利用Arcgis Pro結合HECRAS在河道治理工程中的應用分析
——以廬江果元河為例

馬 強

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司 合肥分公司，合肥 230031)

果元河又名閘口河，為金牛河的主源，河道東北流，河道上游建有果元山水庫。自果元山水庫流出，經舒廬干渠、萬山鎮開發區、金牛鎮至回龍橋左納長沖河來水，果元河流域面積48.1 km2，其中果元山水庫以上流域面積12.5 km2，水庫以下區間流域面積34.0 km2。果元河河道長22.74 km，其中舒廬干渠果元河泄洪閘-回龍橋段河道長19.1 km。

果元山水庫坐落于廬江縣萬山鎮南約4 km處，屬于金牛河右支上游，是一座以灌溉、防洪、城鎮供水為主，兼有水產養殖等綜合利用的小(Ⅰ)型水庫。水庫下游防洪保護耕地0.133 3×104hm2、人口3萬人、萬山集鎮以及合安高速、合九鐵路、軍二路等重要設施，并承擔向廬江縣近20萬人口提供生產和生活用水任務。水庫樞紐主要建筑物有大壩、正常溢洪道、非常溢洪道、放水涵等，大壩為均質土壩，全長843 m，壩頂寬5 m。水庫防洪標準為50年一遇設計、1 000年一遇校核。水庫設計洪水位50.48 m，校核洪水位51.30 m，總庫容925×104m3。

限于篇幅，本研究僅選取果元山水庫壩下3.8 km河段進行分析。

1 軟件介紹

1.1 Arcgis Pro

Arcgis Pro是Arcmap的迭代產品。隨著二維應用的成熟和趨同，三維數據采集成本的降低、計算機技術與硬件的發展，三維的需求不斷增強，并衍生出新的需求，如BIM、VR/AR等，使三維在更多的領域得到了廣泛的應用，如數字城市、智慧城市、城市規劃等。Arcgis Pro在這種情況下應運而生，其不再依托于其他產品，本身即可同時加載二維三維數據，實現二維三維一體化。Arcgis Pro所支持的主要三維數據類型有multipatch、Revit、傾斜攝像模型、DEM數據等。

1.2 HECRAS

HECRAS是美國陸軍工程兵團工程水文中心(HEC)開發的河道水力計算程序(River Analysis System)。HECRAS目前的模擬能力包括河道一維恒定流、一維/二維非恒定流、一維泥沙輸移/水質模型。此外，還支持壩、堰、堤、橋梁、涵管、閘門等水工建筑物的水力建模模擬。

2 河道現狀實測斷面數字模型的構建

根據工程設計過程中實測河道現狀斷面地形圖的坐標系，在Arcgis Pro中新建工程并選擇與實測地形圖相同坐標系(國家2000高斯克呂格3°117投影坐標)，見圖1。

圖1 Arcgis Pro文檔選擇合適的投影坐標系

河道橫斷面在實測CAD地形圖中均以點高程來進行描述，因此在構建河道斷面三維模型之初，可以在CAD中快速將能夠表達河道斷面高程信息的高程點先選擇出來，將此高程點數據單獨導入Arcgis Pro，定義其坐標系后，用地形轉柵格工具構建實測河道的三維模型；也可以用Arcgis Pro中CAD轉地理數據庫工具，直接將實測CAD河道地形圖中所有的信息統一導入地理數據庫，在地理數據庫中根據屬性表中Layer屬性，選擇GCD圖層點數據后用地形轉柵格工具構建河道三維模型。

考慮到后期要結合HRCRAS中的RAS mapper工具進行河道設計，而RAS mapper中不僅僅需要河道三維數字模型，同時也需要河道中心線(用以描述河道的真實走向及計算河道各斷面之間的實際距離)、河道斷面(Cross Sections)，因此選擇先將CAD地形直接轉到地理數據庫，再進行河道斷面模型構建。

