论采区现场监管加强水下地形动态监测与分析的必要性

马继东

摘 要：长江安徽省段位于长江下游段，蕴藏着丰富的江砂资源。科学、有序地开采不仅可以提供很好的砂石原料，而且可以兴利除弊疏浚河道，有利于通航行洪。该文主要论述了采区现场监管加强水下地形动态监测与分析的必要性，阐述了加强水下地形动态监测与分析的仪器设备、手段和方法。鉴于采砂作业对河床自然变化影响十分复杂，为保证河势稳定、防洪安全及其他工程正常运行，应对采区作业前后加强水下地形动态监测与分析，确保河势稳定，遇不利情况及时采取措施。

关键词：水下地形 动态监测 数字高程模型 ArcGIS

中图分类号：U656.2 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）02（b）-0111-02

1 概述

长江安徽省段长约416 km，流域面积6.6 万km2，平原圩区面积大，农业产量高，城镇、工业、交通、经济发达，在全省国民经济中占很大比重。沿江有安庆、池州、铜陵、芜湖、马鞍山5大重要城市，流域内城镇人口比重、人均工农业产值、粮食平均亩产、人均乡以上工业产值均在全省前列，长江防洪安全历来是安徽省防汛工作的重点。

同时，皖江水道也蕴藏着丰富的江砂资源。怎样有序、合理开采和利用江砂资源，在现场监管中，加强水下地形动态监测与分析，不但可以有效控制开采量，更重要的是可以为确保防洪和航道通行安全及时提供基础资料。

2 采区现场监管加强水下地形动态监测与分析的依据

《安徽省长江河道采砂现场监督管理办法》（皖水政[2004]320号）第十三条规定：“负责管理可采区的水行政主管部门或采砂管理机构应当在开采前和开采过程中对采区本期的水下地形进行测量监测，及时掌握采砂区域的河床变化情况，并将监测资料报省长江河道采砂管理局备案。”

3 长江采砂对河势变化的影响

长江安徽省段位于扬子准地台范围，两岸地质地貌及其特征差异较大，左岸多为广阔低凹平原，其成因主要是冲积的，部分是湖积地，且有众多的湖泊支流，丘陵、阶地离江甚远，仅有少数山矶零星分布于江边，如小孤山、幕旗山、蛟矶、西梁山等。土质多为疏松沉积物组成，具有二元相结构，上部为细粒层，主要是亚粘土，下层为粗颗粒层，河岸抗冲性差。

根据前几年采砂作业前后水下地形测图对比分析，采砂区内河床深槽大幅下切，采区内河床变化不均匀。采砂区以外河床总体变化强度大为提高，应为河床自然变化与采砂作业相叠加影响所致。同时，采砂作业过程中，由于作业不均匀，常会在河床上留下局部深坑，势必改变局部水流的流向和流态，形成局部回流和漩涡。根据多年成果分析表明，一定时期内采砂区上游会有局部冲刷，下游会形成局部淤积，对防洪和航道安全造成一定的影响。

4 水下地形动态监测与分析

采区现场监管加强水下地形动态监测与分析，可采用采砂作业前、作业过程中及作业结束后对采砂区和所在河道进行水下地形动态监测，必要时可对作业区上下进行水文观测。结合现有历年来的实测水文、水下地形测量等资料，分析采砂区所在河段河道演变特点及演变趋势，重点分析工程前后局部河床的变化情况，为防洪、航道安全以及后续可采区规划提供基础资料和依据。

4.1 测图比例尺的选取

合理的地形测图比例尺的选取，不但关系着外业工作量和直接生产成本，而且关系着测图的实效性。如果测图比例过大，每个测次的时间相对较长，失去动态监测含义；测图比例过小，难以满足分析要求。同时长江现有历史测图主要以1∶10 000测图为主，因此采砂区所在河段河道测图宜选取1∶10 000水下测图，采砂区采用1∶5 000比例尺为宜。

