基于地理国情监测成果的江河蓄滞洪区蓄洪效应分析

王铁军，赵礼剑，栗敏光

自然资源部 重庆测绘院，重庆 401120

0 引 言

我国洪涝灾害频繁而严重，主要江河河道泄洪能力普遍不足。为此国家在沿江河低洼地区和湖泊等开辟了蓄滞洪区，用于分蓄流域超额洪水，保证重点地区防洪安全[1]，国家相关法律法规对蓄滞洪区国土空间的开发利用提出了严格的约束条件。随着经济社会的快速发展，蓄滞洪区内人口的不断聚集和财富的持续积累，给蓄滞洪区建设管理带来新的挑战，已成为重点江河流域防洪体系中最突出的“短板”[2]。许多专家学者对我国蓄滞洪区的建设管理开展了广泛而深入的研究探讨，刘树坤等[3]探讨了滞洪区可持续发展模式，黄志凌[4]提出将蓄滞洪区建设与生态湿地建设相结合构建蓄滞洪区可持续发展模式，宋豫秦等[5]研究了不同设计启用频率的蓄滞洪区洪水管理与可持续发展的最优途径，侯传河等[6]提出了新形势下我国蓄滞洪区分类、调整及基于洪水风险的安全建设模式的规划与建设思路，沈和等[7]提出从社会、经济、生态、防洪4个方面构建我国蓄滞洪区管理制度与政策框架。但目前为止，在蓄滞洪区的国土空间分布、蓄洪能力、洪水演进等方面研究得不多，且使用的地理信息数据比例尺较小、分辨率和精度不高，矢量数据多为1:100000比例尺，DEM数据格网间距多为50 m，影像数据分辨率多为15～30 m[8]。

依据《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》，全国开展了地理国情监测工作，以地理国情普查本底数据为基础，结合现势性好的高分辨率航空航天遥感影像，整合最新的基础地理信息数据及相关部门专题数据，按照年度进行数据更新。地理国情监测是一项重大的国情国力调查，是掌握地表自然、生态以及人类活动基本情况的基础性工作，是新时期党中央、国务院赋予测绘地理信息部门的战略使命，是新时期测绘地理信息部门适应经济社会科学发展、促进资源节约型和环境友好型社会建设、推动测绘地理信息事业转型升级的重要突破口，是更好地发挥测绘地理信息部门基础、先行、保障作用的责任工程。

本文利用地理国情监测数据、基础地理信息数据、高精度DEM数据、水利专题数据等资料，以重点江河蓄滞洪区为研究对象，开展蓄滞洪区国土空间分析、蓄洪能力评估，为蓄滞洪区建设管理、国土资源开发利用、蓄滞洪区所在江河流域防洪减灾等提供地理信息保障服务，从而为蓄滞洪区启用方案评估以及风险管理提供参考依据。

1 资料分析利用

地理国情监测数据。由地表覆盖要素数据与地理国情要素数据组成。地表覆盖要素数据为覆盖在国土表面的按照自然属性分类提取的成果数据，主要内容为耕地、园地、林地、草地、房屋建筑区（群）、道路、构筑物、人工堆掘地、裸露地表、水体等一级类型；地理国情要素数据主要内容为按照地理实体形式采集的道路、水系、构筑物以及地理单元等数据。地表覆盖要素数据用于提取蓄滞洪区分类国土空间，修正蓄滞洪区矢量；地理国情要素数据中堤坝线用于修正蓄滞洪区矢量范围，城镇综合功能单元点、城市道路线、水系面、公路线等数据用于辅助提取蓄滞洪区分类国土空间。

基础地理信息数据。比例尺为1∶250000和1∶10000的DLG数据，用于蓄滞洪区矢量范围提取、国土空间分类参考。

高精度DEM数据。数据精度优于1∶10000，格网间距2.5 m，用于计算蓄滞洪区蓄洪能力参数与风险水平、泄洪区洪水演进数值模拟。

高分辨率遥感影像数据。分辨率优于2.5 m，RGB色彩模式，用于辅助提取蓄滞洪区分类国土空间及蓄滞洪区分洪口的位置。

工程水利专题数据。包括蓄滞洪区位置范围、设计蓄洪水位、设计蓄洪容量、运用标准（重现期）、洪水调度、历史洪水、水文、泥沙等专题资料以及蓄滞洪区堤防和护岸工程现状、河道整治和涉水建筑物工程情况、防洪工程图等工程水利建设现状资料，用于确定蓄滞洪区矢量范围、计算和分析蓄滞洪区蓄洪能力和风险水平，开展分洪区洪水演进数值模拟计算。

