长江中游干流河段洲滩民垸行蓄洪能力研究

毕祯珊　李昌文　伍岳　黄艳　张维奇

摘要：长江中下游洲滩民垸具有巨大行蓄洪能力，对保障重点地区防洪安全起重要作用。但是，洲滩民垸点多面广，地形数据缺乏，无法充分利用并有效构建数学模型分析行蓄洪作用。基于长江中下游高分辨率遥感影像数据，构建长江中游干流河段洲滩民垸数字高程模型，以生产水位-面积-容积关系成果，分区分类研究洲滩民垸的行蓄洪能力。结果表明：长江中游干流洲滩民垸行蓄洪能力强，但空间分布差异大，其中，荆江河段洲滩民垸面积及蓄洪容积占比最高，在面临大洪水时调度运用多。研究成果能够直观有效呈现长江中游干流洲滩民垸的行蓄洪能力，为洲滩民垸的调度运用打牢数据基础，为科学准确制定防洪决策提供有力支持。

关键词：洲滩民垸； 行蓄洪能力； 水位-面积-容积关系； 遥感影像； 长江中游

中图法分类号：P237 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.007

文章编号：1006-0081（2024）04-0041-06

0 引 言

長期以来，长江流域遭受着不同程度、不同类型的洪水灾害威胁［1］。经过多年的水利建设，长江中下游基本建成了以堤防为基础，三峡工程为骨干，其他干支流水库、蓄滞洪区、河道整治相配合，平垸行洪、退田还湖、水土保持等工程措施与防洪非工程措施相结合的防洪减灾体系［2］。

长江中下游形成了数量众多的洲滩民垸，作为长江防洪减灾体系的一部分，洲滩民垸在遇大洪水时需做好行蓄洪区运用准备，以保障流域重点地区和重要城市的防洪安全［3］。然而，洲滩民垸一直未得到系统治理，缺乏有效的调度管控措施，很难保证遇大洪水时及时运用［4］。尚全民等［5］在梳理防御洪水经验时分析得出洲滩民垸管理不到位、实际运用难度大的结论；王乐等［6］总结超标准洪水防御预案思路时，提出洲滩民垸作为水利工程调度的一部分可以充分发挥防洪潜力；褚茜茜等［7］从完善政策法规体系、健全管理体制机制等方面提出了加强洲滩民垸管理制度建议。加强洲滩民垸防洪治理是新时期完善流域防洪体系的重要任务，也是当前流域

各地普遍面临的现实迫切需求。因此，如何更好发挥和运用洲滩民垸，是非常值得关注和研究的问题。

随着GIS技术的不断发展，很多学者以数字高程模型（DEM）为基础，将GIS应用到洪水淹没分析中［8-10］。杨爱玲等［11］使用不同分辨率数字高程模型进行模拟，提出了高精度数字高程模型能为洪涝灾害预防提供准确的评判依据。罗永臻［12］证明了缺少水文资料也可在遥感影像和DEM数据支持下得到水文模拟结果。张静等［13］采用25 m分辨率的DEM对大连市进行了淹没分析，并得到了淹没范围和水深分布数据。李昌文等［14-15］基于多源数据融合方法构建了洞里萨湖水位-面积（容积）关系。其他学者应用GIS对多个城市和流域进行了洪水淹没分析［16-18］。目前，长江中下游洲滩民垸数量多、面积大，尚无明确的水位-面积-容积关系，调蓄洪能力不明，精准调度手段缺乏。针对这些问题，可基于高分辨率遥感影像，结合GIS淹没分析技术进行快速科学地模拟计算。因此，本研究以长江中游干流河段洲滩民垸为例，借助高分辨率遥感影像构建水位-面积-容积关系，对洲滩民垸行蓄洪能力进行分析，以期为洲滩民垸防洪治理和调度运用提供借鉴。

1 研究区域概况

长江中游干流河道上起宜昌，下至湖口，全长约955 km。在河流自然演变过程中，形成了大量的天然沙洲和滩地。随着长江中下游人口增多、社会经济活动的发展，在人类长期活动作用下，这些滩地形成了数量众多、大小不一的洲滩民垸。曾经沿江沿湖的小圩并垸连堤形成大圩，掀起了大规模的围垦建垸活动［19］。现如今，洲滩民垸内有大量人口、经济作物及重要基础设施，既是长江行洪、滞洪的场所，也是数百万人民群众赖以生存的家园［20］。

1998年长江流域性特大洪水后，为治理水患和灾后重建，政府启动实施了平垸行洪、退田还湖工程措施，重点是对长江流域影响江河湖泊行蓄洪或防洪标准较低的民垸圩堤进行平退，包括退人不退田的“单退”和既退人又退田的“双退”2种退田还湖方式，形成了单退垸、双退垸和其他垸3种类型的洲滩民垸。经统计，共平退圩垸1 442个，迁移58.67万户、244.12万人，恢复调蓄容积178.34亿m3［21］。但是由于多种原因，有一些洲滩民垸仍未完成平退，见图1。

