蓄滞洪区防洪蓄洪信息化管理方法与实践科学

流域内降雨时空分布不均、洪水频发成为影响社会、经济和生态可持续发展的重要因素。蓄滞洪区是整个防洪体系中重要的组成部分，发挥着不可替代的防洪减灾作用，而蓄滞洪区的信息化管理是目前亟待解决的重要课题。本书针对目前蓄滞洪区防洪蓄洪管理存在的问题，提出蓄滞洪区信息化管理的方法，并在此基础上以洞庭湖蓄滞洪区为例开展实践应用示范研究，兼具系统性、先进性和实用性。


目录
第1章 引言 1
1.1 蓄滞洪区概念 2
1.2 蓄滞洪区的分布及特点 2
1.3 蓄滞洪区在防洪体系中的作用 4
1.3.1 构建防洪体系 5
1.3.2 控泄出境流量 6
1.3.3 接纳新增流量 6
1.3.4 提高防洪标准 7
1.3.5 协调人水关系 7
1.4 蓄滞洪区管理现状 8
1.4.1 蓄滞洪区管理机制 8
1.4.2 蓄滞洪区管理面临的挑战 9
1.4.3 蓄滞洪区管理和建设目标 10
1.5 蓄滞洪区信息化管理进展 12
1.5.1 信息化管理的意义 13
1.5.2 国内进展 14
1.5.3 国外进展 15
参考文献 16
第2章 蓄滞洪区信息化管理新技术新方法 18
2.1 遥感技术 19
2.1.1 遥感概念 19
2.1.2 遥感分类 19
2.1.3 高光谱遥感 20
2.1.4 微波遥感 22
2.2 地理信息系统 23
2.2.1 地理信息系统概述 24
2.2.2 地理信息系统技术 24
2.2.3 地理信息系统应用 28
2.3 空天地一体化观测 28
2.3.1 概述 28
2.3.2 无人机倾斜摄影测量 29
2.3.3 无人船水下地形测量 31
2.3.4 车载激光扫描 32
2.4 物联网及云平台 33
2.4.1 物联网 33
2.4.2 云计算 35
2.5 大众社交媒体大数据分析 35
参考文献 37
第3章 基础数据与数据库建设 38
3.1 基础数据类型 39
3.1.1 基础地理信息数据 39
3.1.2 水利工程数据 42
3.1.3 气象数据 43
3.1.4 水文数据 44
3.2 数据库概述 47
3.2.1 基本概念 47
3.2.2 水利数据库类型 49
3.2.3 主流数据库管理系统 53
3.3 数据组织与管理 56
3.3.1 底层存储与组织 56
3.3.2 索引 59
3.3.3 空间数据库引擎 61
3.4 数据库体系结构 62
3.4.1 集中式数据库系统 63
3.4.2 客户/服务器数据库系统 63
3.4.3 并行数据库系统 64
3.4.4 分布式数据库系统 66
3.5 数据库设计 67
3.5.1 数据库设计概述 67
3.5.2 数据库概念设计 73
3.5.3 数据库逻辑设计 76
3.5.4 数据库物理设计 78
3.5.5 空间数据库存储设计 79
3.5.6 空间数据入库检查设计 81
3.6 数据库安全 85
3.6.1 GIS的长事务处理和版本管理 85
3.6.2 数据库备份与恢复 86
参考文献 88
第4章 蓄滞洪区分洪损失评估方法研究 90
4.1 分蓄洪区洪水灾情评估技术与流程 91
4.1.1 分蓄洪区洪水灾情评估技术 91
4.1.2 洪水灾情评估主要内容和流程 94
4.2 灾情评估基础数据采集及建库技术方法 96
4.2.1 灾情评估基础数据需求 96
4.2.2 基于遥感的土地利用数据的获取方法 102
4.2.3 人口社会经济数据的空间展布方法 105
4.2.4 灾情评估综合数据库建库技术方法 115
