ArcGIS在銀北灌區(qū)暗管排水工程中的應(yīng)用

李 星，王紅雨，麥文慧，馬利軍

(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021)

寧夏引黃灌區(qū)位于寧夏黃河兩岸，現(xiàn)有灌溉面積近52.2 萬hm2。由于灌區(qū)氣候干旱，蒸發(fā)強(qiáng)烈，尤其是青銅峽河西灌區(qū)下游地勢低洼，地面坡降平緩，歷史上重灌輕排，致使灌區(qū)土壤鹽堿化嚴(yán)重。自20世紀(jì)80年代中期，地處銀北的平羅、惠農(nóng)等地就開始利用暗管排水改良鹽堿地、改造中低產(chǎn)田[1]。自1995年開始，寧夏農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)辦公室通過引進(jìn)荷蘭先進(jìn)的暗管排水工程技術(shù)，建立了暗管排水示范試驗(yàn)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，大規(guī)模推廣暗管排水技術(shù)，建設(shè)了20多萬畝的暗管排水項(xiàng)目區(qū)。

由于暗管排水工程具有一次性投資大、施工技術(shù)要求較高、構(gòu)件較多的特點(diǎn)[2]，暗管排水項(xiàng)目設(shè)計階段所需地形地貌資料和工程項(xiàng)目信息查詢管理就顯得尤為重要。地理信息系統(tǒng)是能夠輸入、存儲、管理并處理地理空間數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)，是資源與環(huán)境管理的重要手段[3]。白志遠(yuǎn)等人利用ArcGIS研究了耕地細(xì)碎化與其利用效率的關(guān)系，探析造成耕地細(xì)碎化的各種因素[4]；孟爽等利用ArcGIS engine組件開發(fā)灌區(qū)管理信息系統(tǒng)，討論了系統(tǒng)框架設(shè)計以及開發(fā)模式等功能[5]；鄭忠等人將ArcGIS軟件應(yīng)用于工程水文分析應(yīng)用，大大提高了計算速度和準(zhǔn)確度[6]；周晨霓則利用柵格DEM為數(shù)據(jù)源，運(yùn)用ArcGIS軟件計算河源密度與河網(wǎng)密度[7]；Saleh Taghvaeian等人在地理信息系統(tǒng)中集成遙感和地面信息，解決灌溉的公平性、充分性和可持續(xù)性[8]。

2017年6-8月，課題組調(diào)研了銀北灌區(qū)暗管排水工程建設(shè)現(xiàn)狀，實(shí)地走訪了平羅、惠農(nóng)、賀蘭和銀川市周邊等地的暗管排水工程項(xiàng)目區(qū)，發(fā)現(xiàn)一些暗管排水工程規(guī)劃設(shè)計中所依據(jù)的基礎(chǔ)資料不完備，項(xiàng)目整體規(guī)劃未兼顧項(xiàng)目區(qū)地形、地貌、地下水流向以及既有灌排系統(tǒng)的布局，致使暗管排水出路不暢，無法達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。同時暗管排水工程具有范圍廣，項(xiàng)目資料數(shù)量較多，難以在空間上和工程屬性信息上構(gòu)建對應(yīng)查詢方式等問題，造成設(shè)計、施工和項(xiàng)目管理單位之間信息溝通不暢，文檔資料參差不齊，誤差較大。為此，筆者提出采用ArcGIS軟件結(jié)合SQL Server數(shù)據(jù)庫解決寧夏銀北灌區(qū)暗管排水工程建設(shè)中存在的規(guī)劃設(shè)計中所依據(jù)的基礎(chǔ)資料匱乏以及工程竣工文檔資料管理不善等問題，以期為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌排工程建設(shè)提供參考。

1 基于ArcGIS暗管排水工程規(guī)劃

1.1 工程項(xiàng)目區(qū)規(guī)劃選址

暗管排水工程選址是暗管排水工程建設(shè)所考慮的首要問題，它也直接影響著該區(qū)域是否需要設(shè)置暗管排水工程，以及暗管排水布置形式，排水方式，甚至影響建設(shè)暗管排水工程后的排水排鹽的效果?？梢岳肁rcGIS軟件解決項(xiàng)目區(qū)規(guī)劃選址方面的問題。

