借助Surfer软件进行水下地形演变监测分析

    余学渊

    

    摘 要：长江干线航道水下地形复杂多变，冲刷和回淤幅度此起彼伏，本文简要叙述利用水深测量数据对长江南京以下12.5米深水航道水下地形演变监测分析的方法，及制定航道水深監测周期的意义，着重介绍Surfer曲面测绘软件的等高线图示法、三维图示法和断面图示法及其应用。

    关键词：河床演变；XYZ坐标；数据白化；碍航淤积速度

    中图分类号：U697 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）05-0029-02

    1 航道演变监测分析的意义

    经过多年自然演变和人工治理，长江南京以下12.5米深水航道上下游便捷条件逐渐趋于稳定，多汊并存的河势格局基本形成。但上游来水、来沙条件的不稳定性和因河势不同造成的沿程阻力多变决定沿程及底沙输移的不均匀性，航道水下地形演变监测、回淤规律研究显得尤为重要。动态跟踪掌握航道演变趋势与规律，可以为航道维护决策提供科学依据；积累观测资料和分析成果，能够为航道建设提供技术支持；深入研究掌握航道演变规律，创新航道养护方式，能够增强航道维护管理的科学性和系统性，同时不断提高航道养护管理质量和水平。

    2 监测分析的方法和应用

    由于长江干线航道的来水来沙条件瞬息多变，河床周界条件因地而异，河床演变的形式及过程极其复杂，现阶段要进行精确的定量计算，尚有不少困难，但可借助某些手段对河床演变进行定性分析或定量估算。现阶段常用的几种分析途经如下：①利用条件相似河段的资料进行类比分析；②运用模型试验的基本理论，通过河工模型试验，对河床演变进行预测；③运用泥沙运动基本规律及河床演变基本原理，对河床变形进行理论计算；④天然河道实测资料分析。上面四种方法中，天然河道实测资料分析方法，是最基本、最常用的方法。

    根据长年实测的水深测量数据，借助制图软件和地理信息系统软件的数据分析功能进行航道演变规律分析应用，而最直观的分析方法就是采用图示法，其中最常用的为等高线图示法、三维图示法和断面图示法。下面以Surfer 12为例，简要分析如何应用水深点测量数据进行航道水下地形演变的分析。

    2.1 采集原始测量数据

    收集不同时期获得的以XYZ坐标离散点形式的水深点数据，所谓的不同时期，可以是枯水季、洪水季、同年或者不同年等，根据分析目的不同自行决定。通常不采用格栅或者内插的水深点，目的是保证当前位置水深值的准确性，也是航道水下地形演变分析可靠性的关键。如果采用的软件不具备投影改正和基准转换功能，则需要收集经过投影改正和基准转换处理后的水深测量数据，并且不同时期的数据宜为同一基准面和坐标系。

    2.2 格网化处理并绘制成图

    在数据格网化的时候，格网化算法有12种之多。为了如实反应地貌特征，尽可能选择克里金法（Kriging）和反距离加权插值法（Inverse Distance to a Power）。因为这两种方法在插值点与取样点重合时，插值点的值就是样本点的值，而其它方法不能体现样本点的真实值。当所有其他参数相等的条件下，采用反距离加权插值法，越靠近结点（计算出的规则点）的原始数据点，对计算该结点的Z值贡献越大。把不同时期采集水深点测量数据，通过格网化处理产生不同时期的规则矩形网格的三维数组X，Y，Z文件数据（*.grd），并绘制等高线图（Contour Map）。直观的等高线图需要进行详细设置，比如主要等高线、辅助等高线，注记、色块填充及坐标系等的设置。为提高工作效率，减少重复工作量，在利用不同期测量数据绘制图形时，我们可以采用同一等深线配置文件（*.LVL文件）。在高线图和线框图中可以直观分辨出异常或者突变的数据，通过检查原始测量数据，配合粘贴图，使用网格结点编辑器变更网格文件（*.grd）内网格结点的Z值，并重新生成网格文件和各类图元。

