棄渣場集雨面積量算方法的分析探討

蘇 英，唐 銘

（廣西水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

棄渣場防護(hù)措施，既是水土保持設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容，又是水土保持監(jiān)測、監(jiān)管、驗(yàn)收的重要對象，規(guī)范和合理的棄渣場設(shè)計(jì)在建設(shè)項(xiàng)目水土保持工作中至關(guān)重要。在棄渣場設(shè)計(jì)中，截水溝設(shè)計(jì)為重要一環(huán)，而集雨面積的量算是截水溝設(shè)計(jì)的首要任務(wù)及重點(diǎn)，集雨面積量算不準(zhǔn)確，可能導(dǎo)致截水溝設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，如采取較小尺寸的截水溝，遇連續(xù)大降雨時(shí)無法及時(shí)排水而導(dǎo)致渣場水土流失甚至渣體失穩(wěn)，危害下游安全，因此，開展棄渣場設(shè)計(jì)需要重視集雨面積的量算。

結(jié)合廣西區(qū)內(nèi)水土保持工作情況，棄渣場設(shè)計(jì)周期與集雨面積量算時(shí)長具有較高的相關(guān)性，特別是遇到重大項(xiàng)目，有多個(gè)棄渣場甚至幾十個(gè)棄渣場的，設(shè)計(jì)人員量算棄渣場集雨面積耗時(shí)較長，棄渣場設(shè)計(jì)周期也較長。量算棄渣場集雨面積通常采用CAD 在小比例地形圖上量算和采用ArcGIS 水文分析工具量算[1]兩種方法，兩種方法均能實(shí)現(xiàn)集雨面積量算，但受基礎(chǔ)資料、人為判斷、軟件運(yùn)行等因素影響，量算的精度會有差異。本文擬從數(shù)據(jù)收集、操作便捷性和直觀效果進(jìn)行分析比較，推薦更便捷高效、精度可靠的方法來提高棄渣場集雨面積量算精度和效率。

1 量算方法分析對比

1.1 集雨面積量算方法

目前量算集雨面積方法主要有兩種：①利用CAD 在地形圖上框算集雨面積，首先收集1∶10 000或1∶50 000比例地形底圖插入CAD，然后結(jié)合現(xiàn)場地形、地貌，根據(jù)山脊走向勾勒山脊線，形成封閉的區(qū)域，最后利用CAD 查詢功能獲得集雨面積，簡稱“CAD法”；②利用ArcGIS分析工具量算集雨面積，首先在ArcGIS中加載DEM高程數(shù)據(jù)，利用水文分析工具中“填洼”“流向”“流量”功能對高程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后利用“柵格計(jì)算器”“柵格河網(wǎng)矢量化”提取河網(wǎng)柵格矢量數(shù)據(jù)，平滑處理后進(jìn)行“盆域分析”，并將流域柵格轉(zhuǎn)化為矢量圖層，最后根據(jù)棄渣場所在位置選擇小流域進(jìn)行面積統(tǒng)計(jì)，簡稱“ArcGIS法”。

CAD 法與ArcGIS 法量算棄渣場集雨面積流程見圖1。

圖1 CAD法與ArcGIS法量算棄渣場集雨面積流程圖

1.2 不同集雨面積量算方法對比分析

1.2.1 操作便捷性

CAD 法量算集雨面積共需要4 個(gè)步驟，操作步驟簡單，容易上手，但當(dāng)棄渣場加載多幅jpg或tif等格式地形圖時(shí)，拼接相鄰圖幅需人為反復(fù)校準(zhǔn)，拼接速度慢、精度低。而ArcGIS 法逐一操作需要10個(gè)步驟，較為繁瑣，但通過模型構(gòu)建器[2]創(chuàng)建“河流模型”“分水嶺模型”兩個(gè)模型后，即可將10 個(gè)步驟減少為5個(gè)步驟，操作耗時(shí)大幅減少，且加載多幅底圖可自行配準(zhǔn)，省去了人為校準(zhǔn)的時(shí)間。從步驟操作便捷上看，CAD 法與ArcGIS 法步驟相差不大，但ArcGIS法能夠自行配準(zhǔn)，加載多幅底圖的操作耗時(shí)大幅減少。

1.2.2 資料獲得

CAD 法與ArcGIS 法都需要獲得小比例底圖，CAD法采用傳統(tǒng)小比例地形底圖，如1∶50 000地形圖、1∶10 000 地形圖，通常根據(jù)工作需要向地方測繪地理信息部門申請，往往受經(jīng)費(fèi)、時(shí)間等因素限制。與CAD法不同的是，ArcGIS法可采用5 m、12.5 m、30 m 等分辨率的DEM 高程數(shù)據(jù)，其中5 m、12.5 m分辨率數(shù)據(jù)可根據(jù)工作需要向地方測繪地理信息部門申請，30 m分辨率以上可在地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站自行下載，獲得途徑相對廣，且使用地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載便捷快速，不受采購時(shí)間限制。

1.2.3 數(shù)據(jù)精度

（1）加載底圖過程。CAD 法容易出現(xiàn)拼接錯(cuò)位，且與工作底圖比例尺、等高線精度有關(guān)，受收集資料限制，當(dāng)將不同比例尺或不同等高線地形圖進(jìn)行相鄰區(qū)域拼接時(shí)，等高線不能完全銜接，可能縮小或擴(kuò)大集雨面積范圍，導(dǎo)致精度受影響。而Arc?GIS 法直接加載后一般能自行配準(zhǔn)，相鄰圖幅重合精度高。

