采用水文分析法对林区道路涵洞选址的研究

朱磊，陈伟，郑云峰，金久宏

(1.国家林业局华东林业调查规划设计院，杭州310019；2.杭州市萧山区林业局，杭州 310019)

采用水文分析法对林区道路涵洞选址的研究

朱磊1，陈伟1，郑云峰1，金久宏2

(1.国家林业局华东林业调查规划设计院，杭州310019；2.杭州市萧山区林业局，杭州 310019)

为了对林区道路的涵洞进行科学选址，本文以杭州市萧山区为研究区域，以DEM数据为研究基础，采用GIS水文分析法对DEM进行填充洼地、计算流向、计算汇流累积量、阈值筛选、叠加求交等操作，得到涵洞选址大致位置，从而进行小范围详细勘察，得到合理的涵洞选址 。与传统作业模式相比，该方法能充分依据GIS理论和计算机技术科学合理地选点，从而大大减少了外业勘查设计人员的工作量，不失为一种新的探索模式。

水文分析；林区道路；涵洞；DEM

0 引言

建设林区道路是促进森林旅游及山区经济发展的有效途径[1]。林区道路建设对当地生态环境破坏较大，建设不当会引起山洪、泥石流、山体滑坡及水土流失等地质灾害，因此防水排水工程至关重要，如何为林区道路的涵洞科学选址成为研究热点。

水文分析法基于数字高程模型(DEM)建立水系模型，对流域水文特征和模拟地表水文过程进行研究，并对未来的地表水文情况作出估计[2-3]。该方法广泛应用于区域规划、农林、灾害预测、道路设计等行业和领域[4-7]。近年来，国内外学者对水文分析法及其应用做了大量的研究。Nishio M等[8]对DEM进行水文分析，模拟洪水水文过程，制定水文过程图，从而精确划分洪水区；Jaseim E S等[9]对DEM进行水文分析，提取伊拉克基尔库克省内的水路信息，精度较高；马勤学等[10]基于水文分析法提取水系网络，并根据水系分级，合理设置水土保持防护措施；张国珍、安祺等[11-13]对10m分辨率的DEM进行水系提取，提取的结果与地形图数据做对比，发现精度很高。Walker Jeffrey P、Kenward T[14-16]等研究表明，水文信息提取精度与DEM分辨率有很大关系，分辨率过低不能真实反映地形地貌特征，分辨率过高，易产生零碎斑块，影响精度。林区道路涵洞选址的精度取决于水文信息的提取精度，而水文信息的精度与DEM的分辨率和处理方法有关。本文将水文分析法方法应用到林区道路涵洞选址中，通过林区道路与水文、水系交叉求交集得到涵洞大致位置，然后人工对重点区域进行详细勘察设计，此方法可大大减少外业工作量，提高工作效率，不失为一种新的探索模式。

本文以5m分辨率DEM为基础，首先，对DEM进行填洼操作、流向计算、流量计算，得到累积流量栅格图；然后，通过设置阈值，进行栅格计算，得到符合精度要求的栅格水系图；最后，把栅格数据转换为矢量数据，与林区道路求交集，得到涵洞布置点。

1 数据及处理

1.1 研究区概况

浙江省杭州市萧山区地处钱塘江南岸，为杭州市南大门，介于东经120°04′22″～120°43′46″，北纬29°50′54″～ 30°23′47″，土地总面积1 414.17 km2，全境东西宽约57.2 km，南北长约59.4 km(如图1所示)。属于浙东低山丘陵区北部至浙北平原南部的过渡地区，地势南高北低，自西南向东北倾斜，中部略呈低洼。全境可分为4个不同特征的地貌区：低山区、丘陵区、山间河谷平原区、钱塘江河口平原区。

图1 研究区域Fig.1 Study Area

萧山区江河众多，水网密布，水系发达，水域面积约241.4 km2，占全区土地总面积的17.7%。本区主要江、河、湖泊，按地理位置和河流特征，可分为北部、中部、南部3个自然区域，相应形成3个既自成体系又相互关联的水系，统属钱塘江水系。境内森林物种较多，因人类活动频繁，原生植被基本已消失，局部保留天然次生林。主要森林植被类型有暖性针叶林、常绿阔叶林、落叶阔叶林、常绿落叶阔叶混交林、针阔混交林、竹林、经济林和灌木林等。

1.2 数据来源与处理

研究以1∶2 000基础地形图为数据源，坐标系为国家2 000大地坐标，等高距为2 mm。该数据精度较高，能精细表达地形地貌。采用Arcgis对地形图处理流程如下：①提取等高线，对等高线进行范围裁剪；②对等高线进行空间插值操作，生成5 m分辨率DEM；③对DEM进行空间投影，投影方式为高斯克吕格，3°带，40带号，中央经线为120°。由此得到的5 m分辨率DEM。

