數字高程模型在長江江陰段丁壩水下地形分析中的應用

王淑蘭， 葛于席

(1.江陰市江港堤閘管理處， 江蘇 無錫 214431； 2.江蘇全方測繪地理信息有限公司， 江蘇 無錫 214431)

數字高程模型，簡稱DEM，是通過有限的地形高程數據實現對地面地形的數字化模擬，它是用有序數值陣列形式表示地面高程的實體地面模型，是數字地形模型的分支。DEM可以描述包括高程在內的各種地貌因子，如坡度、坡向、坡度變化等因子在內的線性和非線性組合的空間分布，其中DEM是零階單純的單項數字地貌模型，其他如坡度、坡向及坡度變化率等地貌特性可在DEM的基礎上派生[1-2]。

本文主要分析DEM在水下地形中的應用，以長江下游江陰丁壩為闡述對象，通過對長江河道水下地形測繪成果的對比分析，掌握水下地形的變化規(guī)律與趨勢，做出相應的應對措施，為江堤及節(jié)點控制工程丁壩的維護和安全提供數據參考，同時以點帶面地詮釋DEM在描述水下地形演變中的重要作用。

1 丁壩地理區(qū)位

長江江陰段西起與常州交界的老桃花港，東至與張家港交界的陸家莊，全長35 km。由于江陰長江南岸臨江山體基巖露頭，無山體段地表以下土質堅硬，在20世紀80年代后，人工護岸工程的加強，河道主流趨于穩(wěn)定，長期保持少變的趨勢。尤其是江陰桃花港段長江水道主流偏南，深泓緊靠南岸一側，岸線微向江內凸起，水面在此收窄、水流變急，河床易遭洪水的沖刷，此處建有人工節(jié)點丁壩控制調整水流，和下游鵝鼻嘴節(jié)點一起有效控制了長江主弘的擺動和走向，使江陰段長江河勢基本穩(wěn)定。

2018年丁壩處桃花港1.5 km長江河道被定為Ⅲ級崩岸險情監(jiān)測預警段，每年須組織開展江陰桃花港1.5 km長江河道Ⅲ級崩岸險情預警監(jiān)測工作。長期水流的沖涮和往來船只的影響，因水下地理條件的不同，造成的河沙沉積及對河道堤防的沖刷狀況也不盡相同。

通過2013年、2016年2個年度的數據的DEM模型計算與分析，闡明水下地形監(jiān)測的必要性與丁壩對水下地形的影響。

2 數據與分析

2.1 數據格式說明

水下數據采用DGPS+測深儀+潮汐改正，組合成數據采集工具，平面坐標系為1954北京坐標系，高程基準為1985黃海高程，為了數據分析的準確性，所測得數據不進行任何內插值。原始數據記錄格式通過ArcGIS軟件中的Tin模塊，實現水下地形的數字化模擬。

數據提取2013年10月和2016年12月水下地形測量成果進行對比分析，數據橫斷面點間距為20 m，斷面間距為40 m。建立DEM分析該段水域的河床泥沙沖刷與淤積、坡度、河床粗糙度等方面的變化情況，建立丁壩區(qū)域水下傾斜柵格圖，可見河底“深槽”。

2.2 泥沙沖刷與淤積變化

可以通過2期DEM數據的柵格運算來分析泥沙的沖刷與淤積，判斷河床未來演變方向以及上下游防洪安全，分析河床的演變態(tài)勢。

由于丁壩的存在改變了原有的水動力外部條件，至2016年12月溝脊長度超200 m，溝底最寬處約200 m。通過2次DEM柵格計算，在丁壩壩頭長江側河底地形變化較小，2個年度高程值相近，趨于穩(wěn)定，溝脊處變化較大，沖刷位置向上游移動。“深槽”處縱斷面顯示縱向沖刷線平均向上游移動約8.3 m，縱軸同一數值明顯向左移動(上游)；橫斷面數據顯示“深槽”向江岸側移動大約2.0 m以上，溝逐漸變窄、變深。

