杜利瓊 張永戰(zhàn)

（南京大學(xué)海岸與海島開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 地理與海洋科學(xué)學(xué)院 南京 210093）

疏浚工程設(shè)計(jì)中，為了維持挖槽兩側(cè)的穩(wěn)定，需根據(jù)沉積物的土力學(xué)性質(zhì)和水動(dòng)力條件確定一定的邊坡坡度，即挖槽坡度.根據(jù)挖泥船的類型確定計(jì)算超寬和計(jì)算超深.挖槽斷面一般都設(shè)計(jì)成倒梯形，倒梯形的底邊即為設(shè)計(jì)挖寬，現(xiàn)有水深與設(shè)計(jì)水深的差值即為設(shè)計(jì)挖深.

在以往的疏浚工程設(shè)計(jì)中，挖槽中線確定、尺寸設(shè)計(jì)和工程量計(jì)算等主要采用經(jīng)驗(yàn)法或估算法，很大程度上依賴于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)及其專業(yè)知識(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)者的要求較高，且計(jì)算結(jié)果的可重復(fù)性差，精度較低，工程量估算不準(zhǔn)確，導(dǎo)致疏浚工程返工，造成經(jīng)濟(jì)損失.近來，隨計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)開發(fā)設(shè)計(jì)專業(yè)軟件，推動(dòng)了對(duì)疏浚工程設(shè)計(jì)中的疏浚基面擬合、疏浚區(qū)測(cè)量點(diǎn)邊界搜索、挖槽定線、尺寸設(shè)計(jì)和疏浚量計(jì)算等方面的相關(guān)研究［1－2］.

航道疏浚工程量大，花費(fèi)高，耗時(shí)長(zhǎng)，疏?；婧秃降肋吔缇€是確定航道疏浚范圍的基礎(chǔ)，對(duì)計(jì)算航道疏浚量尤為重要.已有方法中，利用測(cè)量數(shù)據(jù)通過多層面疊加法擬合成航道疏?；妫僮鲝?fù)雜、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，直接簡(jiǎn)單連成連續(xù)的折線構(gòu)成航道疏?；妫瑒t影響了計(jì)算精度，均有待進(jìn)一步優(yōu)化.

1 基于ArcGIS與斷面法相結(jié)合的疏浚量計(jì)算

1.1 計(jì)算參數(shù)的確定

根據(jù)港口到港船舶預(yù)測(cè)、規(guī)劃規(guī)模及自然條件等實(shí)際情況，依據(jù)《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》及其局部修訂（航道邊坡坡度和設(shè)計(jì)船型尺度部分、集裝箱船設(shè)計(jì)船型尺度）等確定航道設(shè)計(jì)水深和航道寬度，航道水深分通航水深和設(shè)計(jì)水深，由下式確定［3］.

式中：D0為航道通航水深；T為設(shè)計(jì)船型滿載吃水；Z0為船舶航行時(shí)船體下沉值；Z1為船舶航行時(shí)龍骨下最小富裕深度；Z2為波浪富裕深度；Z3為船舶裝載縱傾富裕深度；D為航道設(shè)計(jì)水深，Z4為備淤富裕深度（以上量的單位均為m）.

航道有效寬度由航跡帶寬度、船舶間富裕寬度和船舶與航道底邊間的富裕寬度組成，單、雙向航道寬度的計(jì)算公式為

式中：W 為航道有效寬度；A為航跡帶寬度；c為船舶與航道底邊間的富裕寬度；B為設(shè)計(jì)船寬；b為船舶間富裕寬度；取設(shè)計(jì)船寬B；L為設(shè)計(jì)船長(zhǎng)（以上量的單位均為m）；n為船舶漂移倍數(shù)；γ為風(fēng)、流壓偏角，（°）.

1.2 基于ArcGIS的航道內(nèi)主槽疏浚量計(jì)算［4－8］

航道橫斷面如圖1所示，曲線amm1f1fe為航道疏浚基面的斷面線，nn1，dd1為超寬（其值為W1），n1n11為超深（其值為h1），線段mn，fd 為航道 疏浚深度（其值分別為Y1，Y2），點(diǎn)m，f為疏浚

圖1 航道疏浚斷面示意圖

基面航道底部?jī)蓚?cè)邊的水深點(diǎn)（其水深分別為hm，hf），θ為邊坡坡角，線段ma，fe為航道疏浚需側(cè)向延伸的距離（其寬度分別為X1，X2），線段n1d1的長(zhǎng)度及點(diǎn)m1，f1之間的距離為設(shè)計(jì)航道寬度（即W），線段nd為航道疏浚寬度（其值為W0），點(diǎn)a，n，d，e，f，m 所圍成的類似倒梯形區(qū)域即為疏浚區(qū)域.Qm即區(qū)域mndf的疏浚量，Ql，Qr分別為區(qū)域amn和區(qū)域efd的疏浚量，則

