弃渣场集雨面积量算方法的分析探讨

苏 英，唐 铭

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

弃渣场防护措施，既是水土保持设计的重点内容，又是水土保持监测、监管、验收的重要对象，规范和合理的弃渣场设计在建设项目水土保持工作中至关重要。在弃渣场设计中，截水沟设计为重要一环，而集雨面积的量算是截水沟设计的首要任务及重点，集雨面积量算不准确，可能导致截水沟设计错误，如采取较小尺寸的截水沟，遇连续大降雨时无法及时排水而导致渣场水土流失甚至渣体失稳，危害下游安全，因此，开展弃渣场设计需要重视集雨面积的量算。

结合广西区内水土保持工作情况，弃渣场设计周期与集雨面积量算时长具有较高的相关性，特别是遇到重大项目，有多个弃渣场甚至几十个弃渣场的，设计人员量算弃渣场集雨面积耗时较长，弃渣场设计周期也较长。量算弃渣场集雨面积通常采用CAD 在小比例地形图上量算和采用ArcGIS 水文分析工具量算[1]两种方法，两种方法均能实现集雨面积量算，但受基础资料、人为判断、软件运行等因素影响，量算的精度会有差异。本文拟从数据收集、操作便捷性和直观效果进行分析比较，推荐更便捷高效、精度可靠的方法来提高弃渣场集雨面积量算精度和效率。

1 量算方法分析对比

1.1 集雨面积量算方法

目前量算集雨面积方法主要有两种：①利用CAD 在地形图上框算集雨面积，首先收集1∶10 000或1∶50 000比例地形底图插入CAD，然后结合现场地形、地貌，根据山脊走向勾勒山脊线，形成封闭的区域，最后利用CAD 查询功能获得集雨面积，简称“CAD法”；②利用ArcGIS分析工具量算集雨面积，首先在ArcGIS中加载DEM高程数据，利用水文分析工具中“填洼”“流向”“流量”功能对高程数据进行处理，然后利用“栅格计算器”“栅格河网矢量化”提取河网栅格矢量数据，平滑处理后进行“盆域分析”，并将流域栅格转化为矢量图层，最后根据弃渣场所在位置选择小流域进行面积统计，简称“ArcGIS法”。

CAD 法与ArcGIS 法量算弃渣场集雨面积流程见图1。

图1 CAD法与ArcGIS法量算弃渣场集雨面积流程图

1.2 不同集雨面积量算方法对比分析

1.2.1 操作便捷性

CAD 法量算集雨面积共需要4 个步骤，操作步骤简单，容易上手，但当弃渣场加载多幅jpg或tif等格式地形图时，拼接相邻图幅需人为反复校准，拼接速度慢、精度低。而ArcGIS 法逐一操作需要10个步骤，较为繁琐，但通过模型构建器[2]创建“河流模型”“分水岭模型”两个模型后，即可将10 个步骤减少为5个步骤，操作耗时大幅减少，且加载多幅底图可自行配准，省去了人为校准的时间。从步骤操作便捷上看，CAD 法与ArcGIS 法步骤相差不大，但ArcGIS法能够自行配准，加载多幅底图的操作耗时大幅减少。

1.2.2 资料获得

CAD 法与ArcGIS 法都需要获得小比例底图，CAD法采用传统小比例地形底图，如1∶50 000地形图、1∶10 000 地形图，通常根据工作需要向地方测绘地理信息部门申请，往往受经费、时间等因素限制。与CAD法不同的是，ArcGIS法可采用5 m、12.5 m、30 m 等分辨率的DEM 高程数据，其中5 m、12.5 m分辨率数据可根据工作需要向地方测绘地理信息部门申请，30 m分辨率以上可在地理空间数据云网站自行下载，获得途径相对广，且使用地理空间数据云网站下载便捷快速，不受采购时间限制。

1.2.3 数据精度

（1）加载底图过程。CAD 法容易出现拼接错位，且与工作底图比例尺、等高线精度有关，受收集资料限制，当将不同比例尺或不同等高线地形图进行相邻区域拼接时，等高线不能完全衔接，可能缩小或扩大集雨面积范围，导致精度受影响。而Arc⁃GIS 法直接加载后一般能自行配准，相邻图幅重合精度高。

