王小東　戴福初②　黃志全

(①華北水利水電大學(xué)　鄭州　450011) (②北京工業(yè)大學(xué)　北京　100124)

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基于DEM的“兩段法”水庫塌岸預(yù)測(cè)研究*

王小東①戴福初①②黃志全①

(①華北水利水電大學(xué)鄭州450011) (②北京工業(yè)大學(xué)北京100124)

根據(jù)“兩段法”進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)的基本原理，本文基于Microsoft Visual Studio編程平臺(tái)和ArcGIS Engine地理信息系統(tǒng)二次開發(fā)組件完成“兩段法”塌岸預(yù)測(cè)程序的實(shí)現(xiàn)，將“兩段法”的應(yīng)用范圍由二維空間拓展到三維空間，實(shí)現(xiàn)了塌岸寬度和體積計(jì)算的參數(shù)化和自動(dòng)化，通過簡(jiǎn)單的人機(jī)交互，即可完成塌岸預(yù)測(cè)，提高了塌岸預(yù)測(cè)效率； 塌岸預(yù)測(cè)前后岸坡形態(tài)的三維可視化對(duì)比展示，也為庫岸防護(hù)工程的實(shí)施提供了更可靠的數(shù)據(jù)支持和決策依據(jù)。在程序的實(shí)現(xiàn)過程中，塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)獲取主要通過3個(gè)途徑：(1)通過野外調(diào)查實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲取所需的水下穩(wěn)定坡角和水上穩(wěn)定坡角； (2)通過地質(zhì)圖和高分辨率航空影像獲取巖性分界線、多年洪水位線、枯水位線等參數(shù)信息； (3)基于研究區(qū)高分辨率DEM(Digital Elevation DEM)數(shù)據(jù)，繪制地形剖面線，為程序運(yùn)行提供終止條件。

DEM兩段法水庫塌岸ArcGIS Engine

0　引　言

河流在多年的運(yùn)行中，豐水期水位上漲，枯水期水位下落，逐漸形成較為穩(wěn)定的河流岸坡，但由于水庫的建造，庫區(qū)地質(zhì)環(huán)境和水文條件較之前發(fā)生了前所未有的改變(何良德等， 2007)，特別是水庫蓄水之后，庫岸邊坡在風(fēng)浪和水位變化等因素的作用下，原有的平衡條件被打破，發(fā)生坍塌，以各種各樣的庫岸再造方式，使庫岸達(dá)到新的平衡狀態(tài)(闕金聲， 2007)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)塌岸研究主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：(1)塌岸范圍預(yù)測(cè)研究。以前蘇聯(lián)學(xué)者為代表，其預(yù)測(cè)方法可以分為兩派，一派是以卓洛塔廖夫?yàn)榇淼臈l件比擬法； 一派則為康德拉捷夫?yàn)榇淼臄?shù)學(xué)分析法。采用較多的是卡丘金的計(jì)算公式(最終預(yù)測(cè))和卓洛塔廖夫的圖解法(10a和最終預(yù)測(cè))(張倬元等， 1994； 王征亮， 2005； 何良德等， 2007)。在此基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)學(xué)者將卡丘金圖解法進(jìn)行拓展，產(chǎn)生了岸坡結(jié)構(gòu)法、兩段法等塌岸預(yù)測(cè)方法(王躍敏等， 2000； 劉天翔， 2006； 許強(qiáng)等， 2007)；(2)塌岸機(jī)理研究。以Simon為代表的西方學(xué)者著重從塌岸發(fā)生機(jī)理方面進(jìn)行研究(Millar et al.，1993; Osman et al.， 1998; Eddy et al. 1999; Millar， 2000; Wood et al., 2001; Simom et al.， 2003)。其中，Simon等基于Excel開發(fā)了BSTEM(Bank-Stability and Toe Erosion Model)模型，通過選擇剪切面、土層屬性、孔隙水壓力、水位線、植被狀況以及岸坡趾部侵蝕算法等，對(duì)岸坡穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)(Simon et al.，2003，2007)，但剖面線繪制以手動(dòng)輸入點(diǎn)的方式進(jìn)行，極為不便且難以獲取詳細(xì)的地形剖面線。

