畢禎珊　李昌文　伍岳　黃艷　張維奇

摘要：長(zhǎng)江中下游洲灘民垸具有巨大行蓄洪能力，對(duì)保障重點(diǎn)地區(qū)防洪安全起重要作用。但是，洲灘民垸點(diǎn)多面廣，地形數(shù)據(jù)缺乏，無(wú)法充分利用并有效構(gòu)建數(shù)學(xué)模型分析行蓄洪作用?；陂L(zhǎng)江中下游高分辨率遙感影像數(shù)據(jù)，構(gòu)建長(zhǎng)江中游干流河段洲灘民垸數(shù)字高程模型，以生產(chǎn)水位-面積-容積關(guān)系成果，分區(qū)分類(lèi)研究洲灘民垸的行蓄洪能力。結(jié)果表明：長(zhǎng)江中游干流洲灘民垸行蓄洪能力強(qiáng)，但空間分布差異大，其中，荊江河段洲灘民垸面積及蓄洪容積占比最高，在面臨大洪水時(shí)調(diào)度運(yùn)用多。研究成果能夠直觀有效呈現(xiàn)長(zhǎng)江中游干流洲灘民垸的行蓄洪能力，為洲灘民垸的調(diào)度運(yùn)用打牢數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，為科學(xué)準(zhǔn)確制定防洪決策提供有力支持。

關(guān)鍵詞：洲灘民垸； 行蓄洪能力； 水位-面積-容積關(guān)系； 遙感影像； 長(zhǎng)江中游

中圖法分類(lèi)號(hào)：P237 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.04.007

文章編號(hào)：1006-0081（2024）04-0041-06

0 引 言

長(zhǎng)期以來(lái)，長(zhǎng)江流域遭受著不同程度、不同類(lèi)型的洪水災(zāi)害威脅［1］。經(jīng)過(guò)多年的水利建設(shè)，長(zhǎng)江中下游基本建成了以堤防為基礎(chǔ)，三峽工程為骨干，其他干支流水庫(kù)、蓄滯洪區(qū)、河道整治相配合，平垸行洪、退田還湖、水土保持等工程措施與防洪非工程措施相結(jié)合的防洪減災(zāi)體系［2］。

長(zhǎng)江中下游形成了數(shù)量眾多的洲灘民垸，作為長(zhǎng)江防洪減災(zāi)體系的一部分，洲灘民垸在遇大洪水時(shí)需做好行蓄洪區(qū)運(yùn)用準(zhǔn)備，以保障流域重點(diǎn)地區(qū)和重要城市的防洪安全［3］。然而，洲灘民垸一直未得到系統(tǒng)治理，缺乏有效的調(diào)度管控措施，很難保證遇大洪水時(shí)及時(shí)運(yùn)用［4］。尚全民等［5］在梳理防御洪水經(jīng)驗(yàn)時(shí)分析得出洲灘民垸管理不到位、實(shí)際運(yùn)用難度大的結(jié)論；王樂(lè)等［6］總結(jié)超標(biāo)準(zhǔn)洪水防御預(yù)案思路時(shí)，提出洲灘民垸作為水利工程調(diào)度的一部分可以充分發(fā)揮防洪潛力；褚茜茜等［7］從完善政策法規(guī)體系、健全管理體制機(jī)制等方面提出了加強(qiáng)洲灘民垸管理制度建議。加強(qiáng)洲灘民垸防洪治理是新時(shí)期完善流域防洪體系的重要任務(wù)，也是當(dāng)前流域

