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計研究院有限責任公司，南寧 530023）

棄渣場防護措施，既是水土保持設計的重點內容，又是水土保持監測、監管、驗收的重要對象，規范和合理的棄渣場設計在建設項目水土保持工作中至關重要。在棄渣場設計中，截水溝設計為重要一環，而集雨面積的量算是截水溝設計的首要任務及重點，集雨面積量算不準確，可能導致截水溝設計錯誤，如采取較小尺寸的截水溝，遇連續大降雨時無法及時排水而導致渣場水土流失甚至渣體失穩，危害下游安全，因此，開展棄渣場設計需要重視集雨面積的量算。

結合廣西區內水土保持工作情況，棄渣場設計周期與集雨面積量算時長具有較高的相關性，特別是遇到重大項目，有多個棄渣場甚至幾十個棄渣場的，設計人員量算棄渣場集雨面積耗時較長，棄渣場設計周期也較長。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，兩種方法均能實現集雨面積量算，但受基礎資料、人為判斷、軟件運行等因素影響，量算的精度會有差異。本文擬從數據收集、操作便捷性和直觀效果進行分析比較，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，然后結合現場地形、地貌，根據山脊走向勾勒山脊線，形成封閉的區域，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高程數據，利用水文分析工具中“填洼”“流向”“流量”功能對高程數據進行處理，然后利用“柵格計算器”“柵格河網矢量化”提取河網柵格矢量數據，平滑處理后進行“盆域分析”，并將流域柵格轉化為矢量圖層，最后根據棄渣場所在位置選擇小流域進行面積統計，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 個步驟，操作步驟簡單，容易上手，但當棄渣場加載多幅jpg或tif等格式地形圖時，拼接相鄰圖幅需人為反復校準，拼接速度慢、精度低。而ArcGIS 法逐一操作需要10個步驟，較為繁瑣，但通過模型構建器[2]創建“河流模型”“分水嶺模型”兩個模型后，即可將10 個步驟減少為5個步驟，操作耗時大幅減少，且加載多幅底圖可自行配準，省去了人為校準的時間。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，加載多幅底圖的操作耗時大幅減少。

1.2.2 資料獲得

CAD 法與ArcGIS 法都需要獲得小比例底圖，CAD法采用傳統小比例地形底圖，如1∶50 000地形圖、1∶10 000 地形圖，通常根據工作需要向地方測繪地理信息部門申請，往往受經費、時間等因素限制。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 高程數據，其中5 m、12.5 m分辨率數據可根據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據云網站自行下載，獲得途徑相對廣，且使用地理空間數據云網站下載便捷快速，不受采購時間限制。

1.2.3 數據精度

（1）加載底圖過程。CAD 法容易出現拼接錯位，且與工作底圖比例尺、等高線精度有關，受收集資料限制，當將不同比例尺或不同等高線地形圖進行相鄰區域拼接時，等高線不能完全銜接，可能縮小或擴大集雨面積范圍，導致精度受影響。而Arc?GIS 法直接加載后一般能自行配準，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，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，可能縮小或擴大集雨面積范圍，精度偏低。而ArcGIS法經模型構建器簡化步驟后，避免了各步驟分析過程因設計人員操作不當造成棄渣場周邊不能形成小流域的現象，在一定程度上，ArcGIS 法設計精度相比CAD法更優。

（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法則因為形成小流域較多，選取面積匯總的過程中容易缺漏導致精度受影響。

1.2.4 平均耗時

以不同方法量算環北部灣廣西水資源配置工程棄渣場集雨面積為例，量算10個棄渣場集雨面積時，CAD 法總耗時為170.0 min（平均用時為17.0 min），ArcGIS 法按10 個步驟逐一操作時，總耗時為135.0 min（平均用時為13.5 min），ArcGIS 法經簡化操作步驟后，總耗時為58.0 min（平均用時為6.0 min）。從總耗時和平均耗時上看，量算多個棄渣場集雨面積時ArcGIS法耗時比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法量算耗時長，設計周期和設計精度受底圖資料、人為因素、軟件運行情況影響大，而ArcGIS法各步驟均為工具分析，自動化程度高，受人為因素影響小，分析結果精準、客觀，經簡化步驟后，ArcGIS法耗時更短。

2 效益分析

（1）技術效益。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、真實反映棄渣場周邊匯水情況，且量取多個棄渣場集雨面積時，ArcGIS 法總時長相對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計人員快速準確獲得多個棄渣場集雨面積數據提供堅實基礎，有效提高棄渣場設計的工作效率。

（2）經濟效益。簡化的ArcGIS 法量算集雨面積產生的經濟效益往往是間接的，假定某項目需要布置30 個棄渣場，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 高程數據成本僅需0.4 萬元，節約了資料成本1.6萬元，同時，在僅投入1名設計人員的情況下，采用簡化的ArcGIS 法可節約5.5個工時，按人均工時114元/工時（由工程師800元/d換算得到）計算，采用簡化的ArcGIS 法可節約人力成本約627元，最終該項目能節約16 627元。另外，利用簡化的ArcGIS法，每臺電腦不需要生成動輒幾十上百兆的文件數據，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，有利于節約固定資產維護成本。在人力資源有限的情況下，簡化的ArcGIS法能夠在節約成本的同時提升工作效率，使得設計人員可以以更短的時間提供更高質量的成果，有效地提升公司產品和服務形象，帶來巨大經濟效益。

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

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，需要反復插入工具、創建變量、鏈接工具、運行驗證，對于不熟悉ArcGIS分析工具的人員，難以在短時間內構建出相應模型，建議在使用方法前多查閱相關資料或請教地理信息專業人員。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 高程數據進行處理，但因時間和精力問題，未能進一步分析利用不同分辨率DEM 高程數據獲取集雨面積的精度差異，此項問題有待進一步研究和探討。