2.3 坡度變化分析

坡度是用來描述河床地形變化起伏的一系列數值，與河沙的淤積、流失相關聯。坡度數值越大，數值之間變化越大，說明河床越陡峭，水流動力等各方面因數復雜；反之則河床平緩穩(wěn)定，水流也相對平緩，對河床、堤岸等影響較小。

通過2年數據對比如表1，該區(qū)域0°～12°為主要地勢，合計占比80% 以上，地形連續(xù)變化較大，對比數值主要變化在2°～ 5°和5°～ 12°，變化主要發(fā)生在“橢圓形”區(qū)域內(深槽附近)。“深槽”江岸方向，即丁壩區(qū)影響域內，坡度為0°～ 2°，該地形對長江堤岸、河床等周邊環(huán)境影響較小；2°～ 12°變化量最大，正是河床土壤分離和淤積的主要區(qū)域；丁壩盡頭長江方向坡度在22°～ 27°區(qū)域內，變化數值不大，但需注意后期的觀測數據。

表1 坡度占比范圍 單位：%

2.4 河床粗糙度變化

地面粗糙度是指在某個區(qū)域內， 柵格表面積與其投影面積之比，是反映地表形態(tài)的一個宏觀指標，是水下地形表達的參數之一，也是河床穩(wěn)定性參考因子之一，粗糙度越大意味地貌表面越粗糙[3]。

粗糙度通過地形的柵格坡度值可以計算出，公式如下:

M=1/cos(β3.14159/180)

(1)

式中，M為粗糙度，β為柵格坡度值,在 ArcGIS中，通過提取坡度得到的值是角度，而計算默認的角度值是弧度值，所以在計算時必須把角度轉為弧度[4]。

使用ArcGIS中柵格計算器，輸入1/cos(“坡度柵格”×3.14159/180)，得到2013年和2016年測量區(qū)域柵格粗糙度數據，最大值分別為1.16597、1.17419，最小值均為1。由數值分析結合坡度圖可知，水下地形粗糙度在緩慢增加，柵格的粗糙度可能會隨水下地形采樣點的密度不同而不同，可以看出柵格表面的粗糙程度緩慢變化，和DEM柵格運算得出沖刷和流失區(qū)域相符。

2.5 DEM在長江水下地形中的分析結果

沖淤變化：用丁壩2期的水下地形數據作對比分析，對河床泥沙的流失與淤積的統計、計算、分析，可以看出沿丁壩方向側水下地形有緩慢的變化，水下沖刷槽緩慢向上游移動。

坡度分析：可以看出水下地形坡度變化主要在2°～5°、5°～ 12°這兩個較平坦的區(qū)域，其余坡度范圍變化程度不大。平坦區(qū)域占比較大，說明該區(qū)域在丁壩的作用下水下泥沙交換較為平衡，變化相對較為平穩(wěn)。

粗糙度分析：通過粗糙度分析該段河床的粗糙度，該區(qū)域主要為平滑區(qū)域，不平滑區(qū)域主要在“深槽”和丁壩區(qū)域。變化數值較大的主要在丁壩附近，主要是泥沙的淤積，對岸線和江堤的影響較小，但需注意丁壩附近的沖刷槽變化情況。

3 結 語

觀測數據處理采用DEM技術，可以及時、直觀發(fā)現水下地形的變化，進而可以采取科學手段早干預、早預防，確保江堤、水上及水下安全，這對長江防洪、水上運輸，航行路線，都有著重大的實際意義。針對該技術在應用分析過程中還存在影響精度的一些因素，比如采集的數據點間距，長江的水況、環(huán)境等，在以后的實施過程中可以通過減小斷面間距和采集間隔，換用多波束測深系統等來提高數據的質量，以達到準確分析的預期，為保障江堤、岸線的安全提供直觀可靠的數據支持。