GIS分析模型在江河湖庫無堤防河段管理范圍線自動劃定中的應用研究

李燕芳，黃永俊

（1.廣西壯族自治區水利科學研究院 廣西水工程材料與結構重點實驗室，南寧 530023；2.廣西珠委南寧勘測設計院有限公司，南寧 530007）

0 引言

江河湖庫是水資源、水生態、水環境的重要載體，加強江河湖庫管理，對于保障防洪、供水、水環境及生態安全，促進經濟社會可持續發展和生態文明建設具有重要意義。河道管理范圍線劃定是河道執法和管理的前提條件，是河道行洪和堤防安全的保障，是規劃河道開發紅線、實現人與自然和諧相處的重要保障[1]。無堤防河段管理范圍線主要根據歷史最高洪水或設計洪水水面線與岸坡交線劃定，目前該工作主要通過勘測設計人員基于地形圖及水面線成果進行人工勾繪，人工勾繪誤差多且效率低下、經濟成本高，是一項亟待解決的工程技術難題。針對無堤防河段江河湖庫管理范圍劃定工作，殷丹[2]提出將高程散點數據及等高線導入ARCMAP，顯示高程值注記，方便直觀的比較出河道斷面設計水位與兩岸地形的交線，進而人工勾繪無堤段河段管理范圍線。趙巨偉[3]提出了一種結合1/10 000 地形圖等高線確定設計洪水位與河道自然岸坎的交點，再依次連接形成無堤段河道管理范圍線的方法。秦雁等[4]在總結基于GIS 洪水淹沒范圍分析方法的基礎上，提出了一種在給定洪水位下，采用Arcpy 二次開發自動實現模擬洪水位曲面，結合DEM 劃定河道管理范圍的方法。趙丁名等[5]以黃河上游地區青海省果洛藏族自治州瑪沁縣切木曲無堤防天然河道為例，以現有的DEM 地形為基礎，借助ARCGIS 軟件，通過水文計算確定并劃定管理范圍。秦美茵等[6]以德慶縣悅城河為例，利用ARCGIS 剖析無堤防河段管理范圍劃定的實施流程和技術方法，提出無堤河段設計水位與岸坡交線自動化快速生成技術方案，通過對比現有劃定方法，研發集成了一種基于GIS分析模型的無堤防河段江河湖庫管理范圍線自動劃定方法。該方法基于DEM 柵格地形及河道歷史最高水位或設計洪水水面線成果矢量圖層，通過運用包含“地形轉柵格-柵格計算器-柵格轉面-平滑面-面轉線”等步驟的GIS 分析模型，自動生成江河湖庫無堤防河段管理范圍線，避免了人工誤差并有效提高了工作效率，為江河湖庫無堤防河段管理范圍線劃定提供了一種簡易自動生成的方法，拓展了GIS 在河長制管理范圍劃定工作中的應用。

1 劃定方法現狀分析

目前，基于GIS 劃定管理范圍的方法主要有3種，一種是通過GIS 軟件，根據等高線及水面線成果，采取人工勾繪的方式劃定管理范圍，這是目前絕大部分勘測設計單位及人員采用的方式；第二種是采用GIS 自帶工具箱，逐步操作生成淹沒范圍提取管理范圍線，使用者較少；第三種是通過GIS的開放端口，利用第三者軟件或插件在GIS 中建立水面線分析模型，計算水面線并生成管理范圍，該方法使用者最少。

（1）人工勾繪劃定。根據地形高程線及管理范圍線所采用的水面線成果，通過人工目測、人機交互的方式利用水面線與地形的交線勾繪洪水淹沒輪廓線（即管理范圍線）。主要步驟如下：①準備影像地圖、等高線、設計洪水水面線等圖層；②利用ARCGIS 編輯工具，沿著行洪控制線從河源開始繪制河流邊界線；③針對淹沒范圍過大、不便于管理的河段，因地適宜地調整管理范圍[7]。該方法技術難度低，操作簡單但人工誤差大且耗時耗力，成本較高，無法滿足現代水利數字化要求。