在地理信息系統(tǒng)中，DEM最主要的3種表示模型是規(guī)則格網(wǎng)模型、等高線模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型.本研究采用DEM的規(guī)則格網(wǎng)模型，為了如實(shí)反應(yīng)地貌特征，選擇克里格插值（Kriging），因?yàn)檫@一方法在插值點(diǎn)與取樣點(diǎn)重合時(shí)，插值點(diǎn)的值就是樣本點(diǎn)的值，而其他方法不能保證如此［17］.一般來說，航道水深測(cè)量數(shù)據(jù)不僅覆蓋了航道區(qū)域，還向航道周邊延伸一定范圍，將其矢量化并插值生成DEM1.用航道疏浚區(qū)域?qū)EM1進(jìn)行裁剪，得到DEM2，即航道內(nèi)主槽的疏?；?如果僅將航道疏浚區(qū)域的數(shù)據(jù)矢量化并插值，則在插值過程中，航道兩側(cè)邊緣會(huì)因其外緣沒有數(shù)據(jù)而產(chǎn)生很大誤差，因此需先將較大范圍的航道水深測(cè)量數(shù)據(jù)矢量化并插值，然后再裁剪生成航道內(nèi)主槽的疏浚基面.

將航道水深測(cè)量數(shù)據(jù)全部替換成航道設(shè)計(jì)水位與超深之和（D＋h1），并插值生成DEM3，同樣用疏浚航道區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行裁剪，得到DEM4，即為疏浚后航道底部的地形曲面.

用柵格數(shù)據(jù)計(jì)算器對(duì)疏浚前、后的航道曲面DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算（DEM2～DEM4），即規(guī)則格網(wǎng)的DEM相應(yīng)位置的柵格要素的深度值相減，即可得到疏浚值.再利用三維分析模塊的Area and Volume工具計(jì)算出疏浚的體積，即得到航道內(nèi)主槽的疏浚量Qm.

1.3 基于斷面法的航道兩側(cè)邊坡疏浚量計(jì)算

一般邊坡延伸的水平距離要遠(yuǎn)小于航道疏浚寬度（X1，X2?W0），故在實(shí)際計(jì)算中將圖1中的曲線am，fe（其寬度分別用X1，X2表示）近似的視為直線，計(jì)算出航道兩側(cè)邊坡的三角形△amn，△efd的面積

將式（1）、（2）代入式（3），得

將各設(shè)計(jì)參數(shù)和水深數(shù)據(jù)代入式（4）計(jì)算出各斷面面積，將同側(cè)兩相鄰斷面面積取算術(shù)平均值，再乘以兩斷面間的間距，得到該段航道邊坡疏浚量.沿航道縱斷面分別累加航道兩側(cè)所有段的邊坡疏浚量，其和即為航道左右兩側(cè)邊坡疏浚量Ql，Qr.

將Qm（航道內(nèi)主槽疏浚量），Ql，Qr求和即得航道疏浚量Q，計(jì)算流程如圖2.

2 實(shí)例研究

以江蘇省鹽城市大豐港疏浚至10萬t級(jí)港口為例，計(jì)算長(zhǎng)25.65km的航道疏浚量.目前航道為西洋深槽自然水深航道，航道中－12.00m水深直通外海，5萬t級(jí)船舶可乘潮進(jìn)港.根據(jù)到港船舶預(yù)測(cè)、風(fēng)浪流等自然條件的實(shí)際情況，依據(jù)《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》及其局部修訂（航道邊坡坡度和設(shè)計(jì)船型尺度部分及集裝箱船設(shè)計(jì)船型尺度）等計(jì)算出10萬t級(jí)船舶乘潮進(jìn)港的航道設(shè)計(jì)水深為15.54m，航道寬度350.0m，根據(jù)航道沉積物的工程地質(zhì)實(shí)驗(yàn)確定邊坡坡度為1∶5，采用耙吸挖泥船疏浚.試驗(yàn)研究表明，耙吸挖泥船疏浚比傳統(tǒng)的絞吸船和側(cè)投疏浚更有效［9］.據(jù)《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》確定超寬為9.0m、超深為0.70 m，因此，疏浚航道區(qū)域的寬度為368.0m、深度為16.24m.

