（第四纪地质学专业论文）gis支持下的长江干流江苏段河道冲淤分析.pdf

摘要 长江下游河道及环境演变的研究意义重大，进展也比较迅速。与长时间段的 河床冲淤平衡研究相比，近期河道冲淤( 从2 0 世纪5 0 年代至今) 的研究对长江 下游的防洪、航道的开发、港口的布局等更具有实践意义。 本文全面论述了基于g i s 的河道冲淤分析的技术路线、方法体系和工作流 程，通过建立长江干流江苏段水下地形数据库，进行了长江干流江苏段河道冲淤 分析，并结合水沙变化条件进行了河道演变影响因素的综合分析，总结了长江干 流江苏段河道近期冲淤演变的特性，得到以下结论： ( 1 ) g i s 技术是定量研究河道冲淤演变的一种有效手段，克服了传统的地 形断面法和输沙量法在河道冲淤分析实际应用中存在计算精度不够高、空间分析 能力差等缺陷，可以为河床演变研究、河道工程建设、防灾减灾措施的制定提供 有力的支持。 ( 2 ) 8 0 年代中期前长江干流江苏段河道总体冲淤演变趋势为淤积，此后以 冲刷为主。分别属于河流段、过渡段、潮流段的三段河道冲淤趋势也表现为先淤 积再冲刷，并且大致同步。其中，潮流段在整个时间段( 1 9 6 3 年2 0 0 3 年) 内表 现为冲刷，过渡段和河流段表现为淤积，8 0 年代中期以后河流段与过渡段的冲 淤幅度几乎一致。 ( 3 ) 上述河道冲淤规律与期间来水来沙条件的组合变化息息相关：年平均 径流量在8 0 年代中期以后有所增加，而输沙量却由于上游梯级水库的修建、水 土流失的治理等原因减少了很多，这造成了前后淤积与冲刷的转换。 ( 4 ) 分汉河段的冲淤变化反映在某一汉道冲刷，而另一汊道淤积，使得部 分主支汊互为兴衰、交替发展；单一弯道的冲淤变化反映在凹岸发生冲刷，凸岸 发生淤积；节点控制河段深泓位置几乎不变，稳定性较好，但水深可能会随水沙 等条件变化发生相应的淤积或冲刷。 ( 5 ) 位于顺直河段的江心洲，多数呈窄长的梭形，洲头洲尾比较稳定，支 汊一侧有所淤涨，当其近岸时，有并岸的趋势；位于鹅头分汉型河段的江心洲也 是向抗冲性差的一岸发展，同时还向下游发展，使汊道发育成鹅头型；江心洲多 摘要 表现在洲头发生冲刷，而洲尾很有所淤积，还会出现兼并其他沙洲的情形。 ( 6 ) 从纵剖面上看，此段河道纵剖面趋势受燕子矶节点和鹅鼻咀节点控制， 这两个节点控制区域正好是各测次纵剖面线的拐点。另外，该段长江深泓一般都 下切到黄海基准面以下，可知现在的海平面并不是长江侵蚀的下限界面，这显然 是受历史时期的海平面升降、断裂构造及现代河势、水沙和边界条件等因素共同 作用的结果。 关键词：河道冲淤地理信息系统数字高程模型空间分析 1 1 a b s t r a c t i ti sm e a n i n g f u lt or e s e a r c ht h ee v o l v e m e n to fc h a n n e la n de n v i r o n m e n to fl o w e r r e a c h e so fy a n g t z er i v e r , w h i c hd e v e l o p sr a p i d l y c o m p a r e dw i t ht h er e s e a r c ho f c h a n n e ls c o u r i n ga n ds i l t a t i o nf o ral o n gp e r i o d ，t h er e s e a r c ho fr e c e n tc h a n n e l e v o l v e m e n tf r o m1 9 5 0 si sm o r es i g n i f i c a t i v et op r e v e n tf l o o d ，t oe x p l o i tc h a n n e l ，a n d t o p l a n p o r t a n d s oo n w ed i s c u s st h et e c h n i c r o u t e ，m e t h o d s y s t e m ，a n dw o r kf l o wo ft h ec a l c u l a t i o nb a s e d o ng i s b ys e t t i n gu pt h ed a t a b a s eo f t h ec h a n n e li nj i a n g s up r o v i n c e ，w ea n a l y s et h e c h a n n e le v o l v e m e n ti nj i a n g s up r o v i n c e ，d i s c u s ss e v e r a lf a c t o r sa b o u tc h a n n e l e v o l v e m e n t ，a n ds u m m a r i z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fr e c e n tc h a n n e le v o l v e m e n ti n