高原无资料地区河道管理范围划定技术研究

梁汝豪，美 多，才旺尼玛，刘画眉，林美兰

(1.广东省水利水电科学研究院，广州 510635；2.广东省水动力学应用研究重点实验室，广州 510635；3.林芝市水利局，西藏 林芝 860000；4.米林县水利局，西藏 林芝 860500)

1 概述

依法划定河湖管理范围，明确河湖管理界线，是加强河湖管理的基础性工作，也是《中华人民共和国水法》《中华人民共和国防洪法》和《中华人民共和国河道管理条例》等法律法规作出的规定，更是中央全面推行河长制湖长制的明确任务要求。

2014年水利部《水利部关于开展河湖管理范围和水利工程管理与保护范围划定工作的通知》[1]及2016年中共中央办公厅、国务院办公厅《关于全面推行河长制的意见》[2]印发以来，各地方按照依法依规、缓急有序、先易后难、因地制宜、分级负责的基本原则，开展河湖管理范围和水利工程管理与保护范围划定工作，明确河湖及水利工程管理界线，加强河湖及水利工程的管理与保护。国内研究人员对管理范围划定过程中出现的技术难题和有效经验也进行了诸多研究和总结。赵巨伟等[3]因地制宜确定不同河段类型的范围标准，探索以内业为主、外业为辅的河道管理范围划界方法。殷丹[4]为提高河湖管理范围划界工作效率，开展 ArcGIS 应用研究，介绍了ArcGIS 在管理范围划定工作中发挥的重要作用。王鑫平[5]采用水文比拟法、由暴雨推求设计洪水法、洪峰流量经验公式分析计算10年一遇设计洪水，推算柔远川河道水面线，为河道管理范围划定提供技术支撑。邓沐平等[6]基于江西省情，提出了江西省河湖划界标准，为江西省内开展河湖划界工作奠定工作基础，对于国内开展河湖划界工作也具有一定的参考意义。

在高原地区开展管理范围划定工作时，由于当地人口密度小，大部分河道都为山高谷深、比降大、河水急、无资料的河道，难以开展实地查勘和地形测量。在内业工作中，此类河道在绘制管理范围线时也存在耗时费力、随意性大等特点，影响划定成果的合理性和科学性，给后续河道日常管理造成不便。本文以西藏林芝市拉月曲上游段为例，以数字高程模型(DEM)为数据基础，采用ArcGIS软件对DEM进行地形信息提取，通过水文分析计算推求水面线，对水面线成果进行插值后提取插值栅格与DEM交线，结合人工修正方式最终确定河道管理范围线，为高原无资料地区河道的管理范围划定提供研究思路和技术支撑。

2 研究区域

拉月曲是帕隆藏布中下游右岸的一级支流，发源于巴宜区鲁朗镇冲果俄附近冲果错上游冰川，从发源地到河口主流大致为从西向东北流，在力苏折向东南流，向下依次经过贡定、贡次、巴嘎、白木、东久在执巴村附近右纳最大支流鲁朗河，汇合后又折向东北向下流经德拉村、拉月村在巴宜区鲁朗镇排龙以下约8 km处于右岸汇入帕隆藏布。拉月曲干流全长为87 km，流域面积为2 854 km2。水面落差为2 891 m，平均比降为33.23‰，多年平均径流量为34.8亿m3[7]。主要支流有下巴弄曲、拉木曲、上巴弄巴河、鲁朗河等。本次研究对象为拉月曲上游段，即鲁朗河汇入口以上长约51 km的河段，该段河谷大部分较窄深，呈典型“V”字型。

3 技术路线与数据来源

3.1 技术路线

本文基于数字高程模型(DEM)，采用ArcMap 10.8软件从DEM提取研究河段纵断面和大断面数据。选取邻近水文站为参证站，按面积比指数法推求出口断面设计洪水，采用MIKE11一维水动力软件推求研究河段水面线。对计算得到的设计洪水位进行插值，得到洪水淹没范围，提取其与DEM交线，再结合影像进行人工修正后确定河道管理范围(技术路线见图1)。

图1 技术路线示意

3.2 数据来源

数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)作为地表高程信息的数据源﹐对于水土流失以及地形因子提取等地学研究具有关键性作用[8]。目前,最常用的几种全球数字高程产品 包括 ETOPO、GTOPO30、SRTM、GMTED2010、ASTER GDEM及AW3D30等[9]。本次采用ASTER GDEM V3数据。ASTER GDEM 是一类基于光学立体摄影测量获取全球高程的数据产品，ASTER GDEM V3数据发布于2019年，由日本ME'TI和美国NASA联合研制，分辨率为30 m。本次研究数据来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(http://www.gscloud.cn)。

