数字高程模型在河道水位预测中的应用_张红梅.pdf

2023.No.3收稿日期：20221010作者简介：张红梅（1980），女，硕士，高级工程师，主要从事水文水资源调查评价与水文地质勘察工作。摘要：自北向南穿城而过的东沙河是昌平新城一条主要防洪排水河流。昌平新城滨河公园依托东沙河河道而建。昌平新城滨河森林公园（南邵桥至京密引水渠段）近年连年被河道水淹没，导致部分临水设施不能正常运营。通过收集河道历史资料，调查河道现状及临水设施高程，分析河道补排条件等，得出水位上涨及公园临水设施被淹原因。采用河道入渗试验及蒸发试验手段，利用水资源平衡原理具体分析河道的补水量和排泄量，结合洪水淹没原理，在原有地形图基础上补充测绘了河道水面线、临水设施及公园周边地形图，运用ArcGIS软件建立数字高程模型，对公园段河道进行水位预测。最终预测出平水年5、10 a水位变化情况，为公园运行及改建临水设施等提供参考。关键词：滨河公园；补排条件；数字高程模型；水位预测中图分类号：TV123；P332文献标识码：A文章编号：1004-7328（2023）03-0093-05DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2023.03.025数字高程模型在河道水位预测中的应用张红梅1，马星博2，王小冬1，贾玉昆1（1.北京市工程地质研究所，北京100048；2.昌平区河湖生态环境服务中心，北京102200）Application of Digital Elevation Model in River Water Level PredictionZHANG Hong-mei1，MA Xing-bo2，WANG Xiao-dong1，JIA Yu-kun1（1.Beijing Institute of Geo-Engineering，Beijing 100048，China；2.Changping District River and Lake Ecological Service Centre，Beijing 102200，China）Abstract：Dongsha River is a river running through Changping New City of Beijing from north to south.It is a main floodcontrol and drainage river in Changping New City.The riverside park of Changping New City is built on the basis ofDongsha River.In recent years，the riverside park of Changping New City（Nanshao Bridge to Jingmi Diversion ChannelSection）has been flooded by river water，leading to some of the water-facing facilities in the park fail to operate normally.Through collecting the historical data of river course，investigating the current situation of river course and the elevation ofwater-facing facilities，and analyzing the conditions of river course replacement and drainage，this paper obtains the causesof water level rising and flood of water-facing facilities of park.Combined with the river infiltration and evaporation testmeans，the principle of water resources balance is used to specifically analyze the water supply and discharge of the river.Besides，based on the original topographic map，the watercourse surface line，water-facing facilities and the topographicmap around the park are mapped by using the flooding principle，and the digital elevation model is established by usingArcGIS software.The