利用Arcgis Pro结合HECRAS在河道治理工程中的应用分析——以庐江果元河为例

马 强

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 合肥分公司，合肥 230031)

果元河又名闸口河，为金牛河的主源，河道东北流，河道上游建有果元山水库。自果元山水库流出，经舒庐干渠、万山镇开发区、金牛镇至回龙桥左纳长冲河来水，果元河流域面积48.1 km2，其中果元山水库以上流域面积12.5 km2，水库以下区间流域面积34.0 km2。果元河河道长22.74 km，其中舒庐干渠果元河泄洪闸-回龙桥段河道长19.1 km。

果元山水库坐落于庐江县万山镇南约4 km处，属于金牛河右支上游，是一座以灌溉、防洪、城镇供水为主，兼有水产养殖等综合利用的小(Ⅰ)型水库。水库下游防洪保护耕地0.133 3×104hm2、人口3万人、万山集镇以及合安高速、合九铁路、军二路等重要设施，并承担向庐江县近20万人口提供生产和生活用水任务。水库枢纽主要建筑物有大坝、正常溢洪道、非常溢洪道、放水涵等，大坝为均质土坝，全长843 m，坝顶宽5 m。水库防洪标准为50年一遇设计、1 000年一遇校核。水库设计洪水位50.48 m，校核洪水位51.30 m，总库容925×104m3。

限于篇幅，本研究仅选取果元山水库坝下3.8 km河段进行分析。

1 软件介绍

1.1 Arcgis Pro

Arcgis Pro是Arcmap的迭代产品。随着二维应用的成熟和趋同，三维数据采集成本的降低、计算机技术与硬件的发展，三维的需求不断增强，并衍生出新的需求，如BIM、VR/AR等，使三维在更多的领域得到了广泛的应用，如数字城市、智慧城市、城市规划等。Arcgis Pro在这种情况下应运而生，其不再依托于其他产品，本身即可同时加载二维三维数据，实现二维三维一体化。Arcgis Pro所支持的主要三维数据类型有multipatch、Revit、倾斜摄像模型、DEM数据等。

1.2 HECRAS

HECRAS是美国陆军工程兵团工程水文中心(HEC)开发的河道水力计算程序(River Analysis System)。HECRAS目前的模拟能力包括河道一维恒定流、一维/二维非恒定流、一维泥沙输移/水质模型。此外，还支持坝、堰、堤、桥梁、涵管、闸门等水工建筑物的水力建模模拟。

2 河道现状实测断面数字模型的构建

根据工程设计过程中实测河道现状断面地形图的坐标系，在Arcgis Pro中新建工程并选择与实测地形图相同坐标系(国家2000高斯克吕格3°117投影坐标)，见图1。

图1 Arcgis Pro文档选择合适的投影坐标系

河道横断面在实测CAD地形图中均以点高程来进行描述，因此在构建河道断面三维模型之初，可以在CAD中快速将能够表达河道断面高程信息的高程点先选择出来，将此高程点数据单独导入Arcgis Pro，定义其坐标系后，用地形转栅格工具构建实测河道的三维模型；也可以用Arcgis Pro中CAD转地理数据库工具，直接将实测CAD河道地形图中所有的信息统一导入地理数据库，在地理数据库中根据属性表中Layer属性，选择GCD图层点数据后用地形转栅格工具构建河道三维模型。

考虑到后期要结合HRCRAS中的RAS mapper工具进行河道设计，而RAS mapper中不仅仅需要河道三维数字模型，同时也需要河道中心线(用以描述河道的真实走向及计算河道各断面之间的实际距离)、河道断面(Cross Sections)，因此选择先将CAD地形直接转到地理数据库，再进行河道断面模型构建。

2.1 输入要素的类型说明

构建河道断面三维模型需要包含要插值到表面栅格中z值的输入要素，也就是前步骤中点数据中的GCD数据。利用地形转栅格工具构建河道断面需要的要素数据包含以下3个方面：

1)要素图层：输入要素数据集。

2)字段：用于存储属性的字段名称(适当时)。

3)类型：输入要素数据集的类型(图2)。

图2 地形转栅格工具要素数据的参数要求

这里有必要对要素图层的类型选择做详细说明，共包含9种数据类型。

1) Point elevation：表示表面高程的点要素类。“字段”用于存储点的高程。

2) Contour：表示高程等值线的线要素类。“字段” 用于存储等值线的高程。

3) Stream：河流位置的线要素类。所有弧线必须定向为指向下游。要素类中应该仅包含单条弧线组成的河流。此输入类型没有“字段”选项。

4) Sink：表示已知地形凹陷的点要素类。此工具不会试图将任何明确指定为汇的点从分析中移除。所用“字段”应存储了合理的汇高程。如果选择了 NONE，将仅使用汇的位置。

5) Boundary：包含表示输出栅格外边界的单个面的要素类。在输出栅格中，位于此边界以外的像元将为 NoData。此选项可用于在创建最终输出栅格之前沿海岸线裁剪出水域。此输入类型没有“字段”选项。

6) Lake：指定湖泊位置的面要素类。湖面内的所有输出栅格像元均将指定为使用沿湖岸线所有像元高程值中最小的那个高程值。此输入类型没有“字段”选项。

7) Cliff：悬崖的线要素类。必须对悬崖线要素进行定向以使线的左侧位于悬崖的低侧，线的右侧位于悬崖的高侧。此输入类型没有“字段”选项。

8) Exclusion：其中的输入数据应被忽略的区域的面要素类。这些面允许从插值过程中移除高程数据。通常将其用于移除与堤壁和桥相关联的高程数据。这样就可以内插带有连续地形结构的基础山谷。此输入类型没有“字段”选项。

