基于GIS的嘶马河段河床演变分析及岸坡稳定预测

基于GIS的嘶马河段河床演变分析及岸坡稳定预测曾宏河海大学土木工程学院，南京 (210098)E-mail：Zenghong12@摘要：结合嘶马河段崩岸的工程应用，利用GIS（地理信息系统）技术建立了河床的动态DEM（数字高程模型）。

利用所建立的动态DEM，通过对不同年份DEM的空间分析，分析了嘶马河段的河床演变过程。

根据所建立的DEM对岸坡稳定进行评判和预测。

关键词：稳定预测；GIS；DEM ；河床演变；崩岸1.前言河床的演变是个复杂的过程，河岸的崩塌与很多因素有关，长江嘶马河段的河床演变历经多年，崩岸现象频繁发生。

许多学者利用各种技术手段对崩岸的原因进行了一系列的研究工作。

他们的研究工作主要是从河流河势方面考虑的比较多，归纳起来主要有以下的因素：河道的边界条件，河流以及水沙动力因素，长江水文状况的变化，长江堤防工程的建设和其它的人类活动的影响。

他们都从一定的角度探求了崩岸的机理，综合分析了多方面的影响因素，并取得了很大的进展。

随着GIS技术的发展，其在岩土工程中的应用越来越广泛，利用其强大的空间数据及其属性数据的处理能力来分析工程实际问题已成为岩土工程中的热点和难点。

然而由于地质数据的复杂性，不确定性，使得直接利用GIS来分析工程问题具有较大的困难。

很多学者利用GIS技术研究了河床的冲淤演变，并利用DEM的叠加分析来计算了冲淤量[ 1-3]。

对于边坡及岸坡稳定分析，提出了基于GIS的三维边坡计算模型以及展开了相关研究工作[ 4-5]。

本文利用ArcGIS软件建立了河床的DEM，并进行一系列的空间分析，得到研究区域的坡度坡向图，河流断面图，DEM及TIN图形。

依据这些图形资料及地质资料，从而可以计算河床的冲刷与淤积量，从三维模型的角度宏观地展现了河床地演变过程，并利用所得的多年DEM图形资料来分析和预测岸坡的稳定性，为实施岸坡加固提供辅助决策。

2.研究区域概况长江嘶马弯道位于长江下游扬中河段的上游，是长江中下游最严重的也是最有典型性的弯道凹岸崩塌段。

上游承接镇扬河段的谏壁—大港弯道,下游与泰兴水道相连接,是典型的弯曲分汊型陡弯河道,在长江中下游颇为有名。

弯道全长14公里，弯锐水急，河床土质量抗冲性差，全河段均为崩岸段。

1984年7月21~23日，嘶马河口发生巨大崩岸灾害，崩窝坍进350米，坍失面积115000平方米，严重威胁嘶马镇人民生命财产的安全，直接损失200多万元，在此前后也曾多次发生河岸的崩塌，造成了很严重的经济损失，因此研究嘶马河床演变及崩岸问题具有重要的意义。

3.河道动态DEM的建立3.1 资料情况在建立DEM时，原始数据的精度直接影响到所建立的DEM的精度。

本次建立动态模型的资料有两类：一类是来源于省地调院与江都市地矿局2001年报告中的有关图件。

该图件包含了长江嘶马段的岸线变化图，以及0米， -10米，-20米，-30米河床等深线的历年（1959，1969，1981，1993）变化图。

另一种原始资料为江都市治江工程处和水利测绘队于01——04年实测的1：2000嘶马段弯道左侧水下地形图，全部采用GPS方式测图。

3.2 技术路线方法根据实际的资料情况，本文采用了利用ArcGIS软件来实现三维模型的建立。

首先对原始数据进行处理，在MapInfo 中对栅格图进行图形的配准和数字化，在AutoCAD2004中对CAD图形进行等深线编辑和高程赋值。

然后将得到的历年等高线数据层进行格式转化，即将MapInfo文件转化为ESRI Shape文件格式，DWG格式转化为DXF格式。

最后将数据导入ArcGIS中，利用其三维建模功能可以得到DEM或TIN形式的三维图形。

3.3 三维模型的建立及资料处理按照上述技术路线方法，利用ArcGIS生成了一系列的三维模型。

为了便于进行空间叠加分析，为各个年份的图形设置统一的边界。

这样利用整理好的数据生成了八个年份（1959，1969，1981，1993，2001，2002，2003，2004）的TIN图，DEM图形和坡度坡向图（图1为1983年TIN模型）。

然而由于水下地形的复杂性，建模软件的局限性，以及原始图形资料的误差等原因会使建立的三维模型产生一些不合理的现象。

如建立TIN时，会出现有些三角形的三个顶点均位于同一条等高线上，即产生了“平三角”，或三角形的某一条边跨越了等高线。

为了使所建立的三维模型能尽量客观地反映实际河床的地形特征，需要对原始的数据进行一定修改编辑。

因此资料的前处理是非常重要的，它直接影响到叠加分析结果的精度。

根据实际的地形特征，对原始的等深线数据进行加密和编辑，特别是在水下地形等深线弯曲变化很大的地段。

这样可以通过人工干预的方式来避免产生一些不合理的三角形，从而使所建立的TIN模型能更客观、准确地反映实际的河床形态。

由于TIN数据格式在做叠加分析时受不规则三角网数据结构的局限，直接利用它进行空间分析所得的分析结果会与实际具有较大的差别，本文中三维模型地空间分析工作均是在规则格网DEM的数据格式基础上进行的。

