王 祚，李暢游，冀鴻蘭，李 超

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

三維地形可視化是一門研究數(shù)字地面模型的顯示、簡化、仿真等內(nèi)容的學科［1］，已越來越成為地理信息領(lǐng)域的研究熱點，在地形分析方面發(fā)揮著重要的作用，廣泛應(yīng)用于地理信息的各個方面［2］。目前，地理信息系統(tǒng)(GIS)已被用于水下河床地形的可視化研究中，如海岸、河流等水下地形的淤積與侵蝕表面積、體積的變化及空間分布均能通過GIS技術(shù)方便地實現(xiàn)［3］。GIS及可視化技術(shù)是研究河床演變規(guī)律的一種行之有效的方法，可視化、形象化程度較高［4］，利用地形三維可視化技術(shù)能夠直觀而形象地表現(xiàn)水下河床地形地貌的形態(tài)特征與變化規(guī)律，但GIS在冰蓋下河床地形可視化分析中應(yīng)用較少。本文利用GIS技術(shù)研究黃河內(nèi)蒙古段冰下河床地形三維可視化方法及其應(yīng)用。

1 黃河內(nèi)蒙古段冰情特點

黃河內(nèi)蒙古河段干流總長823km，河道總落差僅162.5m;從河道流向看，內(nèi)蒙古河段總體呈“幾”形大彎曲;從河道特征看，該河段總體上河寬坡緩，蜿蜒曲折，河道中淺灘彎道迭出［5］。黃河也是世界上泥沙最多的河流，具有水少沙多、水沙異源的特點［6］。

黃河內(nèi)蒙古段位于黃河流域最北端，海拔高程在千米以上，冬半年被蒙古冷高壓所控制，加之高空西北氣流的引導，往往會受大陸冷空氣南侵的影響，天氣寒冷。由于河道是自南而北流向，緯度相差4°以上，因此氣溫在地域上存在上游高、下游低的差別，而且隨時間的變化也呈現(xiàn)出入冬時下游降溫比上游降溫早的特點;初春回暖時，情況則相反［7］。特殊的地理環(huán)境、緯度和氣象條件組合，使得黃河內(nèi)蒙古段幾乎每年都發(fā)生凌汛現(xiàn)象，災(zāi)情頻發(fā)。該河段的流凌封河通常是自下而上，解凍開河則是自上而下，十分容易形成冰塞和冰壩，因而防凌歷來成為該河段各級防汛部門最重要的工作之一。

2 測區(qū)河道地形

2.1 冰封期野外地形測量

2013年1月對黃河內(nèi)蒙古段烏拉特前旗三湖河口進行了冰蓋下三維地形測量，黃河內(nèi)蒙古段河道輪廓如圖1所示，測量區(qū)域與測量斷面如圖2所示，箭頭方向代表流向。采用先進的GPS-RTK配合鉆冰機以及聲吶等多種儀器設(shè)備展開野外測量。以烏拉特前旗三湖河口水文站為中心在其上下游河段布設(shè)了38個測量斷面。由于測量區(qū)域?qū)儆邳S河較大的彎道，地形極為復(fù)雜，因此斷面測量間距應(yīng)適度加密，定為50～100m，順直河段間距適當放寬。每個斷面布控10～12個測點，對于較寬或較窄的河面可增加或減少測點，以滿足精度要求。測量時首先使用GPS-RTK測量冰面x、y坐標和高程，再用直角尺測量冰厚，同時用聲吶探測水深，最終經(jīng)過計算得到冰面、水面及河床的三維坐標。

圖1 黃河內(nèi)蒙古段示意圖

圖2 三湖河口測量區(qū)域與測量斷面示意圖

2.2 地形等值線圖

根據(jù)測區(qū)地形的三維坐標，利用Surfer軟件繪制冰蓋下河床地形等值線圖如圖3(a)所示，并與2013年8月暢流期情況進行對比(圖3(b))。從圖3可以看出，總體上，冰蓋下河床地形等值線與明流時相比，變化趨勢比較接近。

圖3 河床地形等值線(單位:m)