9) Coast：包含沿海地区轮廓的面要素类。位于这些面之外的最终输出栅格中的像元会被设置为小于用户所指定的最小高度限制的值。此输入类型没有“字段”选项。

根据不同数据类型的说明，构建河道断面三维模型最重要的需要Point elevation(点高程)、Contour(等高线)、Stream(河流位置线)、Boundary(边界条件)、Lake(湖泊位置)等数据来构建适合的河道断面模型。

2.2 构建模型的工况

1) 工况1。根据数据类型的说明，果元河河道断面三维模型构建最多适合选择3种数据类型来构建河道断面模型，即Point elevation、Stream、Boundary，分别为点高程、河道走向及拟构建河道断面三维模型的边界范围。输出像元大小选择2 m，输入数据的主要类型选择点，其余参数选择默认。

2) 工况2。选择Point elevation、Boundary两种数据类型构建模型。输出像元大小选择2 m，输入数据的主要类型选择点，其余参数选择默认。

3) 工况3。选择Point elevation、Boundary两种数据类型构建模型。输出像元大小选择2 m，输入数据的主要类型选择点，离散误差系数选择0.25(即对数据的平滑处理最少)。

各工况参数选择情况见表1。

表1 各工况参数选择

2.3 河道断面模型数据概览

直接按照上述3种工况设置相应参数，运行后生成边界范围内的3个河道断面三维模型数据，见图 3。

图3 按河道治理范围模拟河道断面三维模型

根据Arcgis Pro对于所构建的河道断面模型进行统计分析，结果见图4及表2。

图4 河道断面高程直方图

表2 河道断面高程模型统计数据表

由图 4及表 2可知，河道断面模型的最大值、最小值并不会因参数选取的不同而有较明显的改变。问题在于如果选择了指向下游的Stream线作为生成河道断面模型的数据类型之一，会导致河道断面河底高程沿河流方向一直降低，而实际情况是河道纵断面线有可能存在局部倒坡或者平坡。

因此，将利用Arcgis Pro所生成的河道断面三维模型，转换为tif格式后导入HECRAS中的RASmapper工具，逐断面读取河道横断面数据，并与实际测量结果比较，确定用于河道断面设计的参数选取值。

3 将河道断面数字高程导入HECRAS的方法

打开RASMapper工具，这里主要用到Terrains文件，利用上节中的tif河道断面三维模型可以直接创建Hecras所支持的Terrains文件，而Terrains文件允许操作者直接划横断面线读取相应高程数据。

将3种工况下的河道断面模型分别导入HECRAS中的RASmapper，可以看到工况1有明显的河道中心线痕迹，而工况2、工况3则不会出现这种情况，见图 5。

图5 工况1河道断面模型概览图

此时，通过RASmapper中的Measure distance工具，划横断面线即可读取3种工况下的河道断面数据。试取下游某一断面观察，工况1所生成的河道断面模型确实在计算时降低了河底高程，产生了不小的误差，与实际情况不符；而工况2、工况3在给定的测量断面情况下所获取的断面高程数据没有差别(图6)，但在给定河道断面范围以外进行插值计算时，工况2所反映出来的河道断面更平滑。

图6 利用Measure distance工具读取各工况河道断面图

为了进一步验证哪种工况对于河道规划设计更为合理、更接近实测断面数据，可以在RASmapper工具中直接将所有横断面线导入(前提是所有的数据均保持在相同的坐标系下)，让相同的横断面线分别获取工况1至工况3下的河道断面数据，因工况2、工况3在给定断面的情况下高程数据不会有任何差别，故仅对工况1、工况2加以分析。

可以看到，在里程2 000至里程0范围内，工况2的河底高程均大于工况1。其中，在里程580，河底高程工况2高于工况1多达1.02 m；在里程873、里程984，则分别高0.59和0.41 m，见图7。

图7 工况1、工况2河道纵断面图

将工况1、工况2分别根据模型读取的断面数据与实测值(认为是真值)进行回归分析，结果显示无论是工况1还是工况2，总体上相关系数R、测定系数RSquare均高度接近于1，表明模型模拟的数值与实际测量值拟合程度非常高。但是将工况1、工况2两者进行比较，工况2的标准误差更小，见表3。

表3 回归分析

因此，可直接选择工况2的河道断面数据进行现状、规划设计水位的模拟计算。

4 结 语

1) 利用实测的CAD河道断面地形图，通过Arcgis Pro地形转栅格工具，可以方便构建河道断面三维模型。该模型可以直接结合HECRAS用于河道断面设计，在给定上游河道流量、下游河道水位等边界条件下，可以快速计算河道现状水位。同时，实测地形图不仅含有河道横断面高程信息，同样包含河道堤防高程、堤后地形等情况，可以在一个工程文件中比较现状水位与现状堤防的相应关系，为后续工程设计提供必要的基础计算。

2) 在构建河道三维断面模型时，是否需要添加河道中心线作为stream数据类型要视情况而定。若添加了stream所生成的模型中河道纵断面线会一直下切，有可能与实际的河道断面高程数据不符。stream数据常用于模拟山区河道三维模型，平原区河道则以不选择stream数据为宜。

3) 关于像元精度，本文以2 m精度计算。在工程实践中，要根据工程所涉河道规模大小选择合适的像元大小，大河道可以选择稍大的像元精度，小河道则根据断面实测点的密度选择较小的像元精度。同时，关于离散误差系数，建议选上限值更符合实际断面的变化规律。

4) 在与HECRAS结合应用中，HECRAS中的river线、cross section线都是具有方向的，river线需要从上游向下游绘制，cross section线需从左岸向右岸绘制。否则，无法正确从模拟的河道模型中读取相应数据。