1.1.1 項(xiàng)目區(qū)三維地形初判

從地形上看，排水不暢(地表水、地下水)的低洼區(qū)域是設(shè)置暗管排水的首選，故項(xiàng)目區(qū)規(guī)劃時，首先考慮項(xiàng)目區(qū)基本地形情況。利用ArcGIS軟件對項(xiàng)目區(qū)生成三維地形圖，可以快速了解項(xiàng)目區(qū)地形地貌基本情況。具體操作為：將項(xiàng)目區(qū)所在地的衛(wèi)星影像圖和高程圖導(dǎo)入Arcscene中，并創(chuàng)建金字塔，再導(dǎo)入高程底圖，根據(jù)實(shí)際將圖層高程值轉(zhuǎn)化為場景單位的系數(shù)，因?yàn)殂y北地區(qū)地勢平坦，在這里將系數(shù)設(shè)置為0.000 2，即可生成直觀的三維地形圖(如圖1所示)。通過三維地形圖，可以直接判斷擬規(guī)劃區(qū)域排水困難的低洼地帶，結(jié)合實(shí)際情況，初步擬定暗管排水工程建設(shè)區(qū)域。

圖1 惠農(nóng)縣下營子暗管排水工程項(xiàng)目區(qū)三維地形圖Fig.1 3D Topographic map of the project area of Xiayingzi pipe drainage

1.1.2 項(xiàng)目區(qū)暗管管線布置的比較與選擇

暗管排水工程的規(guī)劃設(shè)計關(guān)鍵是管線的布置，銀北引黃灌區(qū)為平原地帶，排水不暢而導(dǎo)致鹽堿化嚴(yán)重一直是制約銀北農(nóng)業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，故通過項(xiàng)目區(qū)自然水系與水利工程現(xiàn)狀分析，選擇合適的暗管排水出口位置，進(jìn)而確定其管線布置形式，對暗管排水規(guī)劃設(shè)計具有舉足輕重的作用。ArcGIS軟件自帶的流域分析工具可以較好地解決這個問題。通過調(diào)用圖像計算功能，繪制出項(xiàng)目區(qū)流域情況(如圖2所示河流網(wǎng)絡(luò)分布圖)，針對流量及大小，可以進(jìn)行合并篩選，選擇最優(yōu)暗管出口位置及管線布局，從而來確定擬選項(xiàng)目區(qū)管線布置形式。

圖2 利用ArcGIS軟件進(jìn)行河流網(wǎng)絡(luò)分析圖Fig.2 ArcGIS software for River network analysis

1.2 工程項(xiàng)目區(qū)地形資料詳析

項(xiàng)目區(qū)初步選址后，還需要對擬選項(xiàng)目區(qū)地形做進(jìn)一步地形詳析，以確保規(guī)劃設(shè)計的項(xiàng)目區(qū)地形更加有利于暗管排水的工程建設(shè)，進(jìn)行最優(yōu)化選擇。同時，對于無法明確判斷三維地形的區(qū)域，可以通過坡度、坡向、剖面等信息進(jìn)一步判斷與論證。

1.2.1 坡度與坡向分析

傳統(tǒng)暗管排水設(shè)計所需坡度、坡向信息，只能通過人為選擇幾個典型坡向線(或地形剖面)并將其分成若干段，分別量測每段的坡度和坡長，并求出所占權(quán)重，由此計算出典型坡面的平均坡度。該方法得出的結(jié)果精確度低，存在很大的人為主觀因素，而且工作效率較低。利用ArcGIS自帶的坡度、坡向分析工具，可以快速得出項(xiàng)目區(qū)坡度坡向分布圖，分別計算出各個坡度所對應(yīng)的占地面積，所占區(qū)域百分比，能更好地把握項(xiàng)目區(qū)更精準(zhǔn)的地理信息。下面以惠農(nóng)縣下營子鄉(xiāng)暗管排水項(xiàng)目區(qū)為例，介紹如何精準(zhǔn)分析坡度、坡向，為暗管排水項(xiàng)目區(qū)的規(guī)劃布局提供指導(dǎo)(見圖3)。

圖3 項(xiàng)目區(qū)剖面高度變化圖Fig.3 Profile height change map of project area

通過ArcGIS對下營子暗管排水項(xiàng)目區(qū)進(jìn)行坡度、坡向分析，分別得到坡度、坡向效果圖及其分級統(tǒng)計表(見圖4、圖5、表1和表2)。在坡度和坡向效果圖中，不同坡度，坡向分別由不同顏色表示，通過不同顏色所占比例不同，即可初步判斷項(xiàng)目區(qū)地形分布情況。例如圖4中0°～0.222 124 825°占比較大，故其對應(yīng)的坡度為項(xiàng)目區(qū)主要坡度；圖5中區(qū)域顏色分布較均勻，該項(xiàng)目區(qū)坡向分布相對均勻。利用地形分析圖導(dǎo)出分級統(tǒng)計表可以得到較精確的地形情況，為暗管排水設(shè)計提供參考依據(jù)。由分級統(tǒng)計表1和表2可知，該地區(qū)而坡度在1.6°以下的區(qū)域有321.096 789 hm2，占總項(xiàng)目區(qū)的96.33%；坡度在6.2°以下的區(qū)域達(dá)到了99.67%，而坡度超過7.9°的只占整個暗管排水項(xiàng)目區(qū)0.11%，故該區(qū)域整體坡度較?。挥善孪蚍治鲂Ч麍D及其分級統(tǒng)計表可以看出，該項(xiàng)目區(qū)陽坡土地面積為：166.265 hm2，占項(xiàng)目區(qū)49.88%，陰坡土地面積為：167.032 hm2，占項(xiàng)目區(qū)50.11%，各個坡向占比較均勻。結(jié)合坡度分析和坡向分析可以發(fā)現(xiàn)下營子暗管排水工程項(xiàng)目區(qū)地勢平坦，無較大地形起伏，加之銀北灌區(qū)氣候干燥少雨，水分蒸發(fā)快鹽堿化嚴(yán)重的基本特征，因此必須采取暗管排水的措施來排出多余的降水和灌溉用水，且采用強(qiáng)排式暗管排水比較合適。