王躍敏等(2000)經(jīng)過近10年對(duì)數(shù)十處水庫塌岸的調(diào)查和研究，在卡丘金圖解法進(jìn)行塌岸預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，提出使用“兩段法”來指導(dǎo)外福鐵路線的塌岸預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)，該方法已在外福線水庫塌岸預(yù)測(cè)中得到成功的應(yīng)用，較適用于我國(guó)南方峽谷型水庫的塌岸預(yù)測(cè)(王躍敏等， 2000)。雖然如此，但“兩段法”存在明顯不足：(1)塌岸預(yù)測(cè)仍停留在傳統(tǒng)的二維塌岸寬度預(yù)測(cè)之上，對(duì)于塌岸的體積預(yù)測(cè)較少，且定量化程度低； (2)在實(shí)際的預(yù)測(cè)方法實(shí)施中，采用二維圖解的實(shí)現(xiàn)方法，自動(dòng)化程度低，岸坡預(yù)測(cè)前后的三維形態(tài)信息也未能很好地展示。高分辨率DEM數(shù)據(jù)的應(yīng)用和GIS(Geographical Information System，地理信息系統(tǒng))技術(shù)的引入，將使這一現(xiàn)狀得到改善。本文采用“兩段法”作為塌岸預(yù)測(cè)的基本方法，結(jié)合GIS組件開發(fā)技術(shù)，應(yīng)用高分辨率DEM數(shù)據(jù)，將“兩段法”由二維空間拓展到三維空間，由二維塌岸寬度計(jì)算拓展到三維塌岸體積計(jì)算，并將預(yù)測(cè)塌岸后岸坡形態(tài)以三維可視化的方式進(jìn)行展現(xiàn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了塌岸預(yù)測(cè)過程的參數(shù)化、自動(dòng)化和可視化。

1　“兩段法”的基本原理

“兩段法”的基本原理是：預(yù)測(cè)塌岸線由水下穩(wěn)定岸坡線和水上穩(wěn)定岸坡線的連線組成，水上穩(wěn)定岸坡線的起點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)的同高度的原始岸坡點(diǎn)與該線終點(diǎn)之間的水平距離，即為預(yù)測(cè)的塌岸寬度Sk，如圖1a所示。水下穩(wěn)定岸坡線由原河道多年最高洪水位h及傾角α確定，水上穩(wěn)定岸坡線由設(shè)計(jì)洪水位和毛細(xì)水上升高度H′及傾角β確定。圖1a給出“兩段法”的二維圖解：以原河道多年最高洪水位與岸坡交點(diǎn)A為起算高程點(diǎn)，以α為傾角繪出水下穩(wěn)定岸坡線，該線延伸至設(shè)計(jì)洪水位加毛細(xì)水上升高度的高程點(diǎn)B，再以B點(diǎn)為起點(diǎn)，以β角為傾角繪出水上穩(wěn)定岸坡線，該線與原岸坡的交點(diǎn)C即為水上穩(wěn)定岸坡的終點(diǎn)。水上穩(wěn)定岸坡線的起點(diǎn)B的高程所對(duì)應(yīng)的原岸坡點(diǎn)D與該線終點(diǎn)C之間的水平距離，即為“兩段法”預(yù)測(cè)的塌岸寬度Sk(王躍敏等， 2000)。

圖1　(a)“兩段法”的二維圖解原理(王躍敏等， 2000)； (b)“兩段法”的三維圖解原理Fig. 1　(a)Two-dimension schematic diagram of Two Section method(Wang et al.， 2000)； (b)Three-dimension schematic diagram of Two Section method(b)

本文在應(yīng)用地理信息系統(tǒng)二次開發(fā)方法實(shí)現(xiàn)塌岸寬度的快速求解的同時(shí)，將“兩段法”做了新的拓展，即將原來的二維的求解方式拓展到三維的求解方式上來，使得塌岸預(yù)測(cè)中體積的計(jì)算變得簡(jiǎn)單快捷，同時(shí)可以預(yù)測(cè)塌岸后水庫岸坡的三維形態(tài)。因此，在塌岸預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)的過程中，所需要的參數(shù)與二維圖解法類似，但因應(yīng)用了高分辨率DEM數(shù)據(jù)，又有所不同，主要的參數(shù)及其獲取方式包括：

1.1塌岸剖面線

基于2.5m×2.5m高分辨率DEM數(shù)據(jù)獲取“兩段法”中所需要的岸坡剖面數(shù)據(jù)。

1.2水下及水上起算點(diǎn)

