基于gis的西江干流河道地形三維模型構(gòu)建

基于gis的西江干流河道地形三維模型構(gòu)建

在本文中，我們通過gis技術(shù)分析研究了西江干段（肇慶-斯塔納霍段）斜面的變化規(guī)律，根據(jù)1999年、2007年和2012年測量的不同時(shí)期的河流水面和地形數(shù)據(jù)，通過重疊分析計(jì)算不同時(shí)期的水下斷面的變化和深波線位置的變化，分析了西江河床變化的性質(zhì)和特點(diǎn)。此外，為了建立一個(gè)三維模型，增加了斯塔納霍附近的水下地形數(shù)據(jù)，以便初步分析該段河流的洪水泛濫。為今后江西流域的開發(fā)、規(guī)劃和管理提供基礎(chǔ)依據(jù)，也為類似河流變化的分析和研究提供了參考。1麻黃江江流域概況西江是珠江的主流,發(fā)源于云南省沾益縣馬雄山,自西向東流經(jīng)云南、貴州、廣西、廣東4省(自治區(qū)),全長275m,流域面積約30萬km2。西江至廣東省三水區(qū)思賢滘與北江相通并進(jìn)入珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)。文中西江干流(肇慶—思賢滘段)河段是指肇慶大橋至小洲墟段的全長32m的河段區(qū)域(圖1),該區(qū)域河道沿線情況水文、泥沙、地質(zhì)條件復(fù)雜。受河流和潮流等多種動(dòng)力作用綜合影響,該區(qū)域河道河床沖、淤變化較大,江岸坍塌頻繁,河床演變較為劇烈。2河道斷面位置的測量西江干流(肇慶—思賢滘段)河道位于西江下游,屬典型的分汊型河道。該段河道布設(shè)斷面17條,主要分析資料為1999、2007和2012年實(shí)測獲取的河道斷面;思賢滘口的河道沖淤變化分析是在建立水下DEM和三維模型的基礎(chǔ)上(因思賢滘口有1999年和2012年的實(shí)測地形圖,其余區(qū)域只有斷面測量資料),采用1985國家高程基準(zhǔn)作為研究區(qū)的高程系統(tǒng)。根據(jù)布設(shè)的河道斷面,制作河道深泓線平面變化圖和深泓線高程變化曲線圖,用以分析河床變化趨勢,并計(jì)算河道斷面在給定高程線下的斷面集水面積、寬、深及寬深比。計(jì)算的河道斷面均位于主河道上,不考慮分汊河段的斷面形態(tài)變化。分析采用ArcGIS軟件的ArcMap模塊開展水深點(diǎn)數(shù)據(jù)的投影轉(zhuǎn)換,并從深泓線平面變化、縱向變化、斷面形態(tài)特征、斷面沖淤變化和河道沖淤變化等方面分析河道地形變化情況,進(jìn)而有針對性的選取不同時(shí)期同一位置的斷面進(jìn)行對比分析。3河流多年來的深度變化3.1主要河道深浚線及其擺動(dòng)據(jù)1999、2007和2012年實(shí)測斷面數(shù)據(jù),用ArcGIS軟件繪制從西125斷面往下游經(jīng)羚羊峽至西99斷面(金馬大橋附近)共計(jì)17條斷面的深泓線位置變化見圖2。通過圖2可知:從西125斷面至西121斷面,1999—2007年期間該段深泓線平面位置基本保持不變;西120-1斷面深泓線由左岸向河中央移動(dòng)約450m;西120斷面深泓線由左岸移位約1200m到右岸;過硯洲島河道主流由原經(jīng)硯洲島左岸變化為左右兩岸兩條,深泓線在該處基本保持穩(wěn)定狀態(tài);硯洲島往下西117斷面至西114-3斷面深泓線位置基本保持穩(wěn)定的狀態(tài);西113至西107斷面深泓線向右岸移位約300m;西107至西103斷面深泓線基本保持不變;西101斷面和西100斷面深泓線由左岸向右移動(dòng)約400m;西99斷面深泓線位置基本保持不變。2007—2012年期間,該段河床深泓線保持在較小幅度內(nèi)的移動(dòng),整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。由上述分析可知:西江干流(肇慶—思賢滘段)深泓線的位置擺動(dòng)主要發(fā)生在1999—2007年間,擺動(dòng)區(qū)域主要發(fā)生在思賢滘下游和硯洲島的上游河道,硯洲島上游的深泓線大幅擺動(dòng),主要是河道主流由一條變化為兩條,由于河道的深槽調(diào)整改變河道主流方向,引起深泓線移位;思賢滘下游處于西江與北江的交匯處,航運(yùn)通航的交匯點(diǎn),為了滿足航運(yùn)的需要進(jìn)行了深槽疏浚的航道整治工程,分析認(rèn)為該工程的實(shí)施是河道深泓線大幅度擺動(dòng)的原因。