第一章 绪 论
1.1 研究目的与意义
自古至今，洪涝都是我国最严重的自然灾害之一，常常给人民生命财产等造成惨重损失。随着当代社会经济的迅速发展和物质财富积累的增加，气象灾害对人类社会所构成的威胁及其所造成的损失也在飞速增大。形成洪涝灾害的原因多种多样，洪涝地域范围十分广泛，洪涝时空分布极不均匀。洪涝的突发性极强，同其他自然灾害相互影响，造成灾害的连锁反应。随着国家、省级、部门对大江大河的多年综合治理，大江大河防洪工程标准逐步得到提高，洪涝灾害造成的损失逐渐减小，但小流域的洪涝灾害依然严重。
虽然近年来国家增加了对水利的投入，但是主要用于大江大河和大湖的治理，小流域防洪标准目前还普遍偏低，在短期内难以大幅度、全面的提高。小流域内发生的洪涝灾害在全流域洪涝灾害所造成的损失中所占比例越来越大，而且它诱发的泥石流和滑坡等灾害所造成的危害也越来越严重。洪涝与暴雨存在着密切的时空分布关系，由于小流域的面积较小，蓄洪和滞洪能力有限，小流域内汇流速度快，容易产生水位骤涨骤落现象，给水位预测预报带来较大的难度。小流域内地形地貌复杂，生态环境脆弱，尤其是丘陵山区发生洪水时极易诱发洪涝灾害，经常导致房屋倒塌、基础设施被破坏和人员伤亡，灾后恢复困难重重[1]。
广西属亚热带季风气候地区，降水时空分布极不均匀，广西气象灾害近年来呈现多发、频发的态势，成灾率不断上升，洪涝则主要集中在汛期，即每年 4~9 月。2010 年 4 月底，广西大部分地区旱情基本解除之后不到 1 个月，持续暴雨开始袭击广西。2010 年 5 月 31 日至 6 月 2 日三天，广西爆发了当年入汛以来最强的降雨，多地出现泥石流、洪涝等险情。忻城县在前后一个月时间里“旱涝交替”；来宾部分乡镇断路断水断电，多所学校被洪水围困；容县山体坍塌导致 15 人死亡；湘桂、焦柳、黔桂三条铁路主干线被中断数小时。对广西中小流域的洪涝监测研究，建立广西中小流域洪涝监测模型，对降低洪涝灾害对广西地区经济发展和人民生活的影响、洪涝灾害防灾减灾决策、提高降水水资源的利用等方面都具有很重要的现实意义。
1.2 洪涝监测研究现状
1.2.1 流域洪涝指数研究
洪涝指数用来衡量降水条件影响下的洪涝强度。洪涝指数不仅与降水强度、降水历时、降水分布等气象因素有关，还跟地形地貌、河网密度、土地覆被等自然因素有关，是一个由多种因素共同决定的复杂函数。流域的洪涝主要与该流域的降水集中期和集中度相联系，流域内的洪涝绝大多数是由强降雨或连续暴雨过程所致。如果有较长期的流域实测雨量和洪涝灾害历史资料，便可通过雨量资料来推算洪涝强度指数。陆叔鸣、熊蜀斐等[2]利用逐日降雨资料，将降雨集中期在时间上和数值上进行量化，形成普遍适用的算式，并提出雨量集中期的集中度的算式，进而建立了把雨量集中期、集中度与洪涝程度密切联系在一起的单站洪涝指数，在此基础上确定了流域雨量集中期、集中度及信江流域洪涝指数。单九生、何俊英[3]采用降雨产生流量过程线的变化原理，在考虑前期影响雨量的前提下，设计洪涝面雨量计算方法，然后对比水位与面雨量的关系，确定各等级洪涝指数下的面雨量大小。毛文清、王华军[4]将吉安气象站作为研究对象，阐述了具体的流域气象洪涝指数预报方法。蔡敏、黄艳、朱宵峰等[5]在考虑小流域洪涝灾害的时空分布特征下，以任意连续 10 天法统计的洪涝指数，减少了人为的时间切断，能够更好地衡量小流域洪涝灾害的程度，描述洪涝灾害的强度和起止时间，由其计算而得的流域综合洪涝指数，对历史洪涝实例有较高拟合度。
1.2.2 流域面雨量计算方法
如何准确计算各支流域的面雨量，对防汛服务尤为重要。常见的面雨量客观计算方法有算术平均法、网格法、等雨量线法、泰森多边形法等。面雨量计算是进行洪涝监测的基础。李武阶、王仁乔等[6]利用三峡的气象站点降雨资料，对算术平均法、多边形法、等雨量线法三种方法进行了对比分析。董官臣、冶林茂等[7]提出了计算面雨量的三角形法，并分析研究了面雨量与致洪暴雨之间的关系。徐晶、林建等[8]对全国七大江河流域的面雨量计算方法进行了对比分析，选定泰森多边形法进行面雨量计算，并研究了面雨量与水库入库流量的关系，发现面雨量与入库流量有很好的对应关系。林开平、孙崇智等[9]根据广西丘陵山区的地形特征，采用高斯权重的客观分析原理，考虑地形等因素，提出了一种适合丘陵地带的流域面雨量计算方法，并分析研究了面雨量与流域洪涝之间的关系。
1.3 研究内容与方法 .....................12-13
1.3.1 主要研究问题 .....................12
1.3.2 主要研究内容 .....................12-13
1.3.3 研究方法 .....................13
1.4 研究思路与技术路线 .....................13-15
第二章 广西中小流域数字流域信息提取 .....................15-22
