本發(fā)明涉及水利工程領(lǐng)域，具體是一種河道岸坡形變的量化方法。

背景技術(shù)：

1、河道岸坡是河床在水沙運動作用下形成的一種特殊的土體形態(tài)，不同于巖質(zhì)高邊坡的相對靜止?fàn)顟B(tài)，河道岸坡在水流作用下處于時時刻刻的動態(tài)變化過程中，其穩(wěn)定狀態(tài)也隨之不停的變化。當(dāng)岸坡沖淤變化發(fā)展到一定程度，同時遭遇特殊的來水情況，就容易發(fā)生崩岸，形成災(zāi)害，影響人民生命財產(chǎn)安全和沿江產(chǎn)業(yè)布局，不利于經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。崩岸是多學(xué)科交叉問題，涉及流體力學(xué)、泥沙動力學(xué)、河床演變學(xué)、土力學(xué)等，崩岸形式本身多種多樣，影響因素也復(fù)雜多變，而且崩岸發(fā)生具有較大的隱蔽性和隨機性，因而導(dǎo)致崩岸機理十分復(fù)雜。目前公認的影響崩岸發(fā)生的因素包括三個大類，分別為水沙運動、岸坡地質(zhì)組成和人類活動，自然崩岸的影響因素則主要是前兩者，岸坡地質(zhì)組成是不隨時間變化的。水沙運動是時間的連續(xù)函數(shù)，岸坡變形是水沙運動的直接結(jié)果，而崩岸是岸坡變形發(fā)展到一定程度的產(chǎn)物，因此研究岸坡形態(tài)變化就顯得尤為關(guān)鍵。

2、目前，岸坡形態(tài)量化研究以靜態(tài)參數(shù)為主，包括坡比和坡高等，靜態(tài)參數(shù)僅能反映某一時刻岸坡的穩(wěn)定狀態(tài)，不能反映一段時間內(nèi)岸坡穩(wěn)定狀態(tài)的變化情況，具有明顯的片面性和局限性，需要進一步研究提出反映岸坡變化的動態(tài)參數(shù)。此外，以往的岸坡形態(tài)量化參數(shù)以手動、人工提取為主，該方法適用于僅有個別和少數(shù)幾個斷面的情況，即岸線上某個或幾個點的研究。對于天然河道一段連續(xù)的岸線而言，要準(zhǔn)確反映岸線的穩(wěn)定狀態(tài)，往往需要數(shù)百個斷面，在該種情況下，手動、人工提取方法耗時長、工作量巨大，亟需提出自動化的岸坡形態(tài)量化參數(shù)提取方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明提供一種河道岸坡形變的量化方法，可以全面準(zhǔn)確的反映岸坡形態(tài)變化。

2、一種河道岸坡形變的量化方法，包括如下步驟：

3、步驟一、提取河道實測地形圖的近岸斷面數(shù)據(jù)；

4、步驟二、對提取的近岸斷面數(shù)據(jù)進行光滑處理，基于光滑處理后的近岸斷面數(shù)據(jù)確定岸坡段與非岸坡段銜接處的突變點，基于岸坡段與非岸坡段銜接處的突變點提取岸坡段數(shù)據(jù)；

5、步驟三、基于步驟二提取的岸坡段數(shù)據(jù)計算岸坡靜態(tài)參數(shù)，所述岸坡靜態(tài)參數(shù)包括坡比k和坡高△h；

6、步驟四、基于步驟二提取的岸坡段數(shù)據(jù)計算岸坡動態(tài)參數(shù)，所述岸坡動態(tài)參數(shù)包括后退速率ex和下切速率ez，其中后退速率ex定義為岸坡在水平方向的侵蝕速率，負值表示岸坡沖刷后退，正值表示岸坡淤積前進，下切速率ez定義為岸坡在垂直方向的侵蝕速率，負值表示岸坡沖刷下切，正值表示岸坡淤積抬高。

7、進一步的，步驟二中對提取的近岸斷面數(shù)據(jù)進行光滑處理，具體包括：采用五點線性平滑法對斷面數(shù)據(jù)進行光滑處理，設(shè)定某個年份斷面離散數(shù)據(jù)序列的坐標(biāo)為（xi，zi），i=1……n，其中xi為起點距，單位為m；zi為高程，單位為m；n為離散數(shù)據(jù)的總數(shù)，采用如下公式對離散數(shù)據(jù)進行光滑處理：

8、

9、式中zi為原高程值，單位為m；z1i為光滑后的高程值，單位為m，光滑計算后，離散數(shù)據(jù)序列轉(zhuǎn)換為（xi，z1i）。

10、進一步的，步驟二中基于光滑處理后的近岸斷面數(shù)據(jù)確定岸坡段與非岸坡段銜接處的突變點，具體包括：

11、從光滑后離散數(shù)據(jù)的第二個點開始分別計算每個點的前導(dǎo)數(shù)值和后導(dǎo)數(shù)值，其公式為：

12、

13、上突變點p存在三種情況，三種情況對應(yīng)的導(dǎo)函數(shù)判別條件分別為：

14、

15、下突變點q也存在三種情況，三種情況對應(yīng)的導(dǎo)函數(shù)判別條件分別為：

16、。

17、進一步的，步驟二中基于岸坡段與非岸坡段銜接處的突變點提取岸坡段數(shù)據(jù)，具體包括：確定上下突變點p、q后，記錄p、q對應(yīng)的標(biāo)號分別為l、k，岸坡段數(shù)據(jù)即為p、q之間的散點數(shù)據(jù)，假設(shè)p、q之間總共有m個散點，進行循環(huán)判斷：

