基于gis的西江干流河道地形三维模型构建

基于gis的西江干流河道地形三维模型构建

在本文中，我们通过gis技术分析研究了西江干段（肇庆-斯塔纳霍段）斜面的变化规律，根据1999年、2007年和2012年测量的不同时期的河流水面和地形数据，通过重叠分析计算不同时期的水下断面的变化和深波线位置的变化，分析了西江河床变化的性质和特点。此外，为了建立一个三维模型，增加了斯塔纳霍附近的水下地形数据，以便初步分析该段河流的洪水泛滥。为今后江西流域的开发、规划和管理提供基础依据，也为类似河流变化的分析和研究提供了参考。1麻黄江江流域概况西江是珠江的主流,发源于云南省沾益县马雄山,自西向东流经云南、贵州、广西、广东4省(自治区),全长275m,流域面积约30万km2。西江至广东省三水区思贤滘与北江相通并进入珠江三角洲网河区。文中西江干流(肇庆—思贤滘段)河段是指肇庆大桥至小洲墟段的全长32m的河段区域(图1),该区域河道沿线情况水文、泥沙、地质条件复杂。受河流和潮流等多种动力作用综合影响,该区域河道河床冲、淤变化较大,江岸坍塌频繁,河床演变较为剧烈。2河道断面位置的测量西江干流(肇庆—思贤滘段)河道位于西江下游,属典型的分汊型河道。该段河道布设断面17条,主要分析资料为1999、2007和2012年实测获取的河道断面;思贤滘口的河道冲淤变化分析是在建立水下DEM和三维模型的基础上(因思贤滘口有1999年和2012年的实测地形图,其余区域只有断面测量资料),采用1985国家高程基准作为研究区的高程系统。根据布设的河道断面,制作河道深泓线平面变化图和深泓线高程变化曲线图,用以分析河床变化趋势,并计算河道断面在给定高程线下的断面集水面积、宽、深及宽深比。计算的河道断面均位于主河道上,不考虑分汊河段的断面形态变化。分析采用ArcGIS软件的ArcMap模块开展水深点数据的投影转换,并从深泓线平面变化、纵向变化、断面形态特征、断面冲淤变化和河道冲淤变化等方面分析河道地形变化情况,进而有针对性的选取不同时期同一位置的断面进行对比分析。3河流多年来的深度变化3.1主要河道深浚线及其摆动据1999、2007和2012年实测断面数据,用ArcGIS软件绘制从西125断面往下游经羚羊峡至西99断面(金马大桥附近)共计17条断面的深泓线位置变化见图2。通过图2可知:从西125断面至西121断面,1999—2007年期间该段深泓线平面位置基本保持不变;西120-1断面深泓线由左岸向河中央移动约450m;西120断面深泓线由左岸移位约1200m到右岸;过砚洲岛河道主流由原经砚洲岛左岸变化为左右两岸两条,深泓线在该处基本保持稳定状态;砚洲岛往下西117断面至西114-3断面深泓线位置基本保持稳定的状态;西113至西107断面深泓线向右岸移位约300m;西107至西103断面深泓线基本保持不变;西101断面和西100断面深泓线由左岸向右移动约400m;西99断面深泓线位置基本保持不变。2007—2012年期间,该段河床深泓线保持在较小幅度内的移动,整体上处于稳定状态。由上述分析可知:西江干流(肇庆—思贤滘段)深泓线的位置摆动主要发生在1999—2007年间,摆动区域主要发生在思贤滘下游和砚洲岛的上游河道,砚洲岛上游的深泓线大幅摆动,主要是河道主流由一条变化为两条,由于河道的深槽调整改变河道主流方向,引起深泓线移位;思贤滘下游处于西江与北江的交汇处,航运通航的交汇点,为了满足航运的需要进行了深槽疏浚的航道整治工程,分析认为该工程的实施是河道深泓线大幅度摆动的原因。2007—2012年间该段河道深泓线位置基本稳定,在自然水流的作用下,该段河床维持在一定的稳定状态下,深泓线位置基本未变。3.2深融高温增深河段通过图3可看出:该段河道的深泓高程变化河段主要位于砚洲岛与羚羊峡之间(120-1—118断面)的河段和思贤滘下游(107—99断面)河段。这两处河段在1999—2007年间,深泓高程不断降低,河床深槽不断增深,最大增深13.5m;出现此种情况分析认为是航道整治引起深槽不断浚深,而在未整治的区域如砚洲岛左岸西114断面处,河床深槽呈现较弱的淤积状态,淤积厚度约1.5m,年均淤积厚度为0.12m/a;2007—2012年间,该段河床深泓出现较弱淤积状态,淤积幅厚度为0.7~1.3m之间,年平均淤积厚度为0.1m/a。4河道断面集水面积、宽深比变化西江干流(肇庆—思贤滘段)河道主流从西125断面起,经羚羊峡至西99断面共布测17条河道横断面。根据1999、2007、2012年实测的断面数据,对该段河道的断面宽、断面面积、断面平均水深、断面平均高程、断面宽深比等进行对比分析以反映河流形态的变化特征,制作面积曲线变化图4—7。图4反映的是该段河道断面集水面积在1999—2007年间变化较为明显,2007—2012年间河道断面集水面积呈现小幅下降趋势。图5反映的是在5m水位线下断面宽的变化趋势,该段河道除西120断面和西107断面宽度变化外,其余断面宽度保持稳定状态。图6反映的是断面平均深度在1999—2007年间沿程呈现不断增深的趋势,河床平均水深增加1.6m;2007—2012年间,河道水深沿程呈现小幅缩浅的趋势。图7反映的是在5m水位线下断面宽深比的变化关系。