4.2 水下地形数据采集

要想得到比较准确的水下地形数据，地形数据采集的方法是关键。特别是特征部位的数据采集决定了DEM模型的质量。

以前水下地形数据采集适合采用横断面法观测。在原有测图上合理设计航线，利用GPS卫星定位系统以实时差分或CORS客户端进行测点平面位置定位，水深采用超声波测深仪进行测量。这种测量方法有一定的局限性，所获得数据为线状，要想获得高精度的数据必须增加测线，这将大大增加成本和工作量。目前，多波束测深系统能够更加有效地获取水下地形高精度数据。见图1。

多波束测深系统与单波束回声测深仪相比，多波束测深系统具有测量范围大、测量速度快、精度和效率高的优点，它把测深技术从点、线扩展到面，多波束测深系统能够有效探测水下地形，得到高精度的三维地形图，特别适合进行大面积的水下地形探测。多波束測深系统与卫星定位系统配合，由计算机实时处理标绘等深线图。

4.3 水文观测

对采砂区进行水文观测，分析采砂作业前后流速、流态的变化，为研究采砂对河势变化影响提供重要依据。

水文观测采用声学多普勒流速剖面仪（ADCP）施测，并采用DGPS定位系统和外接高精度GPS罗经（罗经与3#探头方向一致性校正）进行航迹定位和底沙运动校正。观测方法采用走航式，分别在采砂区上、下游各布设一条水文观测断面，观测内容包括水位、流速、流量等。

4.4 水下地形变化分析

水下地形分析采用采砂区及附近河段河道作业前、后水下地形数据，结合现有历史资料和水文观测成果，利用ArcGIS软件进行分析。ArcMap下的3D Analyst工具能满足地形建模的需要，数字高程模型构建的效率很高，但构建时为全自动。目前的成图软件大多是基于AutoCAD平台下开发的，ArcMap下能够加载AutoCAD图形和数据。因此，只要将编辑好的库区数字地形图按图层将等高线和高程点输出，导入ArcMap中就能建立数字高程模型。

（1）数据提取：打开CAD软件，调入准备好用于比较的CAD地形图，绘制分析范围线，剔除图中不合理和无关的数据，分别输出高程点、等高线和范围线。

（2）数据建库：打开ArcMap软件，新建一个项目，在项目文件中新建地理数据库，设置好单位、比例尺和坐标系。把CAD图层中高程点、等高线和范围线分别转换成GIS中点、线、面shapefile图层。

（3）TIN模型生成和编辑：TIN模型的生成主要使用3D Analyst扩展模块。单击ArcToolbox窗口，展开“3D Analyst工具”，展开“TIN管理”工具，双击“创建TIN”，创建TIN，如图2所示。在对话框中输入TIN的名称、坐标系，要素类中输入点、线、面数据， height_field域中点、线选择“Elevation”，范围线选择“None”。TIN模型生成后，可直接添加、移除或修改TIN结点、隔断线或面，改动时表面可实时反馈，使生成的TIN更加合理。

（4）开采量计算：所有的TIN生成后，利用“TIN转栅格”工具，把生成的TIN转换成Raster数据，TIN数据转换成栅格数据后，便可进行开采量计算和栅格计算。冲淤计算使用“栅格表面→填挖方”工具，等数据计算完毕，便生成一个CutFill_tin文件，导出报表，计算出开采量、面积和开采深度等内容。

（5）导入水文观测和历史数据，对比深泓线变化、采区流速流态分布变化情况，分析对附近涉水工程、防洪安全以及河势变化的影响。

5 结语

科学采砂不仅可以提供很好的砂石原料，而且可以兴利除弊疏浚河道，有利于通航行洪。既要创造良好的效益，又要保证天然航道不被破坏、保持河床河势稳定和涉河工程以及防洪安全，科学、有序地开采江砂是前提。在采区现场监管过程中加强水下地形动态监测与分析，有效控制开采高程和开采量，分析其对相邻涉水工程的安全影响是十分有必要的。

参考文献

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