4.3 洪水特性因子的获取与计算方法 123
4.3.1 基于遥感的洪水淹没范围和淹没历时获取方法 123
4.3.2 基于GIS的洪水淹没水深及空间分布计算方法 123
4.3.3 基于GIS与水动力学模型的洪水演进计算 126
4.4 基于遥感和GIS的分蓄洪区洪水灾情评估方法 134
4.4.1 分蓄洪区洪灾损失率的计算方法 135
4.4.2 基于GIS的分蓄洪区洪水灾情评估方法 140
4.4.3 基于LIDAR与评估模型的房屋淹没损失精算实例 146
参考文献 151
第5章 洞庭湖蓄滞洪区信息化管理实践 153
5.1 洞庭湖蓄滞洪区 154
5.1.1 洞庭湖概况 154
5.1.2 洞庭湖蓄滞洪区概况 155
5.2 数据采集与制作 158
5.2.1 空间数据 158
5.2.2 非空间数据 170
5.2.3 工程设施图片采集 179
5.3 数据整理与建库 180
5.3.1 空间数据 182
5.3.2 工情数据 184
5.3.3 气象数据 191
5.3.4 水文资料 193
5.3.5 社会经济数据 199
5.3.6 相关支持库 201
5.4 信息管理系统建设 207
5.4.1 蓄滞洪区综合管理平台 207
5.4.2 数据汇集子系统 210
5.4.3 实时信息可视化子系统 212
5.4.4 洪水风险分析子系统 216
5.4.5 避险转移方案管理子系统 227
5.4.6 洪灾损失评估子系统 231
5.4.7 用户管理子系统 232
参考文献 234


第1章 引言
　　1.1 蓄滞洪区概念
　　大河流域在中国社会经济发展中占有重要地位，大河流经区域灌溉水源充足，地势相对平坦，利于农作物培植和生长，为人们的生存创造了良好条件，也为经济发展创造了良好的物质基础。但是，流域内降雨时空分布不均、暴雨多、洪水频发成为制约社会、经济和生态可持续发展的瓶颈。为解决流域性洪水问题，我国实施了一系列大规模的水利防洪工程，初步形成了防洪工程和非工程体系，大江大河的防洪标准显著提高［1]。水利防洪工程能防御一定标准的洪水，对于较大洪水，也就是超过堤防防御能力的洪水，尚不能完全控制。
　　从保全大局，不得不牺牲局部利益的角度考虑，有计划地分洪是必要的，也是合理的。利用自然条件，因地制宜地将湖泊洼地和历来洪水滞蓄的场所辟为蓄滞洪区，将超过河道泄量的洪水临时分蓄，可以有计划地蓄滞洪水，保障防洪安全，减轻灾害。在我国的防洪体系中，蓄滞洪区称谓在我国各流域有所不同，如长江流域称为分洪区和蓄滞洪区，黄河流域称为滞洪区，淮河流域称为行蓄洪区。
　　蓄滞洪区常常位于江河堤防背水侧，主要是指河堤外洪水临时储存的低洼地区及湖泊等，其中多数历史上就是江河洪水淹没和蓄洪的场所①，是我国防洪体系中不可缺少的组成部分。
　　根据蓄滞洪区的功能，蓄滞洪区可以分为行洪区、分洪区、蓄洪区和滞洪区。行洪区是指天然河道及其两侧或河岸大堤之间，在大洪水时用以宣泄洪水的区域；分洪区是利用平原区湖泊、洼地、淀泊修筑围堤，或利用原有低洼圩垸分泄河段超额洪水的区域；蓄洪区是分洪区发挥调洪性能的一种，它是指用于暂时蓄存河段分泄的超额洪水，待防洪情况许可时，再向区外排泄的区域；滞洪区也是分洪区起调洪性能的一种，这种区域具有“上吞下吐”的能力，其容量只能对河段分泄的洪水起到削减洪峰，或短期阻滞洪水的作用。
　　根据我国洪水特点和土地实际利用情况，在主要的江河流域范围规划和建设蓄滞洪区，是推行流域防洪减灾工作，贯彻落实科学发展观的重要途径。
