論采區(qū)現(xiàn)場監(jiān)管加強水下地形動態(tài)監(jiān)測與分析的必要性

馬繼東

摘 要：長江安徽省段位于長江下游段，蘊藏著豐富的江砂資源。科學、有序地開采不僅可以提供很好的砂石原料，而且可以興利除弊疏浚河道，有利于通航行洪。該文主要論述了采區(qū)現(xiàn)場監(jiān)管加強水下地形動態(tài)監(jiān)測與分析的必要性，闡述了加強水下地形動態(tài)監(jiān)測與分析的儀器設備、手段和方法。鑒于采砂作業(yè)對河床自然變化影響十分復雜，為保證河勢穩(wěn)定、防洪安全及其他工程正常運行，應對采區(qū)作業(yè)前后加強水下地形動態(tài)監(jiān)測與分析，確保河勢穩(wěn)定，遇不利情況及時采取措施。

關(guān)鍵詞：水下地形 動態(tài)監(jiān)測 數(shù)字高程模型 ArcGIS

中圖分類號：U656.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）02（b）-0111-02

1 概述

長江安徽省段長約416 km，流域面積6.6 萬km2，平原圩區(qū)面積大，農(nóng)業(yè)產(chǎn)量高，城鎮(zhèn)、工業(yè)、交通、經(jīng)濟發(fā)達，在全省國民經(jīng)濟中占很大比重。沿江有安慶、池州、銅陵、蕪湖、馬鞍山5大重要城市，流域內(nèi)城鎮(zhèn)人口比重、人均工農(nóng)業(yè)產(chǎn)值、糧食平均畝產(chǎn)、人均鄉(xiāng)以上工業(yè)產(chǎn)值均在全省前列，長江防洪安全歷來是安徽省防汛工作的重點。

同時，皖江水道也蘊藏著豐富的江砂資源。怎樣有序、合理開采和利用江砂資源，在現(xiàn)場監(jiān)管中，加強水下地形動態(tài)監(jiān)測與分析，不但可以有效控制開采量，更重要的是可以為確保防洪和航道通行安全及時提供基礎(chǔ)資料。

2 采區(qū)現(xiàn)場監(jiān)管加強水下地形動態(tài)監(jiān)測與分析的依據(jù)

《安徽省長江河道采砂現(xiàn)場監(jiān)督管理辦法》（皖水政[2004]320號）第十三條規(guī)定：“負責管理可采區(qū)的水行政主管部門或采砂管理機構(gòu)應當在開采前和開采過程中對采區(qū)本期的水下地形進行測量監(jiān)測，及時掌握采砂區(qū)域的河床變化情況，并將監(jiān)測資料報省長江河道采砂管理局備案?！?/p>

3 長江采砂對河勢變化的影響

長江安徽省段位于揚子準地臺范圍，兩岸地質(zhì)地貌及其特征差異較大，左岸多為廣闊低凹平原，其成因主要是沖積的，部分是湖積地，且有眾多的湖泊支流，丘陵、階地離江甚遠，僅有少數(shù)山磯零星分布于江邊，如小孤山、幕旗山、蛟磯、西梁山等。土質(zhì)多為疏松沉積物組成，具有二元相結(jié)構(gòu)，上部為細粒層，主要是亞粘土，下層為粗顆粒層，河岸抗沖性差。

根據(jù)前幾年采砂作業(yè)前后水下地形測圖對比分析，采砂區(qū)內(nèi)河床深槽大幅下切，采區(qū)內(nèi)河床變化不均勻。采砂區(qū)以外河床總體變化強度大為提高，應為河床自然變化與采砂作業(yè)相疊加影響所致。同時，采砂作業(yè)過程中，由于作業(yè)不均勻，常會在河床上留下局部深坑，勢必改變局部水流的流向和流態(tài)，形成局部回流和漩渦。根據(jù)多年成果分析表明，一定時期內(nèi)采砂區(qū)上游會有局部沖刷，下游會形成局部淤積，對防洪和航道安全造成一定的影響。

4 水下地形動態(tài)監(jiān)測與分析

采區(qū)現(xiàn)場監(jiān)管加強水下地形動態(tài)監(jiān)測與分析，可采用采砂作業(yè)前、作業(yè)過程中及作業(yè)結(jié)束后對采砂區(qū)和所在河道進行水下地形動態(tài)監(jiān)測，必要時可對作業(yè)區(qū)上下進行水文觀測。結(jié)合現(xiàn)有歷年來的實測水文、水下地形測量等資料，分析采砂區(qū)所在河段河道演變特點及演變趨勢，重點分析工程前后局部河床的變化情況，為防洪、航道安全以及后續(xù)可采區(qū)規(guī)劃提供基礎(chǔ)資料和依據(jù)。

4.1 測圖比例尺的選取

合理的地形測圖比例尺的選取，不但關(guān)系著外業(yè)工作量和直接生產(chǎn)成本，而且關(guān)系著測圖的實效性。如果測圖比例過大，每個測次的時間相對較長，失去動態(tài)監(jiān)測含義；測圖比例過小，難以滿足分析要求。同時長江現(xiàn)有歷史測圖主要以1∶10 000測圖為主，因此采砂區(qū)所在河段河道測圖宜選取1∶10 000水下測圖，采砂區(qū)采用1∶5 000比例尺為宜。

