GIS分析模型在江河湖庫(kù)無堤防河段管理范圍線自動(dòng)劃定中的應(yīng)用研究

李燕芳，黃永俊

（1.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院 廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530023；2.廣西珠委南寧勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，南寧 530007）

0 引言

江河湖庫(kù)是水資源、水生態(tài)、水環(huán)境的重要載體，加強(qiáng)江河湖庫(kù)管理，對(duì)于保障防洪、供水、水環(huán)境及生態(tài)安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。河道管理范圍線劃定是河道執(zhí)法和管理的前提條件，是河道行洪和堤防安全的保障，是規(guī)劃河道開發(fā)紅線、實(shí)現(xiàn)人與自然和諧相處的重要保障[1]。無堤防河段管理范圍線主要根據(jù)歷史最高洪水或設(shè)計(jì)洪水水面線與岸坡交線劃定，目前該工作主要通過勘測(cè)設(shè)計(jì)人員基于地形圖及水面線成果進(jìn)行人工勾繪，人工勾繪誤差多且效率低下、經(jīng)濟(jì)成本高，是一項(xiàng)亟待解決的工程技術(shù)難題。針對(duì)無堤防河段江河湖庫(kù)管理范圍劃定工作，殷丹[2]提出將高程散點(diǎn)數(shù)據(jù)及等高線導(dǎo)入ARCMAP，顯示高程值注記，方便直觀的比較出河道斷面設(shè)計(jì)水位與兩岸地形的交線，進(jìn)而人工勾繪無堤段河段管理范圍線。趙巨偉[3]提出了一種結(jié)合1/10 000 地形圖等高線確定設(shè)計(jì)洪水位與河道自然岸坎的交點(diǎn)，再依次連接形成無堤段河道管理范圍線的方法。秦雁等[4]在總結(jié)基于GIS 洪水淹沒范圍分析方法的基礎(chǔ)上，提出了一種在給定洪水位下，采用Arcpy 二次開發(fā)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)模擬洪水位曲面，結(jié)合DEM 劃定河道管理范圍的方法。趙丁名等[5]以黃河上游地區(qū)青海省果洛藏族自治州瑪沁縣切木曲無堤防天然河道為例，以現(xiàn)有的DEM 地形為基礎(chǔ)，借助ARCGIS 軟件，通過水文計(jì)算確定并劃定管理范圍。秦美茵等[6]以德慶縣悅城河為例，利用ARCGIS 剖析無堤防河段管理范圍劃定的實(shí)施流程和技術(shù)方法，提出無堤河段設(shè)計(jì)水位與岸坡交線自動(dòng)化快速生成技術(shù)方案，通過對(duì)比現(xiàn)有劃定方法，研發(fā)集成了一種基于GIS分析模型的無堤防河段江河湖庫(kù)管理范圍線自動(dòng)劃定方法。該方法基于DEM 柵格地形及河道歷史最高水位或設(shè)計(jì)洪水水面線成果矢量圖層，通過運(yùn)用包含“地形轉(zhuǎn)柵格-柵格計(jì)算器-柵格轉(zhuǎn)面-平滑面-面轉(zhuǎn)線”等步驟的GIS 分析模型，自動(dòng)生成江河湖庫(kù)無堤防河段管理范圍線，避免了人工誤差并有效提高了工作效率，為江河湖庫(kù)無堤防河段管理范圍線劃定提供了一種簡(jiǎn)易自動(dòng)生成的方法，拓展了GIS 在河長(zhǎng)制管理范圍劃定工作中的應(yīng)用。

1 劃定方法現(xiàn)狀分析

目前，基于GIS 劃定管理范圍的方法主要有3種，一種是通過GIS 軟件，根據(jù)等高線及水面線成果，采取人工勾繪的方式劃定管理范圍，這是目前絕大部分勘測(cè)設(shè)計(jì)單位及人員采用的方式；第二種是采用GIS 自帶工具箱，逐步操作生成淹沒范圍提取管理范圍線，使用者較少；第三種是通過GIS的開放端口，利用第三者軟件或插件在GIS 中建立水面線分析模型，計(jì)算水面線并生成管理范圍，該方法使用者最少。

