基于ArcGIS的铁路桥涵水文分析

2016-11-03宋玉新

甘肃科技 2016年12期

关键词：河网洼地汇流

宋玉新

（中铁一院集团新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆　乌鲁木齐830011）

基于ArcGIS的铁路桥涵水文分析

宋玉新

（中铁一院集团新疆铁道勘察设计院有限公司，新疆乌鲁木齐830011）

铁路桥涵水文计算是桥涵勘测设计中的重要工作。基于数字高程模型（DEM）和地理信息系统（ArcGIS）技术，对铁路沿线流域进行了水文模拟分析。提取了流网、流域界线、流域面积、流域坡度等水文特征，将其与人工在地形图上圈绘的流网和流域面积比较，发现结果一致。然后将ArcGIS得到的水文特征用大中流域洪峰流量计算模量公式计算流域洪峰流量。

铁路桥涵水文；地理信息系统（GIS）；洪峰流量。

1　概述

20世纪50年代后期以来，DEM （DigitalElevationModel）在测绘、土木工程、地质、矿山工程、景观建筑、道路设计、防洪、农业、规划、军事工程、飞行器与战场仿真等领域取得了广泛应用［1］。DEM（Digitalelevationmodel，数字高程模型）数据中包含了丰富的地形、地貌、水文信息，能够反映各种分辨率的地形特征，通过DEM可以提取大量的地表形态信息，如流域网格单元的坡向、坡度以及单元格之间的关系等［2］。用DEM进行流域分析分的工具很多，ArcGIS的水文分析模块（Hydrology model）是美国环境系统研究所（ESRI）为ArcGIS推出的水文分析模块，主要用于地形和河流网系的提取和分析，实现地形模型可视化。运用地理信息系统（ArcGIS）中Hydrologymodel来提取水系，国内外已开展了大量的工作研究地表水文特性［3－5］。

本文的重点在于基于DEM模型应用ArcGIS的水文分析工具对流域进行降雨流线分析和流域汇水面积的计算，这对于铁路桥涵选线、水文分析具有非常重要的实际意义和应用价值。

2　数据准备

2．1研究区域概况

研究铁路项目位于新疆维吾尔自治区博尔塔拉蒙古自治州（简称：博州）和新疆生产建设兵团第五师境内。地处准噶尔盆地内，盆地内分布有较多的平缓洼地或湖泊，东部有艾比湖，西部赛里木湖。如图1所示。

图1　研究流域位置图

本线地形总体呈现北高南低、西高东低，除线路起始端约三分之一路段走形于山前戈壁区外，其余路段多数走形于耕地区。本线多数河沟属于间歇性、季节性流水河沟，平时干枯无流水，只有流域内降暴雨或温度陡升引起的高山积雪融化才可形成洪峰，洪水出山口后迅速扩散，形成漫流或串流，或消失于耕地，汇流最终注入艾比湖。

2．2数据源

DEM是从GLCF网站上下载的数据（http∶//www. gscloud.cn/），栅格大小为90m×90m。栅格数据形式采用ESRIGRID，横纵坐标的分辨率均为90m。

3　研究区水文特征分析

3．1洼地填补

DEM表面存在着一些凹陷的区域（DEM本身是插值计算的，很难与现实情况完全符合），由于这些区域异常低值存在，使得该区域在进行水流流向计算时得到不合理的水流方向。因而，在进行流域地形分析以前，必须对原始的DEM进行洼地的处理。通过对洼地的处理可以生成无洼地DEM，如图2所示。在无洼地DEM中，自然流水可以畅通无阻地流至区域地形的边缘。因此，借助无洼地DEM可以对原数字地区进行自然流水模拟分析。洼地填充的基本过程是先利用水流方向数据计算出DEM数据中的洼地区域，并计算出其洼地深度，然后，依据这些洼地深度设定填充阀值进行洼地填充［1］。

图2　流域DEM图

3．2水流方向分析

流域内各网格流向的确定是利用DEM提取流域地貌特性的关键内容，它决定着地表径流路径及网格单元间流量的分配［6］。ArcGIS中的水流方向利用D8算法计算。针对每一个栅格，将其高程与周围八个栅格进行比较，得到水流方向。

3．3汇流能力分析

汇流累积量由水流方向数据计算而来。每一个栅格汇流累积量的值代表着其上游有多少个栅格的水流方向最终汇流经过该栅格。一般而言，计算出来的汇流累积量的数值越大，代表越有可能是河谷。利用Hydrology下的FlowAccumulation函数，通过确定所有流入本单元格的累积上游单元格数目（NIP）来生成流域汇流能力栅格图。

3．4水流网络的提取

目前常用的河网提取方法是采用地表径流漫流模型计算［7-9］。当汇流累积量达到一定值的时候，就会产生地表水流，那么所有那些汇流累积量大于阈值的栅格就是潜在的水流路径，由这些水流路径构成的网络，就是河网。这个阈值是需要人为设定的，与定义的汇水面积有关。这里，我们设置为500，也就是说，如果在某个栅格的上游有500个栅格的水流会流经这个栅格，则将这个栅格定义为河流。由于本文用的栅格是90m×90m，也就是说，如果某个栅格点，其上游的汇水面积超过4.05km2，则认为这里是河流。图3就是阈值分别为500个网格单元时所提取到的流域水系河网。

图3　流域水系河网

3．5流域盆地的确定

流域盆地是由分水岭分割而成的汇水区域。它通过对水流方向数据的分析确定出所有相互连接并处于同一流域盆地的栅格。流域盆地的确定首先是要确定分析窗口边缘的出水口的位置，也就是说，在进行流域盆地的划分中，所有的流域盆地的出水口均处于分析窗口的边缘。当确定了出水口的位置之后，也就找出了所有流入出水口的上游栅格的位置［10］。

3．6子流域的生成

经过上一步得到的流域盆地是一个比较大的流域盆地，在很多的水文分析中，还需要基于更小的流域单元进行分析，那么就需要进行流域的分割。而流域的分割首先是要确定小级别流域的出水口位置［10］。

1）Streamlink的生成。Stream？link记录着河网中节点之间的连接信息。Stream？link的每条弧段要么连接着两个作为出水点或汇合点的结点，要么连接着作为出水点的结点和河网起始点。通过Streamlink的计算，即得到每一个河网弧段的起始点和终止点。同样，也可以得到该汇水区域（流域）的出水口。

2）集水流域的生成。通过Streamlink作为流域的出水口数据所得到的集水区域是每一条河网弧段集水区域，也就是要研究的最小沟谷的集水区域，它将一个大的流域盆地按照河网弧段分为一个个小的集水盆地。将流域栅格转换成为矢量图层，并进行符号设置，得到的结果如图4所示。

图4　流域集水盆地

3．7坡度分析

利用ArcGIS软件的3DAnalyst（三维分析）功能模块，通过矢量等高线数据生成TIN三角格网，最后转换成Slop（坡度）规则格网数据，对该数据层进行分析和统计汇总。利用ArcGIS分析功能分析流域坡度组成情况，分析结果精度高。不但可以满足用户在任意精度、任意尺度下对成果的要求，而且用户确定分析精度后，所产生的分析结果具有唯一性，避免分析结果的随机性、多样性所产生的误差［11］。流域的坡度分析云图如图5所示。