基于GIS的目平湖泥沙冲淤变化空间定量分析
邓 吉 秋
(中南大学 地学与环境工程学院，湖南 长沙，410083)
摘 要：针对洞庭湖泥沙研究大多基于物理与数学方法的现状，为实现泥沙冲淤变化的空间定位与可视化，基于GIS的空间数据处理与空间分析，提出泥沙冲淤变化空间定量计算与分析的综合方法。其步骤是：通过收集水下地形数据，建立数字高程模型；根据不同时间的高程模型计算容积及其变化；对冲淤区域进行空间划分，计算各区域冲淤量；总结泥沙冲淤的总体与局部规律。选择西洞庭目平湖，运用该方法，定量计算其库容，分析湖底地形变化情况，对冲淤变化区域进行空间划分，最后分析并总结其冲淤变化规律。研究结果表明：目平湖约85.42%处于淤积状态，少部分处于冲刷状态，北部淤积现象较严重，泥沙淤积由北向南、由西向东减少。
关键词：泥沙冲淤；空间定量分析；GIS；目平湖；洞庭湖
中图分类号：TP399；TV142 文献标识码：A 文章编号：1672-7207(2007)05-1000-07
GIS-based spatial quantitative analysis on change of sediment deposition and erosion in Muping Lake
DENG Ji-qiu
(School of Geoscience and Environmental Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: Nowadays, most researches about Dongting Lake’s sediment are based on physical or mathematical method, an integrative method based on spatial data processing and analysis of geographical information system (GIS) software was put forward for spatial quantitative calculation and analysis on the change of sediment deposition and erosion, and for its spatial positioning and visualization. The steps of this method are as follows: collect under-water topographical data and create digital elevation model (DEM), calculate volume of DEM at different time and the change of their volume, classify the deposition and the erosion regions spatially and calculate the volume of deposition or erosion of every region, and then summarize the holistic and the local rule of sediment deposition and erosion. By using this method, the volume and the change of under-water terrain of Muping Lake, in the west Dongting Lake, China, were calculated quantitatively, and the under-water changing regions of sediment deposition and erosion were classified spatially, and the change rules of sediment deposition and erosion of Muping Lake were analyzed and summarized. The results show that about 85.42%, of Muping Lake is in sediment deposition, and the others are in erosion; more thicker deposition is in the north, and the deposition decreases from north to south, and from west to east.
Key words: sediment deposition and erosion; spatial quantitative analysis; GIS; Muping Lake; Dongting Lake
