基于MATLAB 的杭州灣余姚段灘涂時空演變特征分析

胡棟輝，毛高華，應(yīng)育挺，謝鋒

（1.余姚市水利局，浙江 余姚 315400；2.余姚市姚江水利管理中心，浙江 余姚 315400；3.浙江水利水電學(xué)院，杭州 310018）

1 概述

錢塘江灘涂既是重要的土地資源，也是具有較高生態(tài)多樣性、物種多樣性的濕地生態(tài)系統(tǒng)。它具有資源有限性和功能多樣性等特點，除土地利用、濕地生態(tài)等作用外，還具有凈化流域水質(zhì)，納潮防汛等功效。為了加強海塘、岸線和灘涂的管理、維護和建設(shè)，保障人民生命財產(chǎn)安全，寧波市人民政府頒布《寧波市海塘管理辦法》，余姚市深入貫徹《余姚市全面深化推進灣（灘）長制實施方案》，并在多方面取得明顯成效[1]。

對于灘涂沖淤積，國內(nèi)外學(xué)者開展了相關(guān)研究，虞志英等通過分析長江口南匯嘴的歷史岸線沖淤變化得出，應(yīng)加強對長江入海泥沙減少對岸線變化影響的研究[2]。R.J.S.Whitehouse 等對歐洲西北部沿海淤泥質(zhì)海岸進行研究，提出在分析潮灘的沖淤演變和動力機制時，應(yīng)考慮海底地形的影響。李炎等從定性角度分析研究杭州灣庵東潮灘長周期、多年周期和年周期動力地貌相互作用關(guān)系及演變過程[3]。

此外，不同地區(qū)有其自身的區(qū)域特點，應(yīng)該注重其自身的特殊性，同時將其置于歷史大背景下進行分析，由于錢塘江河口灘涂的開發(fā)和利用關(guān)系到區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展，流域水質(zhì)水環(huán)境，沿江防汛，岸線有效利用等，是一項范圍廣、領(lǐng)域多、變動大的復(fù)雜的系統(tǒng)工程[4]。所以，分析余姚海塘岸線灘涂淤漲歷史、現(xiàn)狀，預(yù)測其發(fā)展規(guī)律，可以為余姚河口綜合整治規(guī)劃、海塘安瀾千億工程建設(shè)提供技術(shù)參考依據(jù)。

2 基于MATLAB 的數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

2.1 數(shù)據(jù)讀取與清洗

在MATLAB 中，首先使用“ X=importdata(FILENAME) ”命令讀取分析數(shù)據(jù)，其中“FILENAME”為數(shù)據(jù)文件路徑。數(shù)據(jù)讀取后存入{xi}，對數(shù)據(jù)進行清洗，提出奇異值。分別計算總體的期望μx和方差，然后針對每個數(shù)據(jù)計算：

在確定顯著水平α后，可以結(jié)合由度(N-2)的確定剔除閾值tth，即時認為xi是奇異值可以清洗掉，否則予以保留。

2.2 統(tǒng)計變量的實現(xiàn)

常見的統(tǒng)計變量有極值、期望和方差，數(shù)學(xué)式為：

MATLAB 命令分別為：M=max(X) 返回數(shù)據(jù)的最大元素；M=min(X)返回數(shù)據(jù)的最小元素；M=mean(X)返回數(shù)據(jù)的均值；M=var(X)返回數(shù)據(jù)的方差。

3 杭州灣余姚段灘涂時空演變特征分析

3.1 分析數(shù)據(jù)的獲取

本次研究灘涂淤漲觀測斷面共計20 個，中新1-6 斷面、東新1-7 斷面、西新1-7 斷面，不均勻分布于16.424Km 長一線標準塘（曹朗東直堤至橫塘直堤之間）棱體外側(cè)，每個觀測斷面，根據(jù)棱體起始部坐標，向外側(cè)以平距進行高程測量，首點位置棱體外側(cè)5m，后每15m 一個點，一個斷面共計11 個點，直至距離棱體155m 處完成一個斷面的觀測，平面控制測量采用GPS-RTK 進行觀測，坐標采用CGCS2000 坐標系和1985 年國家高程基準。

3.2 灘涂的時間演變特征

各斷面2012-2021年岸線沖淤變化趨勢，見圖1。2012-2021 年岸線沖淤變化，中新斷面如圖1（左）所示，東新斷面如圖1（中）所示，西新斷面如圖1（右）所示。

圖1 各斷面2012-2021 年岸線沖淤變化趨勢

近10a 來，中新1-6 斷面整體以淤積為主，淤積分別為7.95m、6.54m、5.53m、4.17m、4.15m和3.751m，平均淤積5.35m，越靠近西邊，淤積越大。除了中新6 斷面基本上逐年淤積外，其他斷面在2018-2020 年以沖刷為主，在2021 年又較大程度的淤積，岸線高程比2018 年更高。

東新1-7 斷面整體以淤積為主，淤積分別為4.27m、3.24m、2.34m、0.87m、1.031m、0.88m 和0.94m，平均淤積1.94m，越靠近西邊，淤積越大。2012-2013 年為沖刷，之后各個斷面逐步開始淤積，2021 年高程最高。