j i a n g s up r o v i n c e t h ep r i m a r yr e s u l t so f t h ep a p e r a r eo b t a i n e d ： ( 1 ) g i si so n eo ft h ee f f e c t i v em e t h o d st or e s e a r c hc h a n n e le v o l v e m e n t ，w h i c he x c e l a tp r e c i s i o na n ds p a t i a la n a l y s i s ，a n ds h o u l db es t u d i e df u r t h e rf o rp r a c t i c a l a p p l i c a t i o n ( 2 ) t h el o w e rr e a c h e so fy a n g t z er i v e rs i l t e db e f o r em i d d l eo f19 8 0 s ，a n ds c o u r e d f r o mt h e n r i v e r - f l o wr e a c h ，i n t e r g r a d a t i o nr e a c h ，a n dt i d a lc u r r e n tr e a c ha l s od i d s y n c h r o n o u s l y ( 3 ) t h er e s u l ta b o v e m e n t i o n e do fc h a n n e ls c o u r i n ga n ds i l t a t i o ni sr e l a t e dt ot h e r u n o f fa n dt h es o i lm a s s ：t h ea n n u a lm e a nr u n o f ri n c r e a s e da f t e rm i d d l eo f19 8 0 s ， w h i l et h es o i lm a s sd e c r e a s e db e c a u s eo ft h eb u i l d i n go fu p r i v e rr e s e r v o i ra n dt h e p r o t e c t i o no f w a t e ra n ds o i l ，a n d s oo n ( 4 ) t h es c o u r i n ga n ds i l t a t i o no fb i f u r c a t e dc h a n n e ls t r e t c ha p p e a r st h a t o n es i d e s c o u r sa n da n o t h e rs i d es i l t s s os o m ep r i m a r yi n l e t sa n ds u b o r d i n a t ei n l e t s d e v e l o pa l t e r n a t e l y t h es c o u r i n ga n ds i l t a t i o no fc u r v e dr e a c ha p p e a r st h a tt h e c o n c a v eb a n ks c o u r sa n dt h ec o n v e xb a n ks i l t s t h ep o s i t i o no fm l w e gc o n t r o l l e d b yn o d e sc h a n g e sr a r e l y , b u tt h et a l w e gw i l ls c o u ra n ds i l tw i t ht h ec h a n g eo f t h e r u n o f fa n dt h es o i lm a s s a b s t r a c t ( 5 ) t h ec h a n n e li s l a n di ns t r a i g h tr e a c hm o s ti si nt h ef o r mo fs h u t t l e ，a n di t sh e a da n d a f tp a r ta r ec h a n g e l e s s o n eo ft h eb r a n c h e ss i l t s ，a n dw h e ni ti sb e s i d et h eb a n k ，i t w i l lc o m b i n ew i t ht h eb a n k t h ei s l a n di ng o o s e h e a dp a t t e r nb r a i d e dc h a n n e l d e v e l o p st o w a r d st h es o f ts i d e t h ei s l a n dm o s ts c o u r