洞庭湖曾经是我国最大的淡水湖，但由于长年累月的泥沙淤积，已变成我国第二大淡水湖，其面积与库容逐渐减小，蓄洪能力大大减弱，严重影响着洞庭湖平原居民的生活与生命财产安全以及工农业生产，研究其泥沙冲淤规律对认识湖泊内泥沙迁移、变化，以及区域的规划、治理、决策等具有重要意义。国内研究洞庭湖泥沙变化规律方面的研究较多，其中大部分注重于数学与物理分析方面，如段文忠等[1]分析了1951—1988年洞庭湖区淤积分布；施修端等[2]运用输沙量法和地形法对1956—1995年洞庭湖冲淤(湖区各站)变化进行了统计分析；姜加虎等[3]研究了洞庭湖近几十年来湖盆变化及冲淤特征；施勇等[4]对洞庭湖泥沙淤积进行了数值模拟。这些研究均将洞庭湖作为一个整体或几大部分，需要长时间的数据监测，且无法分析湖泊内部泥沙的空间分布。国内运用地理信息系统(Geographical information system，简称GIS)技术进行泥沙研究主要是针对黄河与长江[5-7]，只有高俊峰 等[8]利用GIS技术研究了洞庭湖的冲淤变化和空间分 布，但未详细指出泥沙冲淤的具体位置与冲淤量。国外运用GIS研究水文、水利或土壤侵蚀等方面的研究很多[9-14]，如K. S. Shanker等[9]利用ArcView的扩展模块AVHEC-6对马来西亚Pari River洪水威胁性进行了分析；S. E. Hans等[10]利用GIS对新西兰Canterbury海滩的冲刷进行了研究。目前，运用GIS技术进行湖泊内部泥沙冲淤研究较少。J. Gyozo等[15]研究匈牙利Balaton盆地的土地利用历史变化和对泥沙迁移的影响时，采用了GIS技术对Balaton冲淤区域进行了划分，但未进行进一步的空间定量分析。
洞庭湖由东洞庭、南洞庭、西洞庭三大部分构成，它们在地形、地势、径流、输沙等方面存在较大差别，因此，很有必要对其各个部分进行单独、详细研究，并对泥沙冲淤部位进行空间定位与可视化。在此，本文作者以西洞庭目平湖作为研究对象，利用GIS建模与空间分析，定量计算与分析其泥沙冲淤变化特征。
1 基于GIS的泥沙冲淤变化空间定量分析
基于GIS的泥沙冲淤变化空间定量分析和地理空间数据，运用数字化、GIS的数据处理和空间分析功能，实现对不同时间泥沙淤积状态的计算与对比，从而对泥沙冲淤的空间分布变化进行计算与分析。类似于其他GIS综合分析[16]，其大致过程和步骤如下：
a. 确定研究对象及研究目标，并进行数据分析，确定冲淤变化分析所需要的数据，包括数据来源、数据质量指标等。
b. 将收集到的各种资料进行各种数据处理(主要是空间数据)，包括数字化、格式转换、投影转换、分层及属性编码等工作，建立研究对象的地学数据库。
c. 结合水文资料，分析研究对象与研究目标有关的各种数据及其处理与计算方法，确定处理过程中的各种参数等。
d. 运用GIS技术和数学方法进行综合计算，获得最终分析所需的各种数据。
e. 根据计算结果，结合其他资料，对研究区泥沙冲淤的时空状态进行分析与可视化，对冲淤规律进行归纳与总结。
2 西洞庭目平湖1975—1995年泥沙冲淤空间定量计算
20世纪中期洞庭湖地理位置分布见图1。其中，西洞庭湖包括目平湖和七里湖，但现在七里湖已基本消亡，一般洪水无法将其淹没，在此只研究目平湖。目平湖位于赤山以西，汉寿县西湖、沅南两大垸之东，跨汉寿、沅江两市、县间，绝大部分在汉寿县境内；西有沅江流入，北有澧水流入；秋冬水深1.0~2.5 m，春夏水深5~10 m；湖水含沙量大，pH值呈碱性，污染程度低；淤积严重。
图1 20世纪中期洞庭湖地理位置分布图
Fig.1 Geographic location of Dongting Lake in interim period of the 20th century
2.1 确定研究目标
本研究定位为：根据1975年、1995年目平湖湖底高程，分别建立2个湖底高程模型，再分别计算这2年的库容，由该2年的湖底地形起伏变化计算湖底不同位置的淤积或冲刷量，从而总结目平湖20 a来的泥沙冲淤规律。
2.2 数据收集与处理
本研究收集到的原始数据为1975年和1995年的等高线数字地图(由对应的地形图矢量化生成)，格式为.e00文档，比例尺为1?10 000，等高距为0.5 m(局部更小，甚至为0.1 m)，坐标误差小于5 m，高程误差小于0.1 m。在进行后续计算前，先通过ArcGIS将e00数据进行格式转换，转换成ArcGIS的Coverage格式。
2.3 建立数字高程模型
为计算目平湖内部各处泥沙冲淤分布，通过对比分析并综合考虑计算精度，对目平湖按10 m×10 m进行网格划分，每个网格作为最小计算单元。
