基于ArcGIS與斷面法相結(jié)合的港口航道疏浚量計算＊

杜利瓊 張永戰(zhàn)

（南京大學海岸與海島開發(fā)教育部重點實驗室 地理與海洋科學學院 南京 210093）

疏浚工程設(shè)計中，為了維持挖槽兩側(cè)的穩(wěn)定，需根據(jù)沉積物的土力學性質(zhì)和水動力條件確定一定的邊坡坡度，即挖槽坡度.根據(jù)挖泥船的類型確定計算超寬和計算超深.挖槽斷面一般都設(shè)計成倒梯形，倒梯形的底邊即為設(shè)計挖寬，現(xiàn)有水深與設(shè)計水深的差值即為設(shè)計挖深.

在以往的疏浚工程設(shè)計中，挖槽中線確定、尺寸設(shè)計和工程量計算等主要采用經(jīng)驗法或估算法，很大程度上依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗及其專業(yè)知識，對設(shè)計者的要求較高，且計算結(jié)果的可重復性差，精度較低，工程量估算不準確，導致疏浚工程返工，造成經(jīng)濟損失.近來，隨計算機科學的發(fā)展，利用計算機開發(fā)設(shè)計專業(yè)軟件，推動了對疏浚工程設(shè)計中的疏浚基面擬合、疏浚區(qū)測量點邊界搜索、挖槽定線、尺寸設(shè)計和疏浚量計算等方面的相關(guān)研究［1－2］.

航道疏浚工程量大，花費高，耗時長，疏浚基面和航道邊界線是確定航道疏浚范圍的基礎(chǔ)，對計算航道疏浚量尤為重要.已有方法中，利用測量數(shù)據(jù)通過多層面疊加法擬合成航道疏浚基面，操作復雜、費時費力，直接簡單連成連續(xù)的折線構(gòu)成航道疏浚基面，則影響了計算精度，均有待進一步優(yōu)化.

1 基于ArcGIS與斷面法相結(jié)合的疏浚量計算

1.1 計算參數(shù)的確定

根據(jù)港口到港船舶預測、規(guī)劃規(guī)模及自然條件等實際情況，依據(jù)《海港總平面設(shè)計規(guī)范》及其局部修訂（航道邊坡坡度和設(shè)計船型尺度部分、集裝箱船設(shè)計船型尺度）等確定航道設(shè)計水深和航道寬度，航道水深分通航水深和設(shè)計水深，由下式確定［3］.

式中：D0為航道通航水深；T為設(shè)計船型滿載吃水；Z0為船舶航行時船體下沉值；Z1為船舶航行時龍骨下最小富裕深度；Z2為波浪富裕深度；Z3為船舶裝載縱傾富裕深度；D為航道設(shè)計水深，Z4為備淤富裕深度（以上量的單位均為m）.

航道有效寬度由航跡帶寬度、船舶間富裕寬度和船舶與航道底邊間的富裕寬度組成，單、雙向航道寬度的計算公式為

式中：W 為航道有效寬度；A為航跡帶寬度；c為船舶與航道底邊間的富裕寬度；B為設(shè)計船寬；b為船舶間富裕寬度；取設(shè)計船寬B；L為設(shè)計船長（以上量的單位均為m）；n為船舶漂移倍數(shù)；γ為風、流壓偏角，（°）.

1.2 基于ArcGIS的航道內(nèi)主槽疏浚量計算［4－8］

航道橫斷面如圖1所示，曲線amm1f1fe為航道疏浚基面的斷面線，nn1，dd1為超寬（其值為W1），n1n11為超深（其值為h1），線段mn，fd 為航道 疏浚深度（其值分別為Y1，Y2），點m，f為疏浚

圖1 航道疏浚斷面示意圖

基面航道底部兩側(cè)邊的水深點（其水深分別為hm，hf），θ為邊坡坡角，線段ma，fe為航道疏浚需側(cè)向延伸的距離（其寬度分別為X1，X2），線段n1d1的長度及點m1，f1之間的距離為設(shè)計航道寬度（即W），線段nd為航道疏浚寬度（其值為W0），點a，n，d，e，f，m 所圍成的類似倒梯形區(qū)域即為疏浚區(qū)域.Qm即區(qū)域mndf的疏浚量，Ql，Qr分別為區(qū)域amn和區(qū)域efd的疏浚量，則

