借助Surfer軟件進行水下地形演變監測分析

余學淵

摘 要：長江干線航道水下地形復雜多變，沖刷和回淤幅度此起彼伏，本文簡要敘述利用水深測量數據對長江南京以下12.5米深水航道水下地形演變監測分析的方法，及制定航道水深監測周期的意義，著重介紹Surfer曲面測繪軟件的等高線圖示法、三維圖示法和斷面圖示法及其應用。

關鍵詞：河床演變；XYZ坐標；數據白化；礙航淤積速度

中圖分類號：U697 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）05-0029-02

1 航道演變監測分析的意義

經過多年自然演變和人工治理，長江南京以下12.5米深水航道上下游便捷條件逐漸趨于穩定，多汊并存的河勢格局基本形成。但上游來水、來沙條件的不穩定性和因河勢不同造成的沿程阻力多變決定沿程及底沙輸移的不均勻性，航道水下地形演變監測、回淤規律研究顯得尤為重要。動態跟蹤掌握航道演變趨勢與規律，可以為航道維護決策提供科學依據；積累觀測資料和分析成果，能夠為航道建設提供技術支持；深入研究掌握航道演變規律，創新航道養護方式，能夠增強航道維護管理的科學性和系統性，同時不斷提高航道養護管理質量和水平。

2 監測分析的方法和應用

由于長江干線航道的來水來沙條件瞬息多變，河床周界條件因地而異，河床演變的形式及過程極其復雜，現階段要進行精確的定量計算，尚有不少困難，但可借助某些手段對河床演變進行定性分析或定量估算。現階段常用的幾種分析途經如下：①利用條件相似河段的資料進行類比分析；②運用模型試驗的基本理論，通過河工模型試驗，對河床演變進行預測；③運用泥沙運動基本規律及河床演變基本原理，對河床變形進行理論計算；④天然河道實測資料分析。上面四種方法中，天然河道實測資料分析方法，是最基本、最常用的方法。

根據長年實測的水深測量數據，借助制圖軟件和地理信息系統軟件的數據分析功能進行航道演變規律分析應用，而最直觀的分析方法就是采用圖示法，其中最常用的為等高線圖示法、三維圖示法和斷面圖示法。下面以Surfer 12為例，簡要分析如何應用水深點測量數據進行航道水下地形演變的分析。

2.1 采集原始測量數據

收集不同時期獲得的以XYZ坐標離散點形式的水深點數據，所謂的不同時期，可以是枯水季、洪水季、同年或者不同年等，根據分析目的不同自行決定。通常不采用格柵或者內插的水深點，目的是保證當前位置水深值的準確性，也是航道水下地形演變分析可靠性的關鍵。如果采用的軟件不具備投影改正和基準轉換功能，則需要收集經過投影改正和基準轉換處理后的水深測量數據，并且不同時期的數據宜為同一基準面和坐標系。

2.2 格網化處理并繪制成圖

在數據格網化的時候，格網化算法有12種之多。為了如實反應地貌特征，盡可能選擇克里金法（Kriging）和反距離加權插值法（Inverse Distance to a Power）。因為這兩種方法在插值點與取樣點重合時，插值點的值就是樣本點的值，而其它方法不能體現樣本點的真實值。當所有其他參數相等的條件下，采用反距離加權插值法，越靠近結點（計算出的規則點）的原始數據點，對計算該結點的Z值貢獻越大。把不同時期采集水深點測量數據，通過格網化處理產生不同時期的規則矩形網格的三維數組X，Y，Z文件數據（*.grd），并繪制等高線圖（Contour Map）。直觀的等高線圖需要進行詳細設置，比如主要等高線、輔助等高線，注記、色塊填充及坐標系等的設置。為提高工作效率，減少重復工作量，在利用不同期測量數據繪制圖形時，我們可以采用同一等深線配置文件（*.LVL文件）。在高線圖和線框圖中可以直觀分辨出異常或者突變的數據，通過檢查原始測量數據，配合粘貼圖，使用網格結點編輯器變更網格文件（*.grd）內網格結點的Z值，并重新生成網格文件和各類圖元。