采用等高线生成不规则三角网(Triangulation Irregular Net，简称TIN)、再转换格式的方法构建数字高程模型(Digital elevation model，简称DEM)。在此，利用ArcMap中的扩展模块(3D Analyst)通过对原始数据进行三角网插值，生成TIN模型，继而通过插值方法转化成栅格数据模型(GRID)，以10 m×10 m作为栅格单元，从而建立数字高程模型(简要流程如图2所示)。1975年和1995年的DEM数据按灰度显示分别如图3(a)和3(b)所示。
图2 建立DEM的流程图
Fig.2 Flow diagram of DEM created
(a) 1975年；(b)1995年
图3 目平湖DEM数据
Fig.3 DEM data of Muping Lake
2.4 20 年间目平湖库容变化计算
库容的计算是在高程模型的基础上，指定某水位，计算该水位平面与湖底曲面所围成的体积。
由于目平湖地势比东洞庭、南洞庭的高，在此选30 m和32 m作为计算水位。利用ArcGIS中3D Analyst模块的Area and Volume功能计算1975年、1995年目平湖的水面面积、湖底地形曲面面积和湖泊容积(结果见表1和表2)。表3所示为目平湖容积变化结果，其中，“容积变化”是在同一水位高度时，2个年份的库容值相减的结果。由于洞庭湖湖盆构造沉降较缓慢[3]，在此忽略不计，因此，“容积变化”就等同于湖底泥沙冲淤的变化量。
表1 水位高度为32 m时的计算结果表
Table 1 Calculation results at 32 m water level
表2 水位高度为30 m时的计算结果
Table 2 Calculation results at 30 m water level
表3 目平湖容积变化结果
Table 3 Calculation on volume change of Muping Lake
2.5 湖底地形变化计算
数字高程模型描述的是地形起伏状况，如果已知某区域2个时刻的高程，就可以通过2个数字高程模型叠加计算出两者体积的差别(可能是填方或者挖方)。DEM计算体积实际上就是把三维空间实体分解成许多长方体，然后计算每个长方体的体积、再分类统计，最终得到研究区域的体积变化。
根据1975和1995年的DEM，在ArcGIS 3D分析模块中利用cut/fill来计算体积，利用挖/填方分析计算出栅格形式的2个表面之间的面积和体积的变化，同时以栅格图的方式展示出在该段时间内表面增加、减少或没有变化的部分，由此可判断湖底某个具体位置的泥沙是淤积还是被冲刷，如图4(a)所示。整个目平湖根据这3种类型被分成1 763个区域，其中淤积区域1 189个，冲刷区域559个，未变区域15个。
(a) 冲淤分类；(b) 冲淤淤高分级
图4 二维冲淤变化分类分级图
Fig.4 Planar classified and hierarchical deposition and erosion changes
为呈现每个像元的具体泥沙淤高，将2个栅格图层中的像元值相减，栅格图中的像元值就是该像元位置的高程差(正值表示淤高，负值表示冲刷，以下同)。对高程差值进行分段(分8段)，得到泥沙冲淤淤高分级结果，如图4(b)所示。
为了进一步从空间上体现泥沙冲淤与地形变化，基于1975年和1995年高程模型沿5条线(具体位置见图5)切出了对应的湖底地形变化剖面(见图6)，剖面A-A′，B-B′，C-C′，D-D′和E-E′长度分别为465，505，1 835，1 395和3 335 m。
图5 剖面线位置图
Fig.5 Location of profile line
(a) A-A′剖面; (b) B-B′剖面；(c) C-C′剖面；(d) D-D′剖面；(e) E-E′剖面
图6 湖底地形变化剖面图
Fig.6 Profiles of terrain changes on lake bottom
3 西洞庭目平湖1975—1995年冲淤变化特征分析
3.1 目平湖整体冲淤变化特征分析
选32 m水位进行分析，通过对每个淤积、冲刷部分的统计结果(部分结果见表4)可知，1975—1995年20 a间目平湖共淤积泥沙约1.6×108 m3，年均淤积量约为0.08×108 m3；湖泊面积为300.23 km2，湖底平均淤高53.28 cm，年均淤高2.66 cm。20年来湖泊面积由301.06 km2减少至300.23 km2，只减少约0.83 km2，变化不大；但通过与历史资料[1-3]对比，年均淤积量减少，这些可能与政府禁止围湖造田等政策有关，但湖泊面积不断萎缩的趋势还存在。通过观察目平湖的二维冲淤变化分类分级图(图4)可知，目平湖的大部分泥沙均淤积在湖底。通过统计，淤积部分面积约256.45 km2(占湖面的85.42%)，平均淤高约104.67 cm；但是，湖泊边界地区有不同程度的冲刷现象(东北部冲刷现象最严重)，湖底有一些较轻的冲刷现象发生，但总体范围不大，总冲刷面积约43.78 km2(只占湖面的14.58%)，但平均冲刷厚度达247.72 cm。
表4 分区域的冲淤变化表