在地理信息系統(tǒng)中，DEM最主要的3種表示模型是規(guī)則格網(wǎng)模型、等高線模型和不規(guī)則三角網(wǎng)模型.本研究采用DEM的規(guī)則格網(wǎng)模型，為了如實反應地貌特征，選擇克里格插值（Kriging），因為這一方法在插值點與取樣點重合時，插值點的值就是樣本點的值，而其他方法不能保證如此［17］.一般來說，航道水深測量數(shù)據(jù)不僅覆蓋了航道區(qū)域，還向航道周邊延伸一定范圍，將其矢量化并插值生成DEM1.用航道疏浚區(qū)域?qū)EM1進行裁剪，得到DEM2，即航道內(nèi)主槽的疏浚基面.如果僅將航道疏浚區(qū)域的數(shù)據(jù)矢量化并插值，則在插值過程中，航道兩側(cè)邊緣會因其外緣沒有數(shù)據(jù)而產(chǎn)生很大誤差，因此需先將較大范圍的航道水深測量數(shù)據(jù)矢量化并插值，然后再裁剪生成航道內(nèi)主槽的疏浚基面.

將航道水深測量數(shù)據(jù)全部替換成航道設(shè)計水位與超深之和（D＋h1），并插值生成DEM3，同樣用疏浚航道區(qū)域?qū)ζ溥M行裁剪，得到DEM4，即為疏浚后航道底部的地形曲面.

用柵格數(shù)據(jù)計算器對疏浚前、后的航道曲面DEM數(shù)據(jù)進行計算（DEM2～DEM4），即規(guī)則格網(wǎng)的DEM相應位置的柵格要素的深度值相減，即可得到疏浚值.再利用三維分析模塊的Area and Volume工具計算出疏浚的體積，即得到航道內(nèi)主槽的疏浚量Qm.

1.3 基于斷面法的航道兩側(cè)邊坡疏浚量計算

一般邊坡延伸的水平距離要遠小于航道疏浚寬度（X1，X2?W0），故在實際計算中將圖1中的曲線am，fe（其寬度分別用X1，X2表示）近似的視為直線，計算出航道兩側(cè)邊坡的三角形△amn，△efd的面積

將式（1）、（2）代入式（3），得

將各設(shè)計參數(shù)和水深數(shù)據(jù)代入式（4）計算出各斷面面積，將同側(cè)兩相鄰斷面面積取算術(shù)平均值，再乘以兩斷面間的間距，得到該段航道邊坡疏浚量.沿航道縱斷面分別累加航道兩側(cè)所有段的邊坡疏浚量，其和即為航道左右兩側(cè)邊坡疏浚量Ql，Qr.

將Qm（航道內(nèi)主槽疏浚量），Ql，Qr求和即得航道疏浚量Q，計算流程如圖2.

2 實例研究

以江蘇省鹽城市大豐港疏浚至10萬t級港口為例，計算長25.65km的航道疏浚量.目前航道為西洋深槽自然水深航道，航道中－12.00m水深直通外海，5萬t級船舶可乘潮進港.根據(jù)到港船舶預測、風浪流等自然條件的實際情況，依據(jù)《海港總平面設(shè)計規(guī)范》及其局部修訂（航道邊坡坡度和設(shè)計船型尺度部分及集裝箱船設(shè)計船型尺度）等計算出10萬t級船舶乘潮進港的航道設(shè)計水深為15.54m，航道寬度350.0m，根據(jù)航道沉積物的工程地質(zhì)實驗確定邊坡坡度為1∶5，采用耙吸挖泥船疏浚.試驗研究表明，耙吸挖泥船疏浚比傳統(tǒng)的絞吸船和側(cè)投疏浚更有效［9］.據(jù)《海港總平面設(shè)計規(guī)范》確定超寬為9.0m、超深為0.70 m，因此，疏浚航道區(qū)域的寬度為368.0m、深度為16.24m.