2007—2012年間該段河道深泓線位置基本穩(wěn)定,在自然水流的作用下,該段河床維持在一定的穩(wěn)定狀態(tài)下,深泓線位置基本未變。3.2深融高溫增深河段通過圖3可看出:該段河道的深泓高程變化河段主要位于硯洲島與羚羊峽之間(120-1—118斷面)的河段和思賢滘下游(107—99斷面)河段。這兩處河段在1999—2007年間,深泓高程不斷降低,河床深槽不斷增深,最大增深13.5m;出現(xiàn)此種情況分析認(rèn)為是航道整治引起深槽不斷浚深,而在未整治的區(qū)域如硯洲島左岸西114斷面處,河床深槽呈現(xiàn)較弱的淤積狀態(tài),淤積厚度約1.5m,年均淤積厚度為0.12m/a;2007—2012年間,該段河床深泓出現(xiàn)較弱淤積狀態(tài),淤積幅厚度為0.7~1.3m之間,年平均淤積厚度為0.1m/a。4河道斷面集水面積、寬深比變化西江干流(肇慶—思賢滘段)河道主流從西125斷面起,經(jīng)羚羊峽至西99斷面共布測17條河道橫斷面。根據(jù)1999、2007、2012年實(shí)測的斷面數(shù)據(jù),對該段河道的斷面寬、斷面面積、斷面平均水深、斷面平均高程、斷面寬深比等進(jìn)行對比分析以反映河流形態(tài)的變化特征,制作面積曲線變化圖4—7。圖4反映的是該段河道斷面集水面積在1999—2007年間變化較為明顯,2007—2012年間河道斷面集水面積呈現(xiàn)小幅下降趨勢。圖5反映的是在5m水位線下斷面寬的變化趨勢,該段河道除西120斷面和西107斷面寬度變化外,其余斷面寬度保持穩(wěn)定狀態(tài)。圖6反映的是斷面平均深度在1999—2007年間沿程呈現(xiàn)不斷增深的趨勢,河床平均水深增加1.6m;2007—2012年間,河道水深沿程呈現(xiàn)小幅縮淺的趨勢。圖7反映的是在5m水位線下斷面寬深比的變化關(guān)系。寬深比變化明顯的期間發(fā)生在1999—2007年間,變化較明顯的區(qū)域出現(xiàn)在硯洲島兩側(cè)的河道。通過分析對比圖4—7可得出:西江干流(肇慶—思賢滘段)河段在1999—2007年期間河道斷面形態(tài)特征變化較明顯,而在2007—2012年期河道斷面形態(tài)特征小幅縮淺,基本保持在穩(wěn)定狀態(tài)。5河道斷面現(xiàn)狀沖淤分析是研究河床演變的基礎(chǔ),河道斷面沖淤分析是在1999、2007、2012年實(shí)測固定斷面資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行斷面沖淤變化分析。從肇慶大橋至思賢滘段河道共布測17個(gè)河道橫斷面,受篇幅限制選取其中西120、西117、西107、西99共4個(gè)典型斷面制作從1999、2007和2012年3個(gè)時(shí)期各斷面沖淤制作對比,見圖8—11。由圖可知,該段河道水深在1999—2007年間逐年增深,河床主槽呈現(xiàn)沖刷狀態(tài),而在2007—2012年,河床呈現(xiàn)較弱的淤積態(tài)勢。由圖8—11可以看出:西120斷面右岸的淺灘由1999年最小高程為-2.5m被疏浚為2007年的最小高程為-22.6m,而2007—2012年右岸深槽呈現(xiàn)淤積態(tài)勢,平均淤積厚度為5m,原因是1999年前該處只有一條經(jīng)硯洲島左側(cè)河道的主流,1999—2007年間硯洲島右側(cè)增加一條進(jìn)入硯洲島的河道主流,該處淺灘被疏浚為深槽;西117斷面處正位于硯洲島島嘴的正下游,由于島嘴的阻隔,該處水動(dòng)力較弱引起河床淤積,而距離左樁0~500m,700~1000m處河道可能由于航道整治疏浚加深河床,2007—2012年間,西117斷面河床呈現(xiàn)輕微沖刷態(tài)勢,平均沖刷深度約3.2m,年均沖刷厚度0.64m/a;西99斷面1999—2007年河底河槽高程由-0.5m變?yōu)?19.5m;西116至西99斷面2007—2012年期間河道斷面呈現(xiàn)輕微淤積態(tài)勢,淤積幅度在0.7~1.2m,年均淤積速率為0.2m/a。