宽深比变化明显的期间发生在1999—2007年间,变化较明显的区域出现在砚洲岛两侧的河道。通过分析对比图4—7可得出:西江干流(肇庆—思贤滘段)河段在1999—2007年期间河道断面形态特征变化较明显,而在2007—2012年期河道断面形态特征小幅缩浅,基本保持在稳定状态。5河道断面现状冲淤分析是研究河床演变的基础,河道断面冲淤分析是在1999、2007、2012年实测固定断面资料的基础上进行断面冲淤变化分析。从肇庆大桥至思贤滘段河道共布测17个河道横断面,受篇幅限制选取其中西120、西117、西107、西99共4个典型断面制作从1999、2007和2012年3个时期各断面冲淤制作对比,见图8—11。由图可知,该段河道水深在1999—2007年间逐年增深,河床主槽呈现冲刷状态,而在2007—2012年,河床呈现较弱的淤积态势。由图8—11可以看出:西120断面右岸的浅滩由1999年最小高程为-2.5m被疏浚为2007年的最小高程为-22.6m,而2007—2012年右岸深槽呈现淤积态势,平均淤积厚度为5m,原因是1999年前该处只有一条经砚洲岛左侧河道的主流,1999—2007年间砚洲岛右侧增加一条进入砚洲岛的河道主流,该处浅滩被疏浚为深槽;西117断面处正位于砚洲岛岛嘴的正下游,由于岛嘴的阻隔,该处水动力较弱引起河床淤积,而距离左桩0~500m,700~1000m处河道可能由于航道整治疏浚加深河床,2007—2012年间,西117断面河床呈现轻微冲刷态势,平均冲刷深度约3.2m,年均冲刷厚度0.64m/a;西99断面1999—2007年河底河槽高程由-0.5m变为-19.5m;西116至西99断面2007—2012年期间河道断面呈现轻微淤积态势,淤积幅度在0.7~1.2m,年均淤积速率为0.2m/a。为了量化分析该段河道1999—2012年13年间河床断面变化情况,计算分析了该段河道总的断面面积和平均水深数据(表5)。从表5中得知:1999—2007年间河段呈现冲刷态势,断面集水面积增加20.5%,河床平均水深增加2.5m;2007—2012年间河道呈现轻微淤积状态,河床容积缩小0.3%,河床水深平均缩浅0.2m。综上所述:在人工干预(航道整治或采砂活动)较小的情况下,西江干流(肇庆—思贤滘段)河段呈现轻微淤积态势,平均年淤积速率约0.1m/a,而大规模的航道整治和采砂活动,导致2007年较1999年河道主槽位置增深较为明显。6河道增深增深利用GIS技术建立了思贤滘附近区域1999、2012年的水下地形三维模型(图12、13)。通过对该区域1999、2012年水下地形立体图进行对比分析可以得到:a)琴沙岛左侧河道2012年比1999年有部分淤积,淤积厚度约为1.2m左右;琴沙岛右侧河道水深明显增深,最大水深由原来的20m增深为30m,平均水深增深约5m。b)思贤滘口2012年与1999年比较最大水深由10m增深为20m,平均水深增深约4m,水利和航道部门对该段河道和堤围进行专项整治,堤围和河道的整治改变了水流的流态,对思贤滘口河道造成一定的冲刷。c)琴沙岛岛咀下游河道2012年与1999年相比该处原来的河底沙脊现疏浚为深的沟槽,该处河道水深由原10m左右增深为20m左右,平均水深增深约7m。这是因为1999—2012年期间琴沙岛岛咀下游与思贤滘之间的河道被疏浚整治,使该河道变得顺畅,水动力作用增强,不断冲刷着其下游侧,形成了一个向南的河道深槽沟。7思贤织物冲淤情况利用GIS技术对思贤滘附近1999—2012年的三维水下地形模型进行叠合分析,并计算泥沙冲淤量,得到1999—2012年思贤滘区域附近冲淤对比分布(图14)和冲淤量。a)思贤滘区域1999—2012年的淤积量为163.6万m3,冲刷量为2644.5万m3,淤积面积为103.5万m2,冲刷面积为579.1万m2。该区域总体表现为冲刷,总冲刷量为2480.9万m3,总冲刷面积为475.6万m2。b)琴沙岛岸线面积由1999年的122万m2增至2012年的129.6万m2,主要是琴沙岛下游岸线往河道内进行回填和岸线整治。8航道疏浚整治工程从以上的分析可以看出,影响西江干流河势演变的主要因素有以下几点:a)西江干流年径流量较大,径流输沙总量较大,每年平均有7203万t泥沙从西江入海,由于航道疏浚整治工程改变了河流的自然形态,航道整治完成后回淤不可避免,因此造成西江干下游河段2007—2012年间出现淤积;b)2000—2005年西江干流下游肇庆至虎跳门段进行了大规模的航道整治工程,砚洲岛—羚羊峡间河道、思贤滘区域附近河床主槽不断增深的原因主要是航道疏浚;另外采砂活动也引起河道水深呈现无规则的变深,而肇庆市区西121断面、琴沙岛及西103断面下游区域河道呈现无规则变深主要可能是采砂活动造成。9减少回淤成为自然状态a)采用GIS技术进行河道变化分析是研究河道变化规律的一种行之有效的方法,可视化、形象化程度较高。b)通过叠加1999—2012年河道实测断面分析表明:西江干流(肇庆—思贤滘段)河段1999—2007年间主槽呈现下切态势,2007—2012年间呈现轻微回淤态势。c)西江干流(肇庆—思贤滘段)河段1999—2013年因航道疏浚、采砂等人为因素造成部分滩涂消失,河床主槽不断浚深,河道主流部分区域位置改变,变化较为明显的区域