珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)頂點河道斷面侵蝕形態(tài)的演變

汪麗娜, 陳曉宏, 鄺遠(yuǎn)華

(1.華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 廣東 廣州 510631; 2.中山大學(xué) 水資源與環(huán)境研究中心, 廣東 廣州 510275;3.中山大學(xué) 華南地區(qū)水循環(huán)和水安全廣東普通高校重點實驗室, 廣東 廣州 510275; 4.佛山市水務(wù)局, 廣東 佛山 528000)

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珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)頂點河道斷面侵蝕形態(tài)的演變

汪麗娜1, 陳曉宏2,3, 鄺遠(yuǎn)華4

(1.華南師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 廣東 廣州 510631; 2.中山大學(xué) 水資源與環(huán)境研究中心, 廣東 廣州 510275;3.中山大學(xué) 華南地區(qū)水循環(huán)和水安全廣東普通高校重點實驗室, 廣東 廣州 510275; 4.佛山市水務(wù)局, 廣東 佛山 528000)

摘要：[目的] 研究斷面形態(tài)的演變特征,給上游來水來沙、人類活動影響的分析提供檢驗,也為下游水文地貌的演變提供科學(xué)依據(jù)。[方法] 利用珠江三角州網(wǎng)河區(qū)三水站和馬口站資料，通過提取反映河道斷面侵蝕形態(tài)的指標(biāo),采用模擬退火算法優(yōu)化的投影尋蹤模型,綜合解析河道斷面侵蝕形態(tài)的演變特征。[結(jié)果] 由于三水站2009年的虛實比遠(yuǎn)大于其他年份的虛實比,2009年三水站斷面侵蝕形態(tài)異于其他年份外,其他年份侵蝕形態(tài)的變化較為緩和;對于馬口站而言,盡管該斷面的侵蝕形態(tài)變化較多,但綜合5項反映河道斷面侵蝕形態(tài)指標(biāo)來看,該斷面形態(tài)的變化類型總體上可以劃分成2種侵蝕類別。[結(jié)論] 總體上,21世紀(jì)初馬口和三水站斷面比20世紀(jì)90年代過水?dāng)嗝嬖龃?斷面的過水能力有加大的趨勢。

關(guān)鍵詞：珠江三角洲; 河道斷面; 侵蝕形態(tài)

文獻(xiàn)參數(shù)： 汪麗娜, 陳曉宏, 鄺遠(yuǎn)華.珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)頂點河道斷面侵蝕形態(tài)的演變[J].水土保持通報，2016,36(3)：120-124.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.03.022

珠江三角洲網(wǎng)河區(qū)由西江、北江與東江共同沖積成，是放射形汊道的三角洲復(fù)合體，呈倒置三角形，面積約1.10×104km2，該區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，網(wǎng)河區(qū)入口的三水站和馬口站作為三角洲入口的控制站，具有較高的重要度，河床橫斷面的形態(tài)作為影響河流輸沙、流速的主要影響因素，馬口和三水?dāng)嗝嫘螒B(tài)的變化與上游來水來沙、人類活動等息息相關(guān)，其變化結(jié)果直接影響其下游洪澇災(zāi)害、航道變遷、三角洲腹地防洪等一系列問題[1]。不少學(xué)者從馬口站和三水站的分水分沙、河相關(guān)系、水位變化等角度解析馬口站和三水站的河道形態(tài)演變特征[2-5]。21世紀(jì)初，李天堅[6]分析三角洲控制斷面的河道特征，得出三水、馬口站直至1990年仍基本維持沖淤平衡的結(jié)論。

