基于ArcGIS的鐵路橋涵水文分析

宋玉新

（中鐵一院集團(tuán)新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆　烏魯木齊830011）

基于ArcGIS的鐵路橋涵水文分析

宋玉新

（中鐵一院集團(tuán)新疆鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，新疆烏魯木齊830011）

鐵路橋涵水文計(jì)算是橋涵勘測(cè)設(shè)計(jì)中的重要工作。基于數(shù)字高程模型（DEM）和地理信息系統(tǒng)（ArcGIS）技術(shù)，對(duì)鐵路沿線流域進(jìn)行了水文模擬分析。提取了流網(wǎng)、流域界線、流域面積、流域坡度等水文特征，將其與人工在地形圖上圈繪的流網(wǎng)和流域面積比較，發(fā)現(xiàn)結(jié)果一致。然后將ArcGIS得到的水文特征用大中流域洪峰流量計(jì)算模量公式計(jì)算流域洪峰流量。

鐵路橋涵水文；地理信息系統(tǒng)（GIS）；洪峰流量。

1　概述

20世紀(jì)50年代后期以來(lái)，DEM （DigitalElevationModel）在測(cè)繪、土木工程、地質(zhì)、礦山工程、景觀建筑、道路設(shè)計(jì)、防洪、農(nóng)業(yè)、規(guī)劃、軍事工程、飛行器與戰(zhàn)場(chǎng)仿真等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用［1］。DEM（Digitalelevationmodel，數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)中包含了豐富的地形、地貌、水文信息，能夠反映各種分辨率的地形特征，通過(guò)DEM可以提取大量的地表形態(tài)信息，如流域網(wǎng)格單元的坡向、坡度以及單元格之間的關(guān)系等［2］。用DEM進(jìn)行流域分析分的工具很多，ArcGIS的水文分析模塊（Hydrology model）是美國(guó)環(huán)境系統(tǒng)研究所（ESRI）為ArcGIS推出的水文分析模塊，主要用于地形和河流網(wǎng)系的提取和分析，實(shí)現(xiàn)地形模型可視化。運(yùn)用地理信息系統(tǒng)（ArcGIS）中Hydrologymodel來(lái)提取水系，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展了大量的工作研究地表水文特性［3－5］。

本文的重點(diǎn)在于基于DEM模型應(yīng)用ArcGIS的水文分析工具對(duì)流域進(jìn)行降雨流線分析和流域匯水面積的計(jì)算，這對(duì)于鐵路橋涵選線、水文分析具有非常重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

2　數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2．1研究區(qū)域概況

研究鐵路項(xiàng)目位于新疆維吾爾自治區(qū)博爾塔拉蒙古自治州（簡(jiǎn)稱：博州）和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第五師境內(nèi)。地處準(zhǔn)噶爾盆地內(nèi)，盆地內(nèi)分布有較多的平緩?fù)莸鼗蚝矗瑬|部有艾比湖，西部賽里木湖。如圖1所示。

圖1　研究流域位置圖

本線地形總體呈現(xiàn)北高南低、西高東低，除線路起始端約三分之一路段走形于山前戈壁區(qū)外，其余路段多數(shù)走形于耕地區(qū)。本線多數(shù)河溝屬于間歇性、季節(jié)性流水河溝，平時(shí)干枯無(wú)流水，只有流域內(nèi)降暴雨或溫度陡升引起的高山積雪融化才可形成洪峰，洪水出山口后迅速擴(kuò)散，形成漫流或串流，或消失于耕地，匯流最終注入艾比湖。

2．2數(shù)據(jù)源

DEM是從GLCF網(wǎng)站上下載的數(shù)據(jù)（http∶//www. gscloud.cn/），柵格大小為90m×90m。柵格數(shù)據(jù)形式采用ESRIGRID，橫縱坐標(biāo)的分辨率均為90m。

3　研究區(qū)水文特征分析

3．1洼地填補(bǔ)

