基于ArcGIS的鐵路橋涵水文分析

宋玉新

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

基于ArcGIS的鐵路橋涵水文分析

宋玉新

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

鐵路橋涵水文計算是橋涵勘測設(shè)計中的重要工作?；跀?shù)字高程模型（DEM）和地理信息系統(tǒng)（ArcGIS）技術(shù)，對鐵路沿線流域進行了水文模擬分析。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算模量公式計算流域洪峰流量。

鐵路橋涵水文；地理信息系統(tǒng)（GIS）；洪峰流量。

1　概述

20世紀50年代后期以來，DEM （DigitalElevationModel）在測繪、土木工程、地質(zhì)、礦山工程、景觀建筑、道路設(shè)計、防洪、農(nóng)業(yè)、規(guī)劃、軍事工程、飛行器與戰(zhàn)場仿真等領(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進行流域分析分的工具很多，ArcGIS的水文分析模塊（Hydrology model）是美國環(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，實現(xiàn)地形模型可視化。運用地理信息系統(tǒng)（ArcGIS）中Hydrologymodel來提取水系，國內(nèi)外已開展了大量的工作研究地表水文特性［3－5］。

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

2　數(shù)據(jù)準備

2．1研究區(qū)域概況

研究鐵路項目位于新疆維吾爾自治區(qū)博爾塔拉蒙古自治州（簡稱：博州）和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第五師境內(nèi)。地處準噶爾盆地內(nèi)，盆地內(nèi)分布有較多的平緩洼地或湖泊，東部有艾比湖，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，平時干枯無流水，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，橫縱坐標的分辨率均為90m。

3　研究區(qū)水文特征分析

3．1洼地填補

DEM表面存在著一些凹陷的區(qū)域 （DEM本身是插值計算的，很難與現(xiàn)實情況完全符合），由于這些區(qū)域異常低值存在，使得該區(qū)域在進行水流流向計算時得到不合理的水流方向。因而，在進行流域地形分析以前，必須對原始的DEM進行洼地的處理。通過對洼地的處理可以生成無洼地DEM，如圖2所示。在無洼地DEM中，自然流水可以暢通無阻地流至區(qū)域地形的邊緣。因此，借助無洼地DEM可以對原數(shù)字地區(qū)進行自然流水模擬分析。洼地填充的基本過程是先利用水流方向數(shù)據(jù)計算出DEM數(shù)據(jù)中的洼地區(qū)域，并計算出其洼地深度，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算法計算。針對每一個柵格，將其高程與周圍八個柵格進行比較，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)計算而來。每一個柵格匯流累積量的值代表著其上游有多少個柵格的水流方向最終匯流經(jīng)過該柵格。一般而言，計算出來的匯流累積量的數(shù)值越大，代表越有可能是河谷。利用Hydrology下的FlowAccumulation函數(shù)，通過確定所有流入本單元格的累積上游單元格數(shù)目（NIP）來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算［7-9］。當匯流累積量達到一定值的時候，就會產(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，我們設(shè)置為500，也就是說，如果在某個柵格的上游有500個柵格的水流會流經(jīng)這個柵格，則將這個柵格定義為河流。由于本文用的柵格是90m×90m，也就是說，如果某個柵格點，其上游的匯水面積超過4.05km2，則認為這里是河流。圖3就是閾值分別為500個網(wǎng)格單元時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。它通過對水流方向數(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，在進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)過上一步得到的流域盆地是一個比較大的流域盆地，在很多的水文分析中，還需要基于更小的流域單元進行分析，那么就需要進行流域的分割。而流域的分割首先是要確定小級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)點之間的連接信息。Stream？link的每條弧段要么連接著兩個作為出水點或匯合點的結(jié)點，要么連接著作為出水點的結(jié)點和河網(wǎng)起始點。通過Streamlink的計算，即得到每一個河網(wǎng)弧段的起始點和終止點。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，它將一個大的流域盆地按照河網(wǎng)弧段分為一個個小的集水盆地。將流域柵格轉(zhuǎn)換成為矢量圖層，并進行符號設(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)，對該數(shù)據(jù)層進行分析和統(tǒng)計匯總。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　流量計算

大流域經(jīng)驗公式的簡介及本線選用情況經(jīng)驗公式一般采用區(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，繼而可以估計無資料點的流量。常用的經(jīng)驗公式有［12］∶

式中∶Qp%為設(shè)計流量，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)驗指數(shù)。

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

表1　流域面積與流量

由表1可見，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

本研究成功地運用ArcGIS的水文分析模塊進行了流域數(shù)字高程模型的處理及水文特征分析。對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)字流域界線與實際分布情況基本相符。為檢驗結(jié)果的精確性，將ArcGIS提取的與人工圈繪的水系流域面積進行對比，結(jié)果一致。

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