2 研究内容及方法

在各类数据资料收集、分析和预处理的基础上，基于蓄滞洪区矢量、DEM、蓄洪水位等数据开展蓄滞洪区蓄洪效应分析，包括国土空间监测分析、蓄洪能力分析、洪水演进数值模拟等，主要技术路线如图1所示。

图1 主要技术路线Fig.1 Main technical routes

蓄滞洪区国土空间监测分析。在国土空间类型划分、国土空间与地表覆盖要素映射关系建立的基础上，提取和统计分类国土空间要素及其变化，生成蓄滞洪区相应监测时相的国土空间矢量数据和国土空间变化矢量数据。

蓄滞洪区蓄洪能力分析。在洪水淹没模拟分析的基础上，提取蓄滞洪区蓄洪容量、淹没面积、平均淹没深度、最大淹没深度等蓄洪参数，进行蓄滞洪区风险分区，生成蓄滞洪区蓄洪水位-蓄洪容量、蓄洪水位-淹没面积和风险分区数据。

蓄滞洪区洪水演进数值模拟。利用工程水利专题数据，构建平面二维水流数学模型，采用非结构网格离散计算区域，计算典型分洪条件下的分洪区洪水演进过程；开展不同洪水类型工况下的演进模拟，给出洪水风险各要素空间分布特征信息，如淹没范围、淹没水深、洪水流速、到达时间、淹没历时等。

3 蓄洪效应分析

3.1 国土空间监测分析

3.1.1 国土空间类型划分

根据国务院《全国主体功能区规划》（国发〔2010〕46号），国土空间指国家主权与主权权利管辖下的地域空间，是国民生存的场所和环境，包括陆地、陆上水域、内水、领海、领空等。国土空间按所具备功能和所提供产品分为城市空间、农业空间、生态空间和其他空间4种类型。城市空间指以提供工业品和服务产品为主体功能的空间，包括城市、建制镇的建成区和独立于城镇建成区之外的独立工矿区。农业空间指以提供农产品为主体功能的空间，包括耕地、改良草地、人工草地、园地、其他农用地和农村居民点空间。生态空间指以提供生态产品或生态服务为主体功能的空间，包括自然存在或人工建设的天然草地、林地、湿地、水库水面、河流水面、湖泊水面以及荒草地、沙地、盐碱地、高原荒漠等。其他空间指除城市空间、农业空间、生态空间以外的其他国土空间，包括铁路、公路、民用机场、港口码头、管道运输、水利工程建设以及居民点以外的国防、宗教等占用的空间。

3.1.2 国土空间与地表覆盖要素映射关系建立

根据不同国土空间类型的涵义及地理国情监测数据不同地表覆盖要素类型的涵义，建立两者之间的映射关系（表1）。

表1 国土空间类型与地表覆盖要素映射表Tab.1 Mapping table of land space types with land cover areas and types

3.1.3 国土空间要素提取

根据国土空间与地表覆盖要素的映射关系，利用地理国情要素数据中的城镇综合功能单元数据、基础地理信息数据中居民地及设施层的数据，将地表覆盖要素数据整合为分类国土空间要素，再分别叠加蓄滞洪区矢量、蓄滞洪区淹没区矢量、蓄滞洪区风险分区矢量进行裁切获得蓄滞洪区分类国土空间要素、蓄滞洪区淹没区分类国土空间要素、蓄滞洪区不同风险分区分类国土空间要素。

3.1.4 国土空间要素统计

1）基本统计。基于分类国土空间要素提取结果，分别以蓄滞洪区全域、淹没区、不同风险分区和蓄滞洪区0.5 m整数倍淹没深度带为分析单元，统计4种国土空间一级类型、13种国土空间二级类型不同监测时相的面积、面积占比，分析蓄滞洪区国土空间的结构特征。某蓄滞洪区4种国土空间一级类型在不同淹没带的淹没面积及占比统计情况见表2。基本统计结果可以为蓄滞洪区空间规划、分洪蓄洪政策制定、灾情评估等提供数据支撑。

表2 某蓄滞洪区国土空间一级类型淹没面积及占比情况Tab.2 Flooded area and proportion of first-level land space in a flood detention basin

2）变化统计。在基本统计分析的基础上，分别以蓄滞洪区全域、淹没区和不同风险分区为变化分析单元，统计4种国土空间一级类型、13种国土空间二级类型监测时段的面积变化量、面积变化率，分析蓄滞洪区国土空间结构的变化幅度。某蓄滞洪区4种国土空间一级类型监测时段的变化情况见表3。变化统计可为蓄滞洪区各项管理政策的落实、监督、执行等情况评估提供依据。

