黃一帆，李文輝

（寶雞市水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計院,陜西 寶雞 721000）

近年來隨著城市的快速發(fā)展,為提升城市發(fā)展需求及城市的人居環(huán)境,合理利用城區(qū)河流水資源,越來越多的“生態(tài)水面工程”被提上城市規(guī)劃日程。水利設(shè)計領(lǐng)域也接觸愈來愈多的河道生態(tài)水面相關(guān)的設(shè)計項目,該類項目最主要的也是水利工作最關(guān)心的技術(shù)問題即是行洪與淹沒的安全預(yù)警分析問題,而如何快速且精準(zhǔn)的繪制和計算淹沒范圍成為水利設(shè)計工作者日常設(shè)計的技術(shù)難題。

傳統(tǒng)設(shè)計工作領(lǐng)域上的生態(tài)水面相關(guān)設(shè)計對淹沒面積計算和制圖均采用常規(guī)CAD軟件進行,人工對不同工況下水位識別后繪制和計算淹沒范圍,該工作需設(shè)計工作者具有豐富經(jīng)驗,對地形圖識別能力強,且該工作循環(huán)進行,插值中出現(xiàn)的誤差因人而異,不同設(shè)計人員繪制和計算出的結(jié)果也相差較大,因此快速準(zhǔn)確的繪制不同工況的淹沒范圍成為日常水利設(shè)計工作中亟待解決的問題。本文利用ArcGIS的數(shù)據(jù)空間分析及可視化的功能,可對河道內(nèi)擬規(guī)劃的不同工況淹沒范圍進行模擬,并與傳統(tǒng)設(shè)計方式進行結(jié)果對比,為設(shè)計人員減少工作量的同時提升了設(shè)計工作的精準(zhǔn)度。

1 方法簡介

1.1 軟件簡介

我國GIS軟件在工程設(shè)計中應(yīng)用較晚,尤其在水利工作中,ArcGIS軟件是美國環(huán)境系統(tǒng)研究所開發(fā)的新一代GIS軟件,其下3D Analyst模塊具有疊加格柵和矢量數(shù)據(jù)的功能,通過該模塊的使用可以對矢量數(shù)據(jù)進行表面分析和統(tǒng)計,提高矢量數(shù)據(jù)在空間上的應(yīng)用。

1.2 分析方法

本文通過對帶有高程的原始河道數(shù)據(jù)信息進行格式的轉(zhuǎn)換將TIN數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcMap中,利用其下3D Analyst下轉(zhuǎn)換工具,將TIN轉(zhuǎn)為格柵數(shù)據(jù),并在格柵計算器中對數(shù)據(jù)進行不同工況下面積因子的提取,最終模擬出不同工況下的淹沒范圍[1]。

2 實例應(yīng)用

2.1 研究區(qū)現(xiàn)狀

“陸港生態(tài)水面工程”位于寶雞高新區(qū)科技新城陸港大橋上游河道處,其規(guī)劃的攔河橡膠壩位于渭河陸港大橋下游981 m,壩長600.0 m,橡膠壩底板高程519.0 m,壩頂高程524.0 m,設(shè)計壩高5 m。渭河該段河道現(xiàn)狀比降2.6‰,河道兩側(cè)堤防頂高程為530.9 m～535.7 m,河床平均底高程518.0 m（本次研究選擇河段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為未修建陸港大橋）。工況選擇分別為10 年、30 年和壩前最高三種工況,其中10 年一遇洪水在壩前達到521.35 m,30 年一遇洪水在壩前達到522.66 m,達到壩頂時水位高程為524.00 m。

利用ArcScene做出河道3D模型圖,據(jù)以分析現(xiàn)有數(shù)據(jù)呈現(xiàn)的河道三維圖與現(xiàn)狀河道的差異,提煉數(shù)據(jù)利用精準(zhǔn)度,同時為凸顯數(shù)據(jù)模擬結(jié)果,將其縱向垂直夸大比例選擇為20倍。通過圖1可以明顯看出河道兩岸堤防與河道內(nèi)繪制結(jié)果為齒狀線,與現(xiàn)狀河道兩岸堤防與河道內(nèi)平順線擬合度不高,原因一方面是現(xiàn)有數(shù)據(jù)密度較低,在插值時呈現(xiàn)為孤點,兩點之間連貫性較差,線條光滑度不足；另一方面河道內(nèi)繪制垂直比例較大,垂直方向凹凸較常規(guī)河道擴大20 倍,從河道內(nèi)圖形分析基本符合河道現(xiàn)狀。因此河道內(nèi)數(shù)據(jù)利用精準(zhǔn)度較高,擬合結(jié)果較好,基本可以反映河道內(nèi)真實情況。

圖1 研究區(qū)河道3D模型圖（z放大20倍圖）

2.2 數(shù)據(jù)處理

（1）TIN數(shù)據(jù)的創(chuàng)建

打開ArcMap軟件在添加數(shù)據(jù)中導(dǎo)入excel文件后,將導(dǎo)出的excel文件轉(zhuǎn)為shp文件,之后在3D Analyst模塊下創(chuàng)建新的TIN文件,將其shp文件中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為TIN數(shù)據(jù),并按指定路徑輸出TIN。

