ArcGIS在生态水面淹没范围计算中的应用

黄一帆，李文辉

（宝鸡市水利水电规划勘测设计院,陕西 宝鸡 721000）

近年来随着城市的快速发展,为提升城市发展需求及城市的人居环境,合理利用城区河流水资源,越来越多的“生态水面工程”被提上城市规划日程。水利设计领域也接触愈来愈多的河道生态水面相关的设计项目,该类项目最主要的也是水利工作最关心的技术问题即是行洪与淹没的安全预警分析问题,而如何快速且精准的绘制和计算淹没范围成为水利设计工作者日常设计的技术难题。

传统设计工作领域上的生态水面相关设计对淹没面积计算和制图均采用常规CAD软件进行,人工对不同工况下水位识别后绘制和计算淹没范围,该工作需设计工作者具有丰富经验,对地形图识别能力强,且该工作循环进行,插值中出现的误差因人而异,不同设计人员绘制和计算出的结果也相差较大,因此快速准确的绘制不同工况的淹没范围成为日常水利设计工作中亟待解决的问题。本文利用ArcGIS的数据空间分析及可视化的功能,可对河道内拟规划的不同工况淹没范围进行模拟,并与传统设计方式进行结果对比,为设计人员减少工作量的同时提升了设计工作的精准度。

1 方法简介

1.1 软件简介

我国GIS软件在工程设计中应用较晚,尤其在水利工作中,ArcGIS软件是美国环境系统研究所开发的新一代GIS软件,其下3D Analyst模块具有叠加格栅和矢量数据的功能,通过该模块的使用可以对矢量数据进行表面分析和统计,提高矢量数据在空间上的应用。

1.2 分析方法

本文通过对带有高程的原始河道数据信息进行格式的转换将TIN数据导入ArcMap中,利用其下3D Analyst下转换工具,将TIN转为格栅数据,并在格栅计算器中对数据进行不同工况下面积因子的提取,最终模拟出不同工况下的淹没范围[1]。

2 实例应用

2.1 研究区现状

“陆港生态水面工程”位于宝鸡高新区科技新城陆港大桥上游河道处,其规划的拦河橡胶坝位于渭河陆港大桥下游981 m,坝长600.0 m,橡胶坝底板高程519.0 m,坝顶高程524.0 m,设计坝高5 m。渭河该段河道现状比降2.6‰,河道两侧堤防顶高程为530.9 m～535.7 m,河床平均底高程518.0 m（本次研究选择河段基础数据为未修建陆港大桥）。工况选择分别为10 年、30 年和坝前最高三种工况,其中10 年一遇洪水在坝前达到521.35 m,30 年一遇洪水在坝前达到522.66 m,达到坝顶时水位高程为524.00 m。

利用ArcScene做出河道3D模型图,据以分析现有数据呈现的河道三维图与现状河道的差异,提炼数据利用精准度,同时为凸显数据模拟结果,将其纵向垂直夸大比例选择为20倍。通过图1可以明显看出河道两岸堤防与河道内绘制结果为齿状线,与现状河道两岸堤防与河道内平顺线拟合度不高,原因一方面是现有数据密度较低,在插值时呈现为孤点,两点之间连贯性较差,线条光滑度不足；另一方面河道内绘制垂直比例较大,垂直方向凹凸较常规河道扩大20 倍,从河道内图形分析基本符合河道现状。因此河道内数据利用精准度较高,拟合结果较好,基本可以反映河道内真实情况。

图1 研究区河道3D模型图（z放大20倍图）

2.2 数据处理

（1）TIN数据的创建

打开ArcMap软件在添加数据中导入excel文件后,将导出的excel文件转为shp文件,之后在3D Analyst模块下创建新的TIN文件,将其shp文件中数据转为TIN数据,并按指定路径输出TIN。

（2）TIN转格栅数据

在3 D Analyst模块下将输出的TIN数据进行转换,并按指定路径输出。

（3）面积因子提取

在Spatial Analyst模块下打开格栅计算器,并在格栅计算器下分别对不同工况下淹没范围格栅进行模拟计算[2-3]。

2.3 淹没计算

通过上述方式对已经拟合分析后的数据进行淹没范围的格栅计算,分别绘制出该段河道10 年、30 年和达到坝顶高程时的淹没范围图（依次分别为图2 的a、b和c）。蓝色代表水面,绿色代表河道内为淹没区域。

图2 淹没范围图

2.4 对比分析

通过对三种工况下淹没范围图的绘制,首先直观上观察到10 年、30 年和坝顶高程时三者淹没范围符合水位规律。其次可以观察到淹没水面在三种工况下均出现散点情况,水系连通性较差,原因主要有两点：一是数据提取精准度有偏差,原始数据提炼中使用的coodsheet软件对地形图中高程数据区若干点存在误差；二是数据密度疏散,两个数据间隔超过40 m,超过设定插值关联范围,导致软件在插值识别过程中以其为孤立点进行插值,但其主要原因还是因为数据关联超过插值设定范围导致。

2.5 成果对比分析

分别对传统设计工作常用方法和ArcGIS软件对淹没范围计算成果进行对比,对比结果见表1。

表1 成果对比表

从表1 中可以看出,采用软件计算出的结果较传统设计方法计算出的结果基本一致,在30 年和坝顶高程两种工况下ArcGIS软件计算出的格栅范围与回水长度不成正比增长关系,统一表现为回水长度较传统方法偏小而淹没面积较传统方法偏大,经过地形图对比分析其问题在这两种工况下ArcGIS软件模拟计算时由于数据密度不高导致的孤立散点较多,传统设计绘制淹没范围时,一旦遇高程点满足将不再继续延续淹没范围,因此软件计算的偏大部分多数来源于孤立点面积,而10 年一遇工况下孤立点较少,因此差值也较其他工况偏小。

3 结论

随着日常水利设计领域对淹没计算要求的提升,传统方式已无法满足设计紧迫时间和高精准性的要求,传统对淹没范围计算工作由于河道水流的时空复杂性及基本资料的有限性,导致设计结果较为粗糙,对之后工程设计的准确性和河道安全行洪影响甚大,因此该部分设计在整个工程中既起到基石作用,又起到河道安全预警作用[4]。

通过上述ArcGIS软件对三种工况淹没范围的绘制和计算,得到如下结论：

（1）本次研究范围河道基础数据间距较大,关联性较弱,在局部点位呈孤立点插值,曲线光滑度不高,尤其两岸堤防点位间距较大,模拟结果呈锯齿状,但该状况并不影响本次淹没分析,若增大数据密度即可解决该问题。

（2）通过上述计算数据结果看,ArcGIS软件计算结果精准度高,较传统计算结果偏大,从安全角度分析该计算安全度更高。

（3）在利用传统方式绘制和计算时,插值过程中精准度不高,但能人为地规避因缺乏数据导致的孤立点的存在,人工将线条绘制光滑,因此在基础数据稀疏且精度极不高时避免采用ArcGIS软件进行绘制和计算淹没范围。

综上所述,ArcGIS软件在水利设计工作中能够为设计工作者提供更便捷的计算方式,为日后规划设计提供更精准的计算结论,同时能够避免更多偶然误差出现。鉴于安全角度该软件在基础数据缺乏时计算与绘制淹没范围偏大,虽绘制图面圆弧度不足,但足以满足设计规划需求,因此在日常设计领域中值得推荐。