DEM表面存在著一些凹陷的區(qū)域 （DEM本身是插值計(jì)算的，很難與現(xiàn)實(shí)情況完全符合），由于這些區(qū)域異常低值存在，使得該區(qū)域在進(jìn)行水流流向計(jì)算時(shí)得到不合理的水流方向。因而，在進(jìn)行流域地形分析以前，必須對(duì)原始的DEM進(jìn)行洼地的處理。通過(guò)對(duì)洼地的處理可以生成無(wú)洼地DEM，如圖2所示。在無(wú)洼地DEM中，自然流水可以暢通無(wú)阻地流至區(qū)域地形的邊緣。因此，借助無(wú)洼地DEM可以對(duì)原數(shù)字地區(qū)進(jìn)行自然流水模擬分析。洼地填充的基本過(guò)程是先利用水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算出DEM數(shù)據(jù)中的洼地區(qū)域，并計(jì)算出其洼地深度，然后，依據(jù)這些洼地深度設(shè)定填充閥值進(jìn)行洼地填充［1］。

圖2　流域DEM圖

3．2水流方向分析

流域內(nèi)各網(wǎng)格流向的確定是利用DEM提取流域地貌特性的關(guān)鍵內(nèi)容，它決定著地表徑流路徑及網(wǎng)格單元間流量的分配［6］。ArcGIS中的水流方向利用D8算法計(jì)算。針對(duì)每一個(gè)柵格，將其高程與周圍八個(gè)柵格進(jìn)行比較，得到水流方向。

3．3匯流能力分析

匯流累積量由水流方向數(shù)據(jù)計(jì)算而來(lái)。每一個(gè)柵格匯流累積量的值代表著其上游有多少個(gè)柵格的水流方向最終匯流經(jīng)過(guò)該柵格。一般而言，計(jì)算出來(lái)的匯流累積量的數(shù)值越大，代表越有可能是河谷。利用Hydrology下的FlowAccumulation函數(shù)，通過(guò)確定所有流入本單元格的累積上游單元格數(shù)目（NIP）來(lái)生成流域匯流能力柵格圖。

3．4水流網(wǎng)絡(luò)的提取

目前常用的河網(wǎng)提取方法是采用地表徑流漫流模型計(jì)算［7-9］。當(dāng)匯流累積量達(dá)到一定值的時(shí)候，就會(huì)產(chǎn)生地表水流，那么所有那些匯流累積量大于閾值的柵格就是潛在的水流路徑，由這些水流路徑構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，就是河網(wǎng)。這個(gè)閾值是需要人為設(shè)定的，與定義的匯水面積有關(guān)。這里，我們?cè)O(shè)置為500，也就是說(shuō)，如果在某個(gè)柵格的上游有500個(gè)柵格的水流會(huì)流經(jīng)這個(gè)柵格，則將這個(gè)柵格定義為河流。由于本文用的柵格是90m×90m，也就是說(shuō)，如果某個(gè)柵格點(diǎn)，其上游的匯水面積超過(guò)4.05km2，則認(rèn)為這里是河流。圖3就是閾值分別為500個(gè)網(wǎng)格單元時(shí)所提取到的流域水系河網(wǎng)。

圖3　流域水系河網(wǎng)

3．5流域盆地的確定

流域盆地是由分水嶺分割而成的匯水區(qū)域。它通過(guò)對(duì)水流方向數(shù)據(jù)的分析確定出所有相互連接并處于同一流域盆地的柵格。流域盆地的確定首先是要確定分析窗口邊緣的出水口的位置，也就是說(shuō)，在進(jìn)行流域盆地的劃分中，所有的流域盆地的出水口均處于分析窗口的邊緣。當(dāng)確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柵格的位置［10］。