sa th e a d ，s i l t sa ta f tp a r ta n d c o m b i n e sw i t ho t h e ri s l a n d s ( 6 ) t h es t r e a mp r o f i l e so ft h ec h a n n e li nj i a n g s up r o v i n c ea r ec o n t r o l l e db yy a n z i j i n o d ea n de b i z u in o d e t h et w on o d e sj u s ta r et h ep r o f i l e s i n f l e x i o n s a n dt h e t a l w e go f t h ec h a n n e lg e n e r a l l yd o w n c u t sb e l o w t h eh u a n g h a lb a s el e v e l k e yw o r d s ：c h a n n e ls c o u t i n ga n ds i l t a t i o n ，g i s ，d e m ，s p a t i a la n a l y s i s 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 v 9 8 0 f ；7 4 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名： 日期： 当生 第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 长江是我国第一大河，世界第三大河，发源于青藏高原地区，注入东海，全 长6 3 0 0 多公里，流域面积1 8 0 多万平方公里。长江兼有航运、灌溉、发电、淡 水养殖、城市供水等诸多功能，关系到我国经济发展的全局，被称为黄金水道。 但长江不利一面也尤为突出，平均每1 0 年发生一次的大洪水给中下游两岸的人 民生命财产带来巨大的损失。 位处长江下游的长江三角洲是世界著名的三角洲，总面积达到5 1 8 万平方 公里，是我国人口稠密、经济最发达的地区。随着经济的发展和长江沿江开发的 进行，同时处于沿海和沿江地带的长江下游正面临不可多得的机遇。所以这个时 候对长江中下游河道及环境的演变进行多方面的研究就显得更加必要。 在进行河道演变分析的过程中，方法众多，从定性的分析到定量的研究，不 一而足。在近现代的定量研究中，又有很多种类，有河流模型研究，又有数学模 型和河工模型之分；也有从实测资料出发的研究，如断面法和输沙平衡法来计算 河道冲淤演变。 目前新兴的基于g i s 的河道演变方法其实也是从实测数据( 水下地形数据) 出发的一种研究方法，具有传统方式无法比拟的优势：( 1 ) 利用先进的空间数据 管理技术，管理了越来越趋于海量的河道数据；尤其是在现代测量信息( 如g p s 、 水下地形扫测等技术获得的信息) 的管理，更是提高了数据开发利用的程度。( 2 ) 大大提高了精度。基于g i s 的冲淤计算方法则是利用河道三维表面进行冲淤计 算，利用了整个地形图的全部地形信息。其数据采集的精度和对测图的利用效率 远非传统方法可比。( 3 ) 具有强大三维表达和空间分析能力。整个计算过程，包 括地图数据入库、d e m 生成、河道各深度容量的计算、冲淤变化分析、纵横断 面的分析等，都可以在g i s 系统中进行，大大提高了工作效率。( 4 ) 可以对整个 河道演变过程实现定量化和可视化，甚至完成河道演变信息系统的集成。这些都 可以成为科学、高效地进行河道演变研究的手段之一。 另外，影响河道演变的因素很多，如构造运动、海平面变化、地球自转、水 第一章绪论 沙变化、河床边界条件、人为因素等等。其中来水来沙条件的作用是很显著的。 在正常情况下，河道的来水来沙与河道形态相互适应，深泓的平面摆动，河床的 冲淤变化，存在着自然调整的缓变过程。在遇到大洪水时，江水流速、流量增大， 携沙能力增强，过水断面发生急剧变化，影响江岸的稳定性，甚至导致江岸变形、 崩塌。如1 9 5 4 年出现的百年一遇的特大洪水，导致南京浦口、下关等的局部护 岸工程崩塌无遗。当然，洪水对河道的影响有些会随着岁月的推移而逐渐消除， 总的河势不会有太大的改变。因此水沙条件的变化与河道演变之间的关系值得深 入研究。 论文的研究是在作为国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 长江流域环 境与水资源演化规律的子课题之一的变化条件下长江下游河道演化的规律 课题的支撑下进行的，主要揭示近5 0 多年以来长江下游河道的冲淤演变与来水 来沙等条件之间的关系，为长江下游乃至整个流域环境与水资源的研究与治理提 供参考。 1 2 国内外研究进展 人们对河道演变过程的认识，通常是从野外实际查勘及观测开始的。再对收 集到的实际资料所进行的由表及里、由此及彼的综合分析，使人们逐步形成了对 某具体河段到整个河流以至不同河流的河道演变的规律性认识。