黃河下游河道沖淤變化分析

黃河下游河道沖淤變化分析

黃河下游主槽地形是計(jì)算二維水沙數(shù)學(xué)模型所需的河床地形條件。它也是河流二維水流場(chǎng)、洪水發(fā)展、河流泥沙變化和河流潛力可視化的重要基礎(chǔ)。黃河下游河道是隨著來(lái)水來(lái)沙不斷發(fā)生沖淤變化的,特別是主槽變化劇烈、河勢(shì)變化快。為了觀測(cè)黃河下游河道的沖淤變化,一般每年汛前汛后進(jìn)行大斷面觀測(cè)。由于觀測(cè)大斷面布設(shè)間距一般較大,因此要獲取每年河道主槽地形是很困難的。目前獲取河道主槽地形的方法主要有兩種:一種是利用河道地形圖及遙感圖像;另一種是利用實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)和水位流量關(guān)系人工內(nèi)插河道斷面。由于河道地形測(cè)量周期較長(zhǎng)、投入經(jīng)費(fèi)很大,且水下部分無(wú)法測(cè)量,因此第一種方法很難滿足黃河二維水沙數(shù)學(xué)模型的需要;第二種方法耗時(shí)耗力,已經(jīng)越來(lái)越不能滿足生產(chǎn)中對(duì)河槽地形的時(shí)效性要求,也不能滿足黃河二維水沙數(shù)學(xué)模型的需要。本文主要介紹根據(jù)河道觀測(cè)大斷面資料、河勢(shì)圖及主槽主流線生成河道主槽地形的方法,以及2004年汛前黃河下游花園口至利津河道主槽地形生成的實(shí)例。1水位流量關(guān)系及實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)河槽地形概化需要河勢(shì)圖、主槽主流線、水位流量關(guān)系及實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)等。若考慮控導(dǎo)工程和險(xiǎn)工等對(duì)河道主槽地形的影響,則還需要這些工程的位置坐標(biāo)。(1)東壩頭水邊線和深充線數(shù)據(jù)的預(yù)處理水邊線和深泓線數(shù)據(jù)均是從遙感圖像上解譯得到的,由于不可能獲得同一時(shí)刻整個(gè)黃河下游的遙感圖像,因此只能從不同時(shí)段的遙感圖像上分別解譯?；▓@口附近的水邊線和深泓線數(shù)據(jù)是以2004年6月27日TM數(shù)據(jù)為背景解譯而來(lái)的,東壩頭附近的水邊線和深泓線數(shù)據(jù)是以2004年7月6日radarsat數(shù)據(jù)為背景解譯而來(lái)的,東平湖附近的水邊線和深泓線數(shù)據(jù)是以2004年6月26日radarasat數(shù)據(jù)為背景解譯而來(lái)的,東平湖以下至利津的河槽變化不大,仍以2000年數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。提取水邊線和深泓線數(shù)據(jù)分為兩個(gè)過(guò)程:一是從遙感圖像提取線狀要素,也就是遙感影像的解譯過(guò)程,有些要素(如水邊線、黃河大堤等數(shù)據(jù))在遙感影像上比較明顯,可以直接判讀出來(lái),當(dāng)然也可以利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)來(lái)完成;二是對(duì)一些線狀要素(如深泓線),在現(xiàn)有的圖像精度和黃河含沙量大的情況下,是通過(guò)目視解譯直接判讀的。(2)實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)一是準(zhǔn)備觀測(cè)斷面的河道左右岸坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)及實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù);二是由于黃河下游河道斷面是復(fù)式斷面且存在二級(jí)懸河現(xiàn)象,因此還需要準(zhǔn)備觀測(cè)斷面主槽過(guò)流子斷面的位置坐標(biāo)。(3)流量級(jí)的劃分水位流量關(guān)系分不同流量級(jí),包括最小流量級(jí)和漫灘流量級(jí),各觀測(cè)點(diǎn)劃分流量級(jí)必須一致。水位流量關(guān)系觀測(cè)點(diǎn)密度越大,生成的河槽地形精度就越高。2內(nèi)插斷面的生成地形概化主要分兩個(gè)步驟:首先,利用已準(zhǔn)備好的五類(lèi)數(shù)據(jù)(水邊線、深泓線、實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)、水位流量關(guān)系和子斷面數(shù)據(jù)),用自主開(kāi)發(fā)的RGTOOLS軟件(黃河實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)庫(kù)管理及分析系統(tǒng))生成符合實(shí)際地形的內(nèi)插斷面,內(nèi)插斷面一般要求垂直于河道主流線;其次,利用實(shí)測(cè)大斷面數(shù)據(jù)和水位流量關(guān)系插補(bǔ)斷面的高程、面積和寬度曲線,利用帶有高程值的內(nèi)插斷面生成不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)。