water level of the river course in the park section is predicted，and the water level changes in the 5thyear and the 10th year of the normal year are finally predicted，which can provide reference for the operation of the park andthe reconstruction of water-facing facilities.Key words：riverside park；supply and discharge condition；digital elevation model；water level prediction昌平新城滨河森林公园主要依托东沙河建设，原址是一处采沙场。2014 年改建完成后，昔日沙坑连连、垃圾遍地的不毛之地变成绿树掩映、繁花点缀的公园。公园不仅成为重要的城市生态廊道，还承担着防洪、排洪、蓄洪功能。公园建设了大量景观湿地和浅滩区域，周边的管理用房和栈道均高于原水面 2 m 以上。2015年 7月 29日南水北调水源进京后，公园被确定为回补地下水、涵养地下水的水源地，开始接纳南水北调水源蓄水，经过2 a多的补水，区域地下水已上升超过2 m，涵养水源作用明显，但在汛期水位上升时会淹没景观或栈道等设施。2018海河水利932023年3月年2月26 日，北京日报 以 昌平新城滨河公园大冬天仍在蓄水，景观树木等被泡入水中 为题，对公园遭受水淹问题进行了报道，引起水务主管部门重视。2018年底，昌平水务局开展了题为 昌平新城滨河森林公园（南邵桥京密引水渠段）河道运行水位研究 课题研究。本文以研究课题为依托，利用数字高程模型计算方法，研究确定公园受淹没区域合理运行常水位，在保障公园作为地下水补水通道功能的同时，还要为市民提供良好的休闲健身环境。1河道概况昌平新城滨河森林公园北起十三陵水库溢洪道下游，南至南沙河南岸，东侧基本以东沙河东岸以及南北沙河入沙河水库口为边界，西侧基本以东沙河西岸以及八达岭高速公路为边界。公园主要依托自北向南穿过昌平新城中心区的东沙河建设。东沙河上游有德胜口沟、锥石口沟、老君堂沟3条支流，于十三陵七孔桥上游汇合后进入十三陵水库，后经白浮、西沙屯至沙河镇北朝宗桥下游，于八达岭高速公路东侧汇入北沙河。从城市规划建设和防洪蓄洪角度出发，东沙河南邵桥（即南环路）至京密引水渠段为蓄滞洪区。东沙河的规划标准为20 a一遇洪水设计，50 a一遇洪水校核1。自1999年以来的连续干旱，昌平区地表水资源急剧减少，项目区南部桥以南至京密引水渠段河道2009年水位已降至43.5 m以下。昌平新城滨河森林公园于2014年建成运营。为维持湖面景观，公园通过提升泵站及输水管道利用京密引水渠南水北调水源作为补水水源，共设有3个补水口，在75%水文年下维持43.5 m水面需补水约2万m3/d。自2015年7月29日起，昌平区政府协调市水务部门由京密引水渠经加压泵站向公园补水，日补水量约2万m3，截至2018年底总补水2 345万m3。公园南邵桥京密引水渠段建有很多亲水设施，由于补水引起水位上涨，同时公园承担着昌平城区（八达岭高速公路以东）全部雨水排除任务，遇丰水年部分亲水设施被淹没在水下。根据 20152018年监测数据，昌平站总降雨量736 mm，除2016年降雨量偏小外，均为丰水年，其中 2015、2017、2018年降雨量均超过了水文频率20%水文年。根据2019年5月实际测量结果，被淹没的亲水设施最低点高程约为44.5044.60 m，测量期间河道水位标高为 44.7244.76 m，此标高以下的亲水设施均被淹，包括临水看台、木栈桥、公园小品、牡丹台等。2017年夏季降雨频繁，68月降雨量达453 mm，占到全年降雨量的81%，导致公园河道内水位不断上涨，加之临水设施平台等建筑建设高程较低，造成公园内管理用房、观景平台、木栈道、道路、树木、地被植物等被淹。分析河道水位上涨的主要原因是河道的补给量超过了河道的排泄量：根据20152018年降水量监测数据，昌平站总降雨量736 mm，除2016年降雨量偏小外，均为丰水年，其中2015、2017、2018年降雨量值均超过了水文频率20%水文年；自2015年7月29日起，昌平区政府协调市水务部门由京密引水渠经加压泵站向公园补水，日补水量约 2万 m3；随着时间推移，河道底部泥沙堆积，导致河道向地下的入渗能力减弱，入渗量减少，另外近几年地下水水位上涨、包气带空间减少也会导致入渗量减少；河道下游无出路，河水排不出去，全部集中在南邵桥京密引水渠段。2研究目的和方法2.1研究目的通过收集河道历史资料，调查河道现状，结合现场试验手段，分析河道补排条件以及水位上涨和公园被淹原因。通过分析河道的水资源平衡及河道的初始条件、边界条件，利用洪水淹没原理，运用ArcGIS软件建立数字高程模型，对公园（南邵桥京密引水渠段）河道进行水位预测，预测出平水年5、10 a水位变化情况，为公园运行及改建临水设施等提供参考。