当前长江防洪体系已基本建成，整体防洪能力显著提高，但洪水的威胁依然存在。洲滩民垸作为长江防洪体系的重要组成部分，若能充分利用其行蓄洪能力，可进一步提高水旱灾害防御能力。但是洲滩民垸的地形数据及水位-面积-容积关系缺乏，成为长江流域洪水调度的短板。因此，加强洲滩民垸防洪治理已成为迫切需要。在确保防洪安全的前提下，对不同类型的洲滩民垸进行分类细化研究，有利于最大限度地发挥洲滩民垸行蓄洪能力，为应对流域大洪水提供支撑。

2 数据与方法

2.1 数据源

选用长江中游干流河段洲滩民垸0.8 m高分辨率遥感影像和12.5 m分辨率ALOS DEM数据，按照统一的数据标准进行融合处理，利用ArcGIS进行数据镶嵌、边界配准、范围裁剪等预处理，采用坐标投影变换成为平面坐标系，利用水文工具将转换坐标后的DEM进行填洼处理［22］，以满足研究需要。

2.2 研究方法

2.2.1 研究思路

作为行蓄洪空间，长江中游洲滩民垸起着调节洪水、减轻下游地区防洪负担的作用。对洲滩民垸行蓄洪能力进行研究，可为长江中下游的洪水灾害治理与决策提供可靠的依据。但是洲滩民垸点多面广，地形数据获取成本较大，而遥感影像可一次性免费提取大范围洲滩民垸地形数据。因此，本文基于遥感影像和数字高程模型数据，采取GIS淹没分析技术，对洲滩民垸的空间分布与面积容积特征进行分析，研究洲滩民垸的行蓄洪能力。

2.2.2 计算方法

基于数字高程模型的洪水淹没分析算法主要包括无源淹没和有源淹没两种［23-25］。本研究基于洲滩民垸的地形特点，采用无源淹没方法，运用ArcGIS中3D Analyst中Surface Volume工具进行计算分析，运用积分思想，获取指定参考平面以下的面积和容积。

考虑不同河段、不同类型洲滩民垸蓄洪作用的差异，将长江中游干流划分为枝城至城陵矶、城陵矶至武汉、武汉至湖口3个子河段，将洲滩民垸划分为单退垸、双退垸、其他垸3种类型分别进行计算（图2）。

3 研究结果与分析

3.1 洲滩民垸空间分布特征

从整体来看，长江中游干流洲滩民垸共125个，总面积为1 423.92 km2，空间分布差异较大，主要分布在湖北省内。具体分析按洲滩民垸所在地区，荆州市数量最多，共计41个；其次为黄冈市，共计32个，分别占长江中游干流洲滩民垸总数的32.80%和25.60%。荆州市洲滩民垸总面积为623.19 km2，占比最大，占洲滩民垸总面积的43.77%。雖然湖南省岳阳市洲滩民垸数量最少，但总面积仅次于湖北省荆州市，为313.47 km2，占洲滩民垸总面积的22.01%（见表1和图3，均为初步调查结果，下同）。

按洲滩民垸所属河段分析，枝城至城陵矶河段总面积最大，为614.59 km2，城陵矶至武汉河段次之，为545.24 km2，分别占洲滩民垸总面积的43.16%和38.29%。武汉至湖口河段分汊河道众多，洲滩民垸数量最多，共计57个，占长江中游洲滩民垸总数的45.60%（表2）。

按洲滩民垸不同类型分析，可以看出，长江中游干流单退垸的数量远超其他类型，共计103个，占洲滩民垸总数的82.40%；其他垸总面积最大，共计746.25 km2，占洲滩民垸总面积的一半以上；双退垸数量最少、面积最小（表2）。

3.2 洲滩民垸行蓄洪能力分析

基于卫星遥感手段获取高分辨率DEM数据，借助GIS平台，构建洲滩民垸水位-面积-容积关系（见图4，以合镇垸为例），计算得出各地区及不同河段洲滩民垸蓄洪容积（表2）。由表2可知，长江中游干流洲滩民垸总蓄洪容积为66.94亿m3。

按蓄洪容积大小来看，长江中游干流125个洲滩民垸中容积大于1亿m3的共计12个，总容积48.26亿m3；容积在0.5亿～1.0亿m3之间的共计13个，总容积9.76亿m3。两者容积之和为58.02亿m3，占125个洲滩民垸总容积的比例为86.67%。容积小于0.5亿m3的有100个，占总容积的比例13.33%。除下荆江河段之外，长江中游干流其他河段单退垸和其他垸容积不大，均小于10亿m3（表3）。

