河道形态改变度综合评估指标体系构建及定量评估研究

曹婷婷

(桓仁满族自治县水务局，辽宁 本溪 117200)

河流形态变化十分复杂，尤其是对于大型河流而言，其形态变化是河流演变重要影响因素[1]。当前对于河流形态变化研究取得一定研究成果[2- 6]，但这些研究成果大都结合河道断面面积、水位或者过水断面进行单一因子的评价，而还未进行多个因子的河道形态综合评估研究。多个研究表明[7- 15]，河道形态变化主要由河道过水断面面积、特征水位、断面过水流量等因子综合影响。为提高河流形态综合评估的客观度，本文结合特征水位下河道过水断面积、最低点水位、特征水位下过水流量作为评估指标，建立河道形态改变度综合评估指标体系，并以太子河干流为典型实例，对河道形态改变度进行综合定量评估。研究成果对于河道形态演变定量评估方法具有重要的参考意义。

1 评估指标体系构建及评估方法

1.1 评估指标体系

考虑数据获取的简易程度，从河道水平、纵向、过水能力3个层面，选取河道特征水位下的过水断面面积、最低点的断面水位、特征水位下的过水流量作为河道形态评估指标，建立河道形态改变度综合评估指标体系，见表1。

1.2 综合评估方法

以河流综合改变度xi作为统计变量，建立定量综合评估模型，通过设定河流综合改变度xi的取值范围，对其天然状态下的河道形态综合改变度

表1 河道形态改变度综合评估指标体系

进行统计，计算时段t内的河流形态综合改变度统计变量为xt，0，当河流形态综合改变度降低其计算方程为：

(1)

若河流形态综合改变度增加表示其河道形态处于发育程度，其计算方程为：

(2)

式中，Di，t—计算时段内的河道形态综合改变度；[ai，bi]—河道形态综合改变度的取值范围。

当综合改变度Di，t为负值时，表示河流形态呈现萎缩程度；当综合改变度Di，t为正值时，表示河流形态呈现发育程度。通过对不同河道形态指标进行组合后，对其评估进行计算内的组合计算：

Xt=[x1，tx2，t…xn，t]T

(3)

对不同河道形态评估按照方程(1)和(2)进行综合计算，其计算方程为：

(4)

由于河道各形态指标对综合改变度影响权重不同，本文采用二元比较法对各指标相对权重进行设置，对各指标之间进行两两比较，分析其权重值，具体见表2。

在河流形态综合改变度评估的基础上，需要对其评估等级进行划分，结合河流演变特征以及辽宁省河流的总体形态特征对其河流形态综合改变度的综合等级进行划分，具体划分等级见表3。

2 浑太河干流河流形态综合改变度

2.1 典型断面选取

选取浑太河干流典型断面进行河流形态综合改变度的分析，典型断面选取情况见表4。

2.2 评价指标及阈值分析

在典型断面选取的基础上，结合各断面代表站点1990年以来的过水断面、最低水位、过流能力作为指标统计数据，对浑太河典型断面不同年际河道形态指标进行统计，并对各指标变化上下限进行阈值设置，具体见表5。

表2 评估指标相对权重设置方法

表3 河道形态改变度评估等级划分标准

表4 浑太河干流典型断面选取情况

表5 河道形态因素指标值及阈值

通过调查，1990年以前浑太河河流形态变化相对较低，主槽过水断面面积、过水能力年变化相对较小，因此作为浑太河河流形态变化分析的基准期，从1990年以后结合各河段典型断面水文站点大断面测量以及水位数据，对各年代过水断面面积、过流能力以及最低点水位高程进行年代际统计，从浑河其各年代际形态特征评估指标总体呈现从上游到下游逐步递减的变化趋势，尤其是过水断面面积，受河道冲淤变化及人类活动影响，浑河总体呈现一定程度的萎缩形态变化。以0作为浑河上游到下游河道断面形态变化指标的下限值，上限值主要结合各年代际各指标的年统计最大特征值对其下限进行阈值的设定。从太子河各形态评估指标的年代际变化可看出，相比于基准期，其1990年以后，过水断面面积总体呈现递增变化，这主要是因为太子河干流从1990年以来通过河道综合治理，其过水断面面积呈现递增变化，而过水断面面积年代际的递增变化使得其主河槽的过水能力也得到一定程度的提升，其河道行洪能力也相应有所增加。

2.3 河流形态综合改变度评估结果

结合浑太河各典型断面不同年代际的河道形态改变度评估指标，结合评估指标体系和定量评估方法对浑太河各典型断面的河道形态综合改变度进行评估，并结合表3划分的评估等级对其1990年以来河道形态综合改变度进行评估，具体结果见6。以浑河上游北口前水文站对其断面形态综合改变度计算过程进行举例说明，北口前水文站从2010年起其形态评估指标均值为Xt=[124.7 152.56 939.6]T，采用方程(4)对其河道形态综合改变度进行计算DI，t=[-0.675 -0.875 -0.725]T，其中采用二元法对浑河上游断面河道形态指标权重进行设置，并考虑各指标量纲不同，对各指标权重进行标准化处理，处理后各形态评估指标权重值分别为ω=[0.323 0.225 0.452]T。从浑太河各断面形态综合改变度评估结果可看出，浑河上、中、下游从1990年起河道断面均呈现萎缩，且进入2010年以后其萎缩程度均达到高度萎缩的程度，这主要是因为浑太河近些年来，随着人类活动影响尤其是上游水利工程建设后，其下游河道水量减少较为明显，且水土流失量有所加剧，使得河道冲淤变化明显，尤其是淤积量有所增加。河道淤积变化也浑河上游到下游过水断面和过水能力总体较小，影响了其河道形态变化，亟需加大对浑河上、中、下游河道断面的综合整治力度，加大河道内的水量，提高区域水土保持能力，降低进入河道内的沙量。从太子河各年代际下游河道形态变化可看出，1990—2010年期间由于其河道过水断面、过水能力都相应增加，使得其河道萎缩程度总体减小，这主要是因为从1990年开始通过太子河流域综合治理措施力度的加大，其河道形态总体得到明显改善。

表6 浑太河典型断面河道形态综合改变度评估结果

3 主要结论

(1)河道形态指标阈值的设定对于综合改变度评估结果影响较为明显，对于辽宁地区大型河流而言，其过水断面面积及过流能力最小值可取为0，最大值应取基准期统计值的3倍；最低点高程最小、最大值可取观测系列中的最小和最大值。

(2)本文提出的河道形态综合改变度定量评估方法可一定程度解决传统河道形态变化定性描述为主的局限，并可结合该方法对河道形态演变趋势进行预测和分析。

(3)河道形态变化较为复杂，本文从指标获取的难易程度、时间序列的长短选取3个指标进行评估，在后续的研究中还应结合地理信息提取技术对河道更多地形信息进行提取,从而建立更为丰富的河道形态改变评估指标体系。