2018-2020 年西新斷面以沖刷為主，西新1-7 斷面沖刷量為-4.43m、-1.52m、-3.62m、-3.72m、-3.28m、-3.68m和-3.07m，平均沖刷-3.33m，2021 年又大幅度淤積，從趨勢上來看，呈現(xiàn)出淤積的趨勢。

3.3 灘涂的空間極端變化

各斷面2012-2021 年岸線沖淤變化極值統(tǒng)計，見表1。

表1 各斷面2012-2021 年岸線沖淤變化極值統(tǒng)計

近10a 來，中新1-6 斷面極值變化范圍分別為11.99m、10.70m、10.18m、8.99m、7.98m、8.74m，平均變化范圍9.76m。整體上來看，斷面平均高程從中新1 到中新6 逐漸抬高，最大值的變化平穩(wěn)，基本維持在3.89m，最小值變化幅度較大，中新6比中新1 高出3.92m。

東新1-7 斷面極值變化范圍分別為9.53m、9.07m、6.04m、2.76m、2.46m、2.13m、2.00m，平均變化范圍4.86m。從變化趨勢來看，最大值的變化平穩(wěn)，但是斷面平均高程從東新1 到東新7 逐漸降低，東新7比東新1降低1.0m，最小值的變化較大，總體抬高趨勢，東新7 比東新1 高出6.53m。

西新1-7 斷面極值變化范圍分別為16.98m、15.09m、12.63m、10.93m、9.34m、8.86m、9.18，平均變化范圍11.86m。從西新1 到西新7，最大斷面平均高程逐漸降低，高程變化為-4.9m，最小斷面平均高程逐漸太高，高程變化為2.9m。

3.4 灘涂時空演變離散程度

使用方差描述灘涂時空演變離散程度，方差越小表示越穩(wěn)定。各斷面2012-2021 年岸線沖淤變化方差統(tǒng)計，見圖2，左圖表示中新斷面，中圖表示東新斷面，右圖表示西新斷面。

圖2 各斷面2012-2021 年岸線沖淤變化方差統(tǒng)計

2021 年西新斷面穩(wěn)定，6 個斷面最小方差0.02m，最大方差0.08m，平均方差0.05m。2019年波動最大，最小方差0.16m，最大方差7.04m，平均方差3.33m。中新斷面最小方差基本穩(wěn)定在0.05m，中新1-7 斷面最大方差呈現(xiàn)sin 函數(shù)型狀，1-2 斷面增大，2-5 斷面減小，5-6 斷面又增大，平均4.57m。

2018-2021年，東新1-7斷面平均方差為0.09m、0.06m、0.09m、0.03m，說明2018 年之后，東新斷面較為穩(wěn)定。2012-2017 年，斷面平均方差雖然約為2018 年之后的9.17 倍，但是變化也不太，平均值為0.63m。近10a 來，2013 年波動最大，最小方差0.04m，最大方差2.69m，平均方差0.77m。2021年波動最小，最小方差0.01m，最大方差0.05m，平均方差0.03m。從形態(tài)來看，各個斷面最小方差平穩(wěn)，平均值0.02m，最大方差變化可以分為三段，1-2 斷面增大，2-4 斷面迅速減小，4-7 斷面平緩減小，平均1.06m。

2018 年西新斷面穩(wěn)定，7 個斷面最小方差0.01m，最大方差0.88m，平均方差0.25m。2019 年波動最大，最小方差6.95m，最大方差7.94m，平均方差7.44m。2019 年之后，西新斷面逐漸區(qū)域穩(wěn)定，平均方差變小為2021 年的2.58m。西新1-7斷面最大方差基本穩(wěn)定，平均為7.51m。

4 結(jié)論

從年內(nèi)平均分析，各個斷面以淤積為主，越靠近西邊，淤積越大，根據(jù)趨勢分析，東新斷面基本穩(wěn)定，西新斷面未來可能有較大淤積，即西線岸線高程抬高明顯。從變化極值分析，中新斷面變化幅度約為3.90m，東新斷面最小值變化劇烈，最大變幅6.53m，西新斷面最大和最小變化逐漸靠近。從穩(wěn)定性分析，2018 年是分界年，中新斷面和西新斷面方差由小變大，東新斷面方差由大變小。

根據(jù)灘涂測量數(shù)據(jù)，從空間來看，南岸余姚段有沖有淤，整體為近岸淤積，外江沖刷；從時間來看，一般沖淤在年度之間交替出現(xiàn)。南岸余姚段沖淤特征與錢塘江海相泥沙含量大、河床的演變特性有關(guān)。

以為錢塘江水流動力、泥沙條件、河勢變化等影響因素復(fù)雜，為更好地把握沖淤規(guī)律，建議進行后續(xù)持續(xù)觀測，特別是對影響岸線變化影響的觀測，如在丁壩拋石前后施測下水下地形，用以分析丁壩對灘涂沖淤的影響。