（2）绘制流域过程。CAD法精度与主观因素高度相关，如判断地形图上山脊方向不熟练，在地形图上沿山脊走向勾勒山脊线没有处处与等高线垂直等，可能缩小或扩大集雨面积范围，精度偏低。而ArcGIS法经模型构建器简化步骤后，避免了各步骤分析过程因设计人员操作不当造成弃渣场周边不能形成小流域的现象，在一定程度上，ArcGIS 法设计精度相比CAD法更优。

（3）读取信息过程。CAD法读取信息过程面积精度一般不受影响，而ArcGIS法则因为形成小流域较多，选取面积汇总的过程中容易缺漏导致精度受影响。

1.2.4 平均耗时

以不同方法量算环北部湾广西水资源配置工程弃渣场集雨面积为例，量算10个弃渣场集雨面积时，CAD 法总耗时为170.0 min（平均用时为17.0 min），ArcGIS 法按10 个步骤逐一操作时，总耗时为135.0 min（平均用时为13.5 min），ArcGIS 法经简化操作步骤后，总耗时为58.0 min（平均用时为6.0 min）。从总耗时和平均耗时上看，量算多个弃渣场集雨面积时ArcGIS法耗时比CAD法要少。

1.2.5 对比成果

采用不同方法量算弃渣场集雨面积的工作流程类似且比较成熟，流程步骤都已基本成型，但CAD法量算耗时长，设计周期和设计精度受底图资料、人为因素、软件运行情况影响大，而ArcGIS法各步骤均为工具分析，自动化程度高，受人为因素影响小，分析结果精准、客观，经简化步骤后，ArcGIS法耗时更短。

2 效益分析

（1）技术效益。通过对比CAD 法和ArcGIS 法量算集雨面积，ArcGIS 法量算集雨面积更能直观、真实反映弃渣场周边汇水情况，且量取多个弃渣场集雨面积时，ArcGIS 法总时长相对CAD 法大幅减少，集雨面积量算的精度也比CAD 法要高。因此，简化的ArcGIS 法量算集雨面积能为设计人员快速准确获得多个弃渣场集雨面积数据提供坚实基础，有效提高弃渣场设计的工作效率。

（2）经济效益。简化的ArcGIS 法量算集雨面积产生的经济效益往往是间接的，假定某项目需要布置30 个弃渣场，需要万分之一底图40 幅，采用CAD 法购入地形图成本2 万元，采用简化的ArcGIS法购入5 m 分辨率DEM 高程数据成本仅需0.4 万元，节约了资料成本1.6万元，同时，在仅投入1名设计人员的情况下，采用简化的ArcGIS 法可节约5.5个工时，按人均工时114元/工时（由工程师800元/d换算得到）计算，采用简化的ArcGIS 法可节约人力成本约627元，最终该项目能节约16 627元。另外，利用简化的ArcGIS法，每台电脑不需要生成动辄几十上百兆的文件数据，大大减轻了电脑存储空间的压力，减少了电脑更新配置的频次，有利于节约固定资产维护成本。在人力资源有限的情况下，简化的ArcGIS法能够在节约成本的同时提升工作效率，使得设计人员可以以更短的时间提供更高质量的成果，有效地提升公司产品和服务形象，带来巨大经济效益。

（3）社会效益。如前文所述，量算集雨面积除应用在生产建设项目的弃渣场外，在获取生产建设项目土料场集雨面积以及在小流域综合治理类项目获取小流域面积的应用频率也非常高，简化的ArcGIS 法可为水土保持设计工作者提高设计产品的质量和效率。

3 讨论

简化的ArcGIS法操作简便，但该方法是基于利用模型构建器简化步骤的方法，在操作之初可能存在绘制流域过程中分析失败的情况，需要反复插入工具、创建变量、链接工具、运行验证，对于不熟悉ArcGIS分析工具的人员，难以在短时间内构建出相应模型，建议在使用方法前多查阅相关资料或请教地理信息专业人员。另外，笔者在前文中提到Arc⁃GIS 法可采用5 m、12.5 m、30 m 等分辨率的DEM 高程数据进行处理，但因时间和精力问题，未能进一步分析利用不同分辨率DEM 高程数据获取集雨面积的精度差异，此项问题有待进一步研究和探讨。