各地普遍面臨的現(xiàn)實(shí)迫切需求。因此，如何更好發(fā)揮和運(yùn)用洲灘民垸，是非常值得關(guān)注和研究的問(wèn)題。

隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展，很多學(xué)者以數(shù)字高程模型（DEM）為基礎(chǔ)，將GIS應(yīng)用到洪水淹沒(méi)分析中［8-10］。楊?lèi)?ài)玲等［11］使用不同分辨率數(shù)字高程模型進(jìn)行模擬，提出了高精度數(shù)字高程模型能為洪澇災(zāi)害預(yù)防提供準(zhǔn)確的評(píng)判依據(jù)。羅永臻［12］證明了缺少水文資料也可在遙感影像和DEM數(shù)據(jù)支持下得到水文模擬結(jié)果。張靜等［13］采用25 m分辨率的DEM對(duì)大連市進(jìn)行了淹沒(méi)分析，并得到了淹沒(méi)范圍和水深分布數(shù)據(jù)。李昌文等［14-15］基于多源數(shù)據(jù)融合方法構(gòu)建了洞里薩湖水位-面積（容積）關(guān)系。其他學(xué)者應(yīng)用GIS對(duì)多個(gè)城市和流域進(jìn)行了洪水淹沒(méi)分析［16-18］。目前，長(zhǎng)江中下游洲灘民垸數(shù)量多、面積大，尚無(wú)明確的水位-面積-容積關(guān)系，調(diào)蓄洪能力不明，精準(zhǔn)調(diào)度手段缺乏。針對(duì)這些問(wèn)題，可基于高分辨率遙感影像，結(jié)合GIS淹沒(méi)分析技術(shù)進(jìn)行快速科學(xué)地模擬計(jì)算。因此，本研究以長(zhǎng)江中游干流河段洲灘民垸為例，借助高分辨率遙感影像構(gòu)建水位-面積-容積關(guān)系，對(duì)洲灘民垸行蓄洪能力進(jìn)行分析，以期為洲灘民垸防洪治理和調(diào)度運(yùn)用提供借鑒。

1 研究區(qū)域概況

長(zhǎng)江中游干流河道上起宜昌，下至湖口，全長(zhǎng)約955 km。在河流自然演變過(guò)程中，形成了大量的天然沙洲和灘地。隨著長(zhǎng)江中下游人口增多、社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的發(fā)展，在人類(lèi)長(zhǎng)期活動(dòng)作用下，這些灘地形成了數(shù)量眾多、大小不一的洲灘民垸。曾經(jīng)沿江沿湖的小圩并垸連堤形成大圩，掀起了大規(guī)模的圍墾建垸活動(dòng)［19］?，F(xiàn)如今，洲灘民垸內(nèi)有大量人口、經(jīng)濟(jì)作物及重要基礎(chǔ)設(shè)施，既是長(zhǎng)江行洪、滯洪的場(chǎng)所，也是數(shù)百萬(wàn)人民群眾賴(lài)以生存的家園［20］。

1998年長(zhǎng)江流域性特大洪水后，為治理水患和災(zāi)后重建，政府啟動(dòng)實(shí)施了平垸行洪、退田還湖工程措施，重點(diǎn)是對(duì)長(zhǎng)江流域影響江河湖泊行蓄洪或防洪標(biāo)準(zhǔn)較低的民垸圩堤進(jìn)行平退，包括退人不退田的“單退”和既退人又退田的“雙退”2種退田還湖方式，形成了單退垸、雙退垸和其他垸3種類(lèi)型的洲灘民垸。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，共平退圩垸1 442個(gè)，遷移58.67萬(wàn)戶(hù)、244.12萬(wàn)人，恢復(fù)調(diào)蓄容積178.34億m3［21］。但是由于多種原因，有一些洲灘民垸仍未完成平退，見(jiàn)圖1。

當(dāng)前長(zhǎng)江防洪體系已基本建成，整體防洪能力顯著提高，但洪水的威脅依然存在。洲灘民垸作為長(zhǎng)江防洪體系的重要組成部分，若能充分利用其行蓄洪能力，可進(jìn)一步提高水旱災(zāi)害防御能力。但是洲灘民垸的地形數(shù)據(jù)及水位-面積-容積關(guān)系缺乏，成為長(zhǎng)江流域洪水調(diào)度的短板。因此，加強(qiáng)洲灘民垸防洪治理已成為迫切需要。在確保防洪安全的前提下，對(duì)不同類(lèi)型的洲灘民垸進(jìn)行分類(lèi)細(xì)化研究，有利于最大限度地發(fā)揮洲灘民垸行蓄洪能力，為應(yīng)對(duì)流域大洪水提供支撐。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 數(shù)據(jù)源

選用長(zhǎng)江中游干流河段洲灘民垸0.8 m高分辨率遙感影像和12.5 m分辨率ALOS DEM數(shù)據(jù)，按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行融合處理，利用ArcGIS進(jìn)行數(shù)據(jù)鑲嵌、邊界配準(zhǔn)、范圍裁剪等預(yù)處理，采用坐標(biāo)投影變換成為平面坐標(biāo)系，利用水文工具將轉(zhuǎn)換坐標(biāo)后的DEM進(jìn)行填洼處理［22］，以滿(mǎn)足研究需要。

