数字高程模型在长江江阴段丁坝水下地形分析中的应用

王淑兰， 葛于席

(1.江阴市江港堤闸管理处， 江苏 无锡 214431； 2.江苏全方测绘地理信息有限公司， 江苏 无锡 214431)

数字高程模型，简称DEM，是通过有限的地形高程数据实现对地面地形的数字化模拟，它是用有序数值阵列形式表示地面高程的实体地面模型，是数字地形模型的分支。DEM可以描述包括高程在内的各种地貌因子，如坡度、坡向、坡度变化等因子在内的线性和非线性组合的空间分布，其中DEM是零阶单纯的单项数字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度变化率等地貌特性可在DEM的基础上派生[1-2]。

本文主要分析DEM在水下地形中的应用，以长江下游江阴丁坝为阐述对象，通过对长江河道水下地形测绘成果的对比分析，掌握水下地形的变化规律与趋势，做出相应的应对措施，为江堤及节点控制工程丁坝的维护和安全提供数据参考，同时以点带面地诠释DEM在描述水下地形演变中的重要作用。

1 丁坝地理区位

长江江阴段西起与常州交界的老桃花港，东至与张家港交界的陆家庄，全长35 km。由于江阴长江南岸临江山体基岩露头，无山体段地表以下土质坚硬，在20世纪80年代后，人工护岸工程的加强，河道主流趋于稳定，长期保持少变的趋势。尤其是江阴桃花港段长江水道主流偏南，深泓紧靠南岸一侧，岸线微向江内凸起，水面在此收窄、水流变急，河床易遭洪水的冲刷，此处建有人工节点丁坝控制调整水流，和下游鹅鼻嘴节点一起有效控制了长江主弘的摆动和走向，使江阴段长江河势基本稳定。

2018年丁坝处桃花港1.5 km长江河道被定为Ⅲ级崩岸险情监测预警段，每年须组织开展江阴桃花港1.5 km长江河道Ⅲ级崩岸险情预警监测工作。长期水流的冲涮和往来船只的影响，因水下地理条件的不同，造成的河沙沉积及对河道堤防的冲刷状况也不尽相同。

通过2013年、2016年2个年度的数据的DEM模型计算与分析，阐明水下地形监测的必要性与丁坝对水下地形的影响。

2 数据与分析

2.1 数据格式说明

水下数据采用DGPS+测深仪+潮汐改正，组合成数据采集工具，平面坐标系为1954北京坐标系，高程基准为1985黄海高程，为了数据分析的准确性，所测得数据不进行任何内插值。原始数据记录格式通过ArcGIS软件中的Tin模块，实现水下地形的数字化模拟。

数据提取2013年10月和2016年12月水下地形测量成果进行对比分析，数据横断面点间距为20 m，断面间距为40 m。建立DEM分析该段水域的河床泥沙冲刷与淤积、坡度、河床粗糙度等方面的变化情况，建立丁坝区域水下倾斜栅格图，可见河底“深槽”。

2.2 泥沙冲刷与淤积变化

可以通过2期DEM数据的栅格运算来分析泥沙的冲刷与淤积，判断河床未来演变方向以及上下游防洪安全，分析河床的演变态势。

由于丁坝的存在改变了原有的水动力外部条件，至2016年12月沟脊长度超200 m，沟底最宽处约200 m。通过2次DEM栅格计算，在丁坝坝头长江侧河底地形变化较小，2个年度高程值相近，趋于稳定，沟脊处变化较大，冲刷位置向上游移动。“深槽”处纵断面显示纵向冲刷线平均向上游移动约8.3 m，纵轴同一数值明显向左移动(上游)；横断面数据显示“深槽”向江岸侧移动大约2.0 m以上，沟逐渐变窄、变深。

2.3 坡度变化分析

坡度是用来描述河床地形变化起伏的一系列数值，与河沙的淤积、流失相关联。坡度数值越大，数值之间变化越大，说明河床越陡峭，水流动力等各方面因数复杂；反之则河床平缓稳定，水流也相对平缓，对河床、堤岸等影响较小。

通过2年数据对比如表1，该区域0°～12°为主要地势，合计占比80% 以上，地形连续变化较大，对比数值主要变化在2°～ 5°和5°～ 12°，变化主要发生在“椭圆形”区域内(深槽附近)。“深槽”江岸方向，即丁坝区影响域内，坡度为0°～ 2°，该地形对长江堤岸、河床等周边环境影响较小；2°～ 12°变化量最大，正是河床土壤分离和淤积的主要区域；丁坝尽头长江方向坡度在22°～ 27°区域内，变化数值不大，但需注意后期的观测数据。

表1 坡度占比范围 单位：%

2.4 河床粗糙度变化

地面粗糙度是指在某个区域内， 栅格表面积与其投影面积之比，是反映地表形态的一个宏观指标，是水下地形表达的参数之一，也是河床稳定性参考因子之一，粗糙度越大意味地貌表面越粗糙[3]。

粗糙度通过地形的栅格坡度值可以计算出，公式如下:

M=1/cos(β3.14159/180)

(1)

式中，M为粗糙度，β为栅格坡度值,在 ArcGIS中，通过提取坡度得到的值是角度，而计算默认的角度值是弧度值，所以在计算时必须把角度转为弧度[4]。

使用ArcGIS中栅格计算器，输入1/cos(“坡度栅格”×3.14159/180)，得到2013年和2016年测量区域栅格粗糙度数据，最大值分别为1.16597、1.17419，最小值均为1。由数值分析结合坡度图可知，水下地形粗糙度在缓慢增加，栅格的粗糙度可能会随水下地形采样点的密度不同而不同，可以看出栅格表面的粗糙程度缓慢变化，和DEM栅格运算得出冲刷和流失区域相符。

2.5 DEM在长江水下地形中的分析结果

冲淤变化：用丁坝2期的水下地形数据作对比分析，对河床泥沙的流失与淤积的统计、计算、分析，可以看出沿丁坝方向侧水下地形有缓慢的变化，水下冲刷槽缓慢向上游移动。

坡度分析：可以看出水下地形坡度变化主要在2°～5°、5°～ 12°这两个较平坦的区域，其余坡度范围变化程度不大。平坦区域占比较大，说明该区域在丁坝的作用下水下泥沙交换较为平衡，变化相对较为平稳。

粗糙度分析：通过粗糙度分析该段河床的粗糙度，该区域主要为平滑区域，不平滑区域主要在“深槽”和丁坝区域。变化数值较大的主要在丁坝附近，主要是泥沙的淤积，对岸线和江堤的影响较小，但需注意丁坝附近的冲刷槽变化情况。

3 结 语

观测数据处理采用DEM技术，可以及时、直观发现水下地形的变化，进而可以采取科学手段早干预、早预防，确保江堤、水上及水下安全，这对长江防洪、水上运输，航行路线，都有着重大的实际意义。针对该技术在应用分析过程中还存在影响精度的一些因素，比如采集的数据点间距，长江的水况、环境等，在以后的实施过程中可以通过减小断面间距和采集间隔，换用多波束测深系统等来提高数据的质量，以达到准确分析的预期，为保障江堤、岸线的安全提供直观可靠的数据支持。