2.3 冰下河床矢量地圖

矢量地圖是用小箭頭表達的繪圖方式，每個箭頭的大小和方向都與其所在位置有關(guān)，箭頭的方向表示局部的斜坡從高到低的方向，箭頭的長短則表明局部斜坡的陡峭程度。根據(jù)測區(qū)地形的三維坐標，繪制冰蓋下河床矢量地圖如圖4所示，由圖4可知，冰封期研究區(qū)黃河三湖河口彎道地形的陡峭程度明顯高于兩側(cè)的河岸，并且深潭地形相比淺灘會更加陡峭。矢量地圖可以展現(xiàn)出河床地形的陡峭程度，為進一步判斷深泓線與主流方向提供了依據(jù)。

圖4 冰下河床矢量地圖

2.4 冰封期彎道斷面特性分析

彎道水流是天然河流中一種很普遍的水流運動現(xiàn)象，會產(chǎn)生橫向環(huán)流的作用，使得彎道中形成螺旋流，并表現(xiàn)為異常復(fù)雜的紊流［8］。彎道螺旋流的存在，會使得彎道處泥沙運動特性表現(xiàn)出顯著的不同。Tsai等［9］在對彎道冰蓋下沖積河床床面橫向坡度的研究中大致得出了以下結(jié)論:①冰蓋出現(xiàn)后減小了環(huán)流強度;②河床橫向坡度減小，凹岸床面會因淤積回升，凹岸沖刷有所緩解;③冰蓋下有一對螺旋流。

選取三湖河口實測彎道冰下河床典型斷面(圖5)并與暢流期相同斷面(圖6)進行對比分析，可以發(fā)現(xiàn)，在冰封期，由于冰蓋的存在減弱了彎道橫向環(huán)流強度，使得凹岸床面有所抬升，沖刷現(xiàn)象減弱。

圖5 冰下河床典型斷面

圖6 明流河床典型斷面

3 冰下河床可視化應(yīng)用

以2013年1月內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市烏拉特前旗三湖河口水文站附近實測彎道(圖2)地形數(shù)據(jù)為例，進行冰下河床三維可視化應(yīng)用分析，并與2013年8月暢流期情況作比較。

3.1 冰蓋下河床三維可視化模型

a.數(shù)據(jù)網(wǎng)格化。使用Surfer軟件繪圖，最核心的部分就是對數(shù)據(jù)進行網(wǎng)格化處理，即插值的計算。Surfer提供了12種內(nèi)插方法［10］，本文選擇應(yīng)用最多的克里金插值法進行網(wǎng)格劃分［3］。該方法按待插值點和相鄰實際測得高程點的空間位置對待插值點高程做線性無偏最優(yōu)估計，計算式為

式中:Z(xi)為在計算半徑內(nèi)全部參與內(nèi)插點計算的實測高程異常值;Z(x0)為內(nèi)插點的高程異常值;λi為分配到每個實測高程點的權(quán)重。

b.建立模型。根據(jù)網(wǎng)格化生成的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建河床與冰蓋表面三維可視化模型及真實地貌暈渲圖如圖7～12所示，其中圖7～9中，灰色越淺表示高程值越大，越深表示高程值越小。由圖7和圖8比較可知，冰蓋下河床表面與明流時相比，變化趨勢十分相似，但夏季暢流期因河流強烈的紊動作用河床表面沖刷起伏的程度更大，箭頭指向為水流前進方向。河床表面三維立體圖可以從整體上直觀地呈現(xiàn)出測區(qū)河段彎道凹岸產(chǎn)生明顯的沖刷現(xiàn)象，而凸岸則產(chǎn)生淤積。由圖11和圖12可清晰地看到黃河三湖河口彎道水流所流經(jīng)的河床地貌形態(tài)。

圖7 冰下河床表面三維可視化模型

圖8 明流河床表面三維可視化模型

圖9 冰蓋表面三維可視化模型

圖10 冰蓋表面真實地貌暈渲圖

圖11 冰下河床真實地貌暈渲圖

圖12 明流河床真實地貌暈渲圖

3.2 冰封期與暢流期河床沖淤變遷

在水力因素和熱力因素的共同作用下河流會形成冰蓋，冰蓋的形成改變了明渠河流的原有流速分布結(jié)構(gòu)，同時也改變了河流的輸沙特性。研究表明:在同樣水位的情況下，如果河面上存在完整的冰蓋，水流能量損失會較暢流期增加62%，過流能力會降低29%［11］。這將導致冰封期河流的輸沙現(xiàn)象明顯不同于暢流期，因而冰蓋的形成會對河床的沖刷和淤積產(chǎn)生重大影響。

