游段修筑护岸防洪堤坝工程，灌区下游主要是修筑堤坊，结合引洪灌溉控制洪水，下游生态林河道段主要是疏竣河道，结合少数堤防工程保证向塔里木河送水及维护下游百余公里的生态林生长。