圖4 下營子暗管排水項(xiàng)目區(qū)坡度分析圖 Fig.4 Slope analysis of Xiayingzi pipe drainage area

圖5 下營子暗管排水項(xiàng)目區(qū)坡向分析圖Fig.5 Slope direction analysis of Xiayingzi pipe drainage area

表1 下營子暗管排水項(xiàng)目區(qū)坡度分級統(tǒng)計表Tab.1 Statistical tables of slope grading in the underground pipe drainage project area of Xiayingzi

表2 下營子暗管排水項(xiàng)目區(qū)坡向分級統(tǒng)計表Tab.2 Statistical tables of slope direction in the underground pipe drainage project area of Xiayingzi

注:表中-1為平面無方向；1為正北坡向(0～22.5)；2為東北坡向(22.5～67.5)；3為正東坡向(67.5～112.5)；4為東南坡向(112.5～157.5)；5為正南坡向(157.5～202.5)；6為西南坡向(202.5～247.5)；7為正西坡向(247.5～292.5)；8為西北坡向(292.5～337.5)；9為北坡向(337.5～360)。

1.2.2 地形剖面分析

坡度、坡向分析，適合較大范圍的地形分析，在暗管排水工程規(guī)劃設(shè)計時，我們往往還需要參考項(xiàng)目區(qū)重點(diǎn)區(qū)域剖面情況，從另一個方面來理解把握項(xiàng)目區(qū)地理信息。項(xiàng)目區(qū)地形剖面是能夠直觀反映地形表面形態(tài)，并定量分析沿一定方向的地形起伏變化的重要手段。利用ArcGIS軟件剖面分析工具，精確判斷項(xiàng)目區(qū)的地形變化情況，同時該軟件還可以繪制不同路徑、不同區(qū)域的線性剖面(見圖3)。由圖3可知項(xiàng)目區(qū)該路徑下的地形剖面起伏變化情況，在選擇暗管排水路徑時需根據(jù)地形剖面情況不同，設(shè)計相應(yīng)的吸水管、集水管布置形式。地形平坦區(qū)，宜將吸水管對稱布設(shè)在集水管(溝)兩側(cè)呈正交或銳角斜交的形式；緩坡地區(qū)，而且灌排相鄰的排水溝為集水溝時，宜采用吸水管布設(shè)在集水溝一側(cè)呈正交或銳角斜交的形式[9,10]。

2 基于ArcGIS工程資料查詢與管理

傳統(tǒng)的暗管排水工程的設(shè)計資料及實(shí)施方案等文檔的傳遞與管理一般是面向單位用戶內(nèi)部的，由于保存時間久，傳遞范圍廣，且缺乏系統(tǒng)規(guī)范的管理，導(dǎo)致傳遞速度慢，交流成本大，工作效率低等缺陷。在調(diào)研并獲取暗管排水項(xiàng)目區(qū)第一手資料的基礎(chǔ)上，利用ArcGIS Engine開發(fā)平臺，結(jié)合組件式GIS技術(shù)和SQL數(shù)據(jù)庫，將原本單一的暗管排水工程資料，在空間地理信息和工程屬性信息建立關(guān)系，形成圖文并茂、實(shí)時查詢和統(tǒng)計分析于一體的工程管理方案[11]。通過構(gòu)建工程空間信息和項(xiàng)目屬性信息，能夠較好的為銀北地區(qū)暗管排水工程管理工作提供可視化管理平臺。

2.1 空間圖層建立

工程資料查詢與管理數(shù)據(jù)庫包含項(xiàng)目空間數(shù)據(jù)庫和工程屬性數(shù)據(jù)庫兩個部分?？臻g數(shù)據(jù)庫包含項(xiàng)目區(qū)地理位置、周邊建筑物情況、項(xiàng)目基本空間坐標(biāo)信息、項(xiàng)目區(qū)形狀、暗管排水管線布置、集水井檢查井以及泵房的分布情況、暗管排水出口位置、實(shí)物影像圖片等資料。