2.2 研究方法

2.2.1 研究思路

作為行蓄洪空間，長(zhǎng)江中游洲灘民垸起著調(diào)節(jié)洪水、減輕下游地區(qū)防洪負(fù)擔(dān)的作用。對(duì)洲灘民垸行蓄洪能力進(jìn)行研究，可為長(zhǎng)江中下游的洪水災(zāi)害治理與決策提供可靠的依據(jù)。但是洲灘民垸點(diǎn)多面廣，地形數(shù)據(jù)獲取成本較大，而遙感影像可一次性免費(fèi)提取大范圍洲灘民垸地形數(shù)據(jù)。因此，本文基于遙感影像和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)，采取GIS淹沒(méi)分析技術(shù)，對(duì)洲灘民垸的空間分布與面積容積特征進(jìn)行分析，研究洲灘民垸的行蓄洪能力。

2.2.2 計(jì)算方法

基于數(shù)字高程模型的洪水淹沒(méi)分析算法主要包括無(wú)源淹沒(méi)和有源淹沒(méi)兩種［23-25］。本研究基于洲灘民垸的地形特點(diǎn)，采用無(wú)源淹沒(méi)方法，運(yùn)用ArcGIS中3D Analyst中Surface Volume工具進(jìn)行計(jì)算分析，運(yùn)用積分思想，獲取指定參考平面以下的面積和容積。

考慮不同河段、不同類(lèi)型洲灘民垸蓄洪作用的差異，將長(zhǎng)江中游干流劃分為枝城至城陵磯、城陵磯至武漢、武漢至湖口3個(gè)子河段，將洲灘民垸劃分為單退垸、雙退垸、其他垸3種類(lèi)型分別進(jìn)行計(jì)算（圖2）。

3 研究結(jié)果與分析

3.1 洲灘民垸空間分布特征

從整體來(lái)看，長(zhǎng)江中游干流洲灘民垸共125個(gè)，總面積為1 423.92 km2，空間分布差異較大，主要分布在湖北省內(nèi)。具體分析按洲灘民垸所在地區(qū)，荊州市數(shù)量最多，共計(jì)41個(gè)；其次為黃岡市，共計(jì)32個(gè)，分別占長(zhǎng)江中游干流洲灘民垸總數(shù)的32.80%和25.60%。荊州市洲灘民垸總面積為623.19 km2，占比最大，占洲灘民垸總面積的43.77%。雖然湖南省岳陽(yáng)市洲灘民垸數(shù)量最少，但總面積僅次于湖北省荊州市，為313.47 km2，占洲灘民垸總面積的22.01%（見(jiàn)表1和圖3，均為初步調(diào)查結(jié)果，下同）。

按洲灘民垸所屬河段分析，枝城至城陵磯河段總面積最大，為614.59 km2，城陵磯至武漢河段次之，為545.24 km2，分別占洲灘民垸總面積的43.16%和38.29%。武漢至湖口河段分汊河道眾多，洲灘民垸數(shù)量最多，共計(jì)57個(gè)，占長(zhǎng)江中游洲灘民垸總數(shù)的45.60%（表2）。

按洲灘民垸不同類(lèi)型分析，可以看出，長(zhǎng)江中游干流單退垸的數(shù)量遠(yuǎn)超其他類(lèi)型，共計(jì)103個(gè)，占洲灘民垸總數(shù)的82.40%；其他垸總面積最大，共計(jì)746.25 km2，占洲灘民垸總面積的一半以上；雙退垸數(shù)量最少、面積最?。ū?）。

3.2 洲灘民垸行蓄洪能力分析

基于衛(wèi)星遙感手段獲取高分辨率DEM數(shù)據(jù)，借助GIS平臺(tái)，構(gòu)建洲灘民垸水位-面積-容積關(guān)系（見(jiàn)圖4，以合鎮(zhèn)垸為例），計(jì)算得出各地區(qū)及不同河段洲灘民垸蓄洪容積（表2）。由表2可知，長(zhǎng)江中游干流洲灘民垸總蓄洪容積為66.94億m3。

按蓄洪容積大小來(lái)看，長(zhǎng)江中游干流125個(gè)洲灘民垸中容積大于1億m3的共計(jì)12個(gè)，總?cè)莘e48.26億m3；容積在0.5億～1.0億m3之間的共計(jì)13個(gè)，總?cè)莘e9.76億m3。兩者容積之和為58.02億m3，占125個(gè)洲灘民垸總?cè)莘e的比例為86.67%。容積小于0.5億m3的有100個(gè)，占總?cè)莘e的比例13.33%。除下荊江河段之外，長(zhǎng)江中游干流其他河段單退垸和其他垸容積不大，均小于10億m3（表3）。