由0.5m×0.5m高分辨率航空影像目視解譯提取多年最高洪水位線，水下起算點(diǎn)則通過獲取每條岸坡地形剖面線與多年最高洪水位線的交點(diǎn)得到； 水下計(jì)算終點(diǎn)即為水上起算點(diǎn)。

1.3水下及水上穩(wěn)定坡角

水下及水上穩(wěn)定坡角通過野外實(shí)測(cè)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲取(劉娟等， 2010)，野外調(diào)查中通過實(shí)際測(cè)量，獲取穩(wěn)定坡角值，同時(shí)根據(jù)實(shí)際量測(cè)位置的巖土體室內(nèi)土力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校核。

1.4水下及水上計(jì)算終點(diǎn)

由設(shè)計(jì)洪水位線與岸坡地形剖面線的交點(diǎn)處高程與該點(diǎn)處毛細(xì)水上升高度求和得到Hd，由起始點(diǎn)沿剖面線在水平面投影方向和豎直角α作射線與Hd高程水平面相交，交點(diǎn)即為水下計(jì)算的終點(diǎn)； 水上計(jì)算終點(diǎn)為實(shí)際剖面線與水上穩(wěn)定坡面線的交點(diǎn)。

2　“兩段法”進(jìn)行塌岸空間三維預(yù)測(cè)的GIS實(shí)現(xiàn)

本文以2.5m×2.5m高分辨率DEM數(shù)據(jù)作為塌岸區(qū)剖面線獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用GIS組件開發(fā)模式實(shí)現(xiàn)了“兩段法”在三維空間上的體積計(jì)算和形態(tài)展示。

2.1塌岸三維預(yù)測(cè)原理

算法設(shè)計(jì)建立在“兩段法”塌岸預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，將塌岸預(yù)測(cè)拓展到三維空間中，如圖1b所示。圖1b將圖1a進(jìn)行了空間上的擴(kuò)展，即將實(shí)際的空間三維岸坡作為預(yù)測(cè)對(duì)象，以與河流多年最高洪水位線近垂直的岸坡地形剖面線作為原始岸坡線，按給定距離間隔 (圖1b 中“步長(zhǎng)”所示)，做n條河流剖面線，覆蓋整個(gè)預(yù)測(cè)塌岸區(qū)域。以圖1b中AC地形剖面線為例，通過水下起算點(diǎn)A，水下穩(wěn)定坡角α和水下計(jì)算終止條件，得出水下穩(wěn)定岸坡線AB； 通過水上起算點(diǎn)B，水上穩(wěn)定坡角β和水上計(jì)算終止條件計(jì)算得到水上穩(wěn)定岸坡線BC，并同時(shí)得到AC地形剖面線所對(duì)應(yīng)的塌岸寬度Sk。

圖2　“兩段法”塌岸預(yù)測(cè)程序流程Fig. 2　The flow diagram of Two Section method in bank failure

“兩段法”的二維圖解只能計(jì)算塌岸寬度，同時(shí)，穩(wěn)定岸坡線不能在三維空間中很好地展現(xiàn)，因此，“兩段法”在三維空間的拓展，使得塌岸的體積計(jì)算和坡形展示成為可能。即圖1a中所示，通過一定的水平距離，在水下穩(wěn)定岸坡線和水上穩(wěn)定岸坡線上提取點(diǎn)，結(jié)合α、 β和起算點(diǎn)A的三維坐標(biāo)，計(jì)算得到分布在水下穩(wěn)定岸坡線和水上穩(wěn)定岸坡線上一系列三維坐標(biāo)點(diǎn)，依此類推，得到塌岸預(yù)測(cè)范圍內(nèi)由每一條地形剖面線所在的塌岸段進(jìn)行預(yù)測(cè)后穩(wěn)定岸坡線的三維坐標(biāo)點(diǎn)集合，最終得到該塌岸預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)的三維點(diǎn)集，通過該三維點(diǎn)集，可生成塌岸后DEM數(shù)據(jù)，結(jié)合岸坡原DEM即可計(jì)算塌岸體積，并能通過可視化的方式將塌岸后的岸坡形態(tài)進(jìn)行三維展示。具體的程序?qū)崿F(xiàn)流程(圖2)。

2.2塌岸三維預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)

