余學(xué)淵

摘 要：長(zhǎng)江干線航道水下地形復(fù)雜多變，沖刷和回淤幅度此起彼伏，本文簡(jiǎn)要敘述利用水深測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)長(zhǎng)江南京以下12.5米深水航道水下地形演變監(jiān)測(cè)分析的方法，及制定航道水深監(jiān)測(cè)周期的意義，著重介紹Surfer曲面測(cè)繪軟件的等高線圖示法、三維圖示法和斷面圖示法及其應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：河床演變；XYZ坐標(biāo)；數(shù)據(jù)白化；礙航淤積速度

中圖分類號(hào)：U697 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006—7973（2017）05-0029-02

1 航道演變監(jiān)測(cè)分析的意義

經(jīng)過(guò)多年自然演變和人工治理，長(zhǎng)江南京以下12.5米深水航道上下游便捷條件逐漸趨于穩(wěn)定，多汊并存的河勢(shì)格局基本形成。但上游來(lái)水、來(lái)沙條件的不穩(wěn)定性和因河勢(shì)不同造成的沿程阻力多變決定沿程及底沙輸移的不均勻性，航道水下地形演變監(jiān)測(cè)、回淤規(guī)律研究顯得尤為重要。動(dòng)態(tài)跟蹤掌握航道演變趨勢(shì)與規(guī)律，可以為航道維護(hù)決策提供科學(xué)依據(jù)；積累觀測(cè)資料和分析成果，能夠?yàn)楹降澜ㄔO(shè)提供技術(shù)支持；深入研究掌握航道演變規(guī)律，創(chuàng)新航道養(yǎng)護(hù)方式，能夠增強(qiáng)航道維護(hù)管理的科學(xué)性和系統(tǒng)性，同時(shí)不斷提高航道養(yǎng)護(hù)管理質(zhì)量和水平。

2 監(jiān)測(cè)分析的方法和應(yīng)用

由于長(zhǎng)江干線航道的來(lái)水來(lái)沙條件瞬息多變，河床周界條件因地而異，河床演變的形式及過(guò)程極其復(fù)雜，現(xiàn)階段要進(jìn)行精確的定量計(jì)算，尚有不少困難，但可借助某些手段對(duì)河床演變進(jìn)行定性分析或定量估算?，F(xiàn)階段常用的幾種分析途經(jīng)如下：①利用條件相似河段的資料進(jìn)行類比分析；②運(yùn)用模型試驗(yàn)的基本理論，通過(guò)河工模型試驗(yàn)，對(duì)河床演變進(jìn)行預(yù)測(cè)；③運(yùn)用泥沙運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律及河床演變基本原理，對(duì)河床變形進(jìn)行理論計(jì)算；④天然河道實(shí)測(cè)資料分析。上面四種方法中，天然河道實(shí)測(cè)資料分析方法，是最基本、最常用的方法。

根據(jù)長(zhǎng)年實(shí)測(cè)的水深測(cè)量數(shù)據(jù)，借助制圖軟件和地理信息系統(tǒng)軟件的數(shù)據(jù)分析功能進(jìn)行航道演變規(guī)律分析應(yīng)用，而最直觀的分析方法就是采用圖示法，其中最常用的為等高線圖示法、三維圖示法和斷面圖示法。下面以Surfer 12為例，簡(jiǎn)要分析如何應(yīng)用水深點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行航道水下地形演變的分析。

2.1 采集原始測(cè)量數(shù)據(jù)

收集不同時(shí)期獲得的以XYZ坐標(biāo)離散點(diǎn)形式的水深點(diǎn)數(shù)據(jù)，所謂的不同時(shí)期，可以是枯水季、洪水季、同年或者不同年等，根據(jù)分析目的不同自行決定。通常不采用格柵或者內(nèi)插的水深點(diǎn)，目的是保證當(dāng)前位置水深值的準(zhǔn)確性，也是航道水下地形演變分析可靠性的關(guān)鍵。如果采用的軟件不具備投影改正和基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換功能，則需要收集經(jīng)過(guò)投影改正和基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換處理后的水深測(cè)量數(shù)據(jù)，并且不同時(shí)期的數(shù)據(jù)宜為同一基準(zhǔn)面和坐標(biāo)系。