圖2 航道疏浚量計(jì)算流程圖

數(shù)字化其航道水深測(cè)量圖，采用克里格插值生成DEM 影像，用長(zhǎng)25.65km、寬368.0m的航道區(qū)域裁剪，得到航道疏?；?將航道測(cè)量數(shù)據(jù)全部替換成疏浚深度水位－16.24m，并插值生成柵格 DEM 圖像，同樣用長(zhǎng)25.65km、寬368.0m的航道區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行裁剪，得到疏浚后的航道底部曲面.用柵格數(shù)據(jù)計(jì)算器將航道疏?；鏈p去疏浚后的航道底部曲面，再用三維分析模塊的Area and Volume工具計(jì)算出航道內(nèi)主槽的疏浚量Qm為3.80×107m3.航道最大水深達(dá)－19.20m，深于疏浚深度－16.24m，故柵格數(shù)據(jù)計(jì)算中需計(jì)算高程差大于0m的體積，即為疏浚量.高程差小于0m的部分是目前已經(jīng)達(dá)到航道疏浚深度的部分，是不需要疏浚的.

大豐港航道測(cè)量圖中的水深點(diǎn)以沿航道縱斷面100.0m等間距、沿航道橫斷面80.0m等間距測(cè)量而得.目前航道水深介于－19.20～－10.50m，平均水深12.40m，除南部局部航道兩側(cè)的水深變化較大外，航道兩側(cè)水深多分布于－12.00～－13.00m.以航道疏浚水深－16.24 m和目前航道最淺水深－10.50m計(jì)算出最大疏浚深度Ymax為5.74m、邊坡疏浚最大寬度Xmax為28.7m.可見，邊坡疏浚最大寬度28.7m遠(yuǎn)小于航道疏浚寬度368.0m，邊坡疏浚量比主槽疏浚量要小得多.同時(shí)，Xmax也小于沿航道橫斷面的測(cè)量間距80.0m，所以此時(shí)將圖1中的曲線ab，fe做直線處理不會(huì)帶來進(jìn)一步的誤差.若測(cè)量間距小于ab段的長(zhǎng)度，這時(shí)將其以直線處理，有一定的誤差，但由于邊坡疏浚量只占航道疏浚量很少的部分，這個(gè)誤差對(duì)總量的影響很小.由式（4）計(jì)算出左右兩側(cè)橫斷面上三角形的面積，同側(cè)兩相鄰斷面面積的算術(shù)平均值乘以兩斷面間的間距，便得到了該段航道邊坡疏浚量，沿航道縱斷面分別累加航道兩側(cè)的所有小段邊坡疏浚量，其和即航道兩側(cè)邊坡疏浚量Ql為0.07×107m3，Qr為0.07×107m3.因此，10萬t級(jí)大豐港航道疏浚量為3.94×107m3.

3 結(jié) 束 語(yǔ)

在一定的水深測(cè)量基礎(chǔ)上，利用ArcGIS軟件空間插值計(jì)算功能，生成的航道疏?；婺軌驕?zhǔn)確地反映真實(shí)的水下地形，提高了航道內(nèi)主槽疏浚量的計(jì)算精度.只要水深測(cè)量精度高，此方法能夠保證生成最大限度地接近真實(shí)水下地形的航道疏?；?用斷面法計(jì)算航道邊坡疏浚量時(shí)，當(dāng)邊坡疏浚最大寬度小于沿航道橫斷面的測(cè)量間距時(shí)，將兩側(cè)邊坡航道疏?；娴臄嗝媲€做直線處理，不會(huì)帶來進(jìn)一步的誤差.當(dāng)測(cè)量密度提高，邊坡疏浚寬度大于測(cè)量間距時(shí)，這一近似處理會(huì)形成一定的誤差.由于一般邊坡疏浚寬度遠(yuǎn)小于航道疏浚寬度，邊坡疏浚量只占航道疏浚量的很小部分，這個(gè)誤差對(duì)總量的影響很小.

利用ArcGIS軟件的空間分析和計(jì)算功能，不僅提高了計(jì)算精度，且工作量小，自動(dòng)化程度高，簡(jiǎn)便易行，對(duì)專業(yè)性的要求不是很高，一般人員經(jīng)過學(xué)習(xí)都能掌握與操作.ArcGIS軟件在分析航道的水深及適航區(qū)域等方面都具有強(qiáng)大的功能，技術(shù)上具有一定的先進(jìn)性，可輔助航道設(shè)計(jì)和疏浚施工，并且在分析上具有很大的靈活性，能針對(duì)不同的設(shè)計(jì)水深等情況快捷計(jì)算，更好地為合理的疏浚方案設(shè)計(jì)與優(yōu)選服務(wù).此外，ArcGIS軟件具有空間可視化的特點(diǎn)，能夠?qū)降赖匦芜M(jìn)行三維建模與三維分析，使航道疏浚設(shè)計(jì)過程更為直觀、具體，在航道疏浚工程中有著廣泛的應(yīng)用潛力.

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