这种规律性认识 随着观测手段日益现代化、观测精度日益提高、观测项目日益齐全而不断深化， 有定性讨论，也有定量研究，这都对解决实际问题有重要意义。 ( 1 ) 定性讨论 早在两千多年前，我国古代的尚书禹贡篇中就有关于长江的记述。一 千多年前，北魏郦道元作水经注。以后，在历代方志的山川地理部分中，更 常见到有关江河水系变迁、河岸变化及沙洲分合、消长的详细记载。这些表述都 是人类早期对河道演变的认识。 而今，在分别描述或统计分析河道演变及其影响因素后，定性讨论两者之间 的关系一度是研究河道演变的主流方式。这其实在某种程度上属半定量的研究。 陈启新等( 1 9 9 5 ) 对黄河小北干流上段河东取水口的淤积抬高与“揭底”现象的 分析表明，此段河势演变的主要影响因素是地形节点及河道整治工程；潘庆粲 第一章绪论 ( 1 9 9 7 ) 对长江中下游河道演变趋势的研究也重点突出了人为因素的影响：庞炳 东( 1 9 9 7 ) 讨论了三门峡水库建成后对渭河局地侵蚀基准面、滩地泥沙组成、来 水来沙条件、河道断面形态等方面产生的影响，从而影响到渭河下游河道的演变； 张润民( 2 0 0 3 ) 对三门峡建库前潼关河床冲淤进行了分析，干支流洪水是河道冲 淤平衡动力；张长清等( 1 9 9 8 ) 分析了长江口北支的河床河岸构造、径流与潮流 情况，及其演变趋势，得出影响北支河床演变的主要影响因素有水沙变化、河流 动力轴线变化、河流平面形态、人为因素：李传发等( 2 0 0 0 ) 对松花江依兰一佳 木斯江段河道演变分析不仅从边界条件、来水来沙条件等角度考虑，还结合此河 段具体情况包括了支流、冰凌等对河道的影响：潘庆粲( 2 0 0 1 ) 对长江中下游河 道近5 0 年的变迁分析得出结论：总体河势基本稳定、冲淤基本平衡，局部河势变 化较大、冲淤幅度较大认为因素未改变河道演变规律等结论。 ( 2 ) 定量研究 在河道演变的定量研究当中，河流模型已成为重要的手段之一，分为数学模 型和河工模型。数学模型在回答工程问题时，同时具有缩短研究周期、节约投资 等重要优势( 华景生等，1 9 9 6 ；段文忠等，1 9 9 7 ；陈斌，1 9 9 8 ；姚仕明等，2 0 0 1 ； 徐建平，2 0 0 3 ；郭庆超等，2 0 0 5 ：冯普林，2 0 0 5 等) 。物模多用于研究三维问题， 试验成果相当可靠( 孙梅秀等，1 9 9 5 ；陈东等，1 9 9 9 ；杨淑慧等，2 0 0 0 ；陈立等， 2 0 0 3 ；王随继等，2 0 0 4 ；张俊勇等，2 0 0 4 ；张欧阳等，2 0 0 4 ) 。但无论是数模还 是物模都有不尽如人意的地方。就数模而言，构造的模型是否符合实际，计算的 精度如何提高等，这些都是问题：而物模研究周期相对较长，投资也比较大，选 择时就需要权衡。 利用g i s 技术手段对河道演变进行讨论是河道演变研究的新趋势之一。这种 方法的思维方式与上述方法完全不同，而其效果也较为直观。从河道演变的结果， 也就是水下地形数据出发，来具体阐述河道的演变，直至研究这些演变与某些影 响因素的关系。张增发、丁贤荣等( 2 0 0 1 ) 在g i s 技术的支持下进行了长江镇扬 河段的演变分析，吴华林等( 2 0 0 4 ) 分析了长江1 ：3 南北港的泥沙冲淤，李茂田等 ( 2 0 0 1 ) 对九江段河道进行了演变分析。此外，王柯道( 2 0 0 5 ) 利用数字高程模 型探讨了滩面冲淤变化，这对计算河道的冲淤有一定的借鉴作用：姜贤瑞等 ( 2 0 0 2 ) 、张正禄等( 2 0 0 3 ) 、汤仲安等( 2 0 0 3 ) 、张红梅等( 2 0 0 3 ) 进行了河道 第一章绪论 地理信息系统方面的研制探讨，这些都为河道演变的分析提供了一种较好的手 段。 再如，利用遥感等技术手段对长江岸线演变，河道整治，资源开发利用进行 研究，也取得了很大的进展。黄家柱等( 1 9 9 9 、2 0 0 2 ) 对长江下游河道演变图谱 进行了研究，亢庆等( 1 9 9 9 ) 对东江下游河道演变进行了遥感分析，陈一梅等 ( 2 0 0 5 ) 讨论了岸滩的演变等。还有一些用于河道观测的新技术，如无人立尺技 术、g p s 技术、多波束声纳测深系统、a d c p 测流系统等也得到了大力地发展( 余 文畴等，2 0 0 5 ) 。 另外，金德生等( 1 9 9 9 ) 定量探讨了地球自转速率变化与水沙量变化之间的 关系，张根广等( 2 0 0 3 ) 、黄修山( 2 0 0 5 ) 研究渭河下游河道的淤积与水量、高 程等的关系，并建立了两者之间的相关表达式；张翠萍等( 2 0 0 0 ) 比较了黄河潼 关河段冲淤变化与潼关高程之间的关系。这些研究方法对研究河道演变及其影响 因素之间的关系很有借鉴意义。 国外的关于河道演变方面的研究也不少。n l a n d o n 等( 1 9 9 8 ) 在对法国的 d r o m e 河流的冲淤进行研究时，将研究河段离散成若干小段，再叠加上从这些小 段不同时期的航片上获得的各种数据，得到整个研究河段的冲淤量，并统计分析 了各段冲淤与距离上、下游某一节点距离及河岸冲刷程度之间的关系。m a r i a r a d o a n e 等( 2 0 0 2 ) 研究喀尔巴阡山脉地区的河流时，利用这些河流的凹度来反 映河流演变的情况，并预测河流长期演变的趋势。