高原無(wú)資料地區(qū)河道管理范圍劃定技術(shù)研究

梁汝豪，美 多，才旺尼瑪，劉畫(huà)眉，林美蘭

(1.廣東省水利水電科學(xué)研究院，廣州 510635；2.廣東省水動(dòng)力學(xué)應(yīng)用研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510635；3.林芝市水利局，西藏 林芝 860000；4.米林縣水利局，西藏 林芝 860500)

1 概述

依法劃定河湖管理范圍，明確河湖管理界線，是加強(qiáng)河湖管理的基礎(chǔ)性工作，也是《中華人民共和國(guó)水法》《中華人民共和國(guó)防洪法》和《中華人民共和國(guó)河道管理?xiàng)l例》等法律法規(guī)作出的規(guī)定，更是中央全面推行河長(zhǎng)制湖長(zhǎng)制的明確任務(wù)要求。

2014年水利部《水利部關(guān)于開(kāi)展河湖管理范圍和水利工程管理與保護(hù)范圍劃定工作的通知》[1]及2016年中共中央辦公廳、國(guó)務(wù)院辦公廳《關(guān)于全面推行河長(zhǎng)制的意見(jiàn)》[2]印發(fā)以來(lái)，各地方按照依法依規(guī)、緩急有序、先易后難、因地制宜、分級(jí)負(fù)責(zé)的基本原則，開(kāi)展河湖管理范圍和水利工程管理與保護(hù)范圍劃定工作，明確河湖及水利工程管理界線，加強(qiáng)河湖及水利工程的管理與保護(hù)。國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)管理范圍劃定過(guò)程中出現(xiàn)的技術(shù)難題和有效經(jīng)驗(yàn)也進(jìn)行了諸多研究和總結(jié)。趙巨偉等[3]因地制宜確定不同河段類型的范圍標(biāo)準(zhǔn)，探索以內(nèi)業(yè)為主、外業(yè)為輔的河道管理范圍劃界方法。殷丹[4]為提高河湖管理范圍劃界工作效率，開(kāi)展 ArcGIS 應(yīng)用研究，介紹了ArcGIS 在管理范圍劃定工作中發(fā)揮的重要作用。王鑫平[5]采用水文比擬法、由暴雨推求設(shè)計(jì)洪水法、洪峰流量經(jīng)驗(yàn)公式分析計(jì)算10年一遇設(shè)計(jì)洪水，推算柔遠(yuǎn)川河道水面線，為河道管理范圍劃定提供技術(shù)支撐。鄧沐平等[6]基于江西省情，提出了江西省河湖劃界標(biāo)準(zhǔn)，為江西省內(nèi)開(kāi)展河湖劃界工作奠定工作基礎(chǔ)，對(duì)于國(guó)內(nèi)開(kāi)展河湖劃界工作也具有一定的參考意義。

在高原地區(qū)開(kāi)展管理范圍劃定工作時(shí)，由于當(dāng)?shù)厝丝诿芏刃。蟛糠趾拥蓝紴樯礁吖壬睢⒈冉荡蟆⒑铀薄o(wú)資料的河道，難以開(kāi)展實(shí)地查勘和地形測(cè)量。在內(nèi)業(yè)工作中，此類河道在繪制管理范圍線時(shí)也存在耗時(shí)費(fèi)力、隨意性大等特點(diǎn)，影響劃定成果的合理性和科學(xué)性，給后續(xù)河道日常管理造成不便。本文以西藏林芝市拉月曲上游段為例，以數(shù)字高程模型(DEM)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，采用ArcGIS軟件對(duì)DEM進(jìn)行地形信息提取，通過(guò)水文分析計(jì)算推求水面線，對(duì)水面線成果進(jìn)行插值后提取插值柵格與DEM交線，結(jié)合人工修正方式最終確定河道管理范圍線，為高原無(wú)資料地區(qū)河道的管理范圍劃定提供研究思路和技術(shù)支撐。