本文采用C#編程語言，基于Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境，結(jié)合ArcGIS Engine(簡(jiǎn)稱AE)二次開發(fā)組件(ESRI， 2010； 蘭小機(jī)等， 2011)，以插件設(shè)計(jì)方式實(shí)現(xiàn)了二維塌岸寬度計(jì)算和三維塌岸體積計(jì)算。

圖4　“兩段法”塌岸體積計(jì)算過程Fig. 4　Bank collapse volume calculation by Two Section method

圖3　“兩段法”的二維GIS實(shí)現(xiàn)Fig. 3　The computation of Two Section method through 2D-GIS

2.2.1塌岸寬度計(jì)算的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)兩段法的二維圖解原理，設(shè)計(jì)寬度計(jì)算工具按鈕，在DEM數(shù)據(jù)平面進(jìn)行剖面線的繪制，即通過繪制線段，生成剖面，并同時(shí)計(jì)算該直線與多年最高水位線、設(shè)計(jì)洪水線以及巖層界線的交點(diǎn)。與多年最高洪水位線的交點(diǎn)即為水下穩(wěn)定岸坡計(jì)算的起點(diǎn)；以水下穩(wěn)定坡角角度為方向，做射線與設(shè)計(jì)洪水位線所在平面的交點(diǎn)，即為水上穩(wěn)定岸坡的起算點(diǎn)；再以水上穩(wěn)定岸坡坡角角度為方向，做射線與實(shí)際剖面線相交，即可得到塌岸發(fā)生的后緣點(diǎn)，最終生成水上穩(wěn)定岸坡線，通過計(jì)算水上穩(wěn)定岸坡線長(zhǎng)度與水上穩(wěn)定岸坡坡角的余弦的乘積即可得到塌岸的寬度。

為了使計(jì)算過程可視化，在設(shè)計(jì)該插件的過程中，借助AE的地圖容器，將生成的實(shí)際剖面線、水下穩(wěn)定岸坡線、水上穩(wěn)定岸坡線、水下起算點(diǎn)、水上起算點(diǎn)、塌岸終止點(diǎn)以及其他輔助圖形要素繪制在該地圖容器中(圖3)，虛線框中內(nèi)容即為兩段法進(jìn)行塌岸寬度的可視化解算過程。整個(gè)計(jì)算的前提是用戶繪制一條與多年最高洪水位線、設(shè)計(jì)洪水位線以及巖層分界線相交的線段，并在繪制線段完成后通過“兩段法基本參數(shù)設(shè)置”對(duì)話框，設(shè)置兩段法計(jì)算所需基本參數(shù)(圖4a)，二維圖解的過程即可自動(dòng)完成，需要說明的是，所繪制的線段的方向應(yīng)與河流走向大致正交。

2.2.2塌岸體積計(jì)算的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)兩段法的三維圖解原理，設(shè)計(jì)體積計(jì)算工具按鈕，體積計(jì)算建立在寬度計(jì)算的基礎(chǔ)之上，即將所繪制的剖面線向其左右兩側(cè)進(jìn)行陣列，生成一系列等間隔的剖面線，覆蓋一定庫岸段，然后，每個(gè)剖面線按照計(jì)算寬度的過程進(jìn)行，最終生成一定范圍內(nèi)的塌岸相關(guān)數(shù)據(jù)。

雖然三維“兩段法”從嚴(yán)格意義上講不是真正的三維，應(yīng)屬于“偽三維”或“假三維”的范疇，但將其進(jìn)行擴(kuò)展之后，可近似得到三維空間上的計(jì)算結(jié)果，也是一種較好的選擇。

“兩段法”在進(jìn)行山區(qū)峽谷型水庫的塌岸預(yù)測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用，本文在“兩段法”的基礎(chǔ)上，采用GIS二次開發(fā)的方式，使得“兩段法”的應(yīng)用由二維空間擴(kuò)展到三維空間，三維“兩段法”的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：

(1)基于高分辨率DEM數(shù)據(jù)，完成了塌岸二維寬度計(jì)算和三維塌岸體積計(jì)算，并最終生成可移植的塌岸計(jì)算工具插件，適用于GIS基礎(chǔ)平臺(tái)和二次開發(fā)應(yīng)用。