m a 也i a ss p a l i v i e r o ( 2 0 0 2 ) 利 用卫星影响以及历年水文数据分析了意大利t a g l i a m e n t o 河的历史演变。g r e g o r y r b r o o k s ( 2 0 0 2 ) 研究了全新世加拿大红河的横向迁移。c a n t o l l i 等( 2 0 0 3 ) 取 法国的r h o n e 河的一系列横断面进行研究，分析了几个水文要素与冲淤量之间的 关系等。s d k e e s s _ t r a 等( 2 0 0 5 ) 分析了土地利用对河流形态的影响。i r e n e u s zm a l i k ( 2 0 0 5 ) 通过对河边树木年龄的测定来推断河流横向迁移的速率。 总之，既需要讨论河道本身的演变，又需要反映某种影响河道演变的因素与 河道演变之间的关系，这在河道演变的研究中具有重要意义。 1 3 已有研究存在的问题或不足 对长江感潮河道按河段分段进行的演变研究，为我们积累了丰富的资料，具 第一章绪论 有借鉴意义。然而，其研究仍存在以下不足： ( 1 ) 已有研究相对比较零散 在长江下游感潮河段作为研究区域的研究，大多局限于某一个具体的河段 内，研究相对比较零散，要不就是空间上考虑的范围有限，要不就是时间上考虑 的有限；分段进行的研究几乎都停留在实地调查及定性评价的基础上，停留在河 道演变的现象分析。 ( 2 ) 长江河床冲淤计算方法尚不完善 传统河道冲淤分析方法主要有地形断面法和输沙量法两大类( 长江水利委员 会水文局，2 0 0 0 ) ，由于受水文观测的测站分布和观察技术的限制，以及他们在 空间分析上的局限性，这两种方法在实际应用中存在计算精度不够高、空间分析 能力差等缺陷，导致不同文献对同一江段冲淤量的计算结果很不一致 ( c a n t o n e l l i 等，2 0 0 4 ) ，如对下荆江段冲淤量的计算结果很不一致( 潘庆粲等， 1 9 9 9 ；殷鸿福等，2 0 0 4 ) ：余明辉等( 2 0 0 5 ) 对宜昌一大通1 9 6 6 1 9 9 8 年淤积 量用输沙量法计算为9 8 3 2 9 万m 3 ，用断面地形法计算为6 7 1 3 7 万m 3 ，两种方 法结果相差较大，而1 9 7 6 1 9 8 6 年、1 9 9 4 1 9 9 6 年两种方法计算结果显示的冲 淤情况相反。所以说长江河床冲淤计算方法尚不完善( 殷鸿福等，2 0 0 4 ) 。当前 的研究迫切需要在以往河道整治和工程角度，沿江分区段专项为主的研究的基础 上，注重引进新的实验与研究手段，大力促进信息科学与地学的结合( 夏金梧等， 2 0 0 4 ) 。 1 4 研究主要内容 河道演变研究方法多种多样，本文在总结近年来河道演变分析的研究成果的 基础上，详细讨论了g i s 技术在河道演变分析中的具体实现方法。 ( 1 ) 论文全面论述了基于g i s 的冲淤计算方法的技术路线、方法体系和工 作流程，克服了传统的地形断面法和输沙量法在河道冲淤分析实际应用中存在计 算精度不够高、空间分析能力差等缺陷，为今后利用g i s 开展同类研究提供有益 的借鉴。 ( 2 ) 建立了长江干流江苏河段地理数据库，利用地理信息系统软件强大的 数据输入和空间数据分析功能，对长江干流江苏段1 9 6 3 年至2 0 0 3 年5 个测次的 第一章绪论 河道地形图数据入库。 ( 3 ) 进行了长江干流江苏段河道演变分析，利用河道数据库，定量分析河 道各深度下的容积变化、河道淤积部位等时空变化特征；结合水沙变化条件，进 行了河道演变的影响因素综合分析；探讨了长江干流江苏段河道近期演变的特 性。 第二章研究区概况 2 1 河道概况 第二章长江干流江苏段概况 长江，古名扬子江( 国际上普遍使用，y a n g t z er i v e r ) ，发源于唐古拉山主 峰格拉丹东雪山的西南侧，干流自青藏高原蜿蜒东流，经青海、西藏、四川、重 庆、云南、湖北、湖南、江西、安徽、江苏和上海等1 1 个省、自治区和直辖市， 在黄海与东海的交界处，崇明岛以东入海，全长6 3 0 0 多公里，支流展延到甘肃、 陕西、贵州、河南、浙江、广西、福建和广东等8 个省( 自治区) ，为我国第一 大河，按长度和年径流量都居世界第三位。长江流域总面积1 8 0 余万平方公里， 约占全国总面积的1 9 ( 任美锷，1 9 9 2 ) 。长江江源至河口，整个地势西高东低， 横贯我国三大阶梯，全江总落差达五、六千米。长江干流宜昌以上为上游，宜昌 至鄱阳湖口为中游，湖口以下为下游，其中江阴以下为河口段。 本文研究区域位于江苏境内，属于长江下游河道，见图2 1 。此地段河道主 要属于一种相对稳定的分汊河型，由节点控制的束窄段基本稳定，两节点之间的 分汉河段变形强烈，深槽浅滩交相易位。河床被江心洲分成并列的二支、三支乃 至四支、五支，由于主流线的摆动，各支汉道的主从地位往往发生周期较长的交 替变化。江心洲亦变化频繁，淤长、扩大、下移以及并岸等，不同时期呈现不同 的变化特点。 j 罗 湖口 犏陵市 安庆市午蔼州市 ；望鬟器感 “南尿 。