　　1.2 蓄滞洪区的分布及特点
　　目前，中华人民共和国水利部(简称水利部)公布的《国家蓄滞洪区修订名录》中共包含***蓄滞洪区98处，分布在长江、黄河、淮河、海河、松花江、珠江六大河流两岸的中下游平原地区。
　　98处蓄滞洪区修订名录如下。
　　长江流域：固堤湖、六角山、九垸、西官垸、安澧垸、澧南垸、安昌垸、安化垸、南顶垸、和康垸、南汉垸、民主垸、共双茶、城西垸、屈原农场、义和垸、北湖垸、集成安合、钱粮湖、建设垸、建新农场、君山农场、大通湖东、江南陆城、荆江分洪区、宛市扩大区、虎西备蓄区、人民大垸、洪湖分洪区、杜家台、西凉湖、东西湖、武湖、张渡湖、白潭湖、康山圩、珠湖圩、黄湖圩、方洲斜塘、华阳河、荒草二圩、荒草三圩、汪波东荡、蒿子圩。
　　黄河流域：北金堤、东平湖。
　　淮河流域：蒙洼、城西湖、城东湖、瓦埠湖、老汪湖、泥河洼、老王坡、蛟停湖、黄墩湖、南润段、邱家湖、姜唐湖、寿西湖、董峰湖、汤渔湖、荆山湖、花园湖、杨庄、洪泽湖周边(含鲍集圩)、南四湖湖东、大逍遥。
　　海河流域：永定河泛区、小清河分洪区、东淀、文安洼、贾口洼、兰沟洼、宁晋泊、大陆泽、良相坡、长虹渠、柳围坡、白寺坡、大名泛区、恩县洼、盛庄洼、青甸洼、黄庄洼、大黄铺洼、三角淀、白洋淀、小摊坡、任固坡、共渠西、广润坡、团泊洼、永年洼、献县泛区、崔家桥。
　　松花江流域：月亮泡、胖头泡。
　　珠江流域：潖江。
　　我国蓄滞洪区的分布在长江流域较为集中，共有44处，其次是海河流域28处，淮河流域21处，黄河流域2处，松花江流域2处，珠江流域1处，遍布北京、天津、河北、江苏、安徽、江西、山东、河南、湖北、湖南、吉林、黑龙江和广东13个省(直辖市)①。蓄滞洪区的设置和建立与我国的流域防洪形势和社会经济发展有着密不可分的关系。
　　长江干流在宜昌以上为上游段，长江流域大部分水能资源都集中在上游地区，水流落差大，水能资源丰富。中下游属平原河流，地势低洼，湖泊众多，其中主要有洞庭湖和鄱阳湖。流域降水时空分布不均，夏秋季多暴雨，全流域年平均降水量1057mm，地区上呈从东南向西北降水量递减趋势，因此，长江洪水多集中在中下游地区。长江两岸人口和生产总值占全国的40%以上，而长江流域中下游地区围湖造田，乱占河道的现象非常普遍，因此，长江流域尤其是中下游地区是洪涝灾害的重点防护地区，蓄滞洪区的数量*多，分布有44处。
　　海河是中国华北地区的*大水系，中国七大河流之一。海河水系是由海河干流及五大支流即北运河、永定河、大清河、子牙河、南运河共同组成。五大支流在天津附近汇合，然后经海河干流入海，构成一个典型的扇状水系［2]。海河流域水量主要依靠降雨补给(降雨补给的水量占年径流量的80%以上)，5～10月降水量较多，可占全年降水量的80%以上，其中又以7~8月两个月*多，可占全年降水量的50%～60%。降水的集中程度，在东部沿海各省*为突出。海河干支流水量主要依据降雨补给，因此年径流量的时空变化与年降水变化趋势基本一致。海河流域在2016年、1996年、1963年、1939年等均发生过多条支流超保或超历史洪水［3-5]，因此，海河流域蓄滞洪区数目仅次于长江流域，共有28处。
　　淮河，位于中国东部，介于长江与黄河之间，与长江、黄河、济水并称“四渎”，是独流入海的四条大河之一。淮河流域上游两岸山丘起伏，水系发育，支流众多；中游地势平缓，多湖泊洼地；下游地势低洼，大小湖泊星罗棋布，水网交错，渠道纵横。淮河全长1000km，总落差200m。历史上黄河“夺淮入海”，黄河泥沙在下游的沉淀，加剧了淮河下泄不畅的地理特征，使内涝成为淮河水灾的重要形态，淮河也因其难以治理而闻名。淮河流域在2003年、1991年、1931年、1921年发生过严重的洪涝灾害［4-5]，在淮河流域建立较多的蓄滞洪区也是非常有必要的，共有21处。