2.1 輸入要素的類型說明

構建河道斷面三維模型需要包含要插值到表面柵格中z值的輸入要素，也就是前步驟中點數據中的GCD數據。利用地形轉柵格工具構建河道斷面需要的要素數據包含以下3個方面：

1)要素圖層：輸入要素數據集。

2)字段：用于存儲屬性的字段名稱(適當時)。

3)類型：輸入要素數據集的類型(圖2)。

圖2 地形轉柵格工具要素數據的參數要求

這里有必要對要素圖層的類型選擇做詳細說明，共包含9種數據類型。

1) Point elevation：表示表面高程的點要素類。“字段”用于存儲點的高程。

2) Contour：表示高程等值線的線要素類。“字段” 用于存儲等值線的高程。

3) Stream：河流位置的線要素類。所有弧線必須定向為指向下游。要素類中應該僅包含單條弧線組成的河流。此輸入類型沒有“字段”選項。

4) Sink：表示已知地形凹陷的點要素類。此工具不會試圖將任何明確指定為匯的點從分析中移除。所用“字段”應存儲了合理的匯高程。如果選擇了 NONE，將僅使用匯的位置。

5) Boundary：包含表示輸出柵格外邊界的單個面的要素類。在輸出柵格中，位于此邊界以外的像元將為 NoData。此選項可用于在創建最終輸出柵格之前沿海岸線裁剪出水域。此輸入類型沒有“字段”選項。

6) Lake：指定湖泊位置的面要素類。湖面內的所有輸出柵格像元均將指定為使用沿湖岸線所有像元高程值中最小的那個高程值。此輸入類型沒有“字段”選項。

7) Cliff：懸崖的線要素類。必須對懸崖線要素進行定向以使線的左側位于懸崖的低側，線的右側位于懸崖的高側。此輸入類型沒有“字段”選項。

8) Exclusion：其中的輸入數據應被忽略的區域的面要素類。這些面允許從插值過程中移除高程數據。通常將其用于移除與堤壁和橋相關聯的高程數據。這樣就可以內插帶有連續地形結構的基礎山谷。此輸入類型沒有“字段”選項。

9) Coast：包含沿海地區輪廓的面要素類。位于這些面之外的最終輸出柵格中的像元會被設置為小于用戶所指定的最小高度限制的值。此輸入類型沒有“字段”選項。

根據不同數據類型的說明，構建河道斷面三維模型最重要的需要Point elevation(點高程)、Contour(等高線)、Stream(河流位置線)、Boundary(邊界條件)、Lake(湖泊位置)等數據來構建適合的河道斷面模型。

2.2 構建模型的工況

1) 工況1。根據數據類型的說明，果元河河道斷面三維模型構建最多適合選擇3種數據類型來構建河道斷面模型，即Point elevation、Stream、Boundary，分別為點高程、河道走向及擬構建河道斷面三維模型的邊界范圍。輸出像元大小選擇2 m，輸入數據的主要類型選擇點，其余參數選擇默認。

2) 工況2。選擇Point elevation、Boundary兩種數據類型構建模型。輸出像元大小選擇2 m，輸入數據的主要類型選擇點，其余參數選擇默認。

3) 工況3。選擇Point elevation、Boundary兩種數據類型構建模型。輸出像元大小選擇2 m，輸入數據的主要類型選擇點，離散誤差系數選擇0.25(即對數據的平滑處理最少)。

各工況參數選擇情況見表1。

表1 各工況參數選擇

2.3 河道斷面模型數據概覽

直接按照上述3種工況設置相應參數，運行后生成邊界范圍內的3個河道斷面三維模型數據，見圖 3。

圖3 按河道治理范圍模擬河道斷面三維模型

根據Arcgis Pro對于所構建的河道斷面模型進行統計分析，結果見圖4及表2。

圖4 河道斷面高程直方圖

表2 河道斷面高程模型統計數據表

由圖 4及表 2可知，河道斷面模型的最大值、最小值并不會因參數選取的不同而有較明顯的改變。問題在于如果選擇了指向下游的Stream線作為生成河道斷面模型的數據類型之一，會導致河道斷面河底高程沿河流方向一直降低，而實際情況是河道縱斷面線有可能存在局部倒坡或者平坡。

