珠江三角洲網河區頂點河道斷面侵蝕形態的演變

汪麗娜, 陳曉宏, 鄺遠華

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

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珠江三角洲網河區頂點河道斷面侵蝕形態的演變

汪麗娜1, 陳曉宏2,3, 鄺遠華4

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

摘要：[目的] 研究斷面形態的演變特征,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依據。[方法] 利用珠江三角州網河區三水站和馬口站資料，通過提取反映河道斷面侵蝕形態的指標,采用模擬退火算法優化的投影尋蹤模型,綜合解析河道斷面侵蝕形態的演變特征。[結果] 由于三水站2009年的虛實比遠大于其他年份的虛實比,2009年三水站斷面侵蝕形態異于其他年份外,其他年份侵蝕形態的變化較為緩和;對于馬口站而言,盡管該斷面的侵蝕形態變化較多,但綜合5項反映河道斷面侵蝕形態指標來看,該斷面形態的變化類型總體上可以劃分成2種侵蝕類別。[結論] 總體上,21世紀初馬口和三水站斷面比20世紀90年代過水斷面增大,斷面的過水能力有加大的趨勢。

關鍵詞：珠江三角洲; 河道斷面; 侵蝕形態

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

珠江三角洲網河區由西江、北江與東江共同沖積成，是放射形汊道的三角洲復合體，呈倒置三角形，面積約1.10×104km2，該區域經濟發達，網河區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，河床橫斷面的形態作為影響河流輸沙、流速的主要影響因素，馬口和三水斷面形態的變化與上游來水來沙、人類活動等息息相關，其變化結果直接影響其下游洪澇災害、航道變遷、三角洲腹地防洪等一系列問題[1]。不少學者從馬口站和三水站的分水分沙、河相關系、水位變化等角度解析馬口站和三水站的河道形態演變特征[2-5]。21世紀初，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論。

本文通過提取反映河道斷面侵蝕形態的指標，分析各項反映河道斷面形態指標的變化特征。由于河道斷面侵蝕形態綜合了多項指標，而各指標的變化規律僅反映河道斷面形態某方面的變化特征，難以綜合反映河道斷面侵蝕形態的演變特點，本文采用模擬退火算法優化的投影尋蹤模型，結合多項反映河道斷面侵蝕形態的指標值，綜合解析河道斷面侵蝕形態的演變特征。本文通過研究斷面形態的演變特征，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依據。

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據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。該技術由20世紀60年代末提出，1974年Friedman和Tukey[7]進行了深入的研究，隨后在眾多領域得到成功應用。對于投影得到的構型，采用投影指標函數(即目標函數)來衡量投影暴露某種結構的可能性大小，尋找出使投影指標函數達到最優(即能反映高維數據結構或特征)的投影值，之后根據該投影值來分析高維數據的結構特征[8]。其具體步驟參考文獻[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，來尋找全局最優解的有效方法之一[10]。它是借鑒統計物理中物質退火方法而提出的一種啟發式隨機搜索算法，該算法最早是由N.Metropolis等[11]在1953年借鑒統計力學中物質退火方法而提出的。1983年，S.Kirkpatrick,C.D.Gelatt和M.P.Vecchi[12]成功地將模擬退火算法應用在組合優化的問題中。模擬退火算法已在理論上被證明是一種以概率l收斂于全局最優解的全局優化算法，并且它與初始值無關，算法求得的解與初始解狀態，即算法迭代的起點無關[13]。模擬退火算法的基本過程步驟參考文獻[14]，在本研究中，迭代次數D=50，初始溫度T0=0，降溫系數deta=0.95，初始解ω=[0.45,0.920,0.456,0.08,0.012]。

2河道斷面侵蝕形態指標的提取

本文通過提取多項反映河道斷面形態的指標，來辨析河道斷面侵蝕形態的演變特征。總體上，河道斷面侵蝕形態的異同基本以河道的寬淺、窄深來反映，因此提取的指標中應有反映河道寬淺、窄深的指標值。由于河道斷面的侵蝕形態還表現出左岸侵蝕或右岸侵蝕，因此本文提取的指標中亦有反映左岸與右岸侵蝕程度的比較值。具體的指標如圖1所示。

如圖1中，從河道ACODB中選取最低點O，最低點O左側的最高點A，最低點O右側的最高點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的指標

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，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說明河道呈現深V型，越接近1說明河道越接近U型。

結合反映河道斷面侵蝕形態的另一個要素——水力半徑，因此本文以tanα,tanβ高寬比、虛實比和水力半徑5項指標作為反映河道斷面侵蝕形態的指標值。

3結果與分析

3.1河道斷面變化的初步分析

由于數據資料限制的原因，本文依據馬口站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重。對于馬口站而言，河道斷面的左側變化較多，右側進入21世紀后變化較少。

進一步分析反映河道斷面侵蝕形態特征的指標值的變化特點如圖3所示。年份代表數具體見表1。

圖2　馬口站和三水站斷面演變

圖3　河道侵蝕形態特征值的變化

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

結合表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中tanα和tanβ的比值相關，因此當比值大于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U型，三水站和馬口站其余年份河道斷面侵蝕形態整體上呈現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，斷面表現為深窄型。