    2.3 边界文件及数据白化处理

    在实际航道工程测量工作中，我们采集的数据量通常是比较大，采集区域和我们分析所需的区域不一，这时就要使用软件中的边界和白化处理功能。Surfer 对由离散的XYZ 数据文件生成网格文件时，是根据原始X、Y的取值范围和所选用的数学模型，自动生成一个矩形网格。根据航道形状把航道范围线外（线内）的数据剔除，生成一个由航道边线封闭多边形定义的区域，按照surfer的.BLN文件格式存储在一个或多个以.BLN 为扩展名的边界文件中，通过边界文件及白化处理使航道边线封闭多边形定义的区域外（区域内）的区域被剔除形成空白。不同时期的测量数据处理都采用同一边界文件可以大大减少重复工作量，提高工作效率，方便数据比较分析。以包含边界文件的新网格文件（*.grd）重新生成各类图，可以看到，等高线图上航道边线范围外的等高线被消除掉；在线框图上航道边线范围外成为平行于基点平面的区域。下图为长江南京以下12.5米深水航道某水道2016 年8月份两次测图获得的离散高程数据，插值生成规则的格网数据并经边界文件空白处理后绘制的等高线图。图1 为其中两次测量的等高线图。图2 为水深数据生成的曲面图和线框图。从等高线图上等高线的疏密和色块的变化，以及三维图的空间特征可以直观地看出航道水下地形演变趋势。

    2.4 回淤冲刷量及碍航淤积速度的比较和分析

    不管是回淤冲刷量比较还是碍航淤积速度的分析，通常是使用多组数据进行比较分析。不同测量数据文件生成具有相同X、Y坐标的多个文件，并按比较分析的顺序要求，利用Surfer软件“数学”功能，相互之间以C=B-A生成一个新的输出网格文件，其中A和B是输入的网格文件，C是输出网格文件。由于具有相同X、Y坐标的网格结点，这样就从输入网格文件A和B的相应结点上计算出Z的差值（Z`），计算的结果（X，Y，Z`）将保存到具有相同坐标的网格文件C内。利用B-A函数得出的C1、C2、C3……，计算其体积和表面积，可以得到回淤冲刷量，结合两次数据采集周期可以计算出碍航淤积速度。Surfer 软件还可通过“残差”功能计算出任一坐标位置的高程与设计航道底标高之间的差值。通过剖面生成功能在等值图上按一定方向和距离切画出航道剖面线，剖面生成的航道剖面数据文件能被多种二维绘图软件用来生成航道剖面图。图3为长江南京以下12.5米深水航道洪水季某一水道某一断面相邻四个月测量结果叠加的比较。若采用固定断面测量的数据进行比较分析可得出更精确的结果，图4为长江南京以下12.5米深水航道某一水道2016年8月到12月的测量数据分析计算的结果，清晰呈现出每个时期碍航淤积速度的变化。

    2.5 航道水下地形变化的演示

    为了更加直观地反映航道水下地形变化，用Surfer 建立各个时期航道水下地形图件，特别是三维立体显示与渲染图，并通过对图形的迭合和图形的堆垒，以及对绘制好的图进行图形整饰（例如修改、标注、渲染等），作为幻灯片制成演示文稿，可以方便、清晰、直观地进行各个时期航道水下地形变化的演示（如图5），结合比色刻度尺，图上整个区域水深变化一目了然。

    3 结束语

    长江河道呈现多种形态分布，河床演变错综复杂，不同河道滩槽格局稳定性差异较大。长江河床演变除了受径流和潮流作用以外，还有其它一些因素的影响，如桥渡、港口码头、取水工程、护岸工程等等。诸多因素的分析后，再由此及彼、由表及里采用多种途径方法结合起来进行综合分析，探明河床演变的基本规律及主要影响因素，预估河床演变的发展趋势，为制定合理的长江航道维护和整治工程方案提供科学依据。

    参考文献：

    [1]GB 12327-1998. 海道测量规范[S]. 北京：中国标准出版社，1999.

    [2]胡友元，黄杏元. 计算机地图制图[M]. 北京：测绘出版社，1991.

    [3]邬伦. 地理信息系统—原理、方法和应用[M]. 北京：科学出版社，2001.

    [4]郭文伟，张铁军，袁世中等. 水运工程测量手册[M].北京：人民交通出版社，2001.