2.2研究方法（1）开展项目周边水文水资源调查，查清区域地表水水文特点及蓄滞洪区特征。（2）研究河道水平衡条件，开展河道入渗试验、水面蒸发试验，进行区域水平衡计算，建立河道的数字高程模型，利用模型进行洪水淹没分析，结合公园基本情况，预估与典型年相似的平水年条件下5、10 a的河道运行水位。研究工作流程，如图1所示。3数字高程模型建立本次工作研究公园建设范围内东沙河（南邵桥京密引水渠段）蓄滞洪区内的水位变化，在洪水淹没原理基础上，利用ArcGIS软件建立项目区DEM数字高程模型进行预测分析。数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）是在一定范围内通过规则格网点描述地面高程信息的数据集，用于反映区域地貌形态的空间分布和地表起伏状态的空间形态2，3。洪水淹没是一个动态而至平衡的过程，确定洪张红梅，马星博，王小冬，等：数字高程模型在河道水位预测中的应用942023.No.3水最终淹没范围，有2种概化模型：基于水位的洪水淹没范围计算：给定某一洪水水位，由此推算出洪水的淹没范围，该模型相对简单；基于水量的洪水淹没范围计算：即在给定某一洪水水量的条件下，计算相应的洪水淹没范围。在应对非调度洪水分析时，往往需要利用获取的淹没区洪水水位或水量4。本次分析利用第二种概化模型。城市DEM是雨洪过程模拟的重要基础，是城市地表汇水分析的关键5。3.1DEM数字高程模型建立东沙河河道基本呈台阶式（设置跌水平台）或斜坡式分布，从十三陵水库出口（河底高程约70 m）至南邵桥（河底高程约48 m）逐渐降低。河道上游长年除台阶式分布区能保持一定水面外，其他部分区域经常断流没水。本次工作假定东沙河河道补水在现存水面基础上全部流入南邵桥以南（高程在33 m左右至48 m）的蓄滞洪区内。本次工作在收集区域1 2 000地形图的基础上，补充测绘了河道水面线及周边地物高程点，绘制了项目区1 500地形图。结合ArcGIS在洪水淹没分析方面相关学术文献，本次工作利用ArcGIS软件，以地形图、等高线、高程点为基础数据进行插值分析，生成地貌特征完整的TIN数字高程模型，进而生成DEM栅格文件，即得到地表形态及河道形态的栅格文件用于后续淹没面积和水位的分析预测6-8。现状水位以下地形高程确定方法为：根据河道历史最低水位水面线得出最低水位等值线，由于最低水位等值线以下的地形数据未掌握，所以根据河道最低水位对应的蓄滞洪区库容值除最低水位对应的蓄滞洪区面积得到河道平均深度值，再以最低水位线对应高程值减去河道平均深度值得到蓄滞洪区底高程，即地形高程9，10。DEM模型现状44.76 m（2018年12月）水位的水面面积为898 365 m2，通过GPS测量，测量数据绘在图上后计算水面面积为 895 422 m2，两者误差为0.33%。模拟结果与实测数据基本一致，说明数字高程模型数据基本准确11。模型产生现状水位水面线与现状测量水面线对比，如图2所示。图1研究工作流程资料收集（气象水文、地质水文地质、公园基本资料、蓄滞洪区等）地表水水资源调查水文地质条件调查现场测量、测绘河道入渗试验水资源平衡计算与分析淹没模拟与计算项目成果报告图2模型产生现状水位水面线与现状测量水面线对比水面线水面线测量点DEM高程模型显示现状水面及深度高：11.76 m低：0.76 m野外调查与测绘海河水利952023年3月3.2DEM数字高程模型验证昌平新城滨河森林公园2015年7月29日开始引南水北调水。这里，选用2015年8月2018年12月降雨数据作为本次模型及水资源平衡计算校核数据，进行河道补排水量分析12-15。根据相关规划，十三陵水库10 a一遇下泄流量为0，20 a一遇下泄流量为100 m3/s，20 a一遇水文年以下是不下泄的。昌平区2015、2017、2018年降雨量属偏丰水年水量，但水文频率均达不到5%，即达不到20 a一遇标准，根据实际资料，十三陵水库也没有下泄洪水。东沙河现状入河水量即补给量包括降雨量对河道水面的补给量、新城约20 km2的雨洪水排入量和每天为河道补充的南水北调水约2万m3。东沙河目前不向下游下泄水，京密引水渠以上河段排泄量仅包括河道的蒸发量和入渗量。当补给量大于排泄量时，河道水位将会升高；当补给量小于排泄量时，河道水位将会降低。经计算，东沙河（十三陵水库京密引水渠段）河道水量年变化量增加即会导致河道水位升高，河道实测水位与计算水位对比如图3所示。图3模型计算水位与现状测量水位对比350300250200150100500降雨量/mm降雨量水位变化实测水位2015-082015-102015-122016-022016-042016-062016-082016-102016-122017-022017-042017-062017-082017-102017-122018-022018-042018-062018-082018-102018-12时间4746454443424140水位标高/m经模型计算，2015年7月29日补水后至2018年12月河道水位总共升高了约1.36 m，2017年夏季汛期后最高水位涨到45.22 m，实际观测数据约为45.2 m；2018年夏季汛期后最高水位涨到45.72 m，实际观测数据约45.76 m（2018年11月水位测量时根据个别建筑物被淹水渍推测约比现状44.76 m上涨1 m）。