2 研究區(qū)域

拉月曲是帕隆藏布中下游右岸的一級(jí)支流，發(fā)源于巴宜區(qū)魯朗鎮(zhèn)沖果俄附近沖果錯(cuò)上游冰川，從發(fā)源地到河口主流大致為從西向東北流，在力蘇折向東南流，向下依次經(jīng)過(guò)貢定、貢次、巴嘎、白木、東久在執(zhí)巴村附近右納最大支流魯朗河，匯合后又折向東北向下流經(jīng)德拉村、拉月村在巴宜區(qū)魯朗鎮(zhèn)排龍以下約8 km處于右岸匯入帕隆藏布。拉月曲干流全長(zhǎng)為87 km，流域面積為2 854 km2。水面落差為2 891 m，平均比降為33.23‰，多年平均徑流量為34.8億m3[7]。主要支流有下巴弄曲、拉木曲、上巴弄巴河、魯朗河等。本次研究對(duì)象為拉月曲上游段，即魯朗河匯入口以上長(zhǎng)約51 km的河段，該段河谷大部分較窄深，呈典型“V”字型。

3 技術(shù)路線與數(shù)據(jù)來(lái)源

3.1 技術(shù)路線

本文基于數(shù)字高程模型(DEM)，采用ArcMap 10.8軟件從DEM提取研究河段縱斷面和大斷面數(shù)據(jù)。選取鄰近水文站為參證站，按面積比指數(shù)法推求出口斷面設(shè)計(jì)洪水，采用MIKE11一維水動(dòng)力軟件推求研究河段水面線。對(duì)計(jì)算得到的設(shè)計(jì)洪水位進(jìn)行插值，得到洪水淹沒(méi)范圍，提取其與DEM交線，再結(jié)合影像進(jìn)行人工修正后確定河道管理范圍(技術(shù)路線見(jiàn)圖1)。

圖1 技術(shù)路線示意

3.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)作為地表高程信息的數(shù)據(jù)源﹐對(duì)于水土流失以及地形因子提取等地學(xué)研究具有關(guān)鍵性作用[8]。目前,最常用的幾種全球數(shù)字高程產(chǎn)品 包括 ETOPO、GTOPO30、SRTM、GMTED2010、ASTER GDEM及AW3D30等[9]。本次采用ASTER GDEM V3數(shù)據(jù)。ASTER GDEM 是一類基于光學(xué)立體攝影測(cè)量獲取全球高程的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，ASTER GDEM V3數(shù)據(jù)發(fā)布于2019年，由日本ME'TI和美國(guó)NASA聯(lián)合研制，分辨率為30 m。本次研究數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.gscloud.cn)。

4 地形信息提取

利用DEM可提取縱斷面和大斷面數(shù)據(jù)，利用于水面線計(jì)算。縱斷面提取需結(jié)合河道中心線，采用“3D Analyst工具-功能性表面”中的重疊剖面工具，得到縱斷面數(shù)據(jù)(如圖2所示)。

圖2 河道縱斷面示意

本次沿河道中心線從上游到下游布設(shè)15處斷面，平均間隔為2 km。同樣采用重疊剖面工具，得到大斷面數(shù)據(jù)(如圖3所示)。

圖3 大斷面(以LYQ-15為例)示意

5 水面線計(jì)算

1)洪水特性

拉月曲流域汛期為5—10月，洪水主要由降水、冰雪融水和地下水形成，由于降水和融雪水在夏季最為活躍，因而一次洪水過(guò)程中，洪峰主要由降水形成，洪水基流則由冰雪融水和季節(jié)性地下水形成。

2)設(shè)計(jì)洪水

拉月曲流域內(nèi)無(wú)長(zhǎng)系列水文站點(diǎn)，附近僅有位于尼洋河的更張水文站，距本流域50 km，具有1978年建站至今的洪水觀測(cè)系列，水文資料系列滿足“三性審查”要求，且所在的尼洋河流域與本流域水文特性相似，洪水均由降水和冰雪融水形成，本次選取更張站作為推算拉月曲流域設(shè)計(jì)洪水的參證站，按面積比指數(shù)法推求出口斷面設(shè)計(jì)洪水，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：

n值在中小流域一般為0.5～0.7，本次取0.7；

F設(shè)——設(shè)計(jì)斷面控制集水面積，km2；

F參——參證站控制集水面積，km2；

Q設(shè)——設(shè)計(jì)斷面多年平均洪峰流量均值，m3/s；

Q參——參證站多年平均洪峰流量均值，m3/s。

根據(jù)《拉月曲流域綜合規(guī)劃》[10]，更張站年最大洪峰流量P-III 分布統(tǒng)計(jì)參數(shù)及各頻率設(shè)計(jì)洪峰流量成果見(jiàn)表1。