因此，將利用Arcgis Pro所生成的河道斷面三維模型，轉換為tif格式后導入HECRAS中的RASmapper工具，逐斷面讀取河道橫斷面數據，并與實際測量結果比較，確定用于河道斷面設計的參數選取值。

3 將河道斷面數字高程導入HECRAS的方法

打開RASMapper工具，這里主要用到Terrains文件，利用上節中的tif河道斷面三維模型可以直接創建Hecras所支持的Terrains文件，而Terrains文件允許操作者直接劃橫斷面線讀取相應高程數據。

將3種工況下的河道斷面模型分別導入HECRAS中的RASmapper，可以看到工況1有明顯的河道中心線痕跡，而工況2、工況3則不會出現這種情況，見圖 5。

圖5 工況1河道斷面模型概覽圖

此時，通過RASmapper中的Measure distance工具，劃橫斷面線即可讀取3種工況下的河道斷面數據。試取下游某一斷面觀察，工況1所生成的河道斷面模型確實在計算時降低了河底高程，產生了不小的誤差，與實際情況不符；而工況2、工況3在給定的測量斷面情況下所獲取的斷面高程數據沒有差別(圖6)，但在給定河道斷面范圍以外進行插值計算時，工況2所反映出來的河道斷面更平滑。

圖6 利用Measure distance工具讀取各工況河道斷面圖

為了進一步驗證哪種工況對于河道規劃設計更為合理、更接近實測斷面數據，可以在RASmapper工具中直接將所有橫斷面線導入(前提是所有的數據均保持在相同的坐標系下)，讓相同的橫斷面線分別獲取工況1至工況3下的河道斷面數據，因工況2、工況3在給定斷面的情況下高程數據不會有任何差別，故僅對工況1、工況2加以分析。

可以看到，在里程2 000至里程0范圍內，工況2的河底高程均大于工況1。其中，在里程580，河底高程工況2高于工況1多達1.02 m；在里程873、里程984，則分別高0.59和0.41 m，見圖7。

圖7 工況1、工況2河道縱斷面圖

將工況1、工況2分別根據模型讀取的斷面數據與實測值(認為是真值)進行回歸分析，結果顯示無論是工況1還是工況2，總體上相關系數R、測定系數RSquare均高度接近于1，表明模型模擬的數值與實際測量值擬合程度非常高。但是將工況1、工況2兩者進行比較，工況2的標準誤差更小，見表3。

表3 回歸分析

因此，可直接選擇工況2的河道斷面數據進行現狀、規劃設計水位的模擬計算。

4 結 語

1) 利用實測的CAD河道斷面地形圖，通過Arcgis Pro地形轉柵格工具，可以方便構建河道斷面三維模型。該模型可以直接結合HECRAS用于河道斷面設計，在給定上游河道流量、下游河道水位等邊界條件下，可以快速計算河道現狀水位。同時，實測地形圖不僅含有河道橫斷面高程信息，同樣包含河道堤防高程、堤后地形等情況，可以在一個工程文件中比較現狀水位與現狀堤防的相應關系，為后續工程設計提供必要的基礎計算。

2) 在構建河道三維斷面模型時，是否需要添加河道中心線作為stream數據類型要視情況而定。若添加了stream所生成的模型中河道縱斷面線會一直下切，有可能與實際的河道斷面高程數據不符。stream數據常用于模擬山區河道三維模型，平原區河道則以不選擇stream數據為宜。

3) 關于像元精度，本文以2 m精度計算。在工程實踐中，要根據工程所涉河道規模大小選擇合適的像元大小，大河道可以選擇稍大的像元精度，小河道則根據斷面實測點的密度選擇較小的像元精度。同時，關于離散誤差系數，建議選上限值更符合實際斷面的變化規律。

4) 在與HECRAS結合應用中，HECRAS中的river線、cross section線都是具有方向的，river線需要從上游向下游繪制，cross section線需從左岸向右岸繪制。否則，無法正確從模擬的河道模型中讀取相應數據。