2.2 格網(wǎng)化處理并繪制成圖

在數(shù)據(jù)格網(wǎng)化的時(shí)候，格網(wǎng)化算法有12種之多。為了如實(shí)反應(yīng)地貌特征，盡可能選擇克里金法（Kriging）和反距離加權(quán)插值法（Inverse Distance to a Power）。因?yàn)檫@兩種方法在插值點(diǎn)與取樣點(diǎn)重合時(shí)，插值點(diǎn)的值就是樣本點(diǎn)的值，而其它方法不能體現(xiàn)樣本點(diǎn)的真實(shí)值。當(dāng)所有其他參數(shù)相等的條件下，采用反距離加權(quán)插值法，越靠近結(jié)點(diǎn)（計(jì)算出的規(guī)則點(diǎn)）的原始數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)計(jì)算該結(jié)點(diǎn)的Z值貢獻(xiàn)越大。把不同時(shí)期采集水深點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)格網(wǎng)化處理產(chǎn)生不同時(shí)期的規(guī)則矩形網(wǎng)格的三維數(shù)組X，Y，Z文件數(shù)據(jù)（*.grd），并繪制等高線圖（Contour Map）。直觀的等高線圖需要進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置，比如主要等高線、輔助等高線，注記、色塊填充及坐標(biāo)系等的設(shè)置。為提高工作效率，減少重復(fù)工作量，在利用不同期測(cè)量數(shù)據(jù)繪制圖形時(shí)，我們可以采用同一等深線配置文件（*.LVL文件）。在高線圖和線框圖中可以直觀分辨出異?；蛘咄蛔兊臄?shù)據(jù)，通過(guò)檢查原始測(cè)量數(shù)據(jù)，配合粘貼圖，使用網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)編輯器變更網(wǎng)格文件（*.grd）內(nèi)網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)的Z值，并重新生成網(wǎng)格文件和各類圖元。

2.3 邊界文件及數(shù)據(jù)白化處理

在實(shí)際航道工程測(cè)量工作中，我們采集的數(shù)據(jù)量通常是比較大，采集區(qū)域和我們分析所需的區(qū)域不一，這時(shí)就要使用軟件中的邊界和白化處理功能。Surfer 對(duì)由離散的XYZ 數(shù)據(jù)文件生成網(wǎng)格文件時(shí)，是根據(jù)原始X、Y的取值范圍和所選用的數(shù)學(xué)模型，自動(dòng)生成一個(gè)矩形網(wǎng)格。根據(jù)航道形狀把航道范圍線外（線內(nèi)）的數(shù)據(jù)剔除，生成一個(gè)由航道邊線封閉多邊形定義的區(qū)域，按照surfer的.BLN文件格式存儲(chǔ)在一個(gè)或多個(gè)以.BLN 為擴(kuò)展名的邊界文件中，通過(guò)邊界文件及白化處理使航道邊線封閉多邊形定義的區(qū)域外（區(qū)域內(nèi)）的區(qū)域被剔除形成空白。不同時(shí)期的測(cè)量數(shù)據(jù)處理都采用同一邊界文件可以大大減少重復(fù)工作量，提高工作效率，方便數(shù)據(jù)比較分析。以包含邊界文件的新網(wǎng)格文件（*.grd）重新生成各類圖，可以看到，等高線圖上航道邊線范圍外的等高線被消除掉；在線框圖上航道邊線范圍外成為平行于基點(diǎn)平面的區(qū)域。下圖為長(zhǎng)江南京以下12.5米深水航道某水道2016 年8月份兩次測(cè)圖獲得的離散高程數(shù)據(jù)，插值生成規(guī)則的格網(wǎng)數(shù)據(jù)并經(jīng)邊界文件空白處理后繪制的等高線圖。圖1 為其中兩次測(cè)量的等高線圖。圖2 為水深數(shù)據(jù)生成的曲面圖和線框圖。從等高線圖上等高線的疏密和色塊的變化，以及三維圖的空間特征可以直觀地看出航道水下地形演變趨勢(shì)。