（2）采用GIS 自帶工具箱劃定。采用GIS 自帶工具箱劃定主要根據DEM地形柵格及水位成果，通過“點轉TIN-TIN轉柵格-樣條內插法內插曲面-形成淹沒范圍-提取邊緣線形成管理范圍線”等步驟開展。具體步驟如下：基于DEM 地形柵格，將每個水位點看成空間部分特征點，在GIS 中利用張力樣條插值法，將離散的空間特征點內插為連續洪水曲面，得到相應典型洪水的洪水淹沒范圍；最后提取邊緣線形成管理范圍線。該方法優勢采用GIS自帶工具箱處理數據，步驟清晰，減少了人工手動繪制時間成本，降低了人為繪制產生的誤差；缺點是步驟較多，操作繁雜，中間成果較多。

（3）采用第三者軟件或插件劃定。利用HECGeoRAS、MIKE 等第三者軟件或插件在GIS 中建立河網、河道、汊口、河段等帶有河流基礎信息的水動力模型，例如利用HEC 軟件建立水動力模型，采用RASMapper 地圖編輯工具和柵格計算器功能，在計算河道水面線的同時，形成淹沒水深DEM高程模型數據和管理范圍線的Shapefile 文件，進而形成淹沒范圍，最后提取邊緣線形成管理范圍線。該方法優勢采用一維水動力模型計算所需頻率的設計洪水水面線，同時形成洪水淹沒范圍數據高程模型，獲得管理范圍線，從水面線計算到洪水淹沒范圍及管理范圍線生成形成一整套完整的體系；缺點是專業性要求較高，需掌握一維水動力模型建模過程，推廣性及實用性不強。

2 劃定方法研究

2.1 劃定原理及運用

江河湖庫無堤防河段管理范圍線劃定方法計算原理公式：水深=水位-地形。公式運用：根據無堤防河段管理范圍線劃定標準所采用的歷史洪水或設計洪水位水面線成果，通過GIS 工具箱中的地形轉柵格操作將一維橫斷面水面線矢量線圖層轉化為二維水位柵格，利用柵格計算器，根據上述公式將二維水位柵格與二維地形柵格相減得到水深柵格，水深柵格小于0表明水面線比地形低，該區域不會被淹沒，水深柵格大于0表明水面線比地形高，該區域為可能的歷史洪水或設計洪水淹沒區（部分有岸坡間隔的地勢低洼區水深柵格大于0，但其非洪水淹沒區，應予以剔除）。通過進一步處理洪水淹沒區獲取邊緣線，即獲取了水面線與岸坡交線，該交線即為江河湖庫管理范圍線。

2.2 實施過程

利用GIS 將河段管理范圍線所采用的水面線成果與DEM數據進行疊加分析，獲取水面線與岸坡交線，提取交線得到管理范圍線。實施過程主要包括數據準備及輸入、河道水面線矢量化、水位柵格生成、水深柵格生成、淹沒范圍提取、管理范圍線生成等步驟，具體過程如下：

（1）數據準備及輸入。需準備DEM 地形數據及管理范圍線劃定標準所采用的水面線成果，DEM地形數據可來自實測地形、1∶5 萬、1∶1 萬地形圖或國土三調地形圖以及公開的矢量地形圖，歷史洪水或設計洪水水面線成果主要通過水文分析得到。

（2）河道水面線矢量化。歷史洪水或設計洪水水面線由控制斷面控制。河道水面線矢量化工作首先繪制河道橫斷面矢量線Shapefile 圖層或GDB數據庫，橫斷面繪制時應覆蓋可能淹沒的區域，同時注意坐標系統盡量采取與地形DEM 的坐標系統一致，并在圖層屬性表賦值水位，形成河道橫斷面一維水面線矢量線圖層。特別提出，河道橫斷面一維水面線矢量線圖層生成過程中，應盡量加密斷面，特別是山區河段，地形落差較大，在斷面文件生成過程中，需根據河底高程實際變化情況加密橫斷面，否則將會出現部分河道區域因斷面較少插值形成的水位柵格高程比DEM高程低，從而導致無法生成連續的水深柵格，形成的管理范圍線出現間斷。