4.2 水下地形數(shù)據(jù)采集

要想得到比較準確的水下地形數(shù)據(jù)，地形數(shù)據(jù)采集的方法是關(guān)鍵。特別是特征部位的數(shù)據(jù)采集決定了DEM模型的質(zhì)量。

以前水下地形數(shù)據(jù)采集適合采用橫斷面法觀測。在原有測圖上合理設計航線，利用GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)以實時差分或CORS客戶端進行測點平面位置定位，水深采用超聲波測深儀進行測量。這種測量方法有一定的局限性，所獲得數(shù)據(jù)為線狀，要想獲得高精度的數(shù)據(jù)必須增加測線，這將大大增加成本和工作量。目前，多波束測深系統(tǒng)能夠更加有效地獲取水下地形高精度數(shù)據(jù)。見圖1。

多波束測深系統(tǒng)與單波束回聲測深儀相比，多波束測深系統(tǒng)具有測量范圍大、測量速度快、精度和效率高的優(yōu)點，它把測深技術(shù)從點、線擴展到面，多波束測深系統(tǒng)能夠有效探測水下地形，得到高精度的三維地形圖，特別適合進行大面積的水下地形探測。多波束測深系統(tǒng)與衛(wèi)星定位系統(tǒng)配合，由計算機實時處理標繪等深線圖。

4.3 水文觀測

對采砂區(qū)進行水文觀測，分析采砂作業(yè)前后流速、流態(tài)的變化，為研究采砂對河勢變化影響提供重要依據(jù)。

水文觀測采用聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）施測，并采用DGPS定位系統(tǒng)和外接高精度GPS羅經(jīng)（羅經(jīng)與3#探頭方向一致性校正）進行航跡定位和底沙運動校正。觀測方法采用走航式，分別在采砂區(qū)上、下游各布設一條水文觀測斷面，觀測內(nèi)容包括水位、流速、流量等。

4.4 水下地形變化分析

水下地形分析采用采砂區(qū)及附近河段河道作業(yè)前、后水下地形數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有歷史資料和水文觀測成果，利用ArcGIS軟件進行分析。ArcMap下的3D Analyst工具能滿足地形建模的需要，數(shù)字高程模型構(gòu)建的效率很高，但構(gòu)建時為全自動。目前的成圖軟件大多是基于AutoCAD平臺下開發(fā)的，ArcMap下能夠加載AutoCAD圖形和數(shù)據(jù)。因此，只要將編輯好的庫區(qū)數(shù)字地形圖按圖層將等高線和高程點輸出，導入ArcMap中就能建立數(shù)字高程模型。

（1）數(shù)據(jù)提?。捍蜷_CAD軟件，調(diào)入準備好用于比較的CAD地形圖，繪制分析范圍線，剔除圖中不合理和無關(guān)的數(shù)據(jù)，分別輸出高程點、等高線和范圍線。

（2）數(shù)據(jù)建庫：打開ArcMap軟件，新建一個項目，在項目文件中新建地理數(shù)據(jù)庫，設置好單位、比例尺和坐標系。把CAD圖層中高程點、等高線和范圍線分別轉(zhuǎn)換成GIS中點、線、面shapefile圖層。

（3）TIN模型生成和編輯：TIN模型的生成主要使用3D Analyst擴展模塊。單擊ArcToolbox窗口，展開“3D Analyst工具”，展開“TIN管理”工具，雙擊“創(chuàng)建TIN”，創(chuàng)建TIN，如圖2所示。在對話框中輸入TIN的名稱、坐標系，要素類中輸入點、線、面數(shù)據(jù)， height_field域中點、線選擇“Elevation”，范圍線選擇“None”。TIN模型生成后，可直接添加、移除或修改TIN結(jié)點、隔斷線或面，改動時表面可實時反饋，使生成的TIN更加合理。

（4）開采量計算：所有的TIN生成后，利用“TIN轉(zhuǎn)柵格”工具，把生成的TIN轉(zhuǎn)換成Raster數(shù)據(jù)，TIN數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)后，便可進行開采量計算和柵格計算。沖淤計算使用“柵格表面→填挖方”工具，等數(shù)據(jù)計算完畢，便生成一個CutFill_tin文件，導出報表，計算出開采量、面積和開采深度等內(nèi)容。

（5）導入水文觀測和歷史數(shù)據(jù)，對比深泓線變化、采區(qū)流速流態(tài)分布變化情況，分析對附近涉水工程、防洪安全以及河勢變化的影響。

5 結(jié)語

科學采砂不僅可以提供很好的砂石原料，而且可以興利除弊疏浚河道，有利于通航行洪。既要創(chuàng)造良好的效益，又要保證天然航道不被破壞、保持河床河勢穩(wěn)定和涉河工程以及防洪安全，科學、有序地開采江砂是前提。在采區(qū)現(xiàn)場監(jiān)管過程中加強水下地形動態(tài)監(jiān)測與分析，有效控制開采高程和開采量，分析其對相鄰涉水工程的安全影響是十分有必要的。

參考文獻

[1] 牟乃夏，劉文寶，王海銀，等.ArcGIS10地理信息系統(tǒng)教程[M].測繪出版社，2012.

[2] 澎壽濤，張金山.GIS軟件計算蓄洪區(qū)庫容初探[J].治淮，2004（10）：37-38.

[3] 張宗德，王衛(wèi)平，張亞群，等.GPS在水庫庫容測量中的應用[J].河海大學學報，1999（1）：31-33.