叶志恒,沈 菲,苗 青,王 扬,张晓艳

(1.广东省水利水电科学研究院,广州 510635；2.常州市武进区水利局,江苏 常州 213100)

1 概述

广东省位于珠江流域下游，水系发达、河流密布，集雨面积在50～3 000 km2的中小河流多达1 190条，总长约为3.41万km[1]。中小河流洪水灾害是当前严重的自然灾害之一[2]，根据相关统计数据，广东省近年因洪灾害造成的人员死亡高达525人[3]，2020年全年因洪水受灾人口达到88.9万人，直接经济损失高达49.8亿元[4]。广东省洪水灾害具有持续时间短、来势急、多发性、危害性大等特点[5]，针对中小河流洪水灾害常用工程的措施并不能完全抵御洪水，必要的非工程措施也是防洪减灾的有效方法之一[6]。

广东省作为全国经济和人口第一大省，诸多河流两岸密集分布着村庄和农田，山丘区中小河流洪水淹没图的绘制对增强群众隐患意识、制定科学的防洪决策和洪水灾害应急预案、规范土地利用与管理等具有重要的指导意义[7]，是防洪减灾中重要的非工程措之一。本文通过总结广东省试点县山丘区中小河流淹没图制作经验，以潖二河为例，得出一种较为快捷高效精度可控的淹没图制作方式。

2 研究区域概况及范围

潖二河是潖江河的一级支流，北江二级支流，为广东省从化区第二大河流，发源于从化区西部鳌头与花都区交界的羊石顶一带，流经鳌头镇，于龙山圩下注入潖江河；干流河长为29.5 km，流域面积为320 km2，境内可耕地面积约为0.57万hm2。根据相关规划，潖二河干流防洪标准为20年一遇，鳌头镇区—河口干流河段已建成防洪标准为20年一遇的堤防。

潖二河流域范围内重点保护对象为鳌头镇镇区，其中镇区—河口河段两岸较为密集分布着村庄和工厂，防洪标准为20年一遇；镇区～源头河段，两岸多为山地，零星分布有村庄。因此，根据《山丘区中小河流洪水淹没图编制技术要求(试行)》，本次淹没图研究范围选取为潖二河的干流鳌头镇镇区至河口段(见图1)，全长约为18.8 km。

图1 潖二河研究范围示意

3 洪水淹没图编制

洪水淹没图的编制以现有河道地形和广东省数字高程模型(DEM)为基础，应用GIS技术快速提取河道断面地形，根据水文资料和河道断面地形运用Mike11软件计算河道设计洪水水面线，采用ArcGIS张力样条插值法生成水面高程模型[8]，通过栅格计得到研究区域洪水淹没水深和洪水淹没区域，并根据区域相关信息进行淹没统计和分析，最终将基础信息、核心信息和辅助信息绘整合汇编得到山丘区洪水淹没图。

3.1 地形数据处理

河道断面地形提取是编制淹没图重要基础工作[9]。本文基于5 m空间分辨率的数字高程模型和实测河道地形，运用Gis技术将河道地形与数字高程地形进行镶嵌，对失真部分河道进行修正(见图2～图3)。针对需要计算的河段，以两侧山脚为边界，快速提取河道及河岸横断面。

图2 研究区域数字高程模型示意

图3 修正后研究区域高程模型示意

3.2 设计洪水水面线计算

3.2.1设计洪水

根据《广东省暴雨等值线图》，采用查图法进行设计暴雨分析计算，选取参数Cs/Cv=3.5，采用P-Ⅲ型频率曲线，得到设计暴雨成果(见表1)。

表1 设计暴雨成果

根据设计暴雨成果，采用《广东省暴雨径流查算图表》中的综合单位线法计算各断面设计洪水成果(见表2)。

表2 设计洪水成果

3.2.2糙率拟定

本文根据河道主槽形态、床面粗糙情况、植物覆盖状况、弯曲程度以及涉水工程等因素，结合已有资料推算确定河道糙率。其中建有堤防的河槽糙率取0.026～0.03，无堤防的河槽糙率取0.028～0.035；对于滩地糙率视其植被覆盖情况、阻水建筑物、平面形态等特征进行选取，滩糙率值介于0.04～0.18之间。

3.2.3起推水位

潖二河流域面积较小，干支流洪水同时发生的几率较高，因此，本次潖二河干支流洪水采用同频率遭遇的工况，当潖二河发生20年一遇洪水时，河口水位为23.114 m；发生50年一遇洪水时，河口水位为23.644 m。

3.2.4设计洪水水面线计算结果

根据拟定参数，将本次计算结果与已批复的潖二河设计洪水水面线对比(见图4～图5)，结果显示20年一遇洪水计算值与批复成果差值为0～0.05 m，50年一遇洪水计算值与批复成果差值为0～0.08 m。不同洪水频率条件下计算值与批复成果相差较小，且批复成果已应用于后期的相关工程设计，因此，本文采用批复成果作为淹没计算依据。

