采用水文分析法對林區(qū)道路涵洞選址的研究

朱磊，陳偉，鄭云峰，金久宏

(1.國家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，杭州310019；2.杭州市蕭山區(qū)林業(yè)局，杭州 310019)

采用水文分析法對林區(qū)道路涵洞選址的研究

朱磊1，陳偉1，鄭云峰1，金久宏2

(1.國家林業(yè)局華東林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計院，杭州310019；2.杭州市蕭山區(qū)林業(yè)局，杭州 310019)

為了對林區(qū)道路的涵洞進(jìn)行科學(xué)選址，本文以杭州市蕭山區(qū)為研究區(qū)域，以DEM數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，采用GIS水文分析法對DEM進(jìn)行填充洼地、計算流向、計算匯流累積量、閾值篩選、疊加求交等操作，得到涵洞選址大致位置，從而進(jìn)行小范圍詳細(xì)勘察，得到合理的涵洞選址 。與傳統(tǒng)作業(yè)模式相比，該方法能充分依據(jù)GIS理論和計算機(jī)技術(shù)科學(xué)合理地選點(diǎn)，從而大大減少了外業(yè)勘查設(shè)計人員的工作量，不失為一種新的探索模式。

水文分析；林區(qū)道路；涵洞；DEM

0 引言

建設(shè)林區(qū)道路是促進(jìn)森林旅游及山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的有效途徑[1]。林區(qū)道路建設(shè)對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境破壞較大，建設(shè)不當(dāng)會引起山洪、泥石流、山體滑坡及水土流失等地質(zhì)災(zāi)害，因此防水排水工程至關(guān)重要，如何為林區(qū)道路的涵洞科學(xué)選址成為研究熱點(diǎn)。

水文分析法基于數(shù)字高程模型(DEM)建立水系模型，對流域水文特征和模擬地表水文過程進(jìn)行研究，并對未來的地表水文情況作出估計[2-3]。該方法廣泛應(yīng)用于區(qū)域規(guī)劃、農(nóng)林、災(zāi)害預(yù)測、道路設(shè)計等行業(yè)和領(lǐng)域[4-7]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對水文分析法及其應(yīng)用做了大量的研究。Nishio M等[8]對DEM進(jìn)行水文分析，模擬洪水水文過程，制定水文過程圖，從而精確劃分洪水區(qū)；Jaseim E S等[9]對DEM進(jìn)行水文分析，提取伊拉克基爾庫克省內(nèi)的水路信息，精度較高；馬勤學(xué)等[10]基于水文分析法提取水系網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)水系分級，合理設(shè)置水土保持防護(hù)措施；張國珍、安祺等[11-13]對10m分辨率的DEM進(jìn)行水系提取，提取的結(jié)果與地形圖數(shù)據(jù)做對比，發(fā)現(xiàn)精度很高。Walker Jeffrey P、Kenward T[14-16]等研究表明，水文信息提取精度與DEM分辨率有很大關(guān)系，分辨率過低不能真實(shí)反映地形地貌特征，分辨率過高，易產(chǎn)生零碎斑塊，影響精度。林區(qū)道路涵洞選址的精度取決于水文信息的提取精度，而水文信息的精度與DEM的分辨率和處理方法有關(guān)。本文將水文分析法方法應(yīng)用到林區(qū)道路涵洞選址中，通過林區(qū)道路與水文、水系交叉求交集得到涵洞大致位置，然后人工對重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)勘察設(shè)計，此方法可大大減少外業(yè)工作量，提高工作效率，不失為一種新的探索模式。

本文以5m分辨率DEM為基礎(chǔ)，首先，對DEM進(jìn)行填洼操作、流向計算、流量計算，得到累積流量柵格圖；然后，通過設(shè)置閾值，進(jìn)行柵格計算，得到符合精度要求的柵格水系圖；最后，把柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為矢量數(shù)據(jù)，與林區(qū)道路求交集，得到涵洞布置點(diǎn)。

1 數(shù)據(jù)及處理

1.1 研究區(qū)概況

浙江省杭州市蕭山區(qū)地處錢塘江南岸，為杭州市南大門，介于東經(jīng)120°04′22″～120°43′46″，北緯29°50′54″～ 30°23′47″，土地總面積1 414.17 km2，全境東西寬約57.2 km，南北長約59.4 km(如圖1所示)。屬于浙東低山丘陵區(qū)北部至浙北平原南部的過渡地區(qū)，地勢南高北低，自西南向東北傾斜，中部略呈低洼。全境可分為4個不同特征的地貌區(qū)：低山區(qū)、丘陵區(qū)、山間河谷平原區(qū)、錢塘江河口平原區(qū)。