　　黄河流域大部分地区年降水量为200～650mm，降水量分布不均，南北降水量之比大于5，流域冬干春旱，夏秋多雨，其中6～9月降水量占全年的70%左右，7～8月降水量可占全年降水总量的40%以上。黄河中上游是国内湿度偏小的地区，且水分蒸发能力较强，年蒸发量可达1100mm。黄河流域在2003年、1946年、1933年均有大规模洪水发生。黄河上游洪水多发生在9月，水量主要来自兰州段以上地区的降雨。由于降雨历时长，强度小，加之兰州段以上地区植被较好，草地、沼泽等对降雨的滞蓄作用较强，黄河上游洪水涨落平缓，洪水历时较长，洪峰较低，洪水过程线呈矮胖型。黄河中游地区沟壑纵横，支流众多，河道比降陡，洪水特点是洪峰高、历时短、含沙量大。黄河下游流域面积2.3×104km2，仅占全流域面积的3%。因此黄河流域两个蓄滞洪区都集中在黄河中游地区。
　　松花江流域地处北温带季风气候区，多年平均降水量一般在500mm左右，松花江年平均径流量约为762×108m3。松花江流域的水量以大气降水补给为主，融水补给为辅，因此径流量的年内分配也具有明显的季节变化特征，洪水多集中于7～8月，干流可延至9月初。松花江流域在1998年、1932年曾发生过大型洪水灾害，洪峰流量超历史新高，因此在《国家蓄滞洪区修订名录》中松花江流域新增2处蓄滞洪区。
　　珠江是我国第二大河流［6]，年径流量3492多亿立方米，居全国江河水系的第二位，仅次于长江，是黄河年径流量的6倍。珠江流域地处亚热带，北回归线横贯流域的中部，气候温和多雨，多年平均降水量为1200～2200mm，降水量分布明显呈由东向西逐步减少的趋势，降水量年内分配不均，地区分布差异和年际变化大。珠江流域自然条件优越，资源丰富，航运发达，年货运量仅次于长江而居第二位。珠江流域自进入21世纪以来尚未发生过洪水灾害，但仍要警惕发生洪水的可能性，因此在人口*为稠密的珠江三角洲设置了一处蓄滞洪区。
　　1.3 蓄滞洪区在防洪体系中的作用
　　20世纪50年代以来，长江、黄河、淮河、海河都发生过全流域性大洪水或特大洪水，一些蓄滞洪区在防洪的关键时刻，发挥了削减洪峰、蓄滞超额洪水的重要作用，保护了重要防洪地区的安全。
　　在今后相当长的时期内，蓄滞洪区仍是不可缺少的重要防洪减灾措施。蓄滞洪区的设立表明人类已经实现了从单纯利用工程手段防洪到工程和非工程手段相结合的转变，是构建和谐社会、建设生态文明和实现人水和谐共处的重要体现。综合来讲，蓄滞洪区的作用可以归纳为以下几点，如图1.1所示。
　　图1.1 蓄滞洪区的作用
　　1.3.1 构建防洪体系
　　工程防洪措施，可概括为拦、蓄、分、泄四个方面。工程防洪以建设防洪工程为主要特征，根据本流域内防洪规划要求，以“蓄泄兼筹”和“除害与兴利相结合”为方针，在河道上游兴修控制性的综合利用水库，拦蓄洪水，削峰错峰；在中下游进行河道整治、堤防加固、开辟和整治蓄滞洪区，形成上堵下疏的防洪工程体系。非工程防洪措施包括：洪水情报预报和警报；洪水风险分析；防洪区管理；防洪保险；自适应设施和防洪斗争；建立健全防汛指挥机构、防洪法律体系和应急预案等。