本次模型分析计算与实际观测数据基本相符，变化趋势一致。4公园运行水位预测本次进行了平水年5 a水位预测、无南水北调水源补给条件水位预测、平水年10 a水位预测。4.1平水年5 a河道水位预测因降水系列相对存在一定的周期性，模型预报期的降水采用历史上已经实际发生的降水序列资料。分析 19621966 年 5 a 平均降雨量与 19592017年平均降雨量最为接近，选取该时段实际发生数据作为预测数据。在5 a平水年降雨情况下，经预测，东沙河（南邵桥京密引水渠段）蓄滞洪区水位将持续增加，若以现状44.76 m水位为基准水位将上涨至46.14 m，总共上升了1.38 m，如图4所示。图4预测平水年5 a水位变化趋势400350300250200150100500月份1 2 3 4 5 6 7 8 9101112 1 2 3 4 5 6 7 8 91011121 2 3 4 5 6 7 8 9101112 1 2 3 4 5 6 7 8 91011121 2 3 4 5 6 7 8 9101112降雨量/mm48474645444342水位标高/m张红梅，马星博，王小冬，等：数字高程模型在河道水位预测中的应用水位变化降雨量962023.No.3由于降雨具有随机性，未来 5 a 雨量无法预测，另外河道渗漏性能衰减速度会影响水位变化，因此如遇连续丰水年，河道水位可能会增长更多更快。本次预测水位为平水年，达不到防洪标准中的10 a一遇水文年，如遇连续丰水年或超过 5 a一遇的异常降雨，则河道水位增涨将超过本文预测的数值。若改变补给条件，停止取南水北调水源补给河道，则按平水年降雨条件预测蓄滞洪区内水位变化情况发现，当运行到18个月后，程序出现错误无法继续运行计算出水位，水位已经达低限33.43 m，再降低已经是湖底，即公园南邵桥京密引水渠段蓄滞洪区已经接近干涸，又回到了2015年之前未引水时状态。公园水位很低接近干涸，达不到景观效果，又破坏了当地的生态环境。为维持公园湖面景观效果，不能彻底停取南水北调水源。4.2平水年10 a河道水位预测分析 19851994年 10 a平均降雨量与 19592017年平均降雨量最为接近，选取该时段实际发生数据作为预测数据。在10 a平水年降雨情况下，经预测，东沙河（南邵桥京密引水渠段）蓄滞洪区水位将持续增加，若以现状44.76 m水位为基准水位将上涨至46.68 m，总共上升1.92 m，如图5所示。图5预测平水年10 a水位变化趋势由于降雨具有随机性，未来10 a雨量无法预测，另外河道渗漏性能衰减速度会影响水位变化，如遇连续丰水年，河道水位可能会增长得更多更快。5结论本文运用ArcGIS软件建立数字高程模型，结合洪水淹没原理，成功对公园（南邵桥京密引水渠段）河道进行水位预测，预测出平水年5、10 a水位变化情况，为公园运行及改建临水设施等提供参考。本次工作预测水位为平水年，如遇连续丰水年或特大异常降雨情况，则河道水位增涨将超过本预测数值。参考文献1 饶戎，董翔.北京昌平东沙河城市生态湿地规划设计J.Ecological Desigh，2011（1）：52-57.2 陶宇，王春，徐燕，等.DEM建模视角下的城市道路分类与表达J.地球信息科学，2020，22（8）：1589-1596.3 顾明明，黑文艳.基于ArcGIS数字高程模型建立研究J.山西建筑，2010，36（29）：353-354.4 孙君，奚赛英，尤迪，等.基于ArcGIS的洪水淹没分析与三维模拟J.城市地质，2012，7（3）：31-34.5 陈克勤，乔丽巍.关于区域综合径流系数计算及标准值的评价J.科技信息，2003（1）：74.6 姜佃高.地形图扫描建立数字高程模型J.科技经济市场，2016（12）：4，36.7 刘鹏举，赵仁亮，朱金兆，等.保持地貌特征的数字高程模型生成方法研究J.中国矿业大学学报，2006，35（4）：521-525.8 贾岸斌，佘高杰，卢舟，等.基于数字高程模型的河网和流域边界提取J.陕西气象，2020（2）：43-47.9 潘小多，刘勇，邓天阳.一种基于数字高程模型的道路填挖方边坡自动解析算法J.兰州大学学报（自然科学版），2002，38（1）：111-116.10 李钦荣.数字高程模型在不规则区域土方计算中的应用J.工程技术，2009，26：70-71.11 王欢，刘九夫，谢自银，等.基于水文应用的多源数字高程模型精度分析J.水利水电技术，2018，49（6）：30-38.12 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