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Study Area

蕭山區(qū)江河眾多，水網(wǎng)密布，水系發(fā)達(dá)，水域面積約241.4 km2，占全區(qū)土地總面積的17.7%。本區(qū)主要江、河、湖泊，按地理位置和河流特征，可分為北部、中部、南部3個自然區(qū)域，相應(yīng)形成3個既自成體系又相互關(guān)聯(lián)的水系，統(tǒng)屬錢塘江水系。境內(nèi)森林物種較多，因人類活動頻繁，原生植被基本已消失，局部保留天然次生林。主要森林植被類型有暖性針葉林、常綠闊葉林、落葉闊葉林、常綠落葉闊葉混交林、針闊混交林、竹林、經(jīng)濟(jì)林和灌木林等。

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

研究以1∶2 000基礎(chǔ)地形圖為數(shù)據(jù)源，坐標(biāo)系為國家2 000大地坐標(biāo)，等高距為2 mm。該數(shù)據(jù)精度較高，能精細(xì)表達(dá)地形地貌。采用Arcgis對地形圖處理流程如下：①提取等高線，對等高線進(jìn)行范圍裁剪；②對等高線進(jìn)行空間插值操作，生成5 m分辨率DEM；③對DEM進(jìn)行空間投影，投影方式為高斯克呂格，3°帶，40帶號，中央經(jīng)線為120°。由此得到的5 m分辨率DEM。

2 選址方法

2.1 選址原則

(1)減少對生態(tài)環(huán)境的破壞和降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的風(fēng)險。依據(jù)地形地貌的水文特征合理布設(shè)涵洞，做到充分利用自然地形。

(2)合理設(shè)置匯流累積量閾值，均勻布設(shè)涵洞。匯流累積量小的地方通過設(shè)置排水溝，引導(dǎo)匯集附近涵洞排水。

(3)林區(qū)道路建設(shè)中應(yīng)處理好技術(shù)指標(biāo)選用與生態(tài)保護(hù)的關(guān)系。道路設(shè)計時要充分考慮道路建設(shè)對森林、景觀、野生動植物、生物多樣性和其他自然資源保護(hù)的影響。

2.2 選址技術(shù)路線

涵洞選址首先是對DEM進(jìn)行預(yù)處理，得到高精度基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；其次合理設(shè)置閾值，并結(jié)合地形圖的水系數(shù)據(jù)進(jìn)行對比修正；然后由水文分析法得到的水系圖與林區(qū)道路進(jìn)行疊加求交集，得到涵洞初步選址點(diǎn)；最后再與林相圖疊加，綜合考慮，篩選出最優(yōu)結(jié)果。如圖2所示。

圖2 技術(shù)流程圖Fig.2 Flow Chart of the Methods

(1)填充洼地：在【ArcToolbox】中，執(zhí)行命令[SpatialAnalyst工具]→[水文分析]→[填洼]。DEM四周較高區(qū)域圍繞的洼地，影響水的流向，無法進(jìn)行有效的水文分析。洼地產(chǎn)生主要有兩方面原因：一是在對矢量等高線進(jìn)行空間插值的時候，產(chǎn)生局部誤差，這種誤差不可避免；二是山地林區(qū)存在山塘水池、采石場、泥水沖刷溝壑等真實(shí)地形地貌。如圖3所示，填洼前，有部分區(qū)域顯示 “椒鹽現(xiàn)象”，實(shí)為洼地，填洼后，該區(qū)域洼地消失。對DEM進(jìn)行填洼后，得到質(zhì)量較高的DEM。

圖3 填充洼地效果Fig.3 The effect of filling depression

(2)計算流向：在【ArcToolbox】中，執(zhí)行命令[SpatialAnalyst工具]→[水文分析]→[流向]。對DEM進(jìn)行填洼后，DEM表面比較平滑，滿足水流動力條件。計算水流方向是創(chuàng)建從每個像元到其最陡下坡相鄰點(diǎn)的流向的柵格單元，根據(jù)像素點(diǎn)與四周等距像素點(diǎn)的高程差來決定水流方向。水流流向的精度跟填洼質(zhì)量密切相關(guān)。本文流向分為1(東)、2(東南)、4(南)、8(西南)、16(西)、32(西北)、64(北)、128(東北)八個方向，如圖4所示。

圖4 水流流向圖Fig.4 Flow direction

(3)計算匯流累積量：在【ArcToolbox】中，執(zhí)行命令[SpatialAnalyst工具]→[水文分析]→[流量]。對流向柵格的每個像元累計流量進(jìn)行統(tǒng)計，流量累積將基于流入輸出柵格中每個像元的像元數(shù)。高流量的輸出像元是集中流動區(qū)域，可用于標(biāo)識河道。流量為零的輸出像元是局部地形高點(diǎn)，可用于識別山脊，如圖5所示，白色線條為匯流累積量較大區(qū)域。