　　蓄滞洪区是江河防洪体系的重要组成部分，作为工程措施与非工程措施相结合的防洪措施，在历次防洪中发挥了举足轻重的作用。我国流域洪水峰高量大，洪水来量巨大与河道泄洪能力不足的矛盾突出，利用蓄滞洪区分蓄超额洪水，能确保重点地区的防洪安全，*大限度地减轻洪灾损失。
　　根据全国防洪规划成果，我国七大江河主要控制站的设计洪量与其多年平均年径流量的比值平均高达60%，其中海河、淮河、松花江和太湖等流域比值甚至超过100%，长江、珠江等流域也高达50%左右。由于江河洪水量级大，而其泄洪通道又都流经人口稠密的中下游平原地区，河道泄洪能力往往受到一定限制，绝大多数江河控制站的设计洪峰量都大于下游相应河道的泄流能力。七大江河发生流域防御目标洪水时，约有8454×108m3的洪量需要进行安排。即使规划的防洪通道能够达到设计泄洪能力，可以通过河道排泄或分泄的水量也只占设计洪量的74%，其中南方河流河道可承载泄水量约占设计泄洪量的70%，北方河流河道可承泄水量占设计洪量的50%～80%。七大河流约有26%的超额洪水需要通过水库、湖泊、蓄滞洪区和洪泛区等拦蓄、蓄滞，其中北方河流拦蓄洪量与设计洪量的比例为20%～50%，南方地区为10%～30%。
　　因此，我国大部分江河流域都需要配合蓄滞洪区，才能达到防洪标准。例如，长江流域在三峡工程正常蓄水位运行后，遇1954年型设计目标洪水，三峡水库如按城陵矶补偿调度，城陵矶附近需启用蓄滞洪区分蓄洪量218×108m3。淮河出现百年一遇洪水时，正阳关站30天洪量达386×108m3，除水库拦蓄15.5×108m3外，还需蓄滞洪区蓄洪63.0×108m3①。
　　防洪减灾实践表明，由于受自然、经济和风险等各种条件的限制，既不可能修建大量水库拦蓄全部洪水，也不可能无限制地加高埋下堤防，必须充分发挥水库、江河堤坊和蓄滞洪区等防洪工程的综合作用，坚持“蓄泄兼筹”的治理方针，在流域中下游地区设置一些能蓄滞超额洪水的蓄滞洪区，以达到流域的整体防洪标准。
　　1.3.2 控泄出境流量
　　出境流量是指流经本地出境断面以上的河川径流量，常常受降雨和入境流量的影响。当发生洪水灾害时，河川径流量明显增大，河川出境流量增大，若不对上中游河道出境流量进行控制，将迫使下游河道径流超过安全泄量，威胁下游地区人民生命财产安全。
　　通常解决超额洪量，控制出境流量的方法有两种：
　　(1)利用开垦或开挖分洪道的方法分洪。该方法不仅工程浩大，而且易占用大量耕地，实施困难。
　　(2)在上中游地区建大量水库拦蓄洪水。该方法无法充分发挥河道的泄洪能力，与河道治理原则相悖。
　　因此，在处理这样一些泄洪能力与实际洪峰不协调的防洪问题时，可以通过修建蓄滞洪区，对过量洪水进行蓄水、引水，从而有效控制出境流量，避免加剧下游地区的洪水灾害风险。
　　权衡全局利益和局部利益，适当地采取蓄滞洪措施，是合理的，也是行之有效的。蓄滞洪区能够蓄存超额的洪水，通过合理安排蓄滞洪区泄洪，流域干支流错峰，控制出境流量，可以确保下游流域行洪流量平稳，*大限度地减少河道冲刷及河堤险情的发生，*大限度地保障沿河两岸人民生命财产安全。
　　1.3.3 接纳新增流量
　　在发生超标准洪水时，蓄滞洪区通过接纳流域新增流量，能有效地降低水位，减轻防洪压力，同时也能减少防汛抢险所消耗的人力、物力，避免了因可能突然发生的溃堤造成的大量人员伤亡和社会的不安定因素。
　　洪水作为水资源的一种，具有一般水资源及其开发利用的内涵，不同的是，洪水又是水资源中的一个特殊范畴。水多为患，一旦洪水泛滥，将会对生命财产造成巨大损失，因此，洪水历来被称为“洪灾”“洪魔”“洪水猛兽”［7]。通过修建蓄洪区接纳洪水，可以化“害”