表3 某蓄滞洪区国土空间一级类型变化情况统计Tab.3 Variations of first-level space types in a flood detention basin

3.2 蓄洪能力分析

基于高精度DEM数据和设计蓄洪水位数据，以蓄滞洪区为范围进行洪水淹没模拟分析，进而计算设计蓄洪水位对应的蓄洪容量、淹没面积、平均淹没深度、最大淹没深度等蓄洪能力参数，并进行洪水风险分区。

3.2.1 洪水淹没模拟分析

利用给定水位采用静态分析模型进行洪水淹没模拟分析。将洪水源区（河道）和被淹没区（蓄滞洪区）之间存在一定的水位差并具有一定的通道（水闸）作为淹没发生的前提条件，将通道两侧水位达到平衡状态作为淹没导致的最终结果。

静态洪水淹没模拟分析方法可以分为无源淹没分析方法和有源淹没分析方法两种。无源淹没分析方法适用于降雨等面状给水所引起的地面水位上涨而造成的淹没现象，不考虑潜在淹没区域的连通性，相对简单；有源淹没分析方法适用于堤坝决裂或开闸泄洪等点状溢水所造成的淹没现象，需要考虑潜在淹没区域的连通性，较为复杂。本文采用有源淹没分析方法，基于DEM数据创建蓄滞洪区三维地形场景，并与蓄滞洪区矢量进行空间叠加，在分洪口位置设置淹没种子点，在蓄滞洪区最低高程至设计蓄洪水位区间内设置淹没高程，模拟生成淹没区（图2）。

图2 洪水淹没模拟分析流程图Fig.2 Flow chart of flooding simulation analysis

3.2.2 蓄洪能力评估

蓄洪能力可以分为正面效应和负面效应两个方面。正面效应即蓄滞洪区所能发挥的蓄滞洪水的有利功效，采用蓄洪容量来反映；负面效应即蓄滞洪区被洪水淹没所产生的不利影响，采用淹没面积、平均淹没深度、最大淹没深度等参数来反映。

1）蓄洪容量计算。采用方格网法计算蓄滞洪区蓄洪容量，以蓄滞洪区DEM格网为单元将区内淹没水体微分成一个个立方体，通过对各个立方体的体积加以积分求和，获得整个淹没水体的体积，即蓄滞洪区的蓄洪容量，数学模型如下：

式中，V为蓄洪容量；L为蓄洪水位高程；Hi和Pi分别为淹没范围DEM第i个格网的地面高程和面积，n为淹没范围DEM格网总数。

为了深入反映蓄洪水位与蓄洪容量的动态对应关系，在蓄滞洪区淹没区最低高程至设计蓄洪水位区间内，以0.5 m整数倍蓄洪水位为采样高程，依次计算对应的蓄洪容量，进而拟合形成蓄洪水位-蓄洪容量曲线（图3）。

图3 蓄洪水位-蓄洪容量曲线图Fig.3 The curve of flood storage water level-flood storage capacity

2）淹没面积计算。蓄滞洪区淹没范围为洪水淹没模拟分析所生成的范围。为深入反映蓄洪水位与淹没面积的动态对应关系，在蓄滞洪区最低高程至设计蓄洪水位区间内，以0.5 m整数倍蓄洪水位为采样高程，依次计算对应的淹没面积，拟合形成蓄洪水位-淹没面积曲线（图4），并对淹没范围进行动态直观展示（图5）。

图4 蓄洪水位-淹没面积曲线图Fig.4 The curve of flood storage water level-flooded area

图5 洪水淹没过程图Fig.5 Process of flood submergence

3.2.3 洪水风险分区

蓄滞洪区面积较大、地形复杂时，应进行洪水风险分区。淹没区内不同地带的风险水平可以采用风险度参数来评估，计算公式如下：

式中，R为风险度；H为淹没深度；N为蓄滞洪区运用标准（重现期）；Φ为淹没历时修正系数，取1.0～1.3。淹没区内不同地带的风险等级根据风险度数值大小，可以将淹没区划分为重度、中度、轻度3个风险等级，风险度取值分别为：R＜0.5、0.5≤R＜1.5、R≥1.5。