3．6子流域的生成

經(jīng)過(guò)上一步得到的流域盆地是一個(gè)比較大的流域盆地，在很多的水文分析中，還需要基于更小的流域單元進(jìn)行分析，那么就需要進(jìn)行流域的分割。而流域的分割首先是要確定小級(jí)別流域的出水口位置［10］。

1）Streamlink的生成。Stream？link記錄著河網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)之間的連接信息。Stream？link的每條弧段要么連接著兩個(gè)作為出水點(diǎn)或匯合點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)，要么連接著作為出水點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)和河網(wǎng)起始點(diǎn)。通過(guò)Streamlink的計(jì)算，即得到每一個(gè)河網(wǎng)弧段的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)。同樣，也可以得到該匯水區(qū)域（流域）的出水口。

2）集水流域的生成。通過(guò)Streamlink作為流域的出水口數(shù)據(jù)所得到的集水區(qū)域是每一條河網(wǎng)弧段集水區(qū)域，也就是要研究的最小溝谷的集水區(qū)域，它將一個(gè)大的流域盆地按照河網(wǎng)弧段分為一個(gè)個(gè)小的集水盆地。將流域柵格轉(zhuǎn)換成為矢量圖層，并進(jìn)行符號(hào)設(shè)置，得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4　流域集水盆地

3．7坡度分析

利用ArcGIS軟件的3DAnalyst（三維分析）功能模塊，通過(guò)矢量等高線數(shù)據(jù)生成TIN三角格網(wǎng)，最后轉(zhuǎn)換成Slop（坡度）規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)該數(shù)據(jù)層進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)匯總。利用ArcGIS分析功能分析流域坡度組成情況，分析結(jié)果精度高。不但可以滿足用戶在任意精度、任意尺度下對(duì)成果的要求，而且用戶確定分析精度后，所產(chǎn)生的分析結(jié)果具有唯一性，避免分析結(jié)果的隨機(jī)性、多樣性所產(chǎn)生的誤差［11］。流域的坡度分析云圖如圖5所示。

圖5　流域的坡度分析云圖

4　流量計(jì)算

大流域經(jīng)驗(yàn)公式的簡(jiǎn)介及本線選用情況經(jīng)驗(yàn)公式一般采用區(qū)域回歸方程的形式，確定了水文子區(qū)域后，便可以建立流量與地形和氣候因子的區(qū)域回歸方程，繼而可以估計(jì)無(wú)資料點(diǎn)的流量。常用的經(jīng)驗(yàn)公式有［12］∶

式中∶Qp%為設(shè)計(jì)流量，m3/s；F為流域面積km2；C為隨地區(qū)和頻率變化的綜合系數(shù)；L為流域長(zhǎng)度，km；i為河道干流平均坡度；f為流域形狀系數(shù) （f=F/ L2）；a、b、m、n為經(jīng)驗(yàn)指數(shù)。

結(jié)合水文站及收集到的大中河流資料相對(duì)較少，根據(jù)搜集到的資料情況及多年水文經(jīng)驗(yàn)，采用Qp%=CFn進(jìn)行大流域模量公式推算。根據(jù)在博樂(lè)地區(qū)收集到的相關(guān)水庫(kù)資料及沿線大中河流、水文站歷年最大流量系列資料，進(jìn)行整理分析，并據(jù)此確定模量公式Q1%=13·F0.5。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1　流域面積與流量

由表1可見(jiàn)，基于GIS確定的流域與人工繪制的流域結(jié)果一致，可將其應(yīng)用于鐵路橋涵水文分析。

5　結(jié)論與討論

本研究成功地運(yùn)用ArcGIS的水文分析模塊進(jìn)行了流域數(shù)字高程模型的處理及水文特征分析。對(duì)鐵路沿線流域的地表水文特征分析研究的結(jié)果表明，利用DEM模擬的水系的空間分布、數(shù)字流域界線與實(shí)際分布情況基本相符。為檢驗(yàn)結(jié)果的精確性，將ArcGIS提取的與人工圈繪的水系流域面積進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果一致。

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