GIS分析模型在江河湖库无堤防河段管理范围线自动划定中的应用研究

李燕芳，黄永俊

（1.广西壮族自治区水利科学研究院 广西水工程材料与结构重点实验室，南宁 530023；2.广西珠委南宁勘测设计院有限公司，南宁 530007）

0 引言

江河湖库是水资源、水生态、水环境的重要载体，加强江河湖库管理，对于保障防洪、供水、水环境及生态安全，促进经济社会可持续发展和生态文明建设具有重要意义。河道管理范围线划定是河道执法和管理的前提条件，是河道行洪和堤防安全的保障，是规划河道开发红线、实现人与自然和谐相处的重要保障[1]。无堤防河段管理范围线主要根据历史最高洪水或设计洪水水面线与岸坡交线划定，目前该工作主要通过勘测设计人员基于地形图及水面线成果进行人工勾绘，人工勾绘误差多且效率低下、经济成本高，是一项亟待解决的工程技术难题。针对无堤防河段江河湖库管理范围划定工作，殷丹[2]提出将高程散点数据及等高线导入ARCMAP，显示高程值注记，方便直观的比较出河道断面设计水位与两岸地形的交线，进而人工勾绘无堤段河段管理范围线。赵巨伟[3]提出了一种结合1/10 000 地形图等高线确定设计洪水位与河道自然岸坎的交点，再依次连接形成无堤段河道管理范围线的方法。秦雁等[4]在总结基于GIS 洪水淹没范围分析方法的基础上，提出了一种在给定洪水位下，采用Arcpy 二次开发自动实现模拟洪水位曲面，结合DEM 划定河道管理范围的方法。赵丁名等[5]以黄河上游地区青海省果洛藏族自治州玛沁县切木曲无堤防天然河道为例，以现有的DEM 地形为基础，借助ARCGIS 软件，通过水文计算确定并划定管理范围。秦美茵等[6]以德庆县悦城河为例，利用ARCGIS 剖析无堤防河段管理范围划定的实施流程和技术方法，提出无堤河段设计水位与岸坡交线自动化快速生成技术方案，通过对比现有划定方法，研发集成了一种基于GIS分析模型的无堤防河段江河湖库管理范围线自动划定方法。该方法基于DEM 栅格地形及河道历史最高水位或设计洪水水面线成果矢量图层，通过运用包含“地形转栅格-栅格计算器-栅格转面-平滑面-面转线”等步骤的GIS 分析模型，自动生成江河湖库无堤防河段管理范围线，避免了人工误差并有效提高了工作效率，为江河湖库无堤防河段管理范围线划定提供了一种简易自动生成的方法，拓展了GIS 在河长制管理范围划定工作中的应用。

1 划定方法现状分析

目前，基于GIS 划定管理范围的方法主要有3种，一种是通过GIS 软件，根据等高线及水面线成果，采取人工勾绘的方式划定管理范围，这是目前绝大部分勘测设计单位及人员采用的方式；第二种是采用GIS 自带工具箱，逐步操作生成淹没范围提取管理范围线，使用者较少；第三种是通过GIS的开放端口，利用第三者软件或插件在GIS 中建立水面线分析模型，计算水面线并生成管理范围，该方法使用者最少。

（1）人工勾绘划定。根据地形高程线及管理范围线所采用的水面线成果，通过人工目测、人机交互的方式利用水面线与地形的交线勾绘洪水淹没轮廓线（即管理范围线）。主要步骤如下：①准备影像地图、等高线、设计洪水水面线等图层；②利用ARCGIS 编辑工具，沿着行洪控制线从河源开始绘制河流边界线；③针对淹没范围过大、不便于管理的河段，因地适宜地调整管理范围[7]。该方法技术难度低，操作简单但人工误差大且耗时耗力，成本较高，无法满足现代水利数字化要求。

（2）采用GIS 自带工具箱划定。采用GIS 自带工具箱划定主要根据DEM地形栅格及水位成果，通过“点转TIN-TIN转栅格-样条内插法内插曲面-形成淹没范围-提取边缘线形成管理范围线”等步骤开展。具体步骤如下：基于DEM 地形栅格，将每个水位点看成空间部分特征点，在GIS 中利用张力样条插值法，将离散的空间特征点内插为连续洪水曲面，得到相应典型洪水的洪水淹没范围；最后提取边缘线形成管理范围线。该方法优势采用GIS自带工具箱处理数据，步骤清晰，减少了人工手动绘制时间成本，降低了人为绘制产生的误差；缺点是步骤较多，操作繁杂，中间成果较多。

（3）采用第三者软件或插件划定。利用HECGeoRAS、MIKE 等第三者软件或插件在GIS 中建立河网、河道、汊口、河段等带有河流基础信息的水动力模型，例如利用HEC 软件建立水动力模型，采用RASMapper 地图编辑工具和栅格计算器功能，在计算河道水面线的同时，形成淹没水深DEM高程模型数据和管理范围线的Shapefile 文件，进而形成淹没范围，最后提取边缘线形成管理范围线。该方法优势采用一维水动力模型计算所需频率的设计洪水水面线，同时形成洪水淹没范围数据高程模型，获得管理范围线，从水面线计算到洪水淹没范围及管理范围线生成形成一整套完整的体系；缺点是专业性要求较高，需掌握一维水动力模型建模过程，推广性及实用性不强。