（2）TIN轉(zhuǎn)格柵數(shù)據(jù)

在3 D Analyst模塊下將輸出的TIN數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換,并按指定路徑輸出。

（3）面積因子提取

在Spatial Analyst模塊下打開格柵計算器,并在格柵計算器下分別對不同工況下淹沒范圍格柵進行模擬計算[2-3]。

2.3 淹沒計算

通過上述方式對已經(jīng)擬合分析后的數(shù)據(jù)進行淹沒范圍的格柵計算,分別繪制出該段河道10 年、30 年和達到壩頂高程時的淹沒范圍圖（依次分別為圖2 的a、b和c）。藍(lán)色代表水面,綠色代表河道內(nèi)為淹沒區(qū)域。

圖2 淹沒范圍圖

2.4 對比分析

通過對三種工況下淹沒范圍圖的繪制,首先直觀上觀察到10 年、30 年和壩頂高程時三者淹沒范圍符合水位規(guī)律。其次可以觀察到淹沒水面在三種工況下均出現(xiàn)散點情況,水系連通性較差,原因主要有兩點：一是數(shù)據(jù)提取精準(zhǔn)度有偏差,原始數(shù)據(jù)提煉中使用的coodsheet軟件對地形圖中高程數(shù)據(jù)區(qū)若干點存在誤差；二是數(shù)據(jù)密度疏散,兩個數(shù)據(jù)間隔超過40 m,超過設(shè)定插值關(guān)聯(lián)范圍,導(dǎo)致軟件在插值識別過程中以其為孤立點進行插值,但其主要原因還是因為數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)超過插值設(shè)定范圍導(dǎo)致。

2.5 成果對比分析

分別對傳統(tǒng)設(shè)計工作常用方法和ArcGIS軟件對淹沒范圍計算成果進行對比,對比結(jié)果見表1。

表1 成果對比表

從表1 中可以看出,采用軟件計算出的結(jié)果較傳統(tǒng)設(shè)計方法計算出的結(jié)果基本一致,在30 年和壩頂高程兩種工況下ArcGIS軟件計算出的格柵范圍與回水長度不成正比增長關(guān)系,統(tǒng)一表現(xiàn)為回水長度較傳統(tǒng)方法偏小而淹沒面積較傳統(tǒng)方法偏大,經(jīng)過地形圖對比分析其問題在這兩種工況下ArcGIS軟件模擬計算時由于數(shù)據(jù)密度不高導(dǎo)致的孤立散點較多,傳統(tǒng)設(shè)計繪制淹沒范圍時,一旦遇高程點滿足將不再繼續(xù)延續(xù)淹沒范圍,因此軟件計算的偏大部分多數(shù)來源于孤立點面積,而10 年一遇工況下孤立點較少,因此差值也較其他工況偏小。

3 結(jié)論

隨著日常水利設(shè)計領(lǐng)域?qū)ρ蜎]計算要求的提升,傳統(tǒng)方式已無法滿足設(shè)計緊迫時間和高精準(zhǔn)性的要求,傳統(tǒng)對淹沒范圍計算工作由于河道水流的時空復(fù)雜性及基本資料的有限性,導(dǎo)致設(shè)計結(jié)果較為粗糙,對之后工程設(shè)計的準(zhǔn)確性和河道安全行洪影響甚大,因此該部分設(shè)計在整個工程中既起到基石作用,又起到河道安全預(yù)警作用[4]。

通過上述ArcGIS軟件對三種工況淹沒范圍的繪制和計算,得到如下結(jié)論：

（1）本次研究范圍河道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)間距較大,關(guān)聯(lián)性較弱,在局部點位呈孤立點插值,曲線光滑度不高,尤其兩岸堤防點位間距較大,模擬結(jié)果呈鋸齒狀,但該狀況并不影響本次淹沒分析,若增大數(shù)據(jù)密度即可解決該問題。

（2）通過上述計算數(shù)據(jù)結(jié)果看,ArcGIS軟件計算結(jié)果精準(zhǔn)度高,較傳統(tǒng)計算結(jié)果偏大,從安全角度分析該計算安全度更高。

（3）在利用傳統(tǒng)方式繪制和計算時,插值過程中精準(zhǔn)度不高,但能人為地規(guī)避因缺乏數(shù)據(jù)導(dǎo)致的孤立點的存在,人工將線條繪制光滑,因此在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)稀疏且精度極不高時避免采用ArcGIS軟件進行繪制和計算淹沒范圍。

綜上所述,ArcGIS軟件在水利設(shè)計工作中能夠為設(shè)計工作者提供更便捷的計算方式,為日后規(guī)劃設(shè)計提供更精準(zhǔn)的計算結(jié)論,同時能夠避免更多偶然誤差出現(xiàn)。鑒于安全角度該軟件在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)缺乏時計算與繪制淹沒范圍偏大,雖繪制圖面圓弧度不足,但足以滿足設(shè)計規(guī)劃需求,因此在日常設(shè)計領(lǐng)域中值得推薦。