Table 4 Deposition and erosion changes in different regions
由于在洞庭湖北部有来自长江松滋口、太平口的大量水流向洞庭湖，两口从长江中上游挟带大量泥沙，是目平湖淤泥的主要来源，这些水和泥沙首先从目平湖的北部进入洞庭湖，在湖岸处，受到泥沙运动的作用形成严重的冲刷现象，紧接着大量泥沙在湖底淤积，在湖泊边界淤积较严重。同时，沅水和澧水分别从西北部和西南部注入目平湖，来水中也挟带了很多的泥沙，在河流入湖处都有少许冲刷现象，接着泥沙在湖底淤落。
3.2 目平湖局部冲淤变化特征分析
通过观察目平湖的二维冲淤图(图4)，可以确切知道泥沙淤积和冲刷的具体部位，根据不同颜色可以辨认出不同的冲淤程度。图7所示为二维冲淤栅格图转换而成的多边形矢量图，通过矢量多边形属性表中的体积和面积相除得到该区域的平均高度变化，部分泥沙冲淤变化体积较大的区域见表4，其中，区域①，②，③和⑤有泥沙淤积现象，区域④，⑥，⑦，⑧，⑨和⑩为泥沙冲刷区域。
图7 冲淤情况分区域图
Fig.7 Deposition and erosion changes in different regions
a. 区域①显示：目平湖湖底大部分地区处于泥沙淤积状态，虽然平均淤高不大，但它占目平湖的绝大部分面积，是造成湖泊库容减少的主要原因。其泥沙是长江两口(松滋口和太平口)以及沅水、澧水流域注入目平湖的水所挟带的，来自北部和西部的泥沙在湖域内汇集后，一起往东南方向流去，注入南洞庭湖。在这个过程中，由于流速在湖盆内减小，使得一些泥沙沉积下来。
b. 区域②是松滋河和澧水汇流后经松澧洪道进入目平湖的地方，而松滋河和虎渡河汇流后流向区域③，两者都挟带有大量泥沙，淤积下来发育成边滩或心洲，并有自北向南扩展的趋势，泥沙淤积情况严重。由于区域③处泥沙淤积量加大，形成的边滩或心洲逐步拓展，使得松滋河、虎渡河的来水在这里分流。
c. 区域④由于受到其左边洲土和右边湖泊边界的挤压作用，出现严重的冲刷现象。
d. 区域⑤本来只是一个小洲，水流经过时，受它的阻挡，流速减小，使得一部分泥沙依附在小洲上，沉积下来。
e. 区域⑥⑦⑧⑨⑩处于目平湖的边界地带，都有不同程度的冲刷现象，尤其是区域⑩，处于沅水进入目平湖的入口处，冲刷现象比较严重。由于沅水带来的泥沙比较少，在目平湖南部的湖域内，泥沙淤积现象相对来说不是很严重。
同时，从剖面图看(图6)，剖面A-A′，B-B′和C-C′上西部比东部淤积略高，整体上地势也略高，与处于西、东两部位的剖面D-D′和E-E′相比也能反映此规律；剖面D-D′和E-E′上北部比南部淤积略高，地势也整体略高，与处于北、中、南部位的剖面A-A′，B-B′和C-C′相比也能反映此规律。
总的来说，目平湖北部区域的泥沙淤积现象较严重，泥沙淤积由北向南、由西向东减少，北部松澧河道入湖处和西南部沅水入湖处已分别形成松澧三角洲和沅江三角洲，并会随着水流和泥沙输送方向向湖域扩展。虽然泥沙淤积速度有所减缓，但是，由于泥沙淤积现象持续发生，河床普遍抬高，使得湖泊容水量不断减小，蓄洪能力下降，引发洪水灾害严重。
4 结 论
a. 将GIS技术运用于泥沙冲淤变化空间定量分析，就是基于水下地形数据建立高程模型，通过不同年份高程模型的叠加计算容积与水下地形变化，对冲淤区域进行空间划分，最后通过冲淤分类、分区统计与剖面分析等总结泥沙冲淤规律。
b. 基于该方法，运用ArcGIS的3D分析模块，对西洞庭目平湖1975年与1995年库容及其变化进行了计算，并得出湖底泥沙淤积与冲刷的具体空间位置与变化量。
c. 根据计算结果并结合相关资料分析得 出： 1975—1995年目平湖湖底共淤积泥沙约1.6×108 m3，平均淤高约53.28 cm，年均淤积约0.08×108 m3，年均淤高约2.66 cm；湖底大部分处于淤积状态(约占湖泊面积的85.42%)，少部分属冲刷状态；北部泥沙淤积现象较严重，泥沙淤积由北向南、由西向东减少；虽然淤积速度有所减缓，但目平湖蓄洪能力已大大降低，调蓄功能趋于衰减。
参考文献：
[1] 段文忠, 王明甫. 洞庭湖淤积特性分析[J]. 泥沙研究, 1996(2): 9-16.
DUAN Wen-zhong, WANG Ming-fu. Analysis on sediment characteristics of Dongting Lake[J]. Journal of Sediment Research, 1996(2): 9-16.
[2] 施修端, 夏 薇, 杨 彬. 洞庭湖冲淤变化分析(1956-1995年)[J]. 湖泊科学, 1999, 11(3): 199-205.
SHI Xiu-duan, XIA Wei, YANG Bin. Analysis on deposition and erosion change of Dongting Lake[J]. Journal of Lake Science, 1999, 11(3): 199-205.