在內(nèi)插斷面和生成高程兩個(gè)步驟中,內(nèi)插斷面是河槽地形概化的關(guān)鍵,也是技術(shù)難點(diǎn)。(1)內(nèi)插斷面位置的確定在鄰近的兩個(gè)已知實(shí)測(cè)大斷面間,根據(jù)水位流量關(guān)系,分別求出在某一水位下,水流流經(jīng)兩已知斷面時(shí)的水面寬度,以及在該水面寬度以下的斷面面積,進(jìn)而確定內(nèi)插斷面的位置、高程值等。內(nèi)插出的斷面是由若干個(gè)含有高程值的點(diǎn)組成的。如圖1所示,已知實(shí)測(cè)大斷面1、實(shí)測(cè)大斷面2和深泓線數(shù)據(jù),需要在兩個(gè)已知的實(shí)測(cè)大斷面之間內(nèi)插斷面。首先根據(jù)水位流量關(guān)系計(jì)算出水深為Z1時(shí)的實(shí)測(cè)大斷面1和實(shí)測(cè)大斷面2的水位,然后線性?xún)?nèi)插出它們之間任意位置的水位(如圖中的DEFG平面)。在確定某一個(gè)內(nèi)插斷面的位置(如圖中的AACC平面)后,求出平面AACC與平面DEFG的交線CC,交線CC的兩個(gè)端點(diǎn)在二維平面上的投影點(diǎn)C′,完成了內(nèi)插斷面在流量為Z1時(shí)的高程值采樣。用同樣的方法可以計(jì)算出水深為Z2和Z3時(shí)內(nèi)插斷面中的高程值離散點(diǎn)B′和A′,于是,點(diǎn)A′、B′、C′就是一個(gè)內(nèi)插斷面的高程值采樣。另外,需要說(shuō)明三點(diǎn):一是內(nèi)插斷面位置的確定。兩個(gè)已知實(shí)測(cè)大斷面之間的河槽往往是彎彎曲曲的,很少有直線型的河槽。為了更好地反映河槽地形的變化情況,通常需要將內(nèi)插斷面的位置作適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)或者將內(nèi)插斷面間距縮短。二是可以根據(jù)需要,在水位流量關(guān)系允許的范圍內(nèi),計(jì)算任意流量對(duì)應(yīng)的水位及其高程離散點(diǎn)。三是在兩個(gè)鄰近的已知實(shí)測(cè)大斷面間,可以任意內(nèi)插若干個(gè)斷面。圖2為東壩頭至禪房河段內(nèi)插斷面的離散點(diǎn)示意圖。(2)角格網(wǎng)或數(shù)字高程模型內(nèi)插斷面之后,利用ArcInfo中的Editor模塊生成不規(guī)則三角格網(wǎng)(TIN)或數(shù)字高程模型(DEM),為提取河槽任意點(diǎn)的高程做準(zhǔn)備。在提取任一點(diǎn)高程之前,需要進(jìn)行概化地形與實(shí)際地形的比較,以確保概化地形數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。(3)概化地形與實(shí)際地形的比較概化地形的剖面線可以通過(guò)ArcInfo軟件獲得。用該剖面線與對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)大斷面進(jìn)行比較,觀察概化地形與實(shí)際地形的差異。以高村斷面為例進(jìn)行比較(見(jiàn)圖3,圖中的粗線表示概化出的斷面剖面線),可以看出,實(shí)際地形與概化地形在河槽高程、河槽形態(tài)及河槽面積上均能達(dá)到較好的吻合,能滿足數(shù)學(xué)模型計(jì)算對(duì)地形概化的需要。(4)規(guī)則三角格網(wǎng)①對(duì)彎道的處理。對(duì)河槽彎道的地形概化是比較困難的,既要考慮彎道的彎曲形態(tài)又要考慮內(nèi)插斷面的位置。在實(shí)際工作中,我們采用了彎道弧段等分法,如圖4所示。②不規(guī)則三角格網(wǎng)(TIN)的生成。理想的生成不規(guī)則三角格網(wǎng)的方法應(yīng)該是先在同一斷面進(jìn)行高程插值,再進(jìn)行斷面間的高程插值。而傳統(tǒng)的生成不規(guī)則三角格網(wǎng)的方法是在斷面和斷面之間進(jìn)行插值,這樣生成的地形往往比實(shí)際地形的高程要高一些。為了解決這個(gè)問(wèn)題,我們根據(jù)具體情況,增加了一些離散高程點(diǎn)。③內(nèi)插斷面的時(shí)效性。受技術(shù)和經(jīng)費(fèi)條件的限制,不可能獲得同一時(shí)刻白鶴至花園口斷面間內(nèi)插斷面的水邊線、深泓線和水位流量關(guān)系等,而只能是不同時(shí)間段“湊”起來(lái)的,現(xiàn)階段能做的是盡量縮短時(shí)間間隔。3從概率地提取的高距離值(1)trad軟件模擬采用Delaunay三角剖分的最小內(nèi)角和為最大的原則,即所謂的“最大最小角原則(Max-MinAngleCriterion