2.3 邊界文件及數據白化處理

在實際航道工程測量工作中，我們采集的數據量通常是比較大，采集區域和我們分析所需的區域不一，這時就要使用軟件中的邊界和白化處理功能。Surfer 對由離散的XYZ 數據文件生成網格文件時，是根據原始X、Y的取值范圍和所選用的數學模型，自動生成一個矩形網格。根據航道形狀把航道范圍線外（線內）的數據剔除，生成一個由航道邊線封閉多邊形定義的區域，按照surfer的.BLN文件格式存儲在一個或多個以.BLN 為擴展名的邊界文件中，通過邊界文件及白化處理使航道邊線封閉多邊形定義的區域外（區域內）的區域被剔除形成空白。不同時期的測量數據處理都采用同一邊界文件可以大大減少重復工作量，提高工作效率，方便數據比較分析。以包含邊界文件的新網格文件（*.grd）重新生成各類圖，可以看到，等高線圖上航道邊線范圍外的等高線被消除掉；在線框圖上航道邊線范圍外成為平行于基點平面的區域。下圖為長江南京以下12.5米深水航道某水道2016 年8月份兩次測圖獲得的離散高程數據，插值生成規則的格網數據并經邊界文件空白處理后繪制的等高線圖。圖1 為其中兩次測量的等高線圖。圖2 為水深數據生成的曲面圖和線框圖。從等高線圖上等高線的疏密和色塊的變化，以及三維圖的空間特征可以直觀地看出航道水下地形演變趨勢。

2.4 回淤沖刷量及礙航淤積速度的比較和分析

不管是回淤沖刷量比較還是礙航淤積速度的分析，通常是使用多組數據進行比較分析。不同測量數據文件生成具有相同X、Y坐標的多個文件，并按比較分析的順序要求，利用Surfer軟件“數學”功能，相互之間以C=B-A生成一個新的輸出網格文件，其中A和B是輸入的網格文件，C是輸出網格文件。由于具有相同X、Y坐標的網格結點，這樣就從輸入網格文件A和B的相應結點上計算出Z的差值（Z`），計算的結果（X，Y，Z`）將保存到具有相同坐標的網格文件C內。利用B-A函數得出的C1、C2、C3……，計算其體積和表面積，可以得到回淤沖刷量，結合兩次數據采集周期可以計算出礙航淤積速度。Surfer 軟件還可通過“殘差”功能計算出任一坐標位置的高程與設計航道底標高之間的差值。通過剖面生成功能在等值圖上按一定方向和距離切畫出航道剖面線，剖面生成的航道剖面數據文件能被多種二維繪圖軟件用來生成航道剖面圖。圖3為長江南京以下12.5米深水航道洪水季某一水道某一斷面相鄰四個月測量結果疊加的比較。若采用固定斷面測量的數據進行比較分析可得出更精確的結果，圖4為長江南京以下12.5米深水航道某一水道2016年8月到12月的測量數據分析計算的結果，清晰呈現出每個時期礙航淤積速度的變化。

2.5 航道水下地形變化的演示

為了更加直觀地反映航道水下地形變化，用Surfer 建立各個時期航道水下地形圖件，特別是三維立體顯示與渲染圖，并通過對圖形的迭合和圖形的堆壘，以及對繪制好的圖進行圖形整飾（例如修改、標注、渲染等），作為幻燈片制成演示文稿，可以方便、清晰、直觀地進行各個時期航道水下地形變化的演示（如圖5），結合比色刻度尺，圖上整個區域水深變化一目了然。

3 結束語

長江河道呈現多種形態分布，河床演變錯綜復雜，不同河道灘槽格局穩定性差異較大。長江河床演變除了受徑流和潮流作用以外，還有其它一些因素的影響，如橋渡、港口碼頭、取水工程、護岸工程等等。諸多因素的分析后，再由此及彼、由表及里采用多種途徑方法結合起來進行綜合分析，探明河床演變的基本規律及主要影響因素，預估河床演變的發展趨勢，為制定合理的長江航道維護和整治工程方案提供科學依據。

參考文獻：

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