（1）人工勾繪劃定。根據(jù)地形高程線及管理范圍線所采用的水面線成果，通過人工目測(cè)、人機(jī)交互的方式利用水面線與地形的交線勾繪洪水淹沒輪廓線（即管理范圍線）。主要步驟如下：①準(zhǔn)備影像地圖、等高線、設(shè)計(jì)洪水水面線等圖層；②利用ARCGIS 編輯工具，沿著行洪控制線從河源開始繪制河流邊界線；③針對(duì)淹沒范圍過大、不便于管理的河段，因地適宜地調(diào)整管理范圍[7]。該方法技術(shù)難度低，操作簡(jiǎn)單但人工誤差大且耗時(shí)耗力，成本較高，無法滿足現(xiàn)代水利數(shù)字化要求。

（2）采用GIS 自帶工具箱劃定。采用GIS 自帶工具箱劃定主要根據(jù)DEM地形柵格及水位成果，通過“點(diǎn)轉(zhuǎn)TIN-TIN轉(zhuǎn)柵格-樣條內(nèi)插法內(nèi)插曲面-形成淹沒范圍-提取邊緣線形成管理范圍線”等步驟開展。具體步驟如下：基于DEM 地形柵格，將每個(gè)水位點(diǎn)看成空間部分特征點(diǎn)，在GIS 中利用張力樣條插值法，將離散的空間特征點(diǎn)內(nèi)插為連續(xù)洪水曲面，得到相應(yīng)典型洪水的洪水淹沒范圍；最后提取邊緣線形成管理范圍線。該方法優(yōu)勢(shì)采用GIS自帶工具箱處理數(shù)據(jù)，步驟清晰，減少了人工手動(dòng)繪制時(shí)間成本，降低了人為繪制產(chǎn)生的誤差；缺點(diǎn)是步驟較多，操作繁雜，中間成果較多。

（3）采用第三者軟件或插件劃定。利用HECGeoRAS、MIKE 等第三者軟件或插件在GIS 中建立河網(wǎng)、河道、汊口、河段等帶有河流基礎(chǔ)信息的水動(dòng)力模型，例如利用HEC 軟件建立水動(dòng)力模型，采用RASMapper 地圖編輯工具和柵格計(jì)算器功能，在計(jì)算河道水面線的同時(shí)，形成淹沒水深DEM高程模型數(shù)據(jù)和管理范圍線的Shapefile 文件，進(jìn)而形成淹沒范圍，最后提取邊緣線形成管理范圍線。該方法優(yōu)勢(shì)采用一維水動(dòng)力模型計(jì)算所需頻率的設(shè)計(jì)洪水水面線，同時(shí)形成洪水淹沒范圍數(shù)據(jù)高程模型，獲得管理范圍線，從水面線計(jì)算到洪水淹沒范圍及管理范圍線生成形成一整套完整的體系；缺點(diǎn)是專業(yè)性要求較高，需掌握一維水動(dòng)力模型建模過程，推廣性及實(shí)用性不強(qiáng)。

2 劃定方法研究

2.1 劃定原理及運(yùn)用

江河湖庫(kù)無堤防河段管理范圍線劃定方法計(jì)算原理公式：水深=水位-地形。公式運(yùn)用：根據(jù)無堤防河段管理范圍線劃定標(biāo)準(zhǔn)所采用的歷史洪水或設(shè)計(jì)洪水位水面線成果，通過GIS 工具箱中的地形轉(zhuǎn)柵格操作將一維橫斷面水面線矢量線圖層轉(zhuǎn)化為二維水位柵格，利用柵格計(jì)算器，根據(jù)上述公式將二維水位柵格與二維地形柵格相減得到水深柵格，水深柵格小于0表明水面線比地形低，該區(qū)域不會(huì)被淹沒，水深柵格大于0表明水面線比地形高，該區(qū)域?yàn)榭赡艿臍v史洪水或設(shè)計(jì)洪水淹沒區(qū)（部分有岸坡間隔的地勢(shì)低洼區(qū)水深柵格大于0，但其非洪水淹沒區(qū)，應(yīng)予以剔除）。通過進(jìn)一步處理洪水淹沒區(qū)獲取邊緣線，即獲取了水面線與岸坡交線，該交線即為江河湖庫(kù)管理范圍線。