為了量化分析該段河道1999—2012年13年間河床斷面變化情況,計(jì)算分析了該段河道總的斷面面積和平均水深數(shù)據(jù)(表5)。從表5中得知:1999—2007年間河段呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢,斷面集水面積增加20.5%,河床平均水深增加2.5m;2007—2012年間河道呈現(xiàn)輕微淤積狀態(tài),河床容積縮小0.3%,河床水深平均縮淺0.2m。綜上所述:在人工干預(yù)(航道整治或采砂活動(dòng))較小的情況下,西江干流(肇慶—思賢滘段)河段呈現(xiàn)輕微淤積態(tài)勢,平均年淤積速率約0.1m/a,而大規(guī)模的航道整治和采砂活動(dòng),導(dǎo)致2007年較1999年河道主槽位置增深較為明顯。6河道增深增深利用GIS技術(shù)建立了思賢滘附近區(qū)域1999、2012年的水下地形三維模型(圖12、13)。通過對該區(qū)域1999、2012年水下地形立體圖進(jìn)行對比分析可以得到:a)琴沙島左側(cè)河道2012年比1999年有部分淤積,淤積厚度約為1.2m左右;琴沙島右側(cè)河道水深明顯增深,最大水深由原來的20m增深為30m,平均水深增深約5m。b)思賢滘口2012年與1999年比較最大水深由10m增深為20m,平均水深增深約4m,水利和航道部門對該段河道和堤圍進(jìn)行專項(xiàng)整治,堤圍和河道的整治改變了水流的流態(tài),對思賢滘口河道造成一定的沖刷。c)琴沙島島咀下游河道2012年與1999年相比該處原來的河底沙脊現(xiàn)疏浚為深的溝槽,該處河道水深由原10m左右增深為20m左右,平均水深增深約7m。這是因?yàn)?999—2012年期間琴沙島島咀下游與思賢滘之間的河道被疏浚整治,使該河道變得順暢,水動(dòng)力作用增強(qiáng),不斷沖刷著其下游側(cè),形成了一個(gè)向南的河道深槽溝。7思賢織物沖淤情況利用GIS技術(shù)對思賢滘附近1999—2012年的三維水下地形模型進(jìn)行疊合分析,并計(jì)算泥沙沖淤量,得到1999—2012年思賢滘區(qū)域附近沖淤對比分布(圖14)和沖淤量。a)思賢滘區(qū)域1999—2012年的淤積量為163.6萬m3,沖刷量為2644.5萬m3,淤積面積為103.5萬m2,沖刷面積為579.1萬m2。該區(qū)域總體表現(xiàn)為沖刷,總沖刷量為2480.9萬m3,總沖刷面積為475.6萬m2。b)琴沙島岸線面積由1999年的122萬m2增至2012年的129.6萬m2,主要是琴沙島下游岸線往河道內(nèi)進(jìn)行回填和岸線整治。8航道疏浚整治工程從以上的分析可以看出,影響西江干流河勢演變的主要因素有以下幾點(diǎn):a)西江干流年徑流量較大,徑流輸沙總量較大,每年平均有7203萬t泥沙從西江入海,由于航道疏浚整治工程改變了河流的自然形態(tài),航道整治完成后回淤不可避免,因此造成西江干下游河段2007—2012年間出現(xiàn)淤積;b)2000—2005年西江干流下游肇慶至虎跳門段進(jìn)行了大規(guī)模的航道整治工程,硯洲島—羚羊峽間河道、思賢滘區(qū)域附近河床主槽不斷增深的原因主要是航道疏浚;另外采砂活動(dòng)也引起河道水深呈現(xiàn)無規(guī)則的變深,而肇慶市區(qū)西121斷面、琴沙島及西103斷面下游區(qū)域河道呈現(xiàn)無規(guī)則變深主要可能是采砂活動(dòng)造成。9減少回淤成為自然狀態(tài)a)采用GIS技術(shù)進(jìn)行河道變化分析是研究河道變化規(guī)律的一種行之有效的方法,可視化、形象化程度較高。b)通過疊加1999—2012年河道實(shí)測斷面分析表明:西江干流(肇慶—思賢滘段)河段1999—2007年間主槽呈現(xiàn)下切態(tài)勢,2007—2012年間呈現(xiàn)輕微回淤態(tài)勢。c)西江干流(肇慶—思賢滘段)河段1999—2013年因航道疏浚、采砂等人為因素造成部分灘涂消失,河床主槽不斷浚深,河道主流部分區(qū)域位置改變,變化較為明顯的區(qū)域