黃一帆，李文輝

（寶雞市水利水電規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院,陜西 寶雞 721000）

近年來(lái)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(lái)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(jì)領(lǐng)域也接觸愈來(lái)愈多的河道生態(tài)水面相關(guān)的設(shè)計(jì)項(xiàng)目,該類(lèi)項(xiàng)目最主要的也是水利工作最關(guān)心的技術(shù)問(wèn)題即是行洪與淹沒(méi)的安全預(yù)警分析問(wèn)題,而如何快速且精準(zhǔn)的繪制和計(jì)算淹沒(méi)范圍成為水利設(shè)計(jì)工作者日常設(shè)計(jì)的技術(shù)難題。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作領(lǐng)域上的生態(tài)水面相關(guān)設(shè)計(jì)對(duì)淹沒(méi)面積計(jì)算和制圖均采用常規(guī)CAD軟件進(jìn)行,人工對(duì)不同工況下水位識(shí)別后繪制和計(jì)算淹沒(méi)范圍,該工作需設(shè)計(jì)工作者具有豐富經(jīng)驗(yàn),對(duì)地形圖識(shí)別能力強(qiáng),且該工作循環(huán)進(jìn)行,插值中出現(xiàn)的誤差因人而異,不同設(shè)計(jì)人員繪制和計(jì)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(méi)范圍成為日常水利設(shè)計(jì)工作中亟待解決的問(wèn)題。本文利用ArcGIS的數(shù)據(jù)空間分析及可視化的功能,可對(duì)河道內(nèi)擬規(guī)劃的不同工況淹沒(méi)范圍進(jìn)行模擬,并與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方式進(jìn)行結(jié)果對(duì)比,為設(shè)計(jì)人員減少工作量的同時(shí)提升了設(shè)計(jì)工作的精準(zhǔn)度。

1 方法簡(jiǎn)介

1.1 軟件簡(jiǎn)介

我國(guó)GIS軟件在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)用較晚,尤其在水利工作中,ArcGIS軟件是美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所開(kāi)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(guò)該模塊的使用可以對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行表面分析和統(tǒng)計(jì),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(guò)對(duì)帶有高程的原始河道數(shù)據(jù)信息進(jìn)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(jì)算器中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(méi)范圍[1]。

2 實(shí)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(zhǎng)600.0 m,橡膠壩底板高程519.0 m,壩頂高程524.0 m,設(shè)計(jì)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(dá)到521.35 m,30 年一遇洪水在壩前達(dá)到522.66 m,達(dá)到壩頂時(shí)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(shí)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(guò)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(xiàn),與現(xiàn)狀河道兩岸堤防與河道內(nèi)平順線(xiàn)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(shí)呈現(xiàn)為孤點(diǎn),兩點(diǎn)之間連貫性較差,線(xiàn)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(kuò)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(shí)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(kāi)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T(mén)IN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(jìn)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(kāi)格柵計(jì)算器,并在格柵計(jì)算器下分別對(duì)不同工況下淹沒(méi)范圍格柵進(jìn)行模擬計(jì)算[2-3]。

2.3 淹沒(méi)計(jì)算

通過(guò)上述方式對(duì)已經(jīng)擬合分析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行淹沒(méi)范圍的格柵計(jì)算,分別繪制出該段河道10 年、30 年和達(dá)到壩頂高程時(shí)的淹沒(méi)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(méi)區(qū)域。

圖2 淹沒(méi)范圍圖

2.4 對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)三種工況下淹沒(méi)范圍圖的繪制,首先直觀上觀察到10 年、30 年和壩頂高程時(shí)三者淹沒(méi)范圍符合水位規(guī)律。其次可以觀察到淹沒(méi)水面在三種工況下均出現(xiàn)散點(diǎn)情況,水系連通性較差,原因主要有兩點(diǎn)：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(duì)地形圖中高程數(shù)據(jù)區(qū)若干點(diǎn)存在誤差；二是數(shù)據(jù)密度疏散,兩個(gè)數(shù)據(jù)間隔超過(guò)40 m,超過(guò)設(shè)定插值關(guān)聯(lián)范圍,導(dǎo)致軟件在插值識(shí)別過(guò)程中以其為孤立點(diǎn)進(jìn)行插值,但其主要原因還是因?yàn)閿?shù)據(jù)關(guān)聯(lián)超過(guò)插值設(shè)定范圍導(dǎo)致。

2.5 成果對(duì)比分析

分別對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作常用方法和ArcGIS軟件對(duì)淹沒(méi)范圍計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 成果對(duì)比表

從表1 中可以看出,采用軟件計(jì)算出的結(jié)果較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法計(jì)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(jì)算出的格柵范圍與回水長(zhǎng)度不成正比增長(zhǎng)關(guān)系,統(tǒng)一表現(xiàn)為回水長(zhǎng)度較傳統(tǒng)方法偏小而淹沒(méi)面積較傳統(tǒng)方法偏大,經(jīng)過(guò)地形圖對(duì)比分析其問(wèn)題在這兩種工況下ArcGIS軟件模擬計(jì)算時(shí)由于數(shù)據(jù)密度不高導(dǎo)致的孤立散點(diǎn)較多,傳統(tǒng)設(shè)計(jì)繪制淹沒(méi)范圍時(shí),一旦遇高程點(diǎn)滿(mǎn)足將不再繼續(xù)延續(xù)淹沒(méi)范圍,因此軟件計(jì)算的偏大部分多數(shù)來(lái)源于孤立點(diǎn)面積,而10 年一遇工況下孤立點(diǎn)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(jì)領(lǐng)域?qū)ρ蜎](méi)計(jì)算要求的提升,傳統(tǒng)方式已無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)計(jì)緊迫時(shí)間和高精準(zhǔn)性的要求,傳統(tǒng)對(duì)淹沒(méi)范圍計(jì)算工作由于河道水流的時(shí)空復(fù)雜性及基本資料的有限性,導(dǎo)致設(shè)計(jì)結(jié)果較為粗糙,對(duì)之后工程設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和河道安全行洪影響甚大,因此該部分設(shè)計(jì)在整個(gè)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(guò)上述ArcGIS軟件對(duì)三種工況淹沒(méi)范圍的繪制和計(jì)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(diǎn)位呈孤立點(diǎn)插值,曲線(xiàn)光滑度不高,尤其兩岸堤防點(diǎn)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(méi)分析,若增大數(shù)據(jù)密度即可解決該問(wèn)題。

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

（3）在利用傳統(tǒng)方式繪制和計(jì)算時(shí),插值過(guò)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(diǎn)的存在,人工將線(xiàn)條繪制光滑,因此在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)稀疏且精度極不高時(shí)避免采用ArcGIS軟件進(jìn)行繪制和計(jì)算淹沒(méi)范圍。

綜上所述,ArcGIS軟件在水利設(shè)計(jì)工作中能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)工作者提供更便捷的計(jì)算方式,為日后規(guī)劃設(shè)計(jì)提供更精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)論,同時(shí)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(shí)計(jì)算與繪制淹沒(méi)范圍偏大,雖繪制圖面圓弧度不足,但足以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)劃需求,因此在日常設(shè)計(jì)領(lǐng)域中值得推薦。