2.2 實(shí)施過程

利用GIS 將河段管理范圍線所采用的水面線成果與DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加分析，獲取水面線與岸坡交線，提取交線得到管理范圍線。實(shí)施過程主要包括數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及輸入、河道水面線矢量化、水位柵格生成、水深柵格生成、淹沒范圍提取、管理范圍線生成等步驟，具體過程如下：

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備及輸入。需準(zhǔn)備DEM 地形數(shù)據(jù)及管理范圍線劃定標(biāo)準(zhǔn)所采用的水面線成果，DEM地形數(shù)據(jù)可來自實(shí)測(cè)地形、1∶5 萬、1∶1 萬地形圖或國(guó)土三調(diào)地形圖以及公開的矢量地形圖，歷史洪水或設(shè)計(jì)洪水水面線成果主要通過水文分析得到。

（2）河道水面線矢量化。歷史洪水或設(shè)計(jì)洪水水面線由控制斷面控制。河道水面線矢量化工作首先繪制河道橫斷面矢量線Shapefile 圖層或GDB數(shù)據(jù)庫(kù)，橫斷面繪制時(shí)應(yīng)覆蓋可能淹沒的區(qū)域，同時(shí)注意坐標(biāo)系統(tǒng)盡量采取與地形DEM 的坐標(biāo)系統(tǒng)一致，并在圖層屬性表賦值水位，形成河道橫斷面一維水面線矢量線圖層。特別提出，河道橫斷面一維水面線矢量線圖層生成過程中，應(yīng)盡量加密斷面，特別是山區(qū)河段，地形落差較大，在斷面文件生成過程中，需根據(jù)河底高程實(shí)際變化情況加密橫斷面，否則將會(huì)出現(xiàn)部分河道區(qū)域因斷面較少插值形成的水位柵格高程比DEM高程低，從而導(dǎo)致無法生成連續(xù)的水深柵格，形成的管理范圍線出現(xiàn)間斷。

（3）水位柵格生成。該步驟旨在利用常用輸入數(shù)據(jù)類型和高程表面的已知特征，采用迭代有限差分插值技術(shù)進(jìn)行插值，從而使經(jīng)過擬合后的DEM能夠還原真實(shí)的水面線演變趨勢(shì)，生成水位柵格圖層。通過利用地形轉(zhuǎn)柵格工具或其他工具，將河道橫斷面一維水面線矢量線圖層轉(zhuǎn)化成二維水位柵格圖層。為方便與DEM 地形柵格做差值計(jì)算形成水深柵格，水位柵格進(jìn)行重采樣設(shè)置像元的大小與DEM地形柵格像元大小應(yīng)盡量一致。

（4）水深柵格生成。水位柵格圖層與地形DEM 柵格圖層疊加判斷，采用柵格計(jì)算器，通過簡(jiǎn)單的、類似計(jì)算器的工具界面，將水位柵格圖層與地形DEM柵格圖層相減，獲得初步的淹沒范圍水深柵格。水深大于0 的代表水面線可能淹沒的區(qū)域，小于0 則代表地形比水位高，該區(qū)域在現(xiàn)實(shí)中不會(huì)被洪水淹沒。特別說明，本階段的初步淹沒范圍水深柵格是根據(jù)水位柵格與地形柵格相減而來，部分非河道行洪區(qū)間內(nèi)的低洼區(qū)域，例如河道附近地勢(shì)低洼的魚塘的水深柵格同樣大于0，但因岸坡間隔河道內(nèi)洪水無法演進(jìn)淹沒該區(qū)域，后續(xù)在生成河道管理范圍時(shí)此類區(qū)域應(yīng)予以篩選刪除。

（5）淹沒范圍提取。水深柵格無法直接提取淹沒范圍邊緣線，為進(jìn)一步分析篩選提取邊緣線作為河段管理范圍，需將初步的淹沒范圍水深柵格轉(zhuǎn)為初步淹沒范圍水深面圖層并進(jìn)行邊緣平滑。平滑容差一般選2 倍的網(wǎng)格邊長(zhǎng)，平滑后得到邊緣平順的初步淹沒范圍面圖層。對(duì)面圖層進(jìn)行淹沒范圍篩選，選中非河道淹沒范圍內(nèi)的圖斑進(jìn)行編輯刪除，便可獲得河道洪水演進(jìn)過程中實(shí)際淹沒的淹沒范圍。