(2)實(shí)現(xiàn)了塌岸寬度和體積計(jì)算的參數(shù)化和自動(dòng)化以及塌岸預(yù)測(cè)過程的可視化，使塌岸寬度和體積的計(jì)算更加快捷高效，且能生成塌岸預(yù)測(cè)后岸坡形狀，便于進(jìn)行三維可視化展示。

3　應(yīng)用實(shí)例分析

本文在金沙江下游溪洛渡水庫站庫區(qū)200km回水區(qū)塌岸調(diào)查的基礎(chǔ)上，以獲得的典型塌岸區(qū)為例，以代表實(shí)際存在的3種塌岸情況為例，驗(yàn)證本文提出方法的可行性與適用性。在采用三維“兩段法”進(jìn)行體積計(jì)算之前，首先進(jìn)行塌岸寬度的預(yù)測(cè)，即通過在塌岸區(qū)繪制若干典型剖面進(jìn)行二維塌岸寬度計(jì)算，通過塌岸寬度計(jì)算可得到兩種結(jié)果： ①蓄水后將產(chǎn)生塌岸。即通過可視化的塌岸寬度計(jì)算結(jié)果(圖3)，若水下和水上塌岸預(yù)測(cè)線位于原始剖面線之下，則可判定該塌岸段蓄水后將產(chǎn)生塌岸，并可計(jì)算出塌岸的寬度，然后再進(jìn)一步采用三維“兩段法”進(jìn)行塌岸體積和形態(tài)的預(yù)測(cè)。 ②蓄水后不產(chǎn)生塌岸。通過可視化的塌岸寬度計(jì)算(圖3)，若水下塌岸預(yù)測(cè)線位于原始剖面線之上，則可判定該塌岸段蓄水后不產(chǎn)生塌岸。以米西洛、對(duì)坪和石板灘庫岸為例，對(duì)三維“兩段法”的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析。

3.1應(yīng)用實(shí)例1：米西洛塌岸范圍預(yù)測(cè)

米西洛塌岸區(qū)位于美姑河右岸，距河口6.1km，順河長(zhǎng)度1.0km，為崩坡積堆積體，堆積物主要為碎石土，塊石少見，碎石弱膠結(jié)，主要成分為灰?guī)r。坡體前緣較陡，坡角35°～39°， 900m高程以上為相對(duì)平緩臺(tái)地，兩側(cè)均為基巖陡坎。中部前緣發(fā)生局部次級(jí)滑坡(圖5)(鏡向： 211°)，坡體上有多條沖溝發(fā)育，沖溝深度10～20m，溝底未見基巖。前緣下游側(cè)臨河附近基巖出露，有采礦。

圖5　米西洛塌岸區(qū)全景照片F(xiàn)ig. 5　The Panorama picture of Mixiluo bank failure region

根據(jù)DEM采用圖解的方式，獲得該塌岸區(qū)的水下穩(wěn)定坡角為25°，水上穩(wěn)定坡角為42°，采用三維“兩段法”對(duì)米西洛庫岸段進(jìn)行水下塌岸預(yù)測(cè)線和水上塌岸預(yù)測(cè)線的繪制，步驟如下：

3.1.1塌岸寬度計(jì)算

根據(jù)圖4a設(shè)置塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)，設(shè)置水下穩(wěn)定坡角為25°，水上穩(wěn)定坡角為42°，通過繪制剖面線的方式在其上半平面完成可視化計(jì)算，如圖6a所示，可見，水下塌岸預(yù)測(cè)線和水上塌岸預(yù)測(cè)線均位于岸坡坡面線以下。

圖6　(a)二維剖面上寬度預(yù)測(cè)示意； (b)塌岸范圍預(yù)測(cè)Fig. 6　(a)The diagram of bank failure width of 2-D profile； (b)The bank failure region prediction

3.1.2塌岸范圍預(yù)測(cè)

根據(jù)圖4a設(shè)置塌岸預(yù)測(cè)參數(shù)，設(shè)置水下穩(wěn)定坡角為25°，水上穩(wěn)定坡角為42°，然后進(jìn)行跨度設(shè)置與步長(zhǎng)設(shè)置，分別設(shè)置為450m和25m，即在圖6b所示的圖切剖面線兩側(cè)各450m范圍內(nèi)，以25m間隔生成剖面線集合，分別計(jì)算每條剖面上的塌岸寬度，并得到每條剖面線對(duì)應(yīng)的塌岸后緣點(diǎn)，將塌岸后緣點(diǎn)的連線構(gòu)造塌岸后緣線，再結(jié)合600m蓄水位線，以及野外調(diào)查獲取的塌岸邊界線生成塌岸范圍，如圖6b所示，在水下和水上塌岸預(yù)測(cè)線上等間隔取點(diǎn)，并根據(jù)水上和水下穩(wěn)定坡角，計(jì)算高程，得到三維點(diǎn)集合。