t 二，歹硷南通市 了马鞍山市 无锡市 i t + ! 苏州市 ，_ 芜湖市 图2 - 1 长江f 游河势图 ( 1 j j 7 止海 第二章研究区概况 长江口的平面形态呈喇叭状，上口徐六泾江面宽仅5 7 k m ，下口从苏北咀到 南汇咀相距9 0 k m 。徐六泾以下，被崇明岛分隔为南北两支，南支在吴淞口以下 又被长兴、横沙两岛分隔为南北两港，南港下段被九段沙分为南北两槽，最终形 成三级分汉、四口入海的格局。 就水沙情况来说，2 0 世纪5 0 年代后期以来，中上游植被破坏严重，泥沙输 入来能够日趋加大。据大通站1 9 5 0 2 0 0 0 年的统计，长江下游多年平均流量为 2 8 7 0 0m 3 s ，多年平均年径流量9 0 5 0 亿m 3 ；多年平均含沙量为0 4 8 6g m 3 ，多年 平均输沙量达4 3 3 亿吨( 余文畴，2 0 0 5 ) 。长江口是一个中等强度的潮汐河口， 潮型属浅海非正规半日潮。由于口门较宽，进潮量十分巨大，南槽潮差达2 6 m 左右，最大4 6 m 左右( 王艳红，2 0 0 3 ) 。在较大的径流量和较强的潮流的相互作 用下，再加上涨落潮流路不一致，形成了长江口的多级分汉，主流南偏，沙岛并 岸，河宽缩窄，河口外伸的演变特征。 2 2 研究区分段 本文所研究的河段为江苏境内河段，全长近3 4 0 多公里，分别属于下游和河 口地区。在对这么长的河段进行演变分析的时候，当然不能一概而论。总得根据 一定的原则与方法，将研究区域进行适当地划分，这样才能更好的进行研究与论 证。 研究区域河道划分的方式多种多样，可以按行政界线划分河段，可以按河流 的节点划分水道，也可以考虑径流和潮汐的共同作用而按潮区界、潮流界划分河 段，也有人根据水流咸水界进行分类等。 本文考虑在按潮区界、潮流界划分河段为三段的基础之上，再叠加河流节点 分布信息，把河段进行更加详细的划分，以便充分比较论证。 2 2 1 潮流界和潮区界 在潮汐河口，受潮汐影响的河段，海水可沿河上溯数十公里甚至上百公里。 根据中华人民共和国交通行业标准的航道工程基本术语标准( j t j t 2 0 4 9 6 ) ( 中华人民共和国交通行业标准) ，潮流沿入海河道向上游传播时，涨潮流所能 达到的河道最远处称为潮流界( t i d a lc u r r e n tl i m i t ) 。此处上溯的潮流流速正好和 第二章研究区概况 河流流速相抵消，潮流停止上涌( 王建，2 0 0 1 ) 。在潮流界以上，潮波继续上溯 能传播到达的河道最远处称为潮区界( t i d a ll i m i t ) ，潮差为零。从潮区界到潮流 界的河段称为河口河流段( e s t u a r i n er i v e r - f l o wr e a c h ) ，又称近河口段，以径流作 用为主。在潮流晃以下到口门之间叫河口潮流段( e s t u a r i n e t i d a lc u r r e n tr e a c h ) ， 又称河口段，这里有河流径流的下泄，还有潮流的上涌，水流变化比较复杂，河 床不稳定，形成许多汉河。口门向外至水下三角洲前缘处，叫口外海滨段( s e a s h o r e r e a c ho u t s i d ee s t u a r y ) ，这里是河流、潮汐、海流和波浪的共同作用区，以海洋作 用为主，形成水下三角洲、水下沙堆或沙岛。见图2 2 。 深 坎 图2 - 2 河口区地貌分段( 根据萨莫依洛夫) 需要注意的是，河口区的分段界线并不是固定的，它随着水文状况的改变而 变化。而径流和潮流两者相互消长，支配着河1 3 区的水文特征，所以潮区界和潮 流界就是径流、潮流这一对矛盾相互作用的产物。由于径流有洪枯水期的变化， 潮流也有大小潮之分，它们相互作用又可能出现很多组合，这就使潮区界和潮流 界的位置有一个变动的范围。 通常情况下，长江河口在枯水期，潮区界可达离1 2 1 门6 1 6k m 的安徽大通， 潮流界在江苏镇江一带；洪水期，河流作用加强，潮区界下移到距口门5 0 0k m 的芜湖，潮流界下移到江阴以下( 宋兰兰，2 0 0 2 ) 。根据潮流界位置及其变化， 将安徽大通以下河段划分为三段，分别属于河流段、过渡段( 潮流界在此范围内 变化) 和潮流段，见图2 3 。 第二章研究区概况 萎竺孵。泰州市j：? 一- ，蛰一o 、j 、l 夕舔毹敝b 遵、亭通市 一7 甯尿 气，忿、南通市 ，箩孽懿 、遴 2 2 2 长江下游节点 节点是指那些分布在河道两岸，具有某种固定边界而平面位置相对稳定的窄 段，它们的抗冲性远较上、下游河岸组成物质为大，位置在较长时间内较少变化， 因而对河势及其演变起着很大的控制作用( 余文畴，1 9 8 7 ) 。作为一个特殊边界 条件，节点在沿江的广泛分布，使河床具有宽窄相间的藕节状外形，并使河势得 到相对稳定。如南京河段右岸幕府山一带有一系列的山体和阶地滨临江边，构成 了控制河势的许多节点，使江流向南摆动受到限制。 节点主要由突出于江边的天然矶头和山体所组成，它可以完全是基岩的，也 可以是由更新统的砾石层、粘土层阶地乃至于全新统的粘土层在江边的出露而形 成，甚至包括稳定的河漫滩。