2 划定方法研究

2.1 划定原理及运用

江河湖库无堤防河段管理范围线划定方法计算原理公式：水深=水位-地形。公式运用：根据无堤防河段管理范围线划定标准所采用的历史洪水或设计洪水位水面线成果，通过GIS 工具箱中的地形转栅格操作将一维横断面水面线矢量线图层转化为二维水位栅格，利用栅格计算器，根据上述公式将二维水位栅格与二维地形栅格相减得到水深栅格，水深栅格小于0表明水面线比地形低，该区域不会被淹没，水深栅格大于0表明水面线比地形高，该区域为可能的历史洪水或设计洪水淹没区（部分有岸坡间隔的地势低洼区水深栅格大于0，但其非洪水淹没区，应予以剔除）。通过进一步处理洪水淹没区获取边缘线，即获取了水面线与岸坡交线，该交线即为江河湖库管理范围线。

2.2 实施过程

利用GIS 将河段管理范围线所采用的水面线成果与DEM数据进行叠加分析，获取水面线与岸坡交线，提取交线得到管理范围线。实施过程主要包括数据准备及输入、河道水面线矢量化、水位栅格生成、水深栅格生成、淹没范围提取、管理范围线生成等步骤，具体过程如下：

（1）数据准备及输入。需准备DEM 地形数据及管理范围线划定标准所采用的水面线成果，DEM地形数据可来自实测地形、1∶5 万、1∶1 万地形图或国土三调地形图以及公开的矢量地形图，历史洪水或设计洪水水面线成果主要通过水文分析得到。

（2）河道水面线矢量化。历史洪水或设计洪水水面线由控制断面控制。河道水面线矢量化工作首先绘制河道横断面矢量线Shapefile 图层或GDB数据库，横断面绘制时应覆盖可能淹没的区域，同时注意坐标系统尽量采取与地形DEM 的坐标系统一致，并在图层属性表赋值水位，形成河道横断面一维水面线矢量线图层。特别提出，河道横断面一维水面线矢量线图层生成过程中，应尽量加密断面，特别是山区河段，地形落差较大，在断面文件生成过程中，需根据河底高程实际变化情况加密横断面，否则将会出现部分河道区域因断面较少插值形成的水位栅格高程比DEM高程低，从而导致无法生成连续的水深栅格，形成的管理范围线出现间断。

（3）水位栅格生成。该步骤旨在利用常用输入数据类型和高程表面的已知特征，采用迭代有限差分插值技术进行插值，从而使经过拟合后的DEM能够还原真实的水面线演变趋势，生成水位栅格图层。通过利用地形转栅格工具或其他工具，将河道横断面一维水面线矢量线图层转化成二维水位栅格图层。为方便与DEM 地形栅格做差值计算形成水深栅格，水位栅格进行重采样设置像元的大小与DEM地形栅格像元大小应尽量一致。

（4）水深栅格生成。水位栅格图层与地形DEM 栅格图层叠加判断，采用栅格计算器，通过简单的、类似计算器的工具界面，将水位栅格图层与地形DEM栅格图层相减，获得初步的淹没范围水深栅格。水深大于0 的代表水面线可能淹没的区域，小于0 则代表地形比水位高，该区域在现实中不会被洪水淹没。特别说明，本阶段的初步淹没范围水深栅格是根据水位栅格与地形栅格相减而来，部分非河道行洪区间内的低洼区域，例如河道附近地势低洼的鱼塘的水深栅格同样大于0，但因岸坡间隔河道内洪水无法演进淹没该区域，后续在生成河道管理范围时此类区域应予以筛选删除。

（5）淹没范围提取。水深栅格无法直接提取淹没范围边缘线，为进一步分析筛选提取边缘线作为河段管理范围，需将初步的淹没范围水深栅格转为初步淹没范围水深面图层并进行边缘平滑。平滑容差一般选2 倍的网格边长，平滑后得到边缘平顺的初步淹没范围面图层。对面图层进行淹没范围筛选，选中非河道淹没范围内的图斑进行编辑删除，便可获得河道洪水演进过程中实际淹没的淹没范围。

（6）管理范围线生成。利用淹没范围面图层，通过面转线操作提取边缘线，该边缘线为水面线与岸坡交线，手动编辑删除左右岸边缘线以外的无关线段，便可获得无堤防河段江河湖库管理范围线。

通过上述步骤，可逐步自动生成江河湖库无堤防河段管理范围线，按国家、地区河长制江河湖库管理范围审核汇总要求，人工编辑完善该管理范围线属性表。在此基础上结合有堤防河段管理范围线划定成果，平顺衔接形成整条河流的管理范围线并进一步提取界桩、公告牌等图层。通过补充水利工程保护范围线等其他审核汇总要求的图层，便可形成完整的江河湖库管理范围划定成果数据库。