本文通過提取反映河道斷面侵蝕形態(tài)的指標(biāo)，分析各項反映河道斷面形態(tài)指標(biāo)的變化特征。由于河道斷面侵蝕形態(tài)綜合了多項指標(biāo)，而各指標(biāo)的變化規(guī)律僅反映河道斷面形態(tài)某方面的變化特征，難以綜合反映河道斷面侵蝕形態(tài)的演變特點，本文采用模擬退火算法優(yōu)化的投影尋蹤模型，結(jié)合多項反映河道斷面侵蝕形態(tài)的指標(biāo)值，綜合解析河道斷面侵蝕形態(tài)的演變特征。本文通過研究斷面形態(tài)的演變特征，以期給上游來水來沙、人類活動影響的分析提供檢驗，也為下游水文地貌的演變提供科學(xué)依據(jù)。

1模式識別的聚類模型

1.1投影尋蹤模型

投影尋蹤方法是把高維數(shù)據(jù)通過某種組合投影到低維子空間上，即可作探索性分析，又可作確定性分析的方法。該技術(shù)由20世紀(jì)60年代末提出，1974年Friedman和Tukey[7]進(jìn)行了深入的研究，隨后在眾多領(lǐng)域得到成功應(yīng)用。對于投影得到的構(gòu)型，采用投影指標(biāo)函數(shù)(即目標(biāo)函數(shù))來衡量投影暴露某種結(jié)構(gòu)的可能性大小，尋找出使投影指標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)(即能反映高維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或特征)的投影值，之后根據(jù)該投影值來分析高維數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)特征[8]。其具體步驟參考文獻(xiàn)[9]。

1.2模擬退火算法

模擬退火算法(simulated annealing)是模擬加熱熔化金屬的退火過程，來尋找全局最優(yōu)解的有效方法之一[10]。它是借鑒統(tǒng)計物理中物質(zhì)退火方法而提出的一種啟發(fā)式隨機(jī)搜索算法，該算法最早是由N.Metropolis等[11]在1953年借鑒統(tǒng)計力學(xué)中物質(zhì)退火方法而提出的。1983年，S.Kirkpatrick,C.D.Gelatt和M.P.Vecchi[12]成功地將模擬退火算法應(yīng)用在組合優(yōu)化的問題中。模擬退火算法已在理論上被證明是一種以概率l收斂于全局最優(yōu)解的全局優(yōu)化算法，并且它與初始值無關(guān)，算法求得的解與初始解狀態(tài)，即算法迭代的起點無關(guān)[13]。模擬退火算法的基本過程步驟參考文獻(xiàn)[14]，在本研究中，迭代次數(shù)D=50，初始溫度T0=0，降溫系數(shù)deta=0.95，初始解ω=[0.45,0.920,0.456,0.08,0.012]。

2河道斷面侵蝕形態(tài)指標(biāo)的提取

本文通過提取多項反映河道斷面形態(tài)的指標(biāo)，來辨析河道斷面侵蝕形態(tài)的演變特征?？傮w上，河道斷面侵蝕形態(tài)的異同基本以河道的寬淺、窄深來反映，因此提取的指標(biāo)中應(yīng)有反映河道寬淺、窄深的指標(biāo)值。由于河道斷面的侵蝕形態(tài)還表現(xiàn)出左岸侵蝕或右岸侵蝕，因此本文提取的指標(biāo)中亦有反映左岸與右岸侵蝕程度的比較值。具體的指標(biāo)如圖1所示。

如圖1中，從河道ACODB中選取最低點O，最低點O左側(cè)的最高點A，最低點O右側(cè)的最高點B，若∠AOL和∠BOR的傾斜度越大，即tanα和tanβ越大，說明河道陡峻；且tanα和tanβ的比值還包含了信息：若∠AOL與∠BOR的傾斜度之比大于1，說明河道向右岸侵蝕，反之亦然。

圖1　反映河道斷面侵蝕形態(tài)的指標(biāo)

河道最低點O的高程與河面寬AB的比值(高寬比)反映出河道的深窄和寬淺形態(tài)，若高寬比越大說明河道越深窄，若高寬比越小說明河道越淺寬。

河道的虛擬深度與實際深度的比值(虛實比)能反映出河道整體的形態(tài)為V型還是U型。其中，河道的虛擬深是指ΔAOB的面積與河寬AB的比值。因此，虛擬深度與實際深度(最低點O的高程)的比，即虛實比越接近0.5說明河道呈現(xiàn)深V型，越接近1說明河道越接近U型。