可見，各項單一的指標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U型，而高寬比是7個年份中最大的，表現為斷面形態是深窄型，深窄與傳統意義的深V較為接近，這與虛實比表現出來的U型斷面存在較大的差距，然而結合河底高程變化曲線可知2009年三水站河底下切較為嚴重，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特征值的變化，僅反映出河道斷面形態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的整體演變規律。

3.2河道斷面侵蝕形態演變的綜合解讀

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

圖4　馬口站和三水站斷面侵蝕形態的演變

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

結合圖1得，盡管馬口站和三水站斷面侵蝕形態反映出被侵蝕的程度不斷加劇，河道下切越加嚴重，5項指標均為反映河道斷面形態指標，各自呈現出河道形態某方面的變化特征，綜合各項指標才能反映河道斷面侵蝕形態的整體變化狀況，表現為：三水站斷面侵蝕形態較為穩定，而馬口站斷面侵蝕形態較三水站斷面而言變化較為頻繁。由于三水站2009年的虛實比遠大于其他年份的虛實比，因此投影結果中三水站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深U型。但是，整體上三水站斷面侵蝕形態變化較為穩定。對于馬口站和三水站斷面侵蝕形態演變特征的內在動力的分析，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行深入的研究。

可見，不同于各項單一指標呈現出的各自變化特征，模擬退火算法優化的投影尋蹤模型綜合了各項指標變化特點，計算出的結果綜合反映出的河道斷面形態的整體變化規律。事實上，文中所展示的整體變化規律，涵蓋了本文所提取的5項指標，若提取斷面特征指標發生變化，得到的整體變化規律亦會有相應的改變。例如，加入河道平均深、復式斷面的階梯數等指標。本文由于實際數據的限制，依據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項指標反映河道斷面侵蝕形態。河床橫斷面的形態作為影響河流輸沙、流速的主要影響因素，斷面形態變化與上游的來水來沙、人類活動等息息相關，其變化結果直接影響其下游洪澇災害、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。總體上，21世紀初馬口和三水站斷面比20世紀90代過水斷面增大，斷面的過水能力有加大的趨勢。

4結 論

馬口站和三水站河道下切加重，受到的侵蝕也越加嚴重；總體上馬口站和三水站呈現左岸侵蝕，尤其是馬口站河道斷面的左側較為平緩，右側較為陡峻，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U型，三水站和馬口站其余年份河道斷面侵蝕形態整體上呈現V型。綜合反映斷面侵蝕形態的5項指標，利用模擬退火算法優化的投影尋蹤模型，投影結果表明：三水站除2009年斷面侵蝕形態完全異于其他年份外，其斷面侵蝕形態的變化較為緩和；而馬口站斷面侵蝕形態表現為變化較多。各指標的變化與上游的來水來沙、人類活動等息息相關，其變化結果直接影響其下游洪澇災害、航道變遷以及三角洲腹地的防洪問題。因此，斷面形態演變的研究，不僅有助于認識河床演變特征，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。總體上，21世紀初馬口和三水站斷面比20世紀90年代過水斷面增大，斷面的過水能力有加大的趨勢。

[參考文獻]

[1]謝平,唐亞松,陳廣才,等.西北江三角洲水文泥沙序列變異分析:以馬口站和三水站為例[J].泥沙研究,2010(5):26-31.

[2]賈良文,楊清書,錢海強,等.近幾十年來西北江三角洲網河區頂點的河相關系[J].地理科學,2002,22(1):57-62.

[3]周作付,羅憲林,羅章仁,等.近年珠江三角洲網河區局部河段洪水位異常壅高主因分析[J].熱帶地理,2001,21(4):319-322.

[4]劉佑華,陳曉宏,陳永勤,等.珠江三角洲腹地洪水特征變異因素的關聯分析[J].熱帶地理,2003,23(3):204-208.

[5]陳曉宏,陳永勤.珠江三角洲網河區水文與地貌特征變異及其成因[J].地理學報,2002,57(4):429-436.

[6]李天堅.水文要素與河道變化的分析[J].廣東水利水電,2001(S1):32-33.

[7]Friedman J H, Tukey J W. A Projection Pursuit Algorithm for Exploratory Data Analysis[J]. Computers IEEE Transactions on, 1974,23(9):881-890.

[8]魏一鳴,金菊良,楊存建,等.洪水災害風險管理理論[M].北京:科學出版社,2002.

[9]周惠成,董四輝.基于投影尋蹤的水質評價模型[J].水文,2005,25(4):14-17.

[10]劉偉民,鄭愛云,李蘇劍,等.模擬退火K均值聚類算法及其應用研究[J].微計算機信息,2008,24(21):182-184.

[11]Kirkpatrick S, Jr G C, Vecchi M P. Optimization by Simulated Annealing[J]. Science, 1983,220(4598):671-680.

[12]Goffe W L, Ferrier G D, Rogers J. Global optimization of statistical functions with simulated annealing[J]. Journal of Econometrics, 1994, 60(1/2):65-99.

[13]Suppapitnarm A, Seffen K A, Parks G T. A simulated annealing algorithm for multi-objective optimization[J]. Engineering Optimization, 2000,33(1):59-85.

[14]汪麗娜,陳曉宏,李粵安,等.從干支流洪水能級的躍遷透視人類活動影響的利弊[J].中山大學學報:自然科學版,2010,49(2):119-124.

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、水資源與環境研究。E-mail:eescxh@mail.sysu.edu.cn。

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

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