圖5 流量分布Fig.5 The distribution map of flow accumulation

(4)提取水文特征：在【ArcToolbox】中，執(zhí)行命令[Spatial Analyst 工具]→[地圖代數(shù)]→[柵格計算器]，在[地圖代數(shù)表達(dá)式]中輸入公式：Con(Flow Accumulation1>600，1)。上步得到的匯流流量柵格數(shù)據(jù)是像元值連續(xù)的柵格數(shù)據(jù)，需要設(shè)置合理閾值，提取滿足精度要求的水文特征線。根據(jù)經(jīng)驗閾值設(shè)置為600，與實(shí)際地形比較吻合。如圖6所示，細(xì)黑色為基礎(chǔ)地形圖水系，粗黑色部分為提取水文特征線，疊加分析，吻合較好。

(5)柵格水系矢量化：對上步得到的水文特征線進(jìn)行矢量化后得到矢量水文特征線，由于柵格數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為矢量易產(chǎn)生鋸齒狀，為此，需要進(jìn)行平滑處理。

(6)矢量水文特征線與林區(qū)道路求交集即可得到涵洞坐標(biāo)點(diǎn)。

圖6 水文特征線與水系對比Fig.6 Comparison between hydrological characteristic line and river system

3 結(jié)果分析與討論

3.1 涵洞初始布設(shè)結(jié)果

由圖7可以看到涵洞布設(shè)在水文特征線與林區(qū)道路交叉點(diǎn)處，在此處設(shè)置涵洞可以解決以下幾個問題：①充分利用地形地貌特征，減少土方施工；②積水順流而下，自然通過涵洞，減少泥水沖刷，有效保護(hù)了生態(tài)環(huán)境；③借助于GIS空間分析方法，可大大減少施工勘查的工作量，有效輔助涵洞的科學(xué)布設(shè)。

圖7 涵洞選址結(jié)果Fig.7 Culver location results

3.2 需要注意的問題

(1)林區(qū)道路應(yīng)根據(jù)沿線地面水和地下水等情況，設(shè)置必要的邊溝、截水溝、排水溝和盲溝等排水設(shè)施，與涵洞融會貫通。

(2)涵洞選址正確的關(guān)鍵是匯流累積量閾值的篩選，篩選不當(dāng)會生成一些偽水系，所以建議選址后，進(jìn)行抽樣驗證。

(3)本文主要是研究涵洞選址，但需要根據(jù)現(xiàn)地情況進(jìn)行合理修正。比如有的地方水流量較大，溝壑跨度較寬，這時可能需要修建橋梁。

4 結(jié)束語

本文以杭州市蕭山區(qū)為研究區(qū)域，采用GIS水文分析法來對蕭山林區(qū)的道路涵洞進(jìn)行選址。采用地形圖精度較高，生成DEM也比較精細(xì)。并對DEM進(jìn)行填洼、計算流向、計算匯流累積量等步驟得到水文特征線，最終水文特征線與林區(qū)道路進(jìn)行疊加求交，得到林區(qū)道路涵洞的坐標(biāo)點(diǎn)。

(1)該方法能充分依據(jù)GIS理論和計算機(jī)技術(shù)科學(xué)合理地選點(diǎn)，對于提高涵洞勘查選址精確度有一定的輔助作用。

(2)通過科學(xué)計算得到較為精確的重點(diǎn)區(qū)域，幫助外業(yè)人員重點(diǎn)作業(yè)，大大減少野外工作強(qiáng)度和周期。

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Research on Hydrological Analysis for Locating Forest Road Culvert

Zhu Lei1，Chen Wei1，Zheng Yunfeng1，Jin Jiuhong2

(1.East China Forest Inventory and Planning Institute，State Forestry Administration，Hangzhou 310019；2.Xiaoshan District Forestry Bureau of Hangzhou Municipality，Hangzhou 311203)

In order to scientifically locating forest road culvert，this paper takes Xiaoshan District of Hangzhou as the study area，using GIS hydrological analysis for filling DEM depressions，calculating flow direction and accumulation，selecting threshold，overlapping and intersecting the maps，etc.to get the location of culverts.After a small range of detailed investigation，a reasonable location of culverts can be obtained.Compared with the traditional work，this method can select the locations scientifically and reasonably based on GIS and computer technology.It can greatly reduce the workload of field survey，which can be a new exploration method.

Hydrological analysis；forest road；culvert；DEM

2016-10-28

國家自然科學(xué)基金資助課題(61201177)；國家林業(yè)公益性行業(yè)科研專項(201504323)

朱磊，碩士，高級工程師。研究方向：智慧林業(yè)應(yīng)用。

*通信作者：陳偉，博士研究生。研究方向：智慧林業(yè)與資源環(huán)境遙感。E-mail：lajiao.1225@163.com

朱磊，陳偉，鄭云峰,等. 水文分析法對林區(qū)道路涵洞選址研究[J].森林工程，2017，33(3)：85-88.

U 445.7

A

1001-005X(2017)03-0085-04