結(jié)合反映河道斷面侵蝕形態(tài)的另一個要素——水力半徑，因此本文以tanα,tanβ高寬比、虛實比和水力半徑5項指標(biāo)作為反映河道斷面侵蝕形態(tài)的指標(biāo)值。

3結(jié)果與分析

3.1河道斷面變化的初步分析

由于數(shù)據(jù)資料限制的原因，本文依據(jù)馬口站1994年4月,1995年6月,1998年3月,2005年10月,2008年10月,2009年11月和2010年12月的斷面資料，三水站1994年4月,1998年3月,2001年2月,2005年7月,2008年3月,2009年11月和2010年11月的斷面資料，分析馬口站、三水站斷面的演變特征。馬口站和三水站斷面整體變化特點如圖2所示。

圖2說明，總體上隨著年份的延伸，馬口站和三水站河道下切加重，受到的侵蝕也越加嚴(yán)重。對于馬口站而言，河道斷面的左側(cè)變化較多，右側(cè)進(jìn)入21世紀(jì)后變化較少。

進(jìn)一步分析反映河道斷面侵蝕形態(tài)特征的指標(biāo)值的變化特點如圖3所示。年份代表數(shù)具體見表1。

圖2　馬口站和三水站斷面演變

圖3　河道侵蝕形態(tài)特征值的變化

站口名年份代表數(shù)1234567馬口站1994199519982005200820092010三水站1994199820012005200820092010

結(jié)合表1和圖3可知，整體上，馬口站和三水站最低點的高程，隨著年份的延伸不斷增大，因此河道有下切的趨勢；由于侵蝕方向與河道斷面指標(biāo)中tanα和tanβ的比值相關(guān)，因此當(dāng)比值大于1時為右岸侵蝕，小于1時則為左岸侵蝕，圖3b說明除三水站2008年和2009年的比值大于1，為右岸侵蝕外，三水站和馬口站其余年份均表現(xiàn)出左岸侵蝕的特征；圖3c說明，除三水站2009年的虛實比為0.803 9外，馬口站和三水站其余各年的虛實比介于0.58～0.6之間，說明三水站2009年的河道斷面呈現(xiàn)U型，三水站和馬口站其余年份河道斷面侵蝕形態(tài)整體上呈現(xiàn)V型；從高寬比(圖3d)看出，三水和馬口站，隨著年份的延伸高寬比逐漸增大，且三水站在2009年高寬比最大，說明三水和馬口站斷面隨著年份的延伸，斷面表現(xiàn)為深窄型。

可見，各項單一的指標(biāo)反映出斷面某項特征的變化情況。例如，三水站2009年的虛實比和高寬比表現(xiàn)出與其他年份的不同，其中虛實比較為接近1，說明河道斷面呈現(xiàn)U型，而高寬比是7個年份中最大的，表現(xiàn)為斷面形態(tài)是深窄型，深窄與傳統(tǒng)意義的深V較為接近，這與虛實比表現(xiàn)出來的U型斷面存在較大的差距，然而結(jié)合河底高程變化曲線可知2009年三水站河底下切較為嚴(yán)重，整體上三水站2009年較其他年份為深U型。因此，單個河道斷面侵蝕形態(tài)特征值的變化，僅反映出河道斷面形態(tài)的某方面的特征演變過程，難以綜合反映河道斷面侵蝕形態(tài)的整體演變規(guī)律。

3.2河道斷面侵蝕形態(tài)演變的綜合解讀

本文利用提取的5項反映河道斷面侵蝕形態(tài)的指標(biāo)，結(jié)合模擬退火算法優(yōu)化的投影尋蹤模型，辨識馬口站和三水站河道斷面侵蝕形態(tài)的演變特征。其結(jié)果如圖4所示。