图4 P=5%计算结果与批复成果线对比示意

图5 P=2%计算结果与批复成果线对比示意

3.3 淹没计算

3.3.1计算原理

Grid格式的数据具有建模简便快捷，数据储存方便等优点，且与广东省数字高程模型数据格式一致，基于单个像元的栅格数值更便于计算。因此本文基于设计洪水水面线成果，通过ArcGIS生成Grid数据格式的洪水水面模型，采用栅格计算器将生成Grid格式的洪水水面模型与研究区域Grid格式的地面高程模型相减得到淹没范围和淹没水深[11]其计算公式为式(1)：

Si=Hwi-Hgi

(1)

式中：

Si——第i个栅格高程差值；

Hwi——第i个栅格洪水水位值；

Hgi——第i个栅格地面高程值。

当Hwi>Hgi时，Si即为第i个栅格淹没水深值。

3.3.2研究区域地面高程模型

山丘区中小河流河道相对较窄，当发生流域大洪水情况下，河道行洪面积有限，将出现漫滩现象。根据现场调研表明，山丘区洪水影响一般至河道两侧山体，河口部分影响范围略宽。因此，为保证洪水影响区域全覆盖的同时减小计算量，根据全省数字高程模型、洪水水面线成果和历史洪痕点位置，结合高清正射影像图，以河道两侧山体或高地为边界，绘制出研究区域。通过ArcGIS栅格裁剪功能，提取潖二河研究区域地面高程模型。

3.3.3洪水水面高程模型

洪水水面高程模型是反映研究范围内各频率洪水的水面高程分布情况，其中每个栅格值则代表此处的洪水水位高程值。潖二河已批复的设计洪水水面线数据仅针对河道特定的断面，无法直接得到研究区域内淹没范围和淹没水深值。因此将断面数据离散成水位高程点，通过空间插值生成栅格，得到连续的洪水水面高程模型，其中空间差值主要算法有：移动平均法、距离平方倒数加权法、趋势面拟合技术、样条函数、克里金法等。为得到平顺且符合客观实时的洪水水面模型，本文采用张力样条插值法，将离散的空间特征点内插为连续不同洪水频率下洪水水面高程模型(见图6)。

图6 P=2%洪水水面高程模型示意

3.3.4淹没范围和淹没水深计算

利用建立的各河流不同洪水频率下洪水淹没高程模型数据，在ArcGIS中应用栅格计算功能将其与洪水拟影响区域高程模型进行相减得到洪水淹没区域Grid格式数据，筛选出结果大于0的部分，得到淹没范围，同时提取出淹没水深值，并通过ArcGIS转换得到有水深属性的网格(见图7)，该成果将为后续防洪排涝规划编制、灾害防治预警、应急响应和灾后评估等防洪减灾工作提供重要的技术支撑[9]。

图7 P=2%洪水淹没水深示意

3.4 淹没图制作与分析

将淹没成果与基础信息、辅助信息底图叠加渲染后，得到各洪水频率下潖二河淹没范围(见图8)。根据淹没范围，统计各不同洪水频率条件下淹没土地类型及面积，其中20年一遇洪水条件下研究区域内受淹面积为7.22 km2，城乡建设用地和耕地淹没范围较大，分别占比14.54%和60.39%。50年一遇洪水条件下，研究区域内受淹没面积为33.23 km2，城乡建设用地和耕地淹没范围较大，分别占比13.12%和76.71%。

图8 潖二河洪水淹没成果示意

对比不同2种洪水频率下淹没特征可以得到，20年一遇洪水条件下淹没范围主要集中于未建堤防的鳌山村附近，镇区和潖二河下游两岸因堤防修建可以较好地防御20年一遇洪水；50年一遇洪水条件下为超标准洪水，其淹没范围为20年一遇条件下的4.4倍，河口及支流汇入口附近淹没范围较大，重点防洪保护对象鳌头镇镇区淹没面积达0.56 km2。

针对上述情况本文建议可采取以下措施：① 根据经济发展现状和十四五规划，提高河段防洪标准；② 基于现有的河道管理范围线，对河湖“四乱”进行彻底清拆[12]；③ 对于相对开阔的河段可以考虑按照不同的防洪标准，分级建设堤防，留出更多的行洪通道，更科学有效地防御洪水[6]。

4 结语

本文以广东省潖二河为例，通过ArcGIS和Mike11软件得到一种基于大区域大数据条件下洪水淹没图绘制方式，该方法具有操作性强，精度可控等特点，能较为有效解决工程实际问题，可为后期快速洪水淹没制作提供参考。