河道形態改變度綜合評估指標體系構建及定量評估研究

曹婷婷

(桓仁滿族自治縣水務局，遼寧 本溪 117200)

河流形態變化十分復雜，尤其是對于大型河流而言，其形態變化是河流演變重要影響因素[1]。當前對于河流形態變化研究取得一定研究成果[2- 6]，但這些研究成果大都結合河道斷面面積、水位或者過水斷面進行單一因子的評價，而還未進行多個因子的河道形態綜合評估研究。多個研究表明[7- 15]，河道形態變化主要由河道過水斷面面積、特征水位、斷面過水流量等因子綜合影響。為提高河流形態綜合評估的客觀度，本文結合特征水位下河道過水斷面積、最低點水位、特征水位下過水流量作為評估指標，建立河道形態改變度綜合評估指標體系，并以太子河干流為典型實例，對河道形態改變度進行綜合定量評估。研究成果對于河道形態演變定量評估方法具有重要的參考意義。

1 評估指標體系構建及評估方法

1.1 評估指標體系

考慮數據獲取的簡易程度，從河道水平、縱向、過水能力3個層面，選取河道特征水位下的過水斷面面積、最低點的斷面水位、特征水位下的過水流量作為河道形態評估指標，建立河道形態改變度綜合評估指標體系，見表1。

1.2 綜合評估方法

以河流綜合改變度xi作為統計變量，建立定量綜合評估模型，通過設定河流綜合改變度xi的取值范圍，對其天然狀態下的河道形態綜合改變度

表1 河道形態改變度綜合評估指標體系

進行統計，計算時段t內的河流形態綜合改變度統計變量為xt，0，當河流形態綜合改變度降低其計算方程為：

(1)

若河流形態綜合改變度增加表示其河道形態處于發育程度，其計算方程為：

(2)

式中，Di，t—計算時段內的河道形態綜合改變度；[ai，bi]—河道形態綜合改變度的取值范圍。

當綜合改變度Di，t為負值時，表示河流形態呈現萎縮程度；當綜合改變度Di，t為正值時，表示河流形態呈現發育程度。通過對不同河道形態指標進行組合后，對其評估進行計算內的組合計算：

Xt=[x1，tx2，t…xn，t]T

(3)

對不同河道形態評估按照方程(1)和(2)進行綜合計算，其計算方程為：

(4)

由于河道各形態指標對綜合改變度影響權重不同，本文采用二元比較法對各指標相對權重進行設置，對各指標之間進行兩兩比較，分析其權重值，具體見表2。

在河流形態綜合改變度評估的基礎上，需要對其評估等級進行劃分，結合河流演變特征以及遼寧省河流的總體形態特征對其河流形態綜合改變度的綜合等級進行劃分，具體劃分等級見表3。

2 渾太河干流河流形態綜合改變度

2.1 典型斷面選取

選取渾太河干流典型斷面進行河流形態綜合改變度的分析，典型斷面選取情況見表4。

2.2 評價指標及閾值分析

在典型斷面選取的基礎上，結合各斷面代表站點1990年以來的過水斷面、最低水位、過流能力作為指標統計數據，對渾太河典型斷面不同年際河道形態指標進行統計，并對各指標變化上下限進行閾值設置，具體見表5。

表2 評估指標相對權重設置方法

表3 河道形態改變度評估等級劃分標準

表4 渾太河干流典型斷面選取情況

表5 河道形態因素指標值及閾值

通過調查，1990年以前渾太河河流形態變化相對較低，主槽過水斷面面積、過水能力年變化相對較小，因此作為渾太河河流形態變化分析的基準期，從1990年以后結合各河段典型斷面水文站點大斷面測量以及水位數據，對各年代過水斷面面積、過流能力以及最低點水位高程進行年代際統計，從渾河其各年代際形態特征評估指標總體呈現從上游到下游逐步遞減的變化趨勢，尤其是過水斷面面積，受河道沖淤變化及人類活動影響，渾河總體呈現一定程度的萎縮形態變化。以0作為渾河上游到下游河道斷面形態變化指標的下限值，上限值主要結合各年代際各指標的年統計最大特征值對其下限進行閾值的設定。從太子河各形態評估指標的年代際變化可看出，相比于基準期，其1990年以后，過水斷面面積總體呈現遞增變化，這主要是因為太子河干流從1990年以來通過河道綜合治理，其過水斷面面積呈現遞增變化，而過水斷面面積年代際的遞增變化使得其主河槽的過水能力也得到一定程度的提升，其河道行洪能力也相應有所增加。

2.3 河流形態綜合改變度評估結果

結合渾太河各典型斷面不同年代際的河道形態改變度評估指標，結合評估指標體系和定量評估方法對渾太河各典型斷面的河道形態綜合改變度進行評估，并結合表3劃分的評估等級對其1990年以來河道形態綜合改變度進行評估，具體結果見6。以渾河上游北口前水文站對其斷面形態綜合改變度計算過程進行舉例說明，北口前水文站從2010年起其形態評估指標均值為Xt=[124.7 152.56 939.6]T，采用方程(4)對其河道形態綜合改變度進行計算DI，t=[-0.675 -0.875 -0.725]T，其中采用二元法對渾河上游斷面河道形態指標權重進行設置，并考慮各指標量綱不同，對各指標權重進行標準化處理，處理后各形態評估指標權重值分別為ω=[0.323 0.225 0.452]T。從渾太河各斷面形態綜合改變度評估結果可看出，渾河上、中、下游從1990年起河道斷面均呈現萎縮，且進入2010年以后其萎縮程度均達到高度萎縮的程度，這主要是因為渾太河近些年來，隨著人類活動影響尤其是上游水利工程建設后，其下游河道水量減少較為明顯，且水土流失量有所加劇，使得河道沖淤變化明顯，尤其是淤積量有所增加。河道淤積變化也渾河上游到下游過水斷面和過水能力總體較小，影響了其河道形態變化，亟需加大對渾河上、中、下游河道斷面的綜合整治力度，加大河道內的水量，提高區域水土保持能力，降低進入河道內的沙量。從太子河各年代際下游河道形態變化可看出，1990—2010年期間由于其河道過水斷面、過水能力都相應增加，使得其河道萎縮程度總體減小，這主要是因為從1990年開始通過太子河流域綜合治理措施力度的加大，其河道形態總體得到明顯改善。

表6 渾太河典型斷面河道形態綜合改變度評估結果

3 主要結論

(1)河道形態指標閾值的設定對于綜合改變度評估結果影響較為明顯，對于遼寧地區大型河流而言，其過水斷面面積及過流能力最小值可取為0，最大值應取基準期統計值的3倍；最低點高程最小、最大值可取觀測系列中的最小和最大值。

(2)本文提出的河道形態綜合改變度定量評估方法可一定程度解決傳統河道形態變化定性描述為主的局限，并可結合該方法對河道形態演變趨勢進行預測和分析。

(3)河道形態變化較為復雜，本文從指標獲取的難易程度、時間序列的長短選取3個指標進行評估，在后續的研究中還應結合地理信息提取技術對河道更多地形信息進行提取,從而建立更為豐富的河道形態改變評估指標體系。