圖7　采用挖填方工具計(jì)算塌岸體積Fig. 7　Compute the bank failure volume through cut-fill tool in ArcGIS

3.1.3體積計(jì)算

體積計(jì)算則采用ArcGIS的空間分析功能完成，即將塌岸預(yù)測(cè)線上的三維點(diǎn)，以“Topo to Raster”的方式生成DEM，最終完成體積計(jì)算。通過將圖7b所示塌岸后DEM可將其三維形態(tài)在ArcScene中進(jìn)行展示。在此過程中，雖然自動(dòng)化的方法生成了三維點(diǎn)數(shù)據(jù)，但會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)化不能處理的情況，應(yīng)引起注意，如圖8 所示，在該岸坡左側(cè)邊界部分，水下塌岸預(yù)測(cè)線位于實(shí)際剖面線之上，則表明該處無塌岸； 在該岸坡右側(cè)邊界處，水上塌岸預(yù)測(cè)線為空，其后緣點(diǎn)應(yīng)位于野外調(diào)查所獲得的堆積體邊界線上。通過應(yīng)用實(shí)例2和應(yīng)用實(shí)例3對(duì)應(yīng)用實(shí)例1中左右邊界產(chǎn)生的兩種情況進(jìn)行詳細(xì)說明。

3.2應(yīng)用實(shí)例2：對(duì)坪塌岸范圍預(yù)測(cè)

對(duì)坪岸坡段位于金沙江左岸，距壩里程157.7km，順江長(zhǎng)度0.25m。上下游兩側(cè)均以大型支溝為界，為金沙江階地河流相沖積物堆積(圖9)(鏡向： 180°)。堆積物主要為河流相砂礫石，具斜層理，含少量礫石，礫石成分為砂巖為主，部分為板巖、砂頁巖，混雜少量洪積物堆積，呈棱角狀碎石。其上為對(duì)坪鎮(zhèn)。坡前為坡積物，塊石、黏土含量較多。通過對(duì)該區(qū)實(shí)測(cè)與圖解方法得到的穩(wěn)定坡角進(jìn)行綜合，得到水下穩(wěn)定坡角18°，水上穩(wěn)定坡角23°。

圖8　自動(dòng)化塌岸預(yù)測(cè)結(jié)果分析Fig. 8　The analysis to the results through automatic bank failure prediction

圖9　對(duì)坪塌岸區(qū)全景照片F(xiàn)ig. 9　The panorama picture of Duiping bank failure region

先進(jìn)行塌岸寬度計(jì)算，如圖10 所示，水下塌岸預(yù)測(cè)線位于剖面線之上，表明無塌岸，在該岸坡段進(jìn)行了多個(gè)位置處的試驗(yàn)之后，均出現(xiàn)這一情況，可判斷該區(qū)域蓄水后基本無塌岸，與該區(qū)段河流侵蝕所形成的階地以及河流相砂礫石堆積物所形成的緩坡地形的特征是一致的。

圖12　石板灘庫岸段寬度預(yù)測(cè)和范圍預(yù)測(cè)Fig. 12　Width and region prediction of Shibantan prediction

圖10　對(duì)坪庫岸段二維剖面上寬度預(yù)測(cè)示意Fig. 10　The diagram of width prediction in 2-D profile of Duiping bank failure region

圖11　石板灘塌岸區(qū)全景Fig. 11　The panorama picture of Shibantan bank failure region

3.3應(yīng)用實(shí)例3：石板灘塌岸范圍預(yù)測(cè)

石板灘庫岸段位于金沙江右岸，全景照片如圖11(鏡向： 153°)所示，通過圖解和實(shí)測(cè)方法的綜合，得到其水下穩(wěn)定坡角為21°，水上穩(wěn)定坡角為32°。