2.1 数字流域概述 .....................15
2.2 基于 DEM 的广西中小流域和水系数字化提取 ..............15-19
2.2.1 DEM 概述及数据来源 .....................15
2.2.2 基于 DEM 的流域和水系提取 ...................15-19
2.3 流域河网密度计算 ...................19-20
2.3.1 河网密度定义与计算方法 ...................19-20
2.3.2 广西河网密度 ...................20
2.4 流域土地利用/覆被现状 ...................20-22
第三章 降雨空间插值及流域面雨量计算方法 ...................22-29
3.1 降雨及水位数据来源 ...................22
3.2 降雨空间插值方法 ...................22-24
3.3 插值计算的不确定性及评价 ...................24-25
3.3.1 插值计算的不确定性 ...................24
3.3.2 评价方法 ...................24
3.3.3 精度评价 ...................24-25
3.4 流域面雨量计算 ...................25-27
3.5 面雨量与河流水位 ...................27-29
第四章 广西主要江河流域洪涝时空特征分析 ...................29-37
4.1 洪涝灾害主要影响因子 ...................29-31
4.2 洪涝指数 ...................31
4.3 暴雨时空分布 ...................31-33
4.3.1 暴雨时间分布 ...................31-32
4.3.2 暴雨空间分布 ...................32-33
4.4 洪涝时空分布 ...................33-35
4.5 洪涝灾害的流域性分布 ...................35-37
第五章 广西典型流域洪涝监测模型构建 ...................37-52
5.1 栅格数据空间分析模型 ...................37
5.2 层次分析法 ...................37-38
5.2.1 层次分析法的基本步骤 ...................38
5.2.2 层次分析法需要的注意问题 ...................38
5.3 洪涝监测模型构建 ...................38-44
5.4 洪涝灾害自然孕灾环境 ...................44-45
5.5 土地利用／覆被对降雨截留的影响 ...................45-46
5.6 洪涝监测模型 ...................46-47
5.7 模型检验 ...................47-52
论文总结与展望
6.1 论文总结
洪涝是广西主要的气象灾害之一，本文从地理信息系统这一学科角度对广西洪涝现象开展相关的研究，主要完成了以下工作：
（1）以 DEM 为基础数据，进行广西中小流域的数字化信息提取，实现广西主要水系河网的分等级提取，并对流域进行划分，根据提取出的分等级河网进行广西江河流域的河网密度计算。
（2）对反距离加权、克里格等插值法等进行对比研究，分析、验证各插值方法的插值精度，最终选取反距离加权法作为本文降雨数据的插值方法；以网格法计算漓江流域的流域面雨量，并分析流域面雨量与河流水位的关系。
（3）选取漓江流域作为构建洪涝监测模型的研究区域，以降雨、高程、坡度、河网密度和土地利用/覆被这五个因子构建洪涝灾害监测模型，计算洪涝灾害综合指数。对 2001 年~2010 年这十年内比较典型的、引发洪涝灾害的降雨过程进行模型的实际验证，模型计算表明，洪涝灾害的落区及洪涝灾害等级划分与实际洪涝灾害情况基本保持一致。
6.2 展望
本文还存在许多不足和需要改进的地方，在今后的研究工作中还有许多方面需要改善，主要有：
（1）河网提取采用的 DEM 数据精度和分辨率都不够精确。如果要更加真实的反映下垫面地形特征并更加准确地提取出水系河网，需选用分辨率更高的 DEM 数据。
（2）未能采用最新的下垫面的土地利用/覆被现状数据。由于本文的研究重点侧重于洪涝监测模型的构建，采用的是广西遥感本底信息库 2008 年的数据，但是，实际下垫面的土地利用/覆被现状在相隔几年之后，会发生着较大的变化，对模型计算结果存在一定的影响。
1.1 研究目的与意义