4 地形信息提取

利用DEM可提取纵断面和大断面数据，利用于水面线计算。纵断面提取需结合河道中心线，采用“3D Analyst工具-功能性表面”中的重叠剖面工具，得到纵断面数据(如图2所示)。

图2 河道纵断面示意

本次沿河道中心线从上游到下游布设15处断面，平均间隔为2 km。同样采用重叠剖面工具，得到大断面数据(如图3所示)。

图3 大断面(以LYQ-15为例)示意

5 水面线计算

1)洪水特性

拉月曲流域汛期为5—10月，洪水主要由降水、冰雪融水和地下水形成，由于降水和融雪水在夏季最为活跃，因而一次洪水过程中，洪峰主要由降水形成，洪水基流则由冰雪融水和季节性地下水形成。

2)设计洪水

拉月曲流域内无长系列水文站点，附近仅有位于尼洋河的更张水文站，距本流域50 km，具有1978年建站至今的洪水观测系列，水文资料系列满足“三性审查”要求，且所在的尼洋河流域与本流域水文特性相似，洪水均由降水和冰雪融水形成，本次选取更张站作为推算拉月曲流域设计洪水的参证站，按面积比指数法推求出口断面设计洪水，计算公式如下：

(1)

式中：

n值在中小流域一般为0.5～0.7，本次取0.7；

F设——设计断面控制集水面积，km2；

F参——参证站控制集水面积，km2；

Q设——设计断面多年平均洪峰流量均值，m3/s；

Q参——参证站多年平均洪峰流量均值，m3/s。

根据《拉月曲流域综合规划》[10]，更张站年最大洪峰流量P-III 分布统计参数及各频率设计洪峰流量成果见表1。

表1 更张站年洪峰流量频率计算成果 m3/s

根据更张站计算成果可推求拉月曲上游段出口断面设计流量，设计水位采用《拉月曲流域综合规划》[10]水面线成果(见表2)。根据《防洪标准》(GB 50201—2014)[11]，由于拉月曲流域人口密度低，耕地面积小，社会经济发展相对缓慢，且流域地势总体较高，防护对象分布零散，本文按10年一遇防洪标准确定河道管理范围。

表2 拉月曲上游段出口断面设计洪水成果

3)水面线计算结果

水位流量边界及断面数据确定后，采用MIKE11一维水动力软件推求研究河段水面线，糙率取0.05，计算结果见表3。

表3 水面线计算成果

6 管理范围划定

利用前文计算得到的水面线成果，划定河道管理范围。由于只计算得到大断面处的洪水水位，对于无资料河道的其他河段，难以科学合理地确定水位与岸坡交线，且大断面间的管理范围线需人工绘制，费时费力，主观性强。本次通过洪水位插值得到新的栅格，再与DEM进行叠加，提取两者交线，即管理范围线。

6.1 洪水位插值

为提高插值点密度，在每个大断面设置6个水位点，各个大断面的点都赋上表3对应的水位数据，对于同一个大断面，水位点的赋值相同。采用“Spatial Analyst 工具-插值分析”中的样条函数法[12]，该方法适用于逐渐变化的曲面，如温度、高程、地下水位高度或污染浓度等。将水位点导入，插值得到新的栅格，即洪水淹没范围。

6.2 提取管理范围线

前文插值得到的“洪水淹没范围”只是栅格数据，需提取其与DEM的交线，得到管理范围线，具体步骤如下：

1)采用“Spatial Analyst 工具-数学分析”中的减法工具，输入“洪水淹没范围”栅格和DEM，输出差值栅格；

2)采用“3D Analyst工具-栅格表面”中的等值线工具将差值栅格转换为等值线，等值线间距设为1；

3)由于“洪水淹没范围”栅格和DEM相交处差值为0，因此需提取差值栅格等值线中高程值为0的线，再结合影像进行人工修正，得到管理范围线。

6.3 三维效果展示

为直观清晰地展示管理范围线划定成果，可使用ArcScene软件进行三维展示[13](如图4所示)。

a 叠加地形

7 结语

1)针对无资料地区绘制管理范围线时存在耗时费力、主观性强等问题，本文以西藏林芝市拉月曲上游段为例，以数字高程模型(DEM)为数据基础，采用ArcGIS软件对DEM进行地形信息提取，通过水文分析计算推求水面线，对水面线成果进行插值后提取插值栅格与DEM交线，结合人工修正方式最终确定河道管理范围线。本次研究提出的方法提高了工作效率，降低了工作难度，为高原无资料地区河道的管理范围划定提供研究思路和技术支撑。

2)由于本次研究使用的ASTER GDEM V3数据空间分辨率仅为30 m，难以准确反映河床及岸坡地形，导致生成的管理范围偏大，可结合实测地形和高精度影像进行修正。