以蓄滞洪区设计蓄洪水位（或者淹没水位）、高精度DEM数据，计算蓄滞洪区每个DEM格网的淹没深度，按式（2）计算每个格网的风险程度，依据风险程度对每个格网进行同类合并、去噪等处理，获得蓄滞洪区最终的风险分区结果[9]，制作形成蓄滞洪区风险分区专题图（图6）。

图6 蓄滞洪区风险分区图Fig.6 Risk zoning map of flood detention basin

3.3 洪水演进数值模拟

在蓄洪能力分析中对蓄滞洪区的蓄滞容量、淹没面积进行了分析，前提是洪水瞬间完成淹没。但在实际过程中，从蓄滞洪区开闸蓄水到蓄洪完成，是一个动态的过程，即使是同一淹没高程，洪水到达的时间也是不一样的。因此模拟洪水的演进过程，演示蓄滞洪区洪水在时间和空间上的变化，提供洪水到达时间、流速、淹没水深、淹没范围、淹没历时等水情指标值，可以为洪水预报、洪水风险分析、洪水调度、分洪区安全建设规划等提供数据支撑。基于非结构网格和有限体积算法[10]，建立了稳定、高效、精准的蓄滞洪区洪水演进平面二维数学模型，水沙运动方程可以用连续性方程、方向水流运动方程、方向水流运动方程表示，公式如下：

式中，H为水深；u和v为x和y方向的流速；M=uh，N=vh；Z为水位；n为Manning糙率系数；vt为紊动粘性系数；q为单位面积上水流的源汇强度。

公式（3）～（5）可以统一写成如下形式：

式中，φ={H,M,N,HS},xi={x,y}；Γφ为广义扩散系数；Sφ为源项。

非结构化网格（三角形或四边形）上求解水沙运动方程包括非稳态项离散、对流项离散、扩散项离散、源项离散等。主要步骤包括利用给定的速度场和水位场计算离散方程的系数和源项、求解动量方程得出速度场、计算水位校正方程中的系数和源项、修正速度和水位场、反复进行迭代直至收敛。

以长江某蓄滞洪区为例，在全面了解地形、水文、泥沙等基础资料以及相关的堤防和护岸工程现状的基础上，经地形自动剖分、溃口给定流量、干河床与动边界的处理、糙率系数及紊动粘性系数设定等，对模型进行求解处理，并利用1954年洪水过程进行验证，最后根据国家防汛抗旱总指挥部《长江洪水调度方案》（国汛〔2011〕22号）指导思想与防洪标准，选择1954年型1000年一遇、1998年型200年一遇和1000年一遇的洪水作为分洪方案进行洪水演进数值模拟，给出洪水风险各要素空间分布特征信息，如淹没范围、淹没水深、洪水流速、到达时间、淹没历时等。以1954年型1000年一遇洪水为例，最大流速、洪水到达时间、最大水深如图7所示。

图7 1954年型1000年一遇洪水演进数值模拟图Fig.7 Numerical simulation diagram of 1954 type thousand-year flood routing

由淹没水深和洪水流速分布图可知，最大水深分布与最大流速分布趋势基本一致。距离分洪口近流速大，受洪水威胁相对严重；对于地势低、起伏不明显的区域，虽然流速平稳，但水深均超过7 m，远远超过安全水深1.0～1.5 m，受到洪水的严重威胁；而对地势高的边界区域，洪水到达时间迟，水深浅。总体来说，模型对洪水模拟结果符合水流由地势高的区域流向地势低的区域，地势变化大的区域流速大的洪水发展物理特性。

4 结 论

蓄滞洪区作为流域防洪减灾体系的重要组成部分，在防御历次流域大洪水中都发挥了不可替代的重要作用，通过适时分蓄超额洪水、削减洪峰，基本保障了中下游重要城市和重要防洪地区的安全，为流域防洪减灾作出了巨大贡献。

为贯彻落实国家生态文明建设及地区经济社会发展，水利工程补短板，水利行业强监管的要求，众多学者从蓄滞洪区规划、建设及补偿机制等方面对蓄滞洪区建设提出了治理思路。随着重点江河流域防洪体系的建设，防洪形势发生了较大变化，尤其是随着长江经济带、淮河生态经济带发展规划等国家战略实施给蓄滞洪区建设提出了新要求，蓄滞洪区建设、布局调整、日常管理中涉及的城镇无序发展、违规建设、人水争地等的解决都需要地理信息支撑。利用地理国情监测成果可以及时、准确、全面地掌握蓄滞洪区国土空间动态，为蓄滞洪区工程建设与安全管理、布局调整和人口安置、政策制定和产业结构调整、经济社会发展和生态环境保护等提供地理空间公共基底。