（6）管理范圍線生成。利用淹沒范圍面圖層，通過面轉(zhuǎn)線操作提取邊緣線，該邊緣線為水面線與岸坡交線，手動(dòng)編輯刪除左右岸邊緣線以外的無關(guān)線段，便可獲得無堤防河段江河湖庫(kù)管理范圍線。

通過上述步驟，可逐步自動(dòng)生成江河湖庫(kù)無堤防河段管理范圍線，按國(guó)家、地區(qū)河長(zhǎng)制江河湖庫(kù)管理范圍審核匯總要求，人工編輯完善該管理范圍線屬性表。在此基礎(chǔ)上結(jié)合有堤防河段管理范圍線劃定成果，平順銜接形成整條河流的管理范圍線并進(jìn)一步提取界樁、公告牌等圖層。通過補(bǔ)充水利工程保護(hù)范圍線等其他審核匯總要求的圖層，便可形成完整的江河湖庫(kù)管理范圍劃定成果數(shù)據(jù)庫(kù)。

2.3 合理性分析

根據(jù)水面線降落變化規(guī)律，河道水位應(yīng)從上游往下游縱向逐漸降低。經(jīng)與地形等高線對(duì)比，自動(dòng)生成的淹沒范圍邊緣線（即管理范圍線）所在位置高程從上游往下游沿程逐漸降低，符合上下游水面線縱向降落變化規(guī)律。洪水向河道兩岸橫向演進(jìn)過程中，隨著兩岸地勢(shì)升高，淹沒范圍僅延伸至可淹沒的岸頂或山坡坡腳，除非有貫通的行洪通道，洪水不會(huì)越過地勢(shì)較高的岸坡或山坡演進(jìn)至其他地勢(shì)低洼地區(qū)。通過歷史最高洪水位或設(shè)計(jì)洪水位與DEM地形柵格做差值計(jì)算，篩選剔除了與河道連通的其他地勢(shì)低洼淹沒區(qū)域，僅保留河道洪水實(shí)際演進(jìn)淹沒的區(qū)域，橫向的淹沒范圍符合實(shí)際洪水演進(jìn)規(guī)律，淹沒范圍合理。因此，利用GIS分析模型進(jìn)行洪水淹沒范圍分析后提取的淹沒范圍邊緣線作為江河湖庫(kù)無堤防河段道管理范圍線，符合洪水演進(jìn)規(guī)律并滿足相應(yīng)劃定標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 模型研發(fā)集成

利用GIS工具箱各項(xiàng)操作自動(dòng)生成無堤防河段管理范圍，主要涉及“地形轉(zhuǎn)柵格-柵格計(jì)算器-柵格轉(zhuǎn)面-平滑面-面轉(zhuǎn)線”等步驟，逐項(xiàng)開展步驟較多，中間成果多，操作復(fù)雜。研發(fā)集成了GIS分析模型（見圖1），將上述步驟集成至一個(gè)模型內(nèi)。該GIS分析模型可根據(jù)DEM地形柵格及水面線成果，根據(jù)“水深=水位-地形”的原理，一鍵自動(dòng)生成江河湖庫(kù)無堤防河段管理范圍線。

圖1 GIS分析模型

2.5 效果檢驗(yàn)

抽取30 名主要開展江河湖庫(kù)管理范圍劃定工作的繪圖人員進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究利用GIS 分析模型劃定江河湖庫(kù)無堤防河段管理范圍線的實(shí)用性及效率提升情況。管理范圍線劃定范圍選擇某條山區(qū)性河流鎮(zhèn)區(qū)無堤防河段作為典型，典型河段長(zhǎng)10 km，管理范圍線劃定標(biāo)準(zhǔn)為10 年一遇設(shè)計(jì)洪水。試驗(yàn)開始前，同時(shí)給定區(qū)域DEM 地形資料及10年一遇水面線矢量線圖層，每名實(shí)驗(yàn)人員首先采用原始的人工勾繪方式劃定管理范圍，再利用GIS分析模型自動(dòng)生成，二者開展人工誤差數(shù)、耗時(shí)對(duì)比分析GIS分析模型的實(shí)用性及效率提升情況。試驗(yàn)結(jié)果見表1和圖2。