圖4　馬口站和三水站斷面侵蝕形態(tài)的演變

根據(jù)圖4和表1得，若將投影值分成區(qū)間：[0,0.5),[0.5,1),[1,1.5),[1.5,2),[2,2.5)，則相應(yīng)的河道斷面侵蝕形態(tài)分類結(jié)果為：對于馬口站而言，斷面侵蝕形態(tài)可以分為2類：其中1994，1998,2008和2009年的斷面侵蝕形態(tài)相同；1995,2005和2010年的斷面侵蝕形態(tài)相同；從投影值的大小來看，兩種類型的斷面侵蝕形態(tài)差異較大。對于三水站而言，斷面侵蝕形態(tài)亦可以分為兩類：其中1994,1998,2001,2005,2008和2010年的斷面侵蝕形態(tài)相同；2009年的斷面侵蝕形態(tài)不同于其他年份的斷面形態(tài)，相類似地，從投影值的大小來看，三水站2種類型的斷面侵蝕形態(tài)差異也較大。

結(jié)合圖1得，盡管馬口站和三水站斷面侵蝕形態(tài)反映出被侵蝕的程度不斷加劇，河道下切越加嚴(yán)重，5項指標(biāo)均為反映河道斷面形態(tài)指標(biāo)，各自呈現(xiàn)出河道形態(tài)某方面的變化特征，綜合各項指標(biāo)才能反映河道斷面侵蝕形態(tài)的整體變化狀況，表現(xiàn)為：三水站斷面侵蝕形態(tài)較為穩(wěn)定，而馬口站斷面侵蝕形態(tài)較三水站斷面而言變化較為頻繁。由于三水站2009年的虛實比遠(yuǎn)大于其他年份的虛實比，因此投影結(jié)果中三水站2009年的投影值異于三水站其他年份的投影值，該年份河道斷面呈現(xiàn)深U型。但是，整體上三水站斷面侵蝕形態(tài)變化較為穩(wěn)定。對于馬口站和三水站斷面侵蝕形態(tài)演變特征的內(nèi)在動力的分析，需要日后對西江、北江的馬口站和三水站上游水量和泥沙的沖淤進(jìn)行深入的研究。

可見，不同于各項單一指標(biāo)呈現(xiàn)出的各自變化特征，模擬退火算法優(yōu)化的投影尋蹤模型綜合了各項指標(biāo)變化特點，計算出的結(jié)果綜合反映出的河道斷面形態(tài)的整體變化規(guī)律。事實上，文中所展示的整體變化規(guī)律，涵蓋了本文所提取的5項指標(biāo)，若提取斷面特征指標(biāo)發(fā)生變化，得到的整體變化規(guī)律亦會有相應(yīng)的改變。例如，加入河道平均深、復(fù)式斷面的階梯數(shù)等指標(biāo)。本文由于實際數(shù)據(jù)的限制，依據(jù)研究對象的實際情況，選定tanα,tanβ高寬比、虛實比和水力半徑5項指標(biāo)反映河道斷面侵蝕形態(tài)。河床橫斷面的形態(tài)作為影響河流輸沙、流速的主要影響因素，斷面形態(tài)變化與上游的來水來沙、人類活動等息息相關(guān)，其變化結(jié)果直接影響其下游洪澇災(zāi)害、航道變遷以及三角洲腹地的防洪問題。因此研究斷面形態(tài)的演變特征，不僅給上游來水來沙、人類活動影響的分析提供檢驗，也為下游水文地貌的演變提供依據(jù)?？傮w上，21世紀(jì)初馬口和三水站斷面比20世紀(jì)90代過水?dāng)嗝嬖龃?，斷面的過水能力有加大的趨勢。