從洲灘民垸不同類(lèi)型來(lái)看，單退垸全部運(yùn)用后可容納洪水29.45億m3，雙退垸全部運(yùn)用后可容納洪水1.22億m3，其他垸全部運(yùn)用后可容納洪水36.27億m3，分別占長(zhǎng)江中游干流洲灘民垸蓄洪容積的43.99%、1.82%和54.19%?？梢?jiàn)，各類(lèi)型洲灘民垸中單退垸和其他垸分洪量大，防洪作用大。

從分河段來(lái)看，枝城至城陵磯河段蓄洪容積約為33.38億m3，占長(zhǎng)江中游干流洲灘民垸總蓄洪容積的49.87%；城陵磯至武漢河段蓄洪容積約為23.07億m3，武漢至湖口河段蓄洪容積約為10.49億m3?？梢钥闯?，荊江河段洲灘民垸行蓄洪能力較強(qiáng)，因其地理位置，起著接納上游過(guò)量洪水和減緩下游防洪壓力的作用。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)利用長(zhǎng)江干流高精度測(cè)繪數(shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)，構(gòu)建洲灘民垸水位-面積-容積關(guān)系，分析長(zhǎng)江中游個(gè)河段、各類(lèi)型干流洲灘民垸的行蓄洪能力，并分析其空間差異，經(jīng)過(guò)初步調(diào)查后得到主要結(jié)論如下：① 長(zhǎng)江中游干流洲灘民垸共125個(gè)，總面積1 423.92 km2，總蓄洪容積66.94億m3。② 洲灘民垸行蓄洪能力較強(qiáng)的河段為荊江河段，占長(zhǎng)江中游干流洲灘民垸總蓄洪容積的49.87%。③ 洲灘民垸面積較大的地區(qū)主要為湖北省荊州市和湖南省岳陽(yáng)市，分別占洲灘民垸總面積的43.77%和22.01%。④ 從長(zhǎng)江中游干流不同類(lèi)型洲灘民垸行蓄洪能力的分布來(lái)看，單退垸和其他垸分洪量大，起到了主要蓄洪作用。

洲灘民垸作為長(zhǎng)江中游防洪體系的重要組成部分，應(yīng)維持其行蓄洪功能，根據(jù)河段防洪形勢(shì)和防洪需求，通過(guò)加強(qiáng)治理最大程度保障河段防洪安全。對(duì)長(zhǎng)江中游洲灘民垸的行蓄洪能力研究能夠直觀有效呈現(xiàn)洲灘民垸的具體情況，為科學(xué)準(zhǔn)確制定防洪決策提供有力支持，為洲灘民垸防洪治理提供基礎(chǔ)依據(jù)。本文利用DEM數(shù)據(jù)開(kāi)展洲灘民垸水位-面積-容積關(guān)系構(gòu)建分析，但受遙感影像精度影響，模擬數(shù)據(jù)與真實(shí)情況存在一定誤差，未來(lái)研究建議開(kāi)展洲灘民垸無(wú)人機(jī)航測(cè)，獲取高精度和高分辨率的地形數(shù)據(jù)，提高洲灘民垸容積計(jì)算精度。此外，為進(jìn)一步研究洲灘民垸的行蓄洪作用，建議引入相關(guān)水動(dòng)力學(xué)模型，定量評(píng)估不同洲灘民垸組合調(diào)度的防洪作用。

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（編輯：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(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（52009079）；湖北省自然科學(xué)基金一般面上項(xiàng)目（2023AFB594）；水利部重大科技項(xiàng)目（SKS-2022003）；中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 水利部泥沙科學(xué)與北方河流治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究基金（IWHR-SEDI-2023-07）；流域水安全保障湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放創(chuàng)新基金重點(diǎn)項(xiàng)目（CX2023K13）

作者簡(jiǎn)介：畢禎珊，女，碩士，主要從事資源與環(huán)境遙感研究工作。E-mail：bizhenshan2020@163.com

通信作者：李昌文，男，教授，博士，主要從事防洪減災(zāi)研究工作。E-mail：764984847@qq.com