在实际的建模过程中，可以发现直接利用TIN格式数据生成的坡度图、坡向图中会产生一些的异常值。

建模实验结果表明有的年份的坡度最大值达到了60多度，而换用DEM规则格网数据计算得到的坡度值均在40度以下。

根据实际的水下地形和稳定坡度值，可以判别合理的坡度最大值应该在40度以下。

因此采用规则格网DEM来进行空间分析是合理的。

图1 1981年的TIN模型4.模型的叠加分析及岸坡稳定分析预测利用ArcGIS软件强大的空间分析功能可以对比分析河床的动态变化，将不同年份的DEM进行填挖方分析可以清楚地看到河床冲刷和淤积的情况。

对DEM栅格图形进行直接相减的图形运算，可以更加准确的了解不同年份河床高程的变化情况（图2为1993年的DEM 与1981年相减结果，图3为2004年与2003年的DEM叠加分析的结果，图例中正的数值表示淤积负的表示冲刷）。

根据建立的河床三维模型和水下斜坡的地质情况可以对水下斜坡稳定性进行分析和评判。

崩岸是水下边坡失稳在岸上的表现，因此分析水下斜坡的稳定性，对崩岸预报有重要的意义。

对于水面以上岸坡的崩塌情况，我们可以很清楚地了解到。

然而大量的水下岸坡的侵蚀和崩塌很难直接探察到，利用不同时间段的DEM相叠加的结果可以清楚的了解河床的侵蚀及淤积变化情况，因此可以通过分析坡度和冲淤变化情况来动态监测岸坡的稳定。

引起河岸崩塌的直接原因是组成河岸的土体失稳所致，土体的稳定性取决于土体的稳定坡度[5]和实际坡度之间的对比关系：当河床的实际坡度小于稳定坡度的时，河岸是稳定的；反之，则是不稳定的。

因此可以根据实际河岸坡度大小，以及实际的地质状况，来分析可能发生岸坡失稳的地区。

图2 1993年DEM与1981年相减结果图3 2004年与2003年填挖方分析在ArcGIS 生成的历年坡度坡向图（图4为2003年的坡度图）中可以清楚的了解到坡度、坡向大小的分布情况。

由建立的历年河床坡度图形可知：1993年前的河床最大坡度在30度以下， 而2001年以后，左岸水下斜坡的坡度达到1:1.5左右，最大坡度甚至超过40度。

还有历年河床坡度大的区域大都分布在左岸，根据历年观测的河岸崩塌情况，进一步验证了崩岸地点与河床坡度分布区域相一致。

岸坡稳定不仅与水下边坡的坡度有关系，而且与河水流量大小有密切的关联。

根据长江嘶马段历年的水文情况，综合考虑多方因素，得到长江河水流量与岸坡稳定的关系图（图5），由图5可知相同坡度的岸坡在不同的水流量条件下的稳定状况是不一样的。

在水流量为4万立方米/秒时，坡度值大于37.5°的区域则可能失稳，假如当水流量在7万立方米/秒，则坡度值大于40°的地方就肯定破坏。

而根据长江历年的水文情况，长江嘶马段历年的平均最大洪水流量至在5万立方米/秒左右，因此坡度值在35°以上的区域是很危险的，需要进行重点监测，以便及时采取措施。

5. 河床动态三维模型所反映的崩岸发展过程河床的动态三维模型反映了河床从1959年到2004年的动态变化。

根据历年所记录的崩岸观察记录，可以验证所建模型的正确性。

根据4个年份（1959，1969，1981，1993）的三维TIN 模型对比图（图6）可知：岸线一直向河岸的左侧推移，其中1959年到1969年间变化最快。

综合分析所建立的历年三维模型及相应时段崩岸观察记录，可以得到以下认识：①嘶马弯道河床的侵蚀，从侵蚀的空间分布来看，主要发生在江道的左侧，从杜家圩至杨湾闸，特别是从西七坝到东二坝岸坡段，持续地被侵蚀。

这与历年动态DEM 模型叠加分图4 2003年的坡度图 图5 长江河水流量与岸坡稳定的关系图 图6 四个年份的TIN 模型对比图析所反映的河岸崩岸发生地点一致。

②根据DEM栅格图形相减运算和填挖方计算的结果，很明显地看出自1959年以来，岸线一直向凹岸（左岸）推移，但是速度较以前有所减慢。

特别是1970年以来，边岸侵蚀的强度总体上呈减小的趋势；但河床深部的侵蚀越来越强烈。

河床由宽浅向窄深发展，河道总的侵蚀能力并不减小。

这也说明河床的水下边坡坡度逐渐变陡，同时在一定程度上反映了抛石工程对护岸的作用。

6.结语本文主要讨论了利用动态DEM来分析嘶马河段的河床演变以及进行岸坡稳定性的评判预测。

通过建立多个年份的河床DEM，并进行了一系列空间分析运算，逼真地显示了河床的动态变化，分析了河床的演变过程。

为岸坡的稳定分析和进行相关的岸坡治理提供了有力的资料，同时也可以依据相应的地质资料对岸坡稳定进行预测。

因此利用GIS技术来分析河床的动态变化具有重要的意义，不仅可以得到其良好的可视化效果，而且也可以利用其空间分析功能来对河床稳定性进行评判。

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Analysis of River Bed Development and Stability Predictionat Sima Bank Based on GISZeng HongCollege of Civil Engineering, Hohai University, Nanjing (210098)AbstractIn combination with the Sima bank protection project, the dynamic DEM (Digital Elevation Model ) of the river bed is built by the use of GIS (geographical information system) technology. Based on the dynamic DEM, by the means of spatial analysis, the evolution of river bed is discussed. Finally, on the base of the series of DEM, the stability of bank slop is evaluated and predicted.Keywords：Stability Prediction；GIS ( geographical information system )；DEM；Evolution of River Bed；Bank Collapse作者简介：曾宏，男，1982年生，硕士研究生，主要研究方向是三维地质建模，岩土工程可视化。