还有少部分节点则是人为的工程措施，如南京河段 下关的护岸工程，它们都使河势得到相对稳定。 由于长江两岸地貌特征相差较大，所以节点的组合类型也多种多样，如一岸 是矶头、一岸是河漫滩的节点，两岸都是矶头控制的节点等。而且节点在纵向上 的分布也是不均匀的。大多数节点之间相隔有一定的距离，1 0 2 0 k m 不等，这样 的分布形式对长江下游相对凹陷区发育成分汉型河床，而不是弯曲型河流起到很 大的作用( 熊万英，2 0 0 4 ) 。若节点发生了变化，则对其上游、下游河道的演变 都有影响( 吴文浩，1 9 9 8 ) 。如南京七坝节点原来是同下三山对峙形成控制作用 的，在1 9 5 4 年大水后，节点受到严重的冲刷而下移很快，从而影响下游梅子洲 汊道的稳定，七坝以上的新济洲河段也产生了一个大的潜洲。 第二章研究区概况 正是由于上述原因，本文在进行研究区的划分时，在考虑潮流界和潮区界的 基础之上，要结合河道主要节点，综合考虑，见图2 - 4 。 扬州市 三江。 一， 仨 寨州市 ，i ，一、 下椭。疹二可t 。翟1 文， 镇江市 五峰山”如龙爪岩 。大畦i j j 南京 i +。= 二歹，多：! ! 至i 南通市十t 、一， 一f i ， 鹅鼻咀苏州市 l ， j 己锡奇 i 。、 黼 曩、。 ， 一 、 绦六泾 图2 4 研究区分区示意图。 第三章长江干流江苏河段地理数据库建设 第三章长江千流江苏河段水下地形数据库建设 3 1g i s 及其应用 地理信息系统( g i s ，g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 是以地理空间数据库为 基础，采用地理模型分析方法，适时提供多种空问和动态的地理信息，通过数据 采集、监测、编辑、传输、处理、存储、组织、空间分析、显示等操作，为地理 研究和决策服务的计算机系统( 邬伦等，2 0 0 1 ) 。显然，这是一门新兴的交叉性、 边缘性的学科，离不开计算机技术的软硬件支持。 作为一项近代技术，g i s 诞生于十九世纪六十年代。进入七十年代，由于计 算机硬件和软件技术的飞速发展，g i s 朝着应用方向迅速发展。我国g i s 方面的 工作开始于八十年代，经过一段时间的发展，各方面都积累了不少的经验。九十 年代后，随着地理信息系统产业的出现和数字化信息产品在全世界的普及，g i s 深入到各行各业甚至千家万户，进入g i s 发展的社会化阶段。同益广泛的应用和 计算技术的前进，使得g i s 的发展格外迅猛，如面向对象的g i s 、3 d g i s 、时空 g i s 等，网络化、标准化、大众化的趋势越来越明显。 与普通的信息系统相同的是，g i s 主要由计算机软硬件系统、数据和系统管 理操作人员组成，只不过这里的数据是指空间数据，具有地理意义。与其他信息 系统最显著的区别就在于g i s 的空间分析能力。g i s 管理空间数据的图形与属性 信息，并能够利用这样的数据进行空间的分析处理，辅助研究和决策。 正是g i s 上述的特点与功能，目前已成功地应用到了包括资源管理、自动制 图、设施管理、城市和区域的规划、人口和商业管理，交通运输、农业气候规划、 环境污染监测、地质灾害评估、医疗卫生、教育、军事等众多领域，取得了良好 的经济效益和社会效益。目前，在我国水利工作中，地理信息系统主要应用在信 息管理、防洪规划、洪水预报、城市防洪、防汛抢险救灾、灾情评估、水利水电 工程建设等方面。 从g i s 对河道演变的作用的角度来看，为了实现其信息管理与方法改进的功 能，就必须从这两个方面入手。首先，必须将最初的河道原始地形测量到多年的 观测数据( 包括航道图、遥感图、g p s 数据及其他来源的信息) 纳入数据库进行 第三章长江干流江苏河段地理数据库建设 储存管理，及通过数字化过程，让这些数据参与实时计算分析和历史演变分析。 其次，利用这些数字化后的信息，生成河道数字高程模型( d e m ) 。这是进行下 一步空间分析的基础。最后，进行空间分析，得到河道冲淤等演变在时空维上的 变化情况。在一定时间序列的河道数据的基础上，以河道本身为模型进行1 ：1 的模型计算或模拟，提供相应时刻泥沙淤积成果，在此基础上逐渐得到泥沙淤积 的演变过程，寻找其中的规律。同一时间刻度上，又讲究河道不同区段冲淤等演 变分析的空间分布。 3 2 研究区数据 本文的研究区域是长江干流江苏段河道，数据的主要来源是1 9 5 8 。1 9 5 9 年、 1 9 6 9 1 9 7 0 年、1 9 8 5 年、1 9 9 2 年、2 0 0 0 2 0 0 3 年上海至武汉的长江下游航行保障 图集中的江苏段河道数据，基本情况见表3 1 。 