目前在河床演變分析中計算河床沖淤變化的兩種常用方法為輸沙量法和地形斷面法［12］。通常情況下各級水文站的多年實測水沙資料相當完備，因此在分析河床的沖淤狀況時，輸沙量法應(yīng)用得非常多［13］。如果河流地形的測量難度高、任務(wù)重，實測的河段及測量次數(shù)均較少，只有在洪水導致水沙發(fā)生重大改變的年份才實施測量，并且鮮有冰封期的地形測量，則可采用地形法計算不同測次間河床沖刷和淤積的體積。

輸沙量法和地形斷面法在計算河床沖淤變遷時都表現(xiàn)出一定的缺陷，即不能直觀地顯示河道沖淤的具體位置，雖然通過斷面剖析和野外經(jīng)驗?zāi)軌虼致缘胤治龊拥罌_淤分布，但也只能提出類似“河道沖刷主要發(fā)生在河槽，淤積主要發(fā)生在高灘”等較抽象的描述［14］。鑒于這兩種方法所存在的不足以及它們無法進行空間分析的局限，本文采用GIS法計算不同時期研究區(qū)域河床的沖淤體積和表面積變化，從而進行河床沖淤變遷分析。

由于測量區(qū)域冰封期形成了連續(xù)穩(wěn)定的冰蓋，冰蓋的存在會使水位抬升，平均流速降低，同時冰封期河流輸沙能力與環(huán)流強度也會降低不少，因此水流對河段的沖刷作用會減弱，淤積程度有所增大;而洪水期受降雨影響流量增大，平均流速與輸沙率顯著提高，彎道橫向環(huán)流強度也明顯加大，這些都加劇了河床的沖刷強度。圖13和圖14分別為冰封期和暢流期研究區(qū)實測流速及含沙量垂線分布對比圖，可見暢流期流速和含沙量均大大超過冰封期。不同時期流速和輸沙率的改變是造成沖淤變化的重要原因。

圖13 冰封期和暢流期流速垂線分布

圖14 冰封期和暢流期含沙量垂線分布

由GIS法計算可知，從2013年1月冰封期至2013年8月夏季暢流期三湖河口彎道的沖刷體積為980930.17 m3，淤積體積為916585.88 m3，研究區(qū)總體上表現(xiàn)為沖刷，沖刷體積64344.29 m3，暢流期沖刷的強度明顯高于冰封期。將圖7和圖8兩種三維可視化模型進行疊合分析即可得到冰封期到暢流期的沖淤等厚度三維立體圖，如圖15所示(圖中厚度小于零表示沖刷，大于零表示淤積)。因而利用GIS法可以直觀而準確地表示出從冰封期至夏季暢流期黃河內(nèi)蒙古段三湖河口彎道河床所發(fā)生的沖淤變遷，若有較長河段多年的高精度地形資料就可以利用此方法進行河道演變的定量分析。

圖15 沖淤等厚度三維立體圖

4 結(jié)語

GIS具有強大的三維建模與空間分析能力，利用GIS方法實現(xiàn)冰下河床三維可視化是一種有益的嘗試，能夠?qū)崿F(xiàn)河床表面的三維可視化建模與真實地貌暈渲及不同時期河床沖淤變化的定量計算，結(jié)合多年實測的水沙資料則能更加直觀、準確、科學地研究黃河內(nèi)蒙古段的河道演變和冰情變化。利用

GIS技術(shù)可以及時反映出河道變遷過程，準確計算河床沖刷和淤積量，揭示河冰過程與泥沙、水流運動相互作用的機理，為黃河河道整治和防凌防汛工作提供一定的技術(shù)支持。