自古至今，洪涝都是我国最严重的自然灾害之一，常常给人民生命财产等造成惨重损失。随着当代社会经济的迅速发展和物质财富积累的增加，气象灾害对人类社会所构成的威胁及其所造成的损失也在飞速增大。形成洪涝灾害的原因多种多样，洪涝地域范围十分广泛，洪涝时空分布极不均匀。洪涝的突发性极强，同其他自然灾害相互影响，造成灾害的连锁反应。随着国家、省级、部门对大江大河的多年综合治理，大江大河防洪工程标准逐步得到提高，洪涝灾害造成的损失逐渐减小，但小流域的洪涝灾害依然严重。
虽然近年来国家增加了对水利的投入，但是主要用于大江大河和大湖的治理，小流域防洪标准目前还普遍偏低，在短期内难以大幅度、全面的提高。小流域内发生的洪涝灾害在全流域洪涝灾害所造成的损失中所占比例越来越大，而且它诱发的泥石流和滑坡等灾害所造成的危害也越来越严重。洪涝与暴雨存在着密切的时空分布关系，由于小流域的面积较小，蓄洪和滞洪能力有限，小流域内汇流速度快，容易产生水位骤涨骤落现象，给水位预测预报带来较大的难度。小流域内地形地貌复杂，生态环境脆弱，尤其是丘陵山区发生洪水时极易诱发洪涝灾害，经常导致房屋倒塌、基础设施被破坏和人员伤亡，灾后恢复困难重重[1]。
广西属亚热带季风气候地区，降水时空分布极不均匀，广西气象灾害近年来呈现多发、频发的态势，成灾率不断上升，洪涝则主要集中在汛期，即每年 4~9 月。2010 年 4 月底，广西大部分地区旱情基本解除之后不到 1 个月，持续暴雨开始袭击广西。2010 年 5 月 31 日至 6 月 2 日三天，广西爆发了当年入汛以来最强的降雨，多地出现泥石流、洪涝等险情。忻城县在前后一个月时间里“旱涝交替”；来宾部分乡镇断路断水断电，多所学校被洪水围困；容县山体坍塌导致 15 人死亡；湘桂、焦柳、黔桂三条铁路主干线被中断数小时。对广西中小流域的洪涝监测研究，建立广西中小流域洪涝监测模型，对降低洪涝灾害对广西地区经济发展和人民生活的影响、洪涝灾害防灾减灾决策、提高降水水资源的利用等方面都具有很重要的现实意义。
1.2 洪涝监测研究现状
1.2.1 流域洪涝指数研究
洪涝指数用来衡量降水条件影响下的洪涝强度。洪涝指数不仅与降水强度、降水历时、降水分布等气象因素有关，还跟地形地貌、河网密度、土地覆被等自然因素有关，是一个由多种因素共同决定的复杂函数。流域的洪涝主要与该流域的降水集中期和集中度相联系，流域内的洪涝绝大多数是由强降雨或连续暴雨过程所致。如果有较长期的流域实测雨量和洪涝灾害历史资料，便可通过雨量资料来推算洪涝强度指数。陆叔鸣、熊蜀斐等[2]利用逐日降雨资料，将降雨集中期在时间上和数值上进行量化，形成普遍适用的算式，并提出雨量集中期的集中度的算式，进而建立了把雨量集中期、集中度与洪涝程度密切联系在一起的单站洪涝指数，在此基础上确定了流域雨量集中期、集中度及信江流域洪涝指数。单九生、何俊英[3]采用降雨产生流量过程线的变化原理，在考虑前期影响雨量的前提下，设计洪涝面雨量计算方法，然后对比水位与面雨量的关系，确定各等级洪涝指数下的面雨量大小。毛文清、王华军[4]将吉安气象站作为研究对象，阐述了具体的流域气象洪涝指数预报方法。蔡敏、黄艳、朱宵峰等[5]在考虑小流域洪涝灾害的时空分布特征下，以任意连续 10 天法统计的洪涝指数，减少了人为的时间切断，能够更好地衡量小流域洪涝灾害的程度，描述洪涝灾害的强度和起止时间，由其计算而得的流域综合洪涝指数，对历史洪涝实例有较高拟合度。
1.2.2 流域面雨量计算方法
如何准确计算各支流域的面雨量，对防汛服务尤为重要。常见的面雨量客观计算方法有算术平均法、网格法、等雨量线法、泰森多边形法等。面雨量计算是进行洪涝监测的基础。李武阶、王仁乔等[6]利用三峡的气象站点降雨资料，对算术平均法、多边形法、等雨量线法三种方法进行了对比分析。董官臣、冶林茂等[7]提出了计算面雨量的三角形法，并分析研究了面雨量与致洪暴雨之间的关系。徐晶、林建等[8]对全国七大江河流域的面雨量计算方法进行了对比分析，选定泰森多边形法进行面雨量计算，并研究了面雨量与水库入库流量的关系，发现面雨量与入库流量有很好的对应关系。林开平、孙崇智等[9]根据广西丘陵山区的地形特征，采用高斯权重的客观分析原理，考虑地形等因素，提出了一种适合丘陵地带的流域面雨量计算方法，并分析研究了面雨量与流域洪涝之间的关系。
1.3 研究内容与方法 .....................12-13
1.3.1 主要研究问题 .....................12
1.3.2 主要研究内容 .....................12-13
1.3.3 研究方法 .....................13
1.4 研究思路与技术路线 .....................13-15
第二章 广西中小流域数字流域信息提取 .....................15-22
2.1 数字流域概述 .....................15