2.3 合理性分析

根据水面线降落变化规律，河道水位应从上游往下游纵向逐渐降低。经与地形等高线对比，自动生成的淹没范围边缘线（即管理范围线）所在位置高程从上游往下游沿程逐渐降低，符合上下游水面线纵向降落变化规律。洪水向河道两岸横向演进过程中，随着两岸地势升高，淹没范围仅延伸至可淹没的岸顶或山坡坡脚，除非有贯通的行洪通道，洪水不会越过地势较高的岸坡或山坡演进至其他地势低洼地区。通过历史最高洪水位或设计洪水位与DEM地形栅格做差值计算，筛选剔除了与河道连通的其他地势低洼淹没区域，仅保留河道洪水实际演进淹没的区域，横向的淹没范围符合实际洪水演进规律，淹没范围合理。因此，利用GIS分析模型进行洪水淹没范围分析后提取的淹没范围边缘线作为江河湖库无堤防河段道管理范围线，符合洪水演进规律并满足相应划定标准要求。

2.4 模型研发集成

利用GIS工具箱各项操作自动生成无堤防河段管理范围，主要涉及“地形转栅格-栅格计算器-栅格转面-平滑面-面转线”等步骤，逐项开展步骤较多，中间成果多，操作复杂。研发集成了GIS分析模型（见图1），将上述步骤集成至一个模型内。该GIS分析模型可根据DEM地形栅格及水面线成果，根据“水深=水位-地形”的原理，一键自动生成江河湖库无堤防河段管理范围线。

图1 GIS分析模型

2.5 效果检验

抽取30 名主要开展江河湖库管理范围划定工作的绘图人员进行了现场试验，研究利用GIS 分析模型划定江河湖库无堤防河段管理范围线的实用性及效率提升情况。管理范围线划定范围选择某条山区性河流镇区无堤防河段作为典型，典型河段长10 km，管理范围线划定标准为10 年一遇设计洪水。试验开始前，同时给定区域DEM 地形资料及10年一遇水面线矢量线图层，每名实验人员首先采用原始的人工勾绘方式划定管理范围，再利用GIS分析模型自动生成，二者开展人工误差数、耗时对比分析GIS分析模型的实用性及效率提升情况。试验结果见表1和图2。

表1 试验情况统计表

图2 人工勾绘及自动生成管理范围成果对比图

试验表明：人工勾绘淹没范围容易出现误差，主要误差类型包括2 类，其一是等高线间距大的区域，人工目估勾绘与实际高程相差大；其二是等值线间距小的区域，人工勾绘的管理范围线折点较少，管理范围线穿插跨越等高线划定。经统计，人工勾绘管理范围线平均误差数5.5处，人均耗时1.5 h。采用GIS分析模型自动生成管理范围线，管理范围线划定精度仅取决于DEM 地形精度及所采用的水面线控制断面密度，DEM精度越高，水面线控制断面越密集，自动生成的管理范围线越精细，有效避免了人为误差问题，耗时取决于计算机运行速度，平均耗时仅约41.1 s。该GIS分析模型操作简单具有很强的实用性，极大提升了工作效率及精度。需要指出的是，模型生成可同时批量生成多条河流管理范围线，对江河湖库无堤防河段管理范围划定工作效率提升效果非常显著。

3 结语

本文通过集成“地形转栅格-栅格计算器-栅格转面-平滑面-面转线”等步骤，研发了河长制江河湖库无堤防河段管理范围线自动生成GIS 分析模型。GIS 分析模型通过DEM 地形及管理范围线所采用的历史最高洪水或设计洪水水面线矢量线图层，提取了淹没范围边缘线作为管理范围线，实现了由人工勾绘管理范围线到GIS分析模型一键自动生成的转变，结果合理，该方法操作简单且实用性强，避免了人工误差且效率高，为江河湖库无堤防河段管理范围线划定提供了一种新方法新思路新解决途径。可以展望，基于GIS 分析模型可一键自动生成洪水淹没范围，除河长制管理范围线划定工作外，在水旱灾情、防洪评价、洪水风险图、工程淹没范围、库区回水淹没范围等需进行洪水淹没分析的各类项目中均可推广使用。

基于GIS分析模型划分的管理范围线仅适用于江河湖库无堤防河段管理范围划定，现实中各河流经常出现有堤防及无堤防河段相互交替的情况，针对有堤防河段应采用相应堤防管理范围划定方法划定其管理范围，再通过人机交互的方式将有无堤防衔接处的管理范围线平顺衔接。另外，基于GIS分析模型自动生成的管理范围线较适用于山区型河段或洪水漫溢范围较小的平原型河段，对于漫溢范围较广的平原河段，自动生成的淹没范围普遍偏大，其边缘线作为管理范围线容易导致范围偏大，不利于实际管理。无堤防河段管理范围线应统筹好与国土空间规划、生态保护红线、防洪规划治导线、城市蓝线、水利工程管理保护范围和自然保护区、湿地公园保护范围等各类保护地边界的衔接；同时应尊重历史、考虑现实，因地制宜地结合江河湖库管理要求进行划定。