2.4 回淤?zèng)_刷量及礙航淤積速度的比較和分析

不管是回淤?zèng)_刷量比較還是礙航淤積速度的分析，通常是使用多組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。不同測(cè)量數(shù)據(jù)文件生成具有相同X、Y坐標(biāo)的多個(gè)文件，并按比較分析的順序要求，利用Surfer軟件“數(shù)學(xué)”功能，相互之間以C=B-A生成一個(gè)新的輸出網(wǎng)格文件，其中A和B是輸入的網(wǎng)格文件，C是輸出網(wǎng)格文件。由于具有相同X、Y坐標(biāo)的網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)，這樣就從輸入網(wǎng)格文件A和B的相應(yīng)結(jié)點(diǎn)上計(jì)算出Z的差值（Z`），計(jì)算的結(jié)果（X，Y，Z`）將保存到具有相同坐標(biāo)的網(wǎng)格文件C內(nèi)。利用B-A函數(shù)得出的C1、C2、C3……，計(jì)算其體積和表面積，可以得到回淤?zèng)_刷量，結(jié)合兩次數(shù)據(jù)采集周期可以計(jì)算出礙航淤積速度。Surfer 軟件還可通過(guò)“殘差”功能計(jì)算出任一坐標(biāo)位置的高程與設(shè)計(jì)航道底標(biāo)高之間的差值。通過(guò)剖面生成功能在等值圖上按一定方向和距離切畫出航道剖面線，剖面生成的航道剖面數(shù)據(jù)文件能被多種二維繪圖軟件用來(lái)生成航道剖面圖。圖3為長(zhǎng)江南京以下12.5米深水航道洪水季某一水道某一斷面相鄰四個(gè)月測(cè)量結(jié)果疊加的比較。若采用固定斷面測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析可得出更精確的結(jié)果，圖4為長(zhǎng)江南京以下12.5米深水航道某一水道2016年8月到12月的測(cè)量數(shù)據(jù)分析計(jì)算的結(jié)果，清晰呈現(xiàn)出每個(gè)時(shí)期礙航淤積速度的變化。

2.5 航道水下地形變化的演示

為了更加直觀地反映航道水下地形變化，用Surfer 建立各個(gè)時(shí)期航道水下地形圖件，特別是三維立體顯示與渲染圖，并通過(guò)對(duì)圖形的迭合和圖形的堆壘，以及對(duì)繪制好的圖進(jìn)行圖形整飾（例如修改、標(biāo)注、渲染等），作為幻燈片制成演示文稿，可以方便、清晰、直觀地進(jìn)行各個(gè)時(shí)期航道水下地形變化的演示（如圖5），結(jié)合比色刻度尺，圖上整個(gè)區(qū)域水深變化一目了然。

3 結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)江河道呈現(xiàn)多種形態(tài)分布，河床演變錯(cuò)綜復(fù)雜，不同河道灘槽格局穩(wěn)定性差異較大。長(zhǎng)江河床演變除了受徑流和潮流作用以外，還有其它一些因素的影響，如橋渡、港口碼頭、取水工程、護(hù)岸工程等等。諸多因素的分析后，再由此及彼、由表及里采用多種途徑方法結(jié)合起來(lái)進(jìn)行綜合分析，探明河床演變的基本規(guī)律及主要影響因素，預(yù)估河床演變的發(fā)展趨勢(shì)，為制定合理的長(zhǎng)江航道維護(hù)和整治工程方案提供科學(xué)依據(jù)。

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