表1 試驗(yàn)情況統(tǒng)計(jì)表

圖2 人工勾繪及自動(dòng)生成管理范圍成果對(duì)比圖

試驗(yàn)表明：人工勾繪淹沒范圍容易出現(xiàn)誤差，主要誤差類型包括2 類，其一是等高線間距大的區(qū)域，人工目估勾繪與實(shí)際高程相差大；其二是等值線間距小的區(qū)域，人工勾繪的管理范圍線折點(diǎn)較少，管理范圍線穿插跨越等高線劃定。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，人工勾繪管理范圍線平均誤差數(shù)5.5處，人均耗時(shí)1.5 h。采用GIS分析模型自動(dòng)生成管理范圍線，管理范圍線劃定精度僅取決于DEM 地形精度及所采用的水面線控制斷面密度，DEM精度越高，水面線控制斷面越密集，自動(dòng)生成的管理范圍線越精細(xì)，有效避免了人為誤差問題，耗時(shí)取決于計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度，平均耗時(shí)僅約41.1 s。該GIS分析模型操作簡(jiǎn)單具有很強(qiáng)的實(shí)用性，極大提升了工作效率及精度。需要指出的是，模型生成可同時(shí)批量生成多條河流管理范圍線，對(duì)江河湖庫(kù)無堤防河段管理范圍劃定工作效率提升效果非常顯著。

3 結(jié)語

本文通過集成“地形轉(zhuǎn)柵格-柵格計(jì)算器-柵格轉(zhuǎn)面-平滑面-面轉(zhuǎn)線”等步驟，研發(fā)了河長(zhǎng)制江河湖庫(kù)無堤防河段管理范圍線自動(dòng)生成GIS 分析模型。GIS 分析模型通過DEM 地形及管理范圍線所采用的歷史最高洪水或設(shè)計(jì)洪水水面線矢量線圖層，提取了淹沒范圍邊緣線作為管理范圍線，實(shí)現(xiàn)了由人工勾繪管理范圍線到GIS分析模型一鍵自動(dòng)生成的轉(zhuǎn)變，結(jié)果合理，該方法操作簡(jiǎn)單且實(shí)用性強(qiáng)，避免了人工誤差且效率高，為江河湖庫(kù)無堤防河段管理范圍線劃定提供了一種新方法新思路新解決途徑。可以展望，基于GIS 分析模型可一鍵自動(dòng)生成洪水淹沒范圍，除河長(zhǎng)制管理范圍線劃定工作外，在水旱災(zāi)情、防洪評(píng)價(jià)、洪水風(fēng)險(xiǎn)圖、工程淹沒范圍、庫(kù)區(qū)回水淹沒范圍等需進(jìn)行洪水淹沒分析的各類項(xiàng)目中均可推廣使用。

基于GIS分析模型劃分的管理范圍線僅適用于江河湖庫(kù)無堤防河段管理范圍劃定，現(xiàn)實(shí)中各河流經(jīng)常出現(xiàn)有堤防及無堤防河段相互交替的情況，針對(duì)有堤防河段應(yīng)采用相應(yīng)堤防管理范圍劃定方法劃定其管理范圍，再通過人機(jī)交互的方式將有無堤防銜接處的管理范圍線平順銜接。另外，基于GIS分析模型自動(dòng)生成的管理范圍線較適用于山區(qū)型河段或洪水漫溢范圍較小的平原型河段，對(duì)于漫溢范圍較廣的平原河段，自動(dòng)生成的淹沒范圍普遍偏大，其邊緣線作為管理范圍線容易導(dǎo)致范圍偏大，不利于實(shí)際管理。無堤防河段管理范圍線應(yīng)統(tǒng)籌好與國(guó)土空間規(guī)劃、生態(tài)保護(hù)紅線、防洪規(guī)劃治導(dǎo)線、城市藍(lán)線、水利工程管理保護(hù)范圍和自然保護(hù)區(qū)、濕地公園保護(hù)范圍等各類保護(hù)地邊界的銜接；同時(shí)應(yīng)尊重歷史、考慮現(xiàn)實(shí)，因地制宜地結(jié)合江河湖庫(kù)管理要求進(jìn)行劃定。