仍從塌岸寬度計(jì)算開始，由圖12a可知，水下塌岸線位于剖面線之下，表明該處將會(huì)產(chǎn)生塌岸，而水上塌岸線按水上穩(wěn)定岸坡角繪制射線時(shí)，與剖面線無交點(diǎn)，因此，對(duì)于該類塌岸，塌岸后緣點(diǎn)即為剖面線的后緣點(diǎn)，塌岸的寬度為該點(diǎn)與600m正常蓄水位線所對(duì)應(yīng)的原始岸坡上的點(diǎn)的連線。

通過體積計(jì)算工具，生成一組剖面線，進(jìn)行每條剖面線上寬度計(jì)算，結(jié)果如圖12b所示，由水上起算點(diǎn)做射線計(jì)算時(shí)，均與實(shí)際剖面線無交點(diǎn)，因此，塌岸后緣線即為野外調(diào)查獲得堆積體后緣邊界線，其塌岸范圍即為由600m正常蓄水位線與堆積體邊界線構(gòu)成的多邊形(圖12c)。

4　結(jié)　語

本文在“兩段法”的基礎(chǔ)上，采用GIS二次開發(fā)的方式，使得“兩段法”的應(yīng)用由二維空間擴(kuò)展到三維空間，主要取得了以下認(rèn)識(shí)：

(1)基于高分辨率DEM數(shù)據(jù)，完成了塌岸二維寬度計(jì)算和三維塌岸體積計(jì)算，并最終生成可移植的塌岸計(jì)算工具插件，適用于GIS基礎(chǔ)平臺(tái)和二次開發(fā)應(yīng)用。

(2)實(shí)現(xiàn)了塌岸寬度和體積計(jì)算的參數(shù)化和自動(dòng)化以及塌岸預(yù)測(cè)過程的可視化，使塌岸寬度和體積的計(jì)算更加快捷高效，且能生成塌岸預(yù)測(cè)后岸坡形狀，便于進(jìn)行三維可視化展示。

總之，GIS技術(shù)的引入，使得“兩段法”能夠更準(zhǔn)確更高效地預(yù)測(cè)塌岸寬度、體積、坡形等特征，為塌岸的防護(hù)措施及防護(hù)工程的建設(shè)提供了參考。但正如“兩段法”的提出者王躍敏所述，用該方法時(shí)要輔助以其他方法進(jìn)行對(duì)比分析，反復(fù)檢驗(yàn)其合理性。

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PREDICTION OF RESERVOIR BANK SLOPE FAILURE USING DEM-SUPPORTED TWO SECTION METHOD

WANG Xiaodong①DAI Fuchu①②HUANG Zhiquan①

(①NorthChinaUniversityofWaterConservancyandElectricpower，Zhengzhou450011) (②BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124)

In this article we expand applications of “Two Section Method” from two-dimension to three-dimension. We use the Microsoft Visual Studio where meantime ArcGIS Engine component is embedded. The software program is designed to compute the width and volume of reservoir bank slope failure. By inputting some parameters including stable slope angle， lithological boundary and flood level line， it automatically runs. Hence， the prediction of bank slope failure can be completed via simple man-machine interaction， which improves the efficiency of prediction. At the meantime， the bank slope shape can be comprised between，before and after bank failure through three-dimension visualization， which can provide more reliable support of data and decision for bank protecting project. In the process of software program， there are three ways of achieving the parameters according to the need of program. They are: (1)Using the field survey and geotechnical test results， the parameters such as bank slope angle stabilized above and underwater， can be obtained，(2)From the geological map and high-resolution Images， lithological boundary， flood level line and low level line can be achieved， and (3)From high-resolution DEM，the terrain profile line can be drawn that acts as the terminal condition of the program．

DEM， Two Section method， Bank failure， ArcGIS Engine

10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.005

2014-09-02;

2015-02-27.

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102210111)，河南省科技創(chuàng)新人才計(jì)劃(154100510006)，華北水利水電大學(xué)高層次人才引進(jìn)科研啟動(dòng)項(xiàng)目(201201，201402)，華北水利水電大學(xué)青年科技人才創(chuàng)新計(jì)劃(70461)資助.

王小東(1980-)，男，博士，講師，主要從事GIS， 滑坡、水庫塌岸等方面的研究. Email：wxdyaner@foxmail.com

簡(jiǎn)介： 黃志全(1970-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事巖石力學(xué)，地質(zhì)工程方面的研究. Email：huangzhiquan@ncwu.edu.cn

TV62

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