汪鹤卫

摘 要：为了解复杂河道的港口码头运行变化情况，确保生产和防洪安全，以马鞍山港口为观测实例，叙述了在复杂河道港区的港口码头变形观测、近岸水下地形和岸坡稳定观测方法，详细地分析了码头稳定性、附近水下地形和岸坡变化。在观测和分析中，主要利用高精度全站仪、GPS配合测深仪进行了观测，对采集的数据采用了ARCGIS10.0软件进行了全面的对比分析，为码头的设计验证、河道治理和岸坡养护提供了可靠的基础数据，对港口码头运行管理具有较强参考应用价值。

关键词：水下地形 沖淤分析 岸坡稳定性 冲淤量

中图分类号：U652 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）06（b）-0091-02

长江河道演变受水系来水来沙、弯道和汊道泥沙运动、悬移质和推移质运动等条件影响，会发生沖淤变化。为正确了解和研究长江中下游河道治理，特别是重点港口区域的整治和防护，应加强沖淤观测和分析。该文利用先进的测量仪器和ARCGIS软件，系统观测和分析了长江下游马鞍山河段马鞍山港区的变化情况。

1 观测和分析目的

马鞍山港口位于马鞍山河段，该河段洲滩较多、河道复杂，河床发育于第四纪沉积物上，为典型的河漫滩二元结构，表层5～10m是透水性差的淤泥质粘性土或亚粘土，其下30～50m为细沙层。右岸工程地质条件人头矶码头附近最差，在水流冲刷作用下极不稳定。在河流历史演变过程中，这一带处于江心洲尾与小黄洲头之间过渡段的上下移动区，冲淤频繁，抗冲力最弱，50、60、70年代的几次大崩岸都发生在这一地区。

通过对2007年测次和2012年测次马鞍山河段沖淤图对比分析，可以看出：中心港区附近出现了淤积，人头矶附近出现冲刷，如图1所示。为了加强河道治理和港区运行管理，及时掌握码头工程区域水下地形、岸坡和码头变化情况，确保码头和港口运行安全，该院连续3年对港区进行观测和分析，并编制了分析报告。

2 观测内容、方法和过程

2.1 观测内容

（1）码头变形观测：对固定高桩式码头进行水平位移和垂直位移观测。每个固定码头布置4个水平位移观测点，8个垂直位移观测点，水平、垂直位移变形观测等级为三级。观测点的布置图以人头矶码头为例，如图2所示。

（2）水下地形测量：垂直水流方向自防洪墙开始向长江测至码头外沿以外250米，测图比例为1：1000。

（3）固定断面测量：码头前沿每隔100米施测一条固定断面，测宽同水下地形，变化大的关键区域要加测断面，测图比例为1：200。

2.2 观测方法和过程

主要包括对固定高桩式码头进行水平和垂直位移观测，港区水下地形和固定断面测量，断面和地形冲淤情况分析。观测的频率为每年一次，因汛前和汛后河床沖淤变化大，观测时间统一选择在每年汛后11月，各测次观测时水位相差也不要超过1米。

（1）码头变形观测：水平位移监测点采用极坐标法测量。极坐标法测量采用Leica TS30型全站仪进行，在安装有强制对中器的工作基点架设仪器，在安装有强制对中器的后视方向点架设固定觇牌。沉降观测采用Dini-03型数字水准仪配合条形水准尺，按后-前-前-后观测方法进行观测。

（2）水下地形测量，根据设计任务书的要求和测区实际情况，设计合理的测量航线，关键的区域还要加密航线，每测次对比的航线要一致。GPS无线电信号采用CORS信号，在使用前求取校正参数，并在每天正式测量前和结束后均进行参数检校。

（3）固定断面测量：断面方向大致垂直于主流方向，测量方法和地形测量相同，断面间距和测点间距严格按照规范执行。进行断面套绘，套绘断面分别采用了该院2012年11月、2013年11月施测的断面资料。

3 观测数据分析

马鞍山港区长度约3千米，每个区域变化不尽相同，为了准确分析码头前沿和附近的变化情况，港区共分成了5块区域。沖淤分析时先进行整体分析，每块分析从总分析图提取，保证该区域在色带和等值线的一致性。由于篇幅关系，5块区域不可能一一描述，先仅以变化较大、较为典型的人头矶码头为例。