（3）水位柵格生成。該步驟旨在利用常用輸入數據類型和高程表面的已知特征，采用迭代有限差分插值技術進行插值，從而使經過擬合后的DEM能夠還原真實的水面線演變趨勢，生成水位柵格圖層。通過利用地形轉柵格工具或其他工具，將河道橫斷面一維水面線矢量線圖層轉化成二維水位柵格圖層。為方便與DEM 地形柵格做差值計算形成水深柵格，水位柵格進行重采樣設置像元的大小與DEM地形柵格像元大小應盡量一致。

（4）水深柵格生成。水位柵格圖層與地形DEM 柵格圖層疊加判斷，采用柵格計算器，通過簡單的、類似計算器的工具界面，將水位柵格圖層與地形DEM柵格圖層相減，獲得初步的淹沒范圍水深柵格。水深大于0 的代表水面線可能淹沒的區域，小于0 則代表地形比水位高，該區域在現實中不會被洪水淹沒。特別說明，本階段的初步淹沒范圍水深柵格是根據水位柵格與地形柵格相減而來，部分非河道行洪區間內的低洼區域，例如河道附近地勢低洼的魚塘的水深柵格同樣大于0，但因岸坡間隔河道內洪水無法演進淹沒該區域，后續在生成河道管理范圍時此類區域應予以篩選刪除。

（5）淹沒范圍提取。水深柵格無法直接提取淹沒范圍邊緣線，為進一步分析篩選提取邊緣線作為河段管理范圍，需將初步的淹沒范圍水深柵格轉為初步淹沒范圍水深面圖層并進行邊緣平滑。平滑容差一般選2 倍的網格邊長，平滑后得到邊緣平順的初步淹沒范圍面圖層。對面圖層進行淹沒范圍篩選，選中非河道淹沒范圍內的圖斑進行編輯刪除，便可獲得河道洪水演進過程中實際淹沒的淹沒范圍。

（6）管理范圍線生成。利用淹沒范圍面圖層，通過面轉線操作提取邊緣線，該邊緣線為水面線與岸坡交線，手動編輯刪除左右岸邊緣線以外的無關線段，便可獲得無堤防河段江河湖庫管理范圍線。

通過上述步驟，可逐步自動生成江河湖庫無堤防河段管理范圍線，按國家、地區河長制江河湖庫管理范圍審核匯總要求，人工編輯完善該管理范圍線屬性表。在此基礎上結合有堤防河段管理范圍線劃定成果，平順銜接形成整條河流的管理范圍線并進一步提取界樁、公告牌等圖層。通過補充水利工程保護范圍線等其他審核匯總要求的圖層，便可形成完整的江河湖庫管理范圍劃定成果數據庫。

2.3 合理性分析

根據水面線降落變化規律，河道水位應從上游往下游縱向逐漸降低。經與地形等高線對比，自動生成的淹沒范圍邊緣線（即管理范圍線）所在位置高程從上游往下游沿程逐漸降低，符合上下游水面線縱向降落變化規律。洪水向河道兩岸橫向演進過程中，隨著兩岸地勢升高，淹沒范圍僅延伸至可淹沒的岸頂或山坡坡腳，除非有貫通的行洪通道，洪水不會越過地勢較高的岸坡或山坡演進至其他地勢低洼地區。通過歷史最高洪水位或設計洪水位與DEM地形柵格做差值計算，篩選剔除了與河道連通的其他地勢低洼淹沒區域，僅保留河道洪水實際演進淹沒的區域，橫向的淹沒范圍符合實際洪水演進規律，淹沒范圍合理。因此，利用GIS分析模型進行洪水淹沒范圍分析后提取的淹沒范圍邊緣線作為江河湖庫無堤防河段道管理范圍線，符合洪水演進規律并滿足相應劃定標準要求。

2.4 模型研發集成

利用GIS工具箱各項操作自動生成無堤防河段管理范圍，主要涉及“地形轉柵格-柵格計算器-柵格轉面-平滑面-面轉線”等步驟，逐項開展步驟較多，中間成果多，操作復雜。研發集成了GIS分析模型（見圖1），將上述步驟集成至一個模型內。該GIS分析模型可根據DEM地形柵格及水面線成果，根據“水深=水位-地形”的原理，一鍵自動生成江河湖庫無堤防河段管理范圍線。