（2）繪制流域過程。CAD法精度與主觀因素高度相關(guān)，如判斷地形圖上山脊方向不熟練，在地形圖上沿山脊走向勾勒山脊線沒有處處與等高線垂直等，可能縮小或擴(kuò)大集雨面積范圍，精度偏低。而ArcGIS法經(jīng)模型構(gòu)建器簡化步驟后，避免了各步驟分析過程因設(shè)計(jì)人員操作不當(dāng)造成棄渣場周邊不能形成小流域的現(xiàn)象，在一定程度上，ArcGIS 法設(shè)計(jì)精度相比CAD法更優(yōu)。

（3）讀取信息過程。CAD法讀取信息過程面積精度一般不受影響，而ArcGIS法則因?yàn)樾纬尚×饔蜉^多，選取面積匯總的過程中容易缺漏導(dǎo)致精度受影響。

1.2.4 平均耗時(shí)

以不同方法量算環(huán)北部灣廣西水資源配置工程棄渣場集雨面積為例，量算10個(gè)棄渣場集雨面積時(shí)，CAD 法總耗時(shí)為170.0 min（平均用時(shí)為17.0 min），ArcGIS 法按10 個(gè)步驟逐一操作時(shí)，總耗時(shí)為135.0 min（平均用時(shí)為13.5 min），ArcGIS 法經(jīng)簡化操作步驟后，總耗時(shí)為58.0 min（平均用時(shí)為6.0 min）。從總耗時(shí)和平均耗時(shí)上看，量算多個(gè)棄渣場集雨面積時(shí)ArcGIS法耗時(shí)比CAD法要少。

1.2.5 對比成果

采用不同方法量算棄渣場集雨面積的工作流程類似且比較成熟，流程步驟都已基本成型，但CAD法量算耗時(shí)長，設(shè)計(jì)周期和設(shè)計(jì)精度受底圖資料、人為因素、軟件運(yùn)行情況影響大，而ArcGIS法各步驟均為工具分析，自動(dòng)化程度高，受人為因素影響小，分析結(jié)果精準(zhǔn)、客觀，經(jīng)簡化步驟后，ArcGIS法耗時(shí)更短。

2 效益分析

（1）技術(shù)效益。通過對比CAD 法和ArcGIS 法量算集雨面積，ArcGIS 法量算集雨面積更能直觀、真實(shí)反映棄渣場周邊匯水情況，且量取多個(gè)棄渣場集雨面積時(shí)，ArcGIS 法總時(shí)長相對CAD 法大幅減少，集雨面積量算的精度也比CAD 法要高。因此，簡化的ArcGIS 法量算集雨面積能為設(shè)計(jì)人員快速準(zhǔn)確獲得多個(gè)棄渣場集雨面積數(shù)據(jù)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，有效提高棄渣場設(shè)計(jì)的工作效率。

（2）經(jīng)濟(jì)效益。簡化的ArcGIS 法量算集雨面積產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益往往是間接的，假定某項(xiàng)目需要布置30 個(gè)棄渣場，需要萬分之一底圖40 幅，采用CAD 法購入地形圖成本2 萬元，采用簡化的ArcGIS法購入5 m 分辨率DEM 高程數(shù)據(jù)成本僅需0.4 萬元，節(jié)約了資料成本1.6萬元，同時(shí)，在僅投入1名設(shè)計(jì)人員的情況下，采用簡化的ArcGIS 法可節(jié)約5.5個(gè)工時(shí)，按人均工時(shí)114元/工時(shí)（由工程師800元/d換算得到）計(jì)算，采用簡化的ArcGIS 法可節(jié)約人力成本約627元，最終該項(xiàng)目能節(jié)約16 627元。另外，利用簡化的ArcGIS法，每臺電腦不需要生成動(dòng)輒幾十上百兆的文件數(shù)據(jù)，大大減輕了電腦存儲空間的壓力，減少了電腦更新配置的頻次，有利于節(jié)約固定資產(chǎn)維護(hù)成本。在人力資源有限的情況下，簡化的ArcGIS法能夠在節(jié)約成本的同時(shí)提升工作效率，使得設(shè)計(jì)人員可以以更短的時(shí)間提供更高質(zhì)量的成果，有效地提升公司產(chǎn)品和服務(wù)形象，帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益。

（3）社會效益。如前文所述，量算集雨面積除應(yīng)用在生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的棄渣場外，在獲取生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目土料場集雨面積以及在小流域綜合治理類項(xiàng)目獲取小流域面積的應(yīng)用頻率也非常高，簡化的ArcGIS 法可為水土保持設(shè)計(jì)工作者提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的質(zhì)量和效率。

3 討論

簡化的ArcGIS法操作簡便，但該方法是基于利用模型構(gòu)建器簡化步驟的方法，在操作之初可能存在繪制流域過程中分析失敗的情況，需要反復(fù)插入工具、創(chuàng)建變量、鏈接工具、運(yùn)行驗(yàn)證，對于不熟悉ArcGIS分析工具的人員，難以在短時(shí)間內(nèi)構(gòu)建出相應(yīng)模型，建議在使用方法前多查閱相關(guān)資料或請教地理信息專業(yè)人員。另外，筆者在前文中提到Arc?GIS 法可采用5 m、12.5 m、30 m 等分辨率的DEM 高程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，但因時(shí)間和精力問題，未能進(jìn)一步分析利用不同分辨率DEM 高程數(shù)據(jù)獲取集雨面積的精度差異，此項(xiàng)問題有待進(jìn)一步研究和探討。