2 选址方法

2.1 选址原则

(1)减少对生态环境的破坏和降低地质灾害发生的风险。依据地形地貌的水文特征合理布设涵洞，做到充分利用自然地形。

(2)合理设置汇流累积量阈值，均匀布设涵洞。汇流累积量小的地方通过设置排水沟，引导汇集附近涵洞排水。

(3)林区道路建设中应处理好技术指标选用与生态保护的关系。道路设计时要充分考虑道路建设对森林、景观、野生动植物、生物多样性和其他自然资源保护的影响。

2.2 选址技术路线

涵洞选址首先是对DEM进行预处理，得到高精度基础数据；其次合理设置阈值，并结合地形图的水系数据进行对比修正；然后由水文分析法得到的水系图与林区道路进行叠加求交集，得到涵洞初步选址点；最后再与林相图叠加，综合考虑，筛选出最优结果。如图2所示。

图2 技术流程图Fig.2 Flow Chart of the Methods

(1)填充洼地：在【ArcToolbox】中，执行命令[SpatialAnalyst工具]→[水文分析]→[填洼]。DEM四周较高区域围绕的洼地，影响水的流向，无法进行有效的水文分析。洼地产生主要有两方面原因：一是在对矢量等高线进行空间插值的时候，产生局部误差，这种误差不可避免；二是山地林区存在山塘水池、采石场、泥水冲刷沟壑等真实地形地貌。如图3所示，填洼前，有部分区域显示 “椒盐现象”，实为洼地，填洼后，该区域洼地消失。对DEM进行填洼后，得到质量较高的DEM。

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

(2)计算流向：在【ArcToolbox】中，执行命令[SpatialAnalyst工具]→[水文分析]→[流向]。对DEM进行填洼后，DEM表面比较平滑，满足水流动力条件。计算水流方向是创建从每个像元到其最陡下坡相邻点的流向的栅格单元，根据像素点与四周等距像素点的高程差来决定水流方向。水流流向的精度跟填洼质量密切相关。本文流向分为1(东)、2(东南)、4(南)、8(西南)、16(西)、32(西北)、64(北)、128(东北)八个方向，如图4所示。

图4 水流流向图Fig.4 Flow direction

(3)计算汇流累积量：在【ArcToolbox】中，执行命令[SpatialAnalyst工具]→[水文分析]→[流量]。对流向栅格的每个像元累计流量进行统计，流量累积将基于流入输出栅格中每个像元的像元数。高流量的输出像元是集中流动区域，可用于标识河道。流量为零的输出像元是局部地形高点，可用于识别山脊，如图5所示，白色线条为汇流累积量较大区域。

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

(4)提取水文特征：在【ArcToolbox】中，执行命令[Spatial Analyst 工具]→[地图代数]→[栅格计算器]，在[地图代数表达式]中输入公式：Con(Flow Accumulation1>600，1)。上步得到的汇流流量栅格数据是像元值连续的栅格数据，需要设置合理阈值，提取满足精度要求的水文特征线。根据经验阈值设置为600，与实际地形比较吻合。如图6所示，细黑色为基础地形图水系，粗黑色部分为提取水文特征线，叠加分析，吻合较好。

(5)栅格水系矢量化：对上步得到的水文特征线进行矢量化后得到矢量水文特征线，由于栅格数据转为矢量易产生锯齿状，为此，需要进行平滑处理。

(6)矢量水文特征线与林区道路求交集即可得到涵洞坐标点。

图6 水文特征线与水系对比Fig.6 Comparison between hydrological characteristic line and river system

3 结果分析与讨论

3.1 涵洞初始布设结果

由图7可以看到涵洞布设在水文特征线与林区道路交叉点处，在此处设置涵洞可以解决以下几个问题：①充分利用地形地貌特征，减少土方施工；②积水顺流而下，自然通过涵洞，减少泥水冲刷，有效保护了生态环境；③借助于GIS空间分析方法，可大大减少施工勘查的工作量，有效辅助涵洞的科学布设。

图7 涵洞选址结果Fig.7 Culver location results

3.2 需要注意的问题

(1)林区道路应根据沿线地面水和地下水等情况，设置必要的边沟、截水沟、排水沟和盲沟等排水设施，与涵洞融会贯通。

(2)涵洞选址正确的关键是汇流累积量阈值的筛选，筛选不当会生成一些伪水系，所以建议选址后，进行抽样验证。

(3)本文主要是研究涵洞选址，但需要根据现地情况进行合理修正。比如有的地方水流量较大，沟壑跨度较宽，这时可能需要修建桥梁。

4 结束语

本文以杭州市萧山区为研究区域，采用GIS水文分析法来对萧山林区的道路涵洞进行选址。采用地形图精度较高，生成DEM也比较精细。并对DEM进行填洼、计算流向、计算汇流累积量等步骤得到水文特征线，最终水文特征线与林区道路进行叠加求交，得到林区道路涵洞的坐标点。

(1)该方法能充分依据GIS理论和计算机技术科学合理地选点，对于提高涵洞勘查选址精确度有一定的辅助作用。

(2)通过科学计算得到较为精确的重点区域，帮助外业人员重点作业，大大减少野外工作强度和周期。

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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

国家自然科学基金资助课题(61201177)；国家林业公益性行业科研专项(201504323)

朱磊，硕士，高级工程师。研究方向：智慧林业应用。

*通信作者：陈伟，博士研究生。研究方向：智慧林业与资源环境遥感。E-mail：lajiao.1225@163.com

朱磊，陈伟，郑云峰,等. 水文分析法对林区道路涵洞选址研究[J].森林工程，2017，33(3)：85-88.

U 445.7

A

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