从洲滩民垸不同类型来看，单退垸全部运用后可容纳洪水29.45亿m3，双退垸全部运用后可容纳洪水1.22亿m3，其他垸全部运用后可容纳洪水36.27亿m3，分别占长江中游干流洲滩民垸蓄洪容积的43.99%、1.82%和54.19%。可见，各类型洲滩民垸中单退垸和其他垸分洪量大，防洪作用大。

从分河段来看，枝城至城陵矶河段蓄洪容积约为33.38亿m3，占长江中游干流洲滩民垸总蓄洪容积的49.87%；城陵矶至武汉河段蓄洪容积约为23.07亿m3，武汉至湖口河段蓄洪容积约为10.49亿m3。可以看出，荆江河段洲滩民垸行蓄洪能力较强，因其地理位置，起着接纳上游过量洪水和减缓下游防洪压力的作用。

4 结 论

本文通过利用长江干流高精度测绘数据和遥感数据，构建洲滩民垸水位-面积-容积关系，分析长江中游个河段、各类型干流洲滩民垸的行蓄洪能力，并分析其空间差异，经过初步调查后得到主要结论如下：① 长江中游干流洲滩民垸共125个，总面积1 423.92 km2，总蓄洪容积66.94亿m3。② 洲滩民垸行蓄洪能力较强的河段为荆江河段，占长江中游干流洲滩民垸总蓄洪容积的49.87%。③ 洲滩民垸面积较大的地区主要为湖北省荆州市和湖南省岳阳市，分别占洲滩民垸总面积的43.77%和22.01%。④ 从长江中游干流不同类型洲滩民垸行蓄洪能力的分布来看，单退垸和其他垸分洪量大，起到了主要蓄洪作用。

洲滩民垸作为长江中游防洪体系的重要组成部分，应维持其行蓄洪功能，根据河段防洪形势和防洪需求，通过加强治理最大程度保障河段防洪安全。对长江中游洲滩民垸的行蓄洪能力研究能够直观有效呈现洲滩民垸的具体情况，为科学准确制定防洪决策提供有力支持，为洲滩民垸防洪治理提供基础依据。本文利用DEM数据开展洲滩民垸水位-面积-容积关系构建分析，但受遥感影像精度影响，模拟数据与真实情况存在一定误差，未来研究建议开展洲滩民垸无人机航测，获取高精度和高分辨率的地形数据，提高洲滩民垸容积计算精度。此外，为进一步研究洲滩民垸的行蓄洪作用，建议引入相关水动力学模型，定量评估不同洲滩民垸组合调度的防洪作用。

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（编辑：李 慧）

Characteristics of flood regulation and storage capacity of floodplains and polders in middle reaches of Yangtze River

BI Zhenshan1，2，LI Changwen2，WU Yue1，HUANG Yan1，2，ZHANG Weiqi2

（1.College of Civil Engineering & Architecture，China Three Gorges University，Yichang 443002，China； 2.College of Hydraulic & Environmental Engineering，China Three Gorges University，Yichang 443002，China）

Abstract： The floodplains and polders in the middle and lower reaches of Yangtze River have great flood storage capacity and play an important role in ensuring flood control safety in key areas.However，due to its large quantity and area and lack of topographic data，it is impossible to make full use of it and effectively construct a mathematical model to analyze the flood storage effect.Based on the high-resolution remote sensing image data of the middle and lower reaches of Yangtze River，the digital elevation model of floodplains and polders was constructed to establish the water level-area-capacity relationship，and the flood storage capacity of the floodplains and polders was studied by partition classification.The results showed that the flood storage capacity of the floodplains and polders in the middle reaches of Yangtze River was strong，but the spatial distribution was different.The area and flood storage capacity of the floodplains and polders in Jingjiang River accounted for the highest proportion，which would be used most when a large flood occured.The research results can present the flood storage capacity of the floodplains and polders in the middle reaches of Yangtze River as the data foundation for the operation of the floodplains and polders and provide a support for the flood control decision.

Key words： floodplains and polders； flood regulation and storage capacity；water level-area-capacity relationship； remote sensing image； middle reaches of Yangtze River

收稿日期：2023-11-27

基金項目：国家自然科学基金青年科学基金项目（52009079）；湖北省自然科学基金一般面上项目（2023AFB594）；水利部重大科技项目（SKS-2022003）；中国水利水电科学研究院 水利部泥沙科学与北方河流治理重点实验室开放研究基金（IWHR-SEDI-2023-07）；流域水安全保障湖北省重点实验室开放创新基金重点项目（CX2023K13）

作者简介：毕祯珊，女，硕士，主要从事资源与环境遥感研究工作。E-mail：bizhenshan2020@163.com

通信作者：李昌文，男，教授，博士，主要从事防洪减灾研究工作。E-mail：764984847@qq.com