表3 - 1 本文数据来源概况 出版年代测量年代坐标系深度基准面比例尺 1 9 5 8 年 江阴以下：理论深度基准面6 - 8 ：1 ：5 万 1 9 6 3 芷 1 9 5 9 年 江阴以上：1 9 5 9 年7 月设计水位 9 2 5 ：1 ：2 5 万 1 9 6 9 焦江阴以下：理论深度基准面8 9 ：1 ：6 万 1 9 7 2 芷 1 9 7 0 年 江阴以上：航行基准面 1 0 3 3 ：1 ：4 万 江阴以下：理论深度基准面1 2 1 4 ：l ：6 万 1 9 8 5 芷1 9 8 5 侄 江阴以上：航行基准面 1 5 2 9 ：l ：4 万 江阴以下：理论深度基准面4 ：l ：5 万 1 9 9 2 焦1 9 9 2 年 1 9 5 4 年北京 江阴以上：航行基准面5 1 6 ：l ：4 万 2 0 0 0 芷江阴以下：理论深度基准面 2 0 0 3 矩1 9 5 4 年北京1 ：4 万 2 0 0 3 芷江阴以上：航行基准面 3 3 工作流程与方法 本文的数据资料为几个不同时段的长江干流江苏段河道的航行保障图，通常 对于这类纸质图来源的数据的处理过程如下： ( 1 ) 航道图的扫描与预处理 第三章长江干流江苏河段地理数据库建设 对纸质图的扫描，根据所使用的扫描仪的性能指标的不同，可以有不同的方 式。通常区别比较多的有两点：一是灰度扫描与彩色扫描。灰度扫描使用灰度级 来表示扫描后的灰度图象的亮度层次范围，级数越多表示扫描亮度范围越大，通 常用的比较多的是2 5 6 级。彩色扫描用彩色值表示每个象素点，通常所说的真彩 色的扫描是指每个象素点的颜色用2 4 位二进制值来表示，可以扫描出鲜艳逼真 的图像。二是分辨率的选取。分辨率的高低决定了扫描仪的扫描精度，也就是一 幅图像的象素的多少，反映了扫描仪对图像细节的表现力，通常用每英寸长度上 扫描图像所含有的象素点的个数来表示，记作d p i ( d o tp e ri n c h ) 。目前，多数 扫描仪的分辨率都在3 0 0 d p i 到2 4 0 0 d p i 之间。 纸质地图经扫描仪扫描后，初步保存为栅格图像( 常见的格式有t i f 、b m p 、 p c x 、j p e g 等) 。栅格图像，也称光栅图像，是指在空间和亮度上都已经离散化 了的图像，通常用一个矩阵来表示，矩阵中的任一元素对应于图像中的一个象素 点。由于一幅栅格图像所包含的信息很多，数据量会很大，就有必要对栅格结构 的数据进行编码和压缩( 邬伦等，2 0 0 1 ) 。 在对大通以下航道纸质图的扫描即栅格化过程时，采用2 0 0 d p i 彩色扫描， ( 用3 0 0 d p i 时，一幅图达到1 0 0 多m ) 存为t i f 文件格式，以最大限度保存图 像信息。 为了减少图纸拼接带来的数据精度降低，统一采用工程大幅面扫描仪进行图 纸的扫描。对于扫描后的原始图像，首先利用常用的图像处理软件，如p h o t o s h o p 对其进行初步的处理，如调整图像的对比度、大小、调整格式等等。 ( 2 ) 图像的空间配准 扫描过后的栅格图像只是一幅图像，所表示的只是地物快照，缺少的是地物 的地理位置信息，也就是说此时的栅格图像还不具备地理坐标，还不是真正意义 上的地图。因此在矢量化之前，必须对图像进行空间配准，这样在g i s 软件中矢 量化之后的矢量图也是具有坐标信息的，可以进行空间的多重分析。 坐标分为两种：一是地理坐标，用一种用经纬度表示的球面坐标，地面上任 一点的位置，由经过这点的经线和纬线唯一确定的。二是平面坐标，将地球曲面 展开到平面，运用地图投影的方法，建立地球表面和平面上的函数关系，可以得 到任一点的平面坐标。不管是纸质图还是g i s 中所表示的地图大都是平面的，所 第三章长江干流江苏河段地理数据库建设 以对扫描后的栅格图进行空间配准和投影的设置是必须的。 在g i s 软件中进行图像的配准就是选取几个控制点，并赋其相应的有地理意 义的坐标，在此基础上，用各种内插算法对图像进行重采样，获得具有坐标的图 像并保存。控制点的选取要尽量均匀分布于图像，个数不能太少，一般规则矩形 图像的控制点在角点选取4 个控制点就够了。 地图投影按照不同的分类标准有多种分类：按变形性质可以分为等角投影、 等积投影和等距投影；按构成方法可以分为方位投影、圆柱投影、圆锥投影及非 几何投影；按照投影面积与地球的关系可以分为割投影和切投影。投影选择得是 否恰当，直接影响到地图的精度和使用价值。目前在出版的我国地图中，高斯 克吕格投影比较常见。需要注意的是，国家基本比例尺地形图的投影、分幅等是 由国家测绘主管部门研究制订的，不容许任意改变的。 在g i s 软件中可以用经纬网坐标配准或是公里网坐标( 平面坐标) 配准，最 后再进行投影的添加，并导出保存。当然，在进行配准之前，必须先对图像进行 预处理，如旋转、对比度调整等。最后可将图像进行镶嵌处理，即把相邻图像在 空间上拼在一起，以便于对研究区域的整体把握。 ( 3 ) 航道图的矢量化 矢量化过程就是对栅格图像所表达的地理信息的矢量提取，将离散表示的 点、线、面识别为连续的矢量对象，存储为一定的格式，实现栅格的数据格式向 矢量格式的转换。 栅格结构和矢量结构之间的差别较大，前者“属性明显、位置隐含”，后者 “属性隐含，位置明显”。栅格图像一个很明显的缺点就是，当进行放大缩小操 作时，会失真：而矢量图的显示与分辨率没有关系，放大到任意尺寸总是一样平 滑。栅格图像文件存储图像每一象素点对应的信息，虽说有很多编码方式可以对 此格式的文件进行压缩，但总的来说其存储开销还是特别大；矢量结构的存储方 式决定了存储相同的信息比栅格结构少得数据量。而且由于栅格图像对信息不是 以对象的格式进行存储的，所以对以对象为