圖2 航道疏浚量計算流程圖

數(shù)字化其航道水深測量圖，采用克里格插值生成DEM 影像，用長25.65km、寬368.0m的航道區(qū)域裁剪，得到航道疏浚基面.將航道測量數(shù)據(jù)全部替換成疏浚深度水位－16.24m，并插值生成柵格 DEM 圖像，同樣用長25.65km、寬368.0m的航道區(qū)域?qū)ζ溥M行裁剪，得到疏浚后的航道底部曲面.用柵格數(shù)據(jù)計算器將航道疏浚基面減去疏浚后的航道底部曲面，再用三維分析模塊的Area and Volume工具計算出航道內(nèi)主槽的疏浚量Qm為3.80×107m3.航道最大水深達－19.20m，深于疏浚深度－16.24m，故柵格數(shù)據(jù)計算中需計算高程差大于0m的體積，即為疏浚量.高程差小于0m的部分是目前已經(jīng)達到航道疏浚深度的部分，是不需要疏浚的.

大豐港航道測量圖中的水深點以沿航道縱斷面100.0m等間距、沿航道橫斷面80.0m等間距測量而得.目前航道水深介于－19.20～－10.50m，平均水深12.40m，除南部局部航道兩側(cè)的水深變化較大外，航道兩側(cè)水深多分布于－12.00～－13.00m.以航道疏浚水深－16.24 m和目前航道最淺水深－10.50m計算出最大疏浚深度Ymax為5.74m、邊坡疏浚最大寬度Xmax為28.7m.可見，邊坡疏浚最大寬度28.7m遠小于航道疏浚寬度368.0m，邊坡疏浚量比主槽疏浚量要小得多.同時，Xmax也小于沿航道橫斷面的測量間距80.0m，所以此時將圖1中的曲線ab，fe做直線處理不會帶來進一步的誤差.若測量間距小于ab段的長度，這時將其以直線處理，有一定的誤差，但由于邊坡疏浚量只占航道疏浚量很少的部分，這個誤差對總量的影響很小.由式（4）計算出左右兩側(cè)橫斷面上三角形的面積，同側(cè)兩相鄰斷面面積的算術(shù)平均值乘以兩斷面間的間距，便得到了該段航道邊坡疏浚量，沿航道縱斷面分別累加航道兩側(cè)的所有小段邊坡疏浚量，其和即航道兩側(cè)邊坡疏浚量Ql為0.07×107m3，Qr為0.07×107m3.因此，10萬t級大豐港航道疏浚量為3.94×107m3.

3 結(jié) 束 語

在一定的水深測量基礎(chǔ)上，利用ArcGIS軟件空間插值計算功能，生成的航道疏浚基面能夠準確地反映真實的水下地形，提高了航道內(nèi)主槽疏浚量的計算精度.只要水深測量精度高，此方法能夠保證生成最大限度地接近真實水下地形的航道疏浚基面.用斷面法計算航道邊坡疏浚量時，當邊坡疏浚最大寬度小于沿航道橫斷面的測量間距時，將兩側(cè)邊坡航道疏浚基面的斷面曲線做直線處理，不會帶來進一步的誤差.當測量密度提高，邊坡疏浚寬度大于測量間距時，這一近似處理會形成一定的誤差.由于一般邊坡疏浚寬度遠小于航道疏浚寬度，邊坡疏浚量只占航道疏浚量的很小部分，這個誤差對總量的影響很小.

利用ArcGIS軟件的空間分析和計算功能，不僅提高了計算精度，且工作量小，自動化程度高，簡便易行，對專業(yè)性的要求不是很高，一般人員經(jīng)過學習都能掌握與操作.ArcGIS軟件在分析航道的水深及適航區(qū)域等方面都具有強大的功能，技術(shù)上具有一定的先進性，可輔助航道設(shè)計和疏浚施工，并且在分析上具有很大的靈活性，能針對不同的設(shè)計水深等情況快捷計算，更好地為合理的疏浚方案設(shè)計與優(yōu)選服務.此外，ArcGIS軟件具有空間可視化的特點，能夠?qū)降赖匦芜M行三維建模與三維分析，使航道疏浚設(shè)計過程更為直觀、具體，在航道疏浚工程中有著廣泛的應用潛力.

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