[3] 姜加虎, 黄 群. 洞庭湖近几十年来湖盆变化及冲淤特征[J]. 湖泊科学, 2004, 16(3): 206-214.
JIANG Jia-hu, HUANG Qun. Analysis of the lake basin change and the rushing-silting features in the past decades of Dongting Lake[J]. Journal of Lake Science, 2004, 16(3): 206-214.
[4] 施 勇, 栾震宇, 胡四一. 洞庭湖泥沙淤积数值模拟模式[J]. 水科学进展, 2006, 17(2): 246-251.
SHI Yong, LUAN Zhen-yu, HU Si-yi. Numerical model of sediment deposit for Dongting Lake[J]. Advances in Water Science, 2006, 17(2): 246-251.
[5] 赵庚星, 张万清, 李玉环, 等. GIS支持下的黄河口近期淤、蚀动态研究[J]. 地理科学, 1999, 19(5): 442-445.
ZHAO Geng-xing, ZHANG Wan-qing, LI Yu-huan, et al. GIS supporting study on current siltation and erosion dynamic changes of Yellow River Mouth[J]. Scientia Geographica Sinica, 1999, 19(5): 442-445.
[6] 吴华林, 沈焕庭, 茅志昌. 长江口南北港泥沙冲淤定量分析及河道演变[J]. 泥沙研究, 2004(3): 75-80.
WU Hua-lin, SHEN Huan-ting, MAO Zhi-chang. Calculation of the amount of siltation and erosion in the south and north channel in the Changjiang Estuary and its evolution[J]. Journal of Sediment Research, 2004(3): 75-80.
[7] 王艳姣, 张 鹰, 陈 荣. 基于GIS长江口北港河段冲淤变化的可视化分析[J]. 河海大学学报: 自然科学版, 2006, 34(2): 223-226.
WANG Yan-jiao, ZHANG Ying, CHEN Rong. GIS based visualized analysis of scouring and siltation in north channel of Changjiang Estuary[J]. Journal of Hehai University: Natural Sciences, 2006, 34(2): 223-226.
[8] 高俊峰, 张 琛, 姜加虎, 等. 洞庭湖的冲淤变化和空间分布[J]. 地理学报, 2001, 56(3): 269-277.
GAO Jun-feng, ZHANG Chen, JIANG Jia-hu, et al. Changes in sediment deposition and erosion and their spatial distribution in the Dongting Lake[J]. Acta Geographica Sinica, 2001, 56(3): 269-277.
[9] Shanker K S, Aminuddin A G, Sanusi S A, et al. Flood risk mapping for Pari River incorporating sediment transport[J]. Environmental Modelling and Software, 2003, 18(2): 119-130.
[10] Hans S E, Maree A H. A GIS approach to model sediment reduction susceptibility of mixed sand and gravel beaches[J]. Environmental Management, 2006, 37(6): 816-825.
[11] Ian D, Robert W D, Kenneth I. Land use, sediment loads and dispersal pathways from two catchments at the southern end of Lake Tanganyika, Africa: Implications for lake management[J]. Environmental Geology, 2003, 44(4): 448-455.
[12] Kyoung J L, Myung S, Bernard A E, et al. GIS-based sediment assessment tool[J]. Catena, 2005, 64(1): 61-80.
[13] Hrissanthou V, Mylopoulos N, Tolikas D, et al. Simulation modeling of runoff, groundwater flow and sediment transport into Kastoria Lake, Greece[J]. Water Resources Management, 2003, 17(3): 223-242.
[14] Le T T, Shibayama T. Application of GIS to evaluate long-term variation of sediment discharge to coastal environment[J]. Coastal Engineering Journal, 2003, 45(2): 275-293.
[15] Gyozo J, van Anton R, Peter S, et al. Historical land use changes and their impact on sediment fluxes in the Balaton basin (Hungary)[J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 2005, 108(2): 119-133.
[16] 邓吉秋, 鲍光淑, 刘 斌. 基于GIS的层次分析法的应用[J]. 中南工业大学学报: 自然科学版, 2003, 34(1): 1-4.
DENG Ji-qiu, BAO Guang-shu, LIU Bin. Application of GIS analytic hierarchy process[J]. Journal of Central South University of Technology: Natural Science, 2003, 34(1): 1-4.
收稿日期：2007-01-10；修回日期：2007-02-29
基金项目：中国地质调查局科研基金资助项目(1212010310304)
作者简介：邓吉秋(1972-)，男，湖南益阳人，博士，从事地理信息系统、遥感、计算机应用等研究
通信作者：邓吉秋，博士；电话：0731-8836497；E-mail: djq318@163.com