18、如果,則,j=1……m

19、如此得到岸坡段的數(shù)據(jù)散點序列（x1j，z2j），其中j=1……m，岸坡段分離提取完成。

20、進一步的，步驟三基于步驟二提取的岸坡段數(shù)據(jù)計算坡比k和坡高△h，具體包括：

21、坡比k通過對某個年份岸坡段的散點序列（x1j，z2j）進行線型回歸分析得到，回歸直線的斜率通過如下公式計算：

22、

23、式中b為回歸直線的斜率；為起點距的平均值，單位為m；為高程的平均值，單位為m，坡比k是直線斜率b的導(dǎo)數(shù)：

24、

25、坡高△h為岸坡段起點與終點的高程差：

26、。

27、進一步的，步驟四基于步驟二提取的岸坡段數(shù)據(jù)計算后退速率ex和下切速率ez，具體包括：基于提取的岸坡段數(shù)據(jù)計算出每個年份的岸坡相對于某個起點基點的平均起點距和相對于某個高程基準(zhǔn)的平均高程，然后對多個年份的平均起點距和高程進行線性擬合，得到后退速率ex和下切速率ez。

28、本發(fā)明在岸坡靜態(tài)參數(shù)（坡高、坡比）外，提出了岸坡動態(tài)參數(shù)，包括后退率、下切率，并給出了具體的計算方法，能全面、準(zhǔn)確的反映岸坡的形態(tài)變化；本發(fā)明提出的岸坡形態(tài)量化分析方法，可以實現(xiàn)岸坡形態(tài)量化參數(shù)的自動化提取，極大的提高了效率，同時實現(xiàn)了岸坡穩(wěn)定分析由點到線的突破。

技術(shù)特征：

1.一種河道岸坡形變的量化方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的河道岸坡形變的量化方法，其特征在于：步驟二中對提取的近岸斷面數(shù)據(jù)進行光滑處理，具體包括：采用五點線性平滑法對斷面數(shù)據(jù)進行光滑處理，設(shè)定某個年份斷面離散數(shù)據(jù)序列的坐標(biāo)為（xi，zi），i=1……n，其中xi為起點距，單位為m；zi為高程，單位為m；n為離散數(shù)據(jù)的總數(shù)，采用如下公式對離散數(shù)據(jù)進行光滑處理：

3.如權(quán)利要求2所述的河道岸坡形變的量化方法，其特征在于：步驟二中基于光滑處理后的近岸斷面數(shù)據(jù)確定岸坡段與非岸坡段銜接處的突變點，具體包括：

4.如權(quán)利要求3所述的河道岸坡形變的量化方法，其特征在于：步驟二中基于岸坡段與非岸坡段銜接處的突變點提取岸坡段數(shù)據(jù)，具體包括：確定上下突變點p、q后，記錄p、q對應(yīng)的標(biāo)號分別為l、k，岸坡段數(shù)據(jù)即為p、q之間的散點數(shù)據(jù)，假設(shè)p、q之間總共有m個散點，進行循環(huán)判斷：

5.如權(quán)利要求4所述的河道岸坡形變的量化方法，其特征在于：步驟三基于步驟二提取的岸坡段數(shù)據(jù)計算坡比k和坡高△h，具體包括：

6.如權(quán)利要求1所述的河道岸坡形變的量化方法，其特征在于：步驟四基于步驟二提取的岸坡段數(shù)據(jù)計算后退速率ex和下切速率ez，具體包括：基于提取的岸坡段數(shù)據(jù)計算出每個年份的岸坡相對于某個起點基點的平均起點距和相對于某個高程基準(zhǔn)的平均高程，然后對多個年份的平均起點距和高程進行線性擬合，得到后退速率ex和下切速率ez。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種河道岸坡形變的量化方法，包括：步驟一、提取河道實測地形圖的近岸斷面數(shù)據(jù)；步驟二、對提取的近岸斷面數(shù)據(jù)進行光滑處理，基于光滑處理后的近岸斷面數(shù)據(jù)確定岸坡段與非岸坡段銜接處的突變點，基于岸坡段與非岸坡段銜接處的突變點提取岸坡段數(shù)據(jù)；步驟三、基于步驟二提取的岸坡段數(shù)據(jù)計算岸坡靜態(tài)參數(shù)，所述岸坡靜態(tài)參數(shù)包括坡比K和坡高△H；步驟四、基于步驟二提取的岸坡段數(shù)據(jù)計算岸坡動態(tài)參數(shù)，所述岸坡動態(tài)參數(shù)包括后退速率E<subgt;x</subgt;和下切速率E<subgt;z</subgt;。本發(fā)明提出的岸坡形態(tài)量化分析方法，可以實現(xiàn)岸坡形態(tài)量化參數(shù)的自動化提取，極大的提高了效率，同時實現(xiàn)了岸坡穩(wěn)定分析由點到線的突破。

技術(shù)研發(fā)人員：江磊,曾子悅,許繼軍,鄭華康,王永強
受保護的技術(shù)使用者：長江水利委員會長江科學(xué)院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/29