2.2 基于 DEM 的广西中小流域和水系数字化提取 ..............15-19
2.2.1 DEM 概述及数据来源 .....................15
2.2.2 基于 DEM 的流域和水系提取 ...................15-19
2.3 流域河网密度计算 ...................19-20
2.3.1 河网密度定义与计算方法 ...................19-20
2.3.2 广西河网密度 ...................20
2.4 流域土地利用/覆被现状 ...................20-22
第三章 降雨空间插值及流域面雨量计算方法 ...................22-29
3.1 降雨及水位数据来源 ...................22
3.2 降雨空间插值方法 ...................22-24
3.3 插值计算的不确定性及评价 ...................24-25
3.3.1 插值计算的不确定性 ...................24
3.3.2 评价方法 ...................24
3.3.3 精度评价 ...................24-25
3.4 流域面雨量计算 ...................25-27
3.5 面雨量与河流水位 ...................27-29
第四章 广西主要江河流域洪涝时空特征分析 ...................29-37
4.1 洪涝灾害主要影响因子 ...................29-31
4.2 洪涝指数 ...................31
4.3 暴雨时空分布 ...................31-33
4.3.1 暴雨时间分布 ...................31-32
4.3.2 暴雨空间分布 ...................32-33
4.4 洪涝时空分布 ...................33-35
4.5 洪涝灾害的流域性分布 ...................35-37
第五章 广西典型流域洪涝监测模型构建 ...................37-52
5.1 栅格数据空间分析模型 ...................37
5.2 层次分析法 ...................37-38
5.2.1 层次分析法的基本步骤 ...................38
5.2.2 层次分析法需要的注意问题 ...................38
5.3 洪涝监测模型构建 ...................38-44
5.4 洪涝灾害自然孕灾环境 ...................44-45
5.5 土地利用／覆被对降雨截留的影响 ...................45-46
5.6 洪涝监测模型 ...................46-47
5.7 模型检验 ...................47-52
论文总结与展望
6.1 论文总结
洪涝是广西主要的气象灾害之一，本文从地理信息系统这一学科角度对广西洪涝现象开展相关的研究，主要完成了以下工作：
（1）以 DEM 为基础数据，进行广西中小流域的数字化信息提取，实现广西主要水系河网的分等级提取，并对流域进行划分，根据提取出的分等级河网进行广西江河流域的河网密度计算。
（2）对反距离加权、克里格等插值法等进行对比研究，分析、验证各插值方法的插值精度，最终选取反距离加权法作为本文降雨数据的插值方法；以网格法计算漓江流域的流域面雨量，并分析流域面雨量与河流水位的关系。
（3）选取漓江流域作为构建洪涝监测模型的研究区域，以降雨、高程、坡度、河网密度和土地利用/覆被这五个因子构建洪涝灾害监测模型，计算洪涝灾害综合指数。对 2001 年~2010 年这十年内比较典型的、引发洪涝灾害的降雨过程进行模型的实际验证，模型计算表明，洪涝灾害的落区及洪涝灾害等级划分与实际洪涝灾害情况基本保持一致。
6.2 展望
本文还存在许多不足和需要改进的地方，在今后的研究工作中还有许多方面需要改善，主要有：
（1）河网提取采用的 DEM 数据精度和分辨率都不够精确。如果要更加真实的反映下垫面地形特征并更加准确地提取出水系河网，需选用分辨率更高的 DEM 数据。
（2）未能采用最新的下垫面的土地利用/覆被现状数据。由于本文的研究重点侧重于洪涝监测模型的构建，采用的是广西遥感本底信息库 2008 年的数据，但是，实际下垫面的土地利用/覆被现状在相隔几年之后，会发生着较大的变化，对模型计算结果存在一定的影响。
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