3.1 水平位移及垂直位移观测情况

监测中平面基准采用1954年北京坐标系1.5度分带，高程基准采用1985国家高程基准。从安全及减小码头作业对观测影响考虑，平面位移点布设在码头内侧。水平基准点按D级GPS点精度接测，高程基准点按国家二等水准观测方法接测，基准点3～5年复测一次。通过2013年11月监测成果和2014年11月监测结果比较，监测点未发现异常现象。

3.2 水下地形分析

水下地形分析采用了马鞍山港区最近三年11月份测量数据，利用ArcGis10.0软件进行了分析。

（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3DAnalyst扩展模块。单击ArcToolbox窗口，展开“3DAnalyst工具”，展开“TIN管理”工具，双击“创建TIN”，创建TIN，如图3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）冲淤量计算：所有的TIN生成后，利用“TIN转栅格”工具，把生成TIN转换成Raster数据，TIN数据转换成栅格数据后，便可进行土方沖淤计算和栅格计算。沖淤计算使用“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，栅格中红色区域为淤积区，蓝色区域为冲刷区，灰色区域地形没变化，效果图如上图1所示。打开CutFill_tin文件数据属性表，导出报表，计算出冲淤量、沖淤面积和沖淤高度等内容，结果如表1所示。

（5）沖淤图绘制和合成：先用本期的栅格数据减去上期的栅格数据得到沖淤变化的栅格数据。然后用“栅格表面→等值线”工具对变化栅格数据绘制等值线，并进行拟合、等值线的标注和掩膜。栅格计算数据一般是用灰度表示的，为了直观显示，必须进行分色表示，定义大小为“1”米的间隔，选择一条由红黄绿兰组成的色带，并进行符号标注。为加强图的易读性，导入岸上带固定码头的地物和文字。打印图纸时要进行合理布局，添加图例、比例尺、指北针和标题。

（6）沖淤分析结果：通过以上资料可以看出：人头矶固定码头前沿变化不大，总体以冲刷为主，变化在1米左右。码头后侧以淤积为主，一般淤积在1米左右，岸坡变化不大。码头前沿120米处水下变化比较复杂，上游侧出现淤积，淤积量最大达7米（固定断面CS1处），中游侧出现冲刷，下游侧出现淤积。固定断面CS1、CS2和CS3近岸水下出现冲刷，断面中部区域出现淤积。

3.3 近岸岸坡比断面分析

人头矶港区近岸岸坡比（自岸坎至近岸岸坡脚）在1：3.33～1：5.47之间，坡度均缓于1：3，目前岸坡较为稳定。其中浮码头处为自然坡，坡度较陡，在1：3.4左右。固定码头下段坡度较缓，在1：5.3左右，这主要是码头建设施工开挖形成的，且码头后侧已经开始明显淤积。

2014年11月与2013年11月两次测图相比，岸坡较为平顺，变化不大，两次测图近岸岸坡基本重合，码头前沿以轻微冲刷为主，岸坡基本没有变化，岸坡较为稳定。

上述总体分析表明：马鞍山港口人头矶码头近岸岸坡变化不大，近岸岸坡稳定；码头前沿总体呈略冲状态，主河床区域以淤积为主；码头近岸下游侧冲刷可能与近岸回流有关，应加强观测，避免发生崩岸，保证码头安全运行和防洪安全。

4 结语

通过变形观测对码头重点监测点进行了位移观测，利用固定断面对关键岸坡和水下地形进行精细观测，采用GIS软件对水下地形进行了整体沖淤分析，做到了点、线、面的结合，比较系统和科学地对马鞍山港区进行了观测和分析，较好的反映港区的码头、河道和岸坡的变化情况。观测数据建立了GIS数据库，使用方便，具有较强的管理价值和参考应用价值。

参考文献

[1] 黄声享，尹晖.变形监测数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2003.

[2] 汤国安，杨昕.地理信息系统空间分析实验教程[M].北京：科学出版社，2006.

[3] 张成才，秦昆，卢艳，等.GIS空间分析理论与方法[M].武汉：武汉大学出版社，2004.