4結(jié) 論

馬口站和三水站河道下切加重，受到的侵蝕也越加嚴(yán)重；總體上馬口站和三水站呈現(xiàn)左岸侵蝕，尤其是馬口站河道斷面的左側(cè)較為平緩，右側(cè)較為陡峻，除三水站2008和2009年為右岸侵蝕外，三水站和馬口站其余年份均表現(xiàn)出左岸侵蝕的特征；虛實比表明三水站2009年的河道斷面呈現(xiàn)U型，三水站和馬口站其余年份河道斷面侵蝕形態(tài)整體上呈現(xiàn)V型。綜合反映斷面侵蝕形態(tài)的5項指標(biāo)，利用模擬退火算法優(yōu)化的投影尋蹤模型，投影結(jié)果表明：三水站除2009年斷面侵蝕形態(tài)完全異于其他年份外，其斷面侵蝕形態(tài)的變化較為緩和；而馬口站斷面侵蝕形態(tài)表現(xiàn)為變化較多。各指標(biāo)的變化與上游的來水來沙、人類活動等息息相關(guān)，其變化結(jié)果直接影響其下游洪澇災(zāi)害、航道變遷以及三角洲腹地的防洪問題。因此，斷面形態(tài)演變的研究，不僅有助于認(rèn)識河床演變特征，給上游來水來沙、人類活動影響的分析提供檢驗，也為下游水文地貌的演變提供依據(jù)?？傮w上，21世紀(jì)初馬口和三水站斷面比20世紀(jì)90年代過水?dāng)嗝嬖龃?，斷面的過水能力有加大的趨勢。

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收稿日期：2015-08-01修回日期：2015-09-24

通訊作者：陳曉宏(1963—),男(漢族),湖北省公安縣人,博士,教授,主要從事水文、水資源與環(huán)境研究。E-mail:eescxh@mail.sysu.edu.cn。

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2016)03-0120-05

中圖分類號：TV147

Variation of River Section Erosion Morphology in Pearl River Delta

WANG Lina1, CHEN Xiaohong2,3, KUANG Yuanhua4

(1.SchoolofGeographyScience,SouthChinaNormalUniversity,Guangzhou,Guangdong510631,China;2.CenterforWaterResourcesandEnvironment,SunYat-senUniversity,Guangzhou,Guangdong510275,China;3.KeyLaboratoryofWaterCycleandWaterSecurityinSouthernChinaofGuangdongHighEducationInstitute,SunYat-senUniversity,Guangzhou,Guangdong510275,China; 4.FoshanWaterAuthorities,Foshan,Guangzhou528000,China)

Abstract：[Objective] To research the erosion morphology characteristics of river section in order to provide a scientific basis for the evolution of landform hydrological of downstream, the analysis of the impact of human activities and the rationality of the runoff(sediment) of upstream. [Methods] Based on the data of Shanshui and Makou stations in Pearl River dalta, Indices of the river section erosion morphology were derived. By using simulated annealing algorithm to optimize the projection pursuit model, we analyzed the evolution characteristics of river erosion morphology. [Results] As the actual ratio in 2009 of the Sanshui station was much higher than that in other years, the river section erosion in 2009 was completely different from other years. Changes in erosion patterns of other years were stable in Sanshui station. For Makou station, in spite of more erosion morphology changes, according to 5 indicators which reflect the erosion morphology of river section, the variation types of the section shape can be divided into 2 types of erosion morphology. [Conclusion] In summary, the sectional area in Makou and Sanshui station increased since 1990s, and the water capacity showed an increasing trend.

Keywords:Pearl River delta; river section; erosion morphology

資助項目：國家自然科學(xué)基金項目“洪水過程參數(shù)功能識別和洪水過程整體異變性解析”(41501021),“變化環(huán)境下基于水聯(lián)網(wǎng)和用水總量控制的水資源配置報童模式和方法”(51210013),“珠江三角洲河口區(qū)海平面上升咸潮上溯的水資源響應(yīng)與調(diào)控”(51479216); 國家科技支撐計劃(2012BAC21B0103); 水利部公益項目(201201094,201301002-02,201301071); 廣東省水利科技創(chuàng)新項目(2011-11)

第一作者：汪麗娜(1981—),女(漢族),江西省景德鎮(zhèn)人,博士,副教授,研究方向為水文水資源與水環(huán)境。E-mail:linawang2004@163.com。