［1］呂秋靈，張俊霞.三維地形可視化及其實時顯示方法［J］.河海大學學報:自然科版，2002，30(4):85-87.(LU Qiuling，ZHANG Junxia.3D-terrain visualization and real-time display techniques［J］.Journal of Hohai University:Natural Sciences，2002，30(4):85-87.(in Chinese))

［2］伍莉，彭文.長江航道水下地形三維可視化研究［J］.海洋測繪，2008，28(4):27-33.(WU Li，PENG Wen.Three dimensions visualization research in Changjiang waterway underwater terrain［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2008，28(4):27-33.(in Chinese))

［3］白世彪.Surfer軟件在水下地形三維可視化與分析中的應(yīng)用［J］.海洋測繪，2004，24(5):51-53.(BAI Shibiao.Application of surfer in the 3D-visualization and analysis of underwater topography［J］.Hydrographic Surveying and Charting，2004，24(5):51-53.(in Chinese))

［4］王艷姣，張鷹，陳榮.基于GIS長江口北港河段沖淤變化的可視化分析［J］.河海大學學報:自然科學版，2006，34(2):223-226.(WANG Yanjiao，ZHANG Ying，CHEN Rong.GIS-based visualized analysis of scouring and siltation in North Channel of Changjiang Estuary［J］.Journal of Hohai University:Natural Sciences，2006，34(2):223-226.(in Chinese))

［5］段高云，賀順德，王玉峰.黃河內(nèi)蒙古河段防凌形勢及對策［J］.人民黃河，2010，32(4):36-37.(DUAN Gaoyun，HE Shunde，WANG Yufeng.The situation and countermeasures of ice prevention of Yellow River in Inner Mongolia ［J］.Yellow River，2010，32(4):36-37.(in Chinese))

［6］侯素珍.黃河內(nèi)蒙古河段河床演變特征分析［J］.泥沙研究，2010(3):44-50.(HOU Suzhen.Fluvial processes in Inner Mongolia reach of the Yellow River［J］.Journal of Sediment Research，2010(3):44-50.(in Chinese))

［7］冀鴻蘭，張傲妲，高瑞忠，等.黃河內(nèi)蒙古段開河日期預(yù)報模型及應(yīng)用［J］.水利水電科技進展，2012，32(2):42-45.(JI Honglan，ZHANG Aoda，GAO Ruizhong，et al.Application of the break-up date prediction model in the Inner Mongolia Reach of the Yellow River［J］.Advances in Science and Technology of Water Resources，2012，32(2):42-45.(in Chinese))

［8］刁明軍，楊海波，李斌華，等.彎道水力學研究現(xiàn)狀與進展［J］.西南民族大學學報:自然科學版，2007，33(3):596-601.(DIAO Mingjun，YANG Haibo，LI Binhua，et al.A summary of the study and progress on hydraulics of curved flow［J］.Journal of Southwest University for Nationalities:Natural Science Edition，2007，33(3):596-601.(in Chinese))

［9］TSAI W.Ice cover influence on transverse bed slopes in a curved alluvial channel［J］.Journal of Hydraulic Research，1994，32(4):561-582.

［10］楊柏寧.水下地形三維建模Surfer與MATLAB比較分析［J］.上海國土資源，2012，33(1):75-78.(YANG Baining.Comparison of techniques between surfer andmAtlab to 3D modeling on underwater topography［J］.Shanghai Land ＆ Resources，2012，33(1):75-78.(in Chinese))

［11］PRATLLE B.Review of flow resistance of consolidated smooth and rough ice cover［C］//Proceedings Canadian Hydraulic Symposium.Vancouver:IAHR，1979:52-92.

［12］黃志文.基于GIS技術(shù)的泥沙沖淤及河床演變分析［D］.西安:西安理工大學，2006.

［13］李義天，鄧金運，孫昭華，等.輸沙量法和地形法計算螺山漢口河段淤積量比較［J］.泥沙研究，2002(4):20-24.(LI Yitian，DENG Jinyun，SUN Zhaohua，et al.Calculation of deposition in Luoshan-Hankou reach using sediment-transport balance and topographic change methods［J］.Journal of Sediment Research，2002(4):20-24.(in Chinese))

［14］王強.GIS在河道沖淤及河床演變分析中的應(yīng)用［D］.武漢:武漢大學，2004.