首先在ArcGIS軟件中新建個人地理數(shù)據(jù)庫，作為暗管排水工程空間信息圖層建立的數(shù)據(jù)庫。接著在這個數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入銀北地區(qū)高峰影像底圖，并將本次調(diào)研所測關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，修正導(dǎo)入。根據(jù)施工圖紙，在銀北地區(qū)影像圖層上面新建Shapfile圖層。其中部分實(shí)際區(qū)域可能和施工圖紙上面有出入，在這里要進(jìn)行校準(zhǔn)、核實(shí)，以確保項(xiàng)目排水范圍的準(zhǔn)確性。然后對新建的工程圖層進(jìn)行屬性編輯，將項(xiàng)目基本信息添加到圖層屬性上面，例如工程名稱、修建日期、排水面積、工程投資等基本信息(這里僅是對項(xiàng)目做一個基本情況介紹)。最后對圖層顯示比例、顯示要素等進(jìn)行調(diào)整，建立暗管排水空間數(shù)據(jù)庫，如圖6所示。

圖6 暗管排水工程空間圖層圖Fig.6 layer drawing of underground pipe drainage works figure

2.2 工程屬性數(shù)據(jù)庫建立

工程屬性數(shù)據(jù)庫包含暗管排水工程的項(xiàng)目名稱、修建日期、排水面積、暗管埋深、排水級別、各構(gòu)建形狀尺寸、項(xiàng)目區(qū)土質(zhì)、作物類型等信息，還包括工程區(qū)域拐點(diǎn)的坐標(biāo)信息。其構(gòu)建操作為：基于SQL Sever數(shù)據(jù)庫管理平臺，將暗管排水?dāng)?shù)據(jù)分為兩個表格，一個是工程信息project表，一個是地理坐標(biāo)geodatabase表格。該平臺可用于暗管排水工程信息的統(tǒng)計、查詢、更新、管理等操作，這里可以根據(jù)實(shí)際要求設(shè)置管理權(quán)限，信息發(fā)布等功能。

2.3 交互式查詢管理

將上一步建立SQL數(shù)據(jù)庫連接到ArcGIS中，添加到目錄里面，進(jìn)行位置查詢和屬性查詢。利用SQL數(shù)據(jù)庫來建立工程信息庫的優(yōu)點(diǎn)是可以對新建工程信息實(shí)時更新。將新建的工程信息添加到SQL數(shù)據(jù)庫中，和ArcGIS連接的工程信息數(shù)據(jù)庫project表格就可以同步更新。通過相互工程信息，空間位置交互查詢，可以快速調(diào)取工程項(xiàng)目信息，方便工程管理與維護(hù)(見圖7)。避免了繁瑣的紙質(zhì)文檔，也符合現(xiàn)在信息化管理的新趨勢。

圖7 空間位置與項(xiàng)目信息交互式查詢圖Fig.7 Interactive query graph of spatial location and project information

3 結(jié) 語

隨著傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利的轉(zhuǎn)變，暗管排水工程規(guī)劃設(shè)計的合理性、工程文檔管理與查詢效率變得越來越重要。將先進(jìn)測繪手段和地理信息系統(tǒng)融入暗管排水規(guī)劃設(shè)計和工程信息管理，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程的發(fā)展方向。

(1)針對銀北灌區(qū)暗管排水規(guī)劃與管理過程中存在的問題，可通過ArcGIS軟件對項(xiàng)目區(qū)的所屬流域概況進(jìn)行整體分析，獲取項(xiàng)目區(qū)地形地貌、河網(wǎng)、灌區(qū)既有灌排等水利工程布局等基礎(chǔ)資料信息，為暗管排水工程規(guī)劃選址、暗管地下管網(wǎng)布置提供可靠依據(jù)。

(2)利用ArcGIS軟件結(jié)合SQL數(shù)據(jù)庫，在暗管排水工程資料的空間地理信息和工程屬性信息之間建立關(guān)系，形成便于長期保存和實(shí)時查詢的工程文檔，能夠較好的為銀北地區(qū)暗管排水工程管理工作提供可視化管理平臺。

(3)本文建立的寧夏銀北灌區(qū)暗管排水工程可視化管理平臺，既可以實(shí)現(xiàn)快速便捷地進(jìn)行已建工程文檔資料的實(shí)時查詢，生成的電子文檔資料也便于長期保存，解決了各部門之間信息共享困難、紙質(zhì)文檔易損耗與遺失等問題。