表1 更張站年洪峰流量頻率計(jì)算成果 m3/s

根據(jù)更張站計(jì)算成果可推求拉月曲上游段出口斷面設(shè)計(jì)流量，設(shè)計(jì)水位采用《拉月曲流域綜合規(guī)劃》[10]水面線成果(見(jiàn)表2)。根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50201—2014)[11]，由于拉月曲流域人口密度低，耕地面積小，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)緩慢，且流域地勢(shì)總體較高，防護(hù)對(duì)象分布零散，本文按10年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)確定河道管理范圍。

表2 拉月曲上游段出口斷面設(shè)計(jì)洪水成果

3)水面線計(jì)算結(jié)果

水位流量邊界及斷面數(shù)據(jù)確定后，采用MIKE11一維水動(dòng)力軟件推求研究河段水面線，糙率取0.05，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 水面線計(jì)算成果

6 管理范圍劃定

利用前文計(jì)算得到的水面線成果，劃定河道管理范圍。由于只計(jì)算得到大斷面處的洪水水位，對(duì)于無(wú)資料河道的其他河段，難以科學(xué)合理地確定水位與岸坡交線，且大斷面間的管理范圍線需人工繪制，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，主觀性強(qiáng)。本次通過(guò)洪水位插值得到新的柵格，再與DEM進(jìn)行疊加，提取兩者交線，即管理范圍線。

6.1 洪水位插值

為提高插值點(diǎn)密度，在每個(gè)大斷面設(shè)置6個(gè)水位點(diǎn)，各個(gè)大斷面的點(diǎn)都賦上表3對(duì)應(yīng)的水位數(shù)據(jù)，對(duì)于同一個(gè)大斷面，水位點(diǎn)的賦值相同。采用“Spatial Analyst 工具-插值分析”中的樣條函數(shù)法[12]，該方法適用于逐漸變化的曲面，如溫度、高程、地下水位高度或污染濃度等。將水位點(diǎn)導(dǎo)入，插值得到新的柵格，即洪水淹沒(méi)范圍。

6.2 提取管理范圍線

前文插值得到的“洪水淹沒(méi)范圍”只是柵格數(shù)據(jù)，需提取其與DEM的交線，得到管理范圍線，具體步驟如下：

1)采用“Spatial Analyst 工具-數(shù)學(xué)分析”中的減法工具，輸入“洪水淹沒(méi)范圍”柵格和DEM，輸出差值柵格；

2)采用“3D Analyst工具-柵格表面”中的等值線工具將差值柵格轉(zhuǎn)換為等值線，等值線間距設(shè)為1；

3)由于“洪水淹沒(méi)范圍”柵格和DEM相交處差值為0，因此需提取差值柵格等值線中高程值為0的線，再結(jié)合影像進(jìn)行人工修正，得到管理范圍線。

6.3 三維效果展示

為直觀清晰地展示管理范圍線劃定成果，可使用ArcScene軟件進(jìn)行三維展示[13](如圖4所示)。

a 疊加地形

7 結(jié)語(yǔ)

1)針對(duì)無(wú)資料地區(qū)繪制管理范圍線時(shí)存在耗時(shí)費(fèi)力、主觀性強(qiáng)等問(wèn)題，本文以西藏林芝市拉月曲上游段為例，以數(shù)字高程模型(DEM)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，采用ArcGIS軟件對(duì)DEM進(jìn)行地形信息提取，通過(guò)水文分析計(jì)算推求水面線，對(duì)水面線成果進(jìn)行插值后提取插值柵格與DEM交線，結(jié)合人工修正方式最終確定河道管理范圍線。本次研究提出的方法提高了工作效率，降低了工作難度，為高原無(wú)資料地區(qū)河道的管理范圍劃定提供研究思路和技術(shù)支撐。

2)由于本次研究使用的ASTER GDEM V3數(shù)據(jù)空間分辨率僅為30 m，難以準(zhǔn)確反映河床及岸坡地形，導(dǎo)致生成的管理范圍偏大，可結(jié)合實(shí)測(cè)地形和高精度影像進(jìn)行修正。