圖1 GIS分析模型

2.5 效果檢驗

抽取30 名主要開展江河湖庫管理范圍劃定工作的繪圖人員進行了現場試驗，研究利用GIS 分析模型劃定江河湖庫無堤防河段管理范圍線的實用性及效率提升情況。管理范圍線劃定范圍選擇某條山區性河流鎮區無堤防河段作為典型，典型河段長10 km，管理范圍線劃定標準為10 年一遇設計洪水。試驗開始前，同時給定區域DEM 地形資料及10年一遇水面線矢量線圖層，每名實驗人員首先采用原始的人工勾繪方式劃定管理范圍，再利用GIS分析模型自動生成，二者開展人工誤差數、耗時對比分析GIS分析模型的實用性及效率提升情況。試驗結果見表1和圖2。

表1 試驗情況統計表

圖2 人工勾繪及自動生成管理范圍成果對比圖

試驗表明：人工勾繪淹沒范圍容易出現誤差，主要誤差類型包括2 類，其一是等高線間距大的區域，人工目估勾繪與實際高程相差大；其二是等值線間距小的區域，人工勾繪的管理范圍線折點較少，管理范圍線穿插跨越等高線劃定。經統計，人工勾繪管理范圍線平均誤差數5.5處，人均耗時1.5 h。采用GIS分析模型自動生成管理范圍線，管理范圍線劃定精度僅取決于DEM 地形精度及所采用的水面線控制斷面密度，DEM精度越高，水面線控制斷面越密集，自動生成的管理范圍線越精細，有效避免了人為誤差問題，耗時取決于計算機運行速度，平均耗時僅約41.1 s。該GIS分析模型操作簡單具有很強的實用性，極大提升了工作效率及精度。需要指出的是，模型生成可同時批量生成多條河流管理范圍線，對江河湖庫無堤防河段管理范圍劃定工作效率提升效果非常顯著。

3 結語

本文通過集成“地形轉柵格-柵格計算器-柵格轉面-平滑面-面轉線”等步驟，研發了河長制江河湖庫無堤防河段管理范圍線自動生成GIS 分析模型。GIS 分析模型通過DEM 地形及管理范圍線所采用的歷史最高洪水或設計洪水水面線矢量線圖層，提取了淹沒范圍邊緣線作為管理范圍線，實現了由人工勾繪管理范圍線到GIS分析模型一鍵自動生成的轉變，結果合理，該方法操作簡單且實用性強，避免了人工誤差且效率高，為江河湖庫無堤防河段管理范圍線劃定提供了一種新方法新思路新解決途徑。可以展望，基于GIS 分析模型可一鍵自動生成洪水淹沒范圍，除河長制管理范圍線劃定工作外，在水旱災情、防洪評價、洪水風險圖、工程淹沒范圍、庫區回水淹沒范圍等需進行洪水淹沒分析的各類項目中均可推廣使用。

基于GIS分析模型劃分的管理范圍線僅適用于江河湖庫無堤防河段管理范圍劃定，現實中各河流經常出現有堤防及無堤防河段相互交替的情況，針對有堤防河段應采用相應堤防管理范圍劃定方法劃定其管理范圍，再通過人機交互的方式將有無堤防銜接處的管理范圍線平順銜接。另外，基于GIS分析模型自動生成的管理范圍線較適用于山區型河段或洪水漫溢范圍較小的平原型河段，對于漫溢范圍較廣的平原河段，自動生成的淹沒范圍普遍偏大，其邊緣線作為管理范圍線容易導致范圍偏大，不利于實際管理。無堤防河段管理范圍線應統籌好與國土空間規劃、生態保護紅線、防洪規劃治導線、城市藍線、水利工程管理保護范圍和自然保護區、濕地公園保護范圍等各類保護地邊界的銜接；同時應尊重歷史、考慮現實，因地制宜地結合江河湖庫管理要求進行劃定。