CN109137815B - 一种基于主流摆动流量时序特征的河型划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水利工程技术领域，具体地指一种基于主流摆动流量时序特征的河型划分方法。将研究河段划分为上游河段和下游河段，根据Morlet小波函数分别绘制小波变换系数实部等值线图，获得不同时间尺度下河段主流摆动的特征流量在各年份的分布和相位结构，进行对比分析；若上游河段和下游河段中影响主流摆动的特征流量级一致、不同流量级下主流摆动特征流量持续天数系列的正相位能量中心的发生年份也一致，即上游河段和下游河段具有相对应的时序特征，该下游河段为非阻隔型河段，反之为阻隔型河段；本发明的河段河型划分方法简单、高效，可以针对不同河段进行快速准确的划分，便于在河段治理过程中为不同类型的河段整治方法的确定提供理论依据。

Description

一种基于主流摆动流量时序特征的河型划分方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，具体地指一种基于主流摆动流量 时序特征的河型划分方法。

背景技术

河型划分是河流地貌学科的传统问题，诸多学者曾展开多项研 究。例如，Leopold和Wolman根据比降与流量关系，将河流分为弯 曲河及辫状河；Schumm根据深泓弯曲度和河谷比降将河流划分为弯 曲河、辫状河和顺直河；Rust依据辫指数(每平均波长的辫数目)定义了网状河；Knighton和Nanson在起因、特征及分类方面丰富了网 状河学说；Brice则提出了分汊河(anabranched river)。近年来，国外 一些学者提出“河流地貌障碍”(landformimpediments)的概念，Fryirs 和Brierley提出“buffers”，“barriers”和“blankets”三种形式的地貌 障碍，他们分别切断了纵向、横向和垂向联系，从而通过输沙量衰减 来减弱河道冲淤变形。Ferguson将河流地貌景观的非连通性定义为河 道输沙不连续、不流畅，类似于“干燥的传输带”。Brierley和Fryirs 将河道划分为敏感性和恢复性河段两类，敏感性河段在应对外部干扰 时发生调整的频率较高；相反，恢复性河段则通过吸收多余能量来削弱河道调整幅度。Reid则根据河道的自由移动空间和调整能力的大小 将河道敏感程度划分为低、中、高等。可见，越来越多的国外学者将 河道类型笼统划分为“敏感型”和“复原型”两种，来反应河道对外 部干扰的敏感程度及其响应过程。考虑到长江中下游河道则以分汊、 顺直、弯曲三种河型为主，而分汊河型因具有多个河槽，主泓可能在 不同汊道之间交替易位，对外部干扰的敏感度较高；因此，恢复性河 段可能主要存在于顺直、弯曲这类具有单一河槽的河型中。

与国外学者研究的敏感、复原两种河型相近的是，长江中下游河 道也广泛存在着对上游河势调整的传递、阻隔现象。实测资料显示， 上游河势调整是影响下游河道演变的主要因素之一，而且这种作用往 往会向下游传播很长距离。例如，19世纪中下叶，武汉河段上游白 沙洲河段深泓靠右，经右岸蛇山节点挑用，深泓偏向左岸，进入下游 天兴洲左汊，天兴洲左汊发展为主汊，至20世纪中叶，白沙洲河段 深泓左移，经左岸龟山节点挑流，将深泓逼向右侧，再进入天兴洲右 汊，导致右汊发展成为主汊。类似现象在长江中下游河道屡见不鲜。 但也有资料表明，上游河势调整并不会一直向下游传播，部分河段起 到阻隔河势调整的作用。例如，陆溪口水道年际变化表现为“洲头低 滩切割、新中港产生→新中港发展下移→新、老中港合并→中港继续 弯曲下移→新中港再次产生与发展”的周期性演变规律，自20世纪 30年代以来，经历了5个演变周期；而其下游的龙口水道多年来河 势稳定，并未受到上游河势调整的影响。

流量变化及主流摆动是河势调整的重要动因，也是促使河势调整 向下游传递的关键性要素。通常而言，主流长期冲刷的河床部位发生 冲刷，主流摆离的河床部位发生淤积。由于不同流量级下主流平面位 置不同，对于不同的河床部位而言，主流摆动具有临界性，从而可根 据河床部位的不同划分出主流摆动的特征流量区间；而河床发生冲淤 变形调整是主流作用一段时间的累积效果，量变积累至一定程度才发 生的质变，体现出剧烈河势调整的发生具有突变性；也只有当作用于 某处河床部位的主流摆动特征流量的持续天数超过一定天数后，才会 引发剧烈河势调整。因此，主流摆动特征流量的持续天数系列的特征 能够直接反应主流摆动的时序特征，以及河势调整的受阻传导规律。

由此可见，主流摆动流量时序特征是河势调整中的重要考虑因 素，如何定性定量地对主流摆动流量时序特征进行分析，为河段治理 提供指导性基础，是当前研究的重点。传统的河势调控方法往往是基 于实测资料，定性分析河道演变特征及规律，基于对演变趋势的预测 提出控导方法，整个过程偏于宏观，很少学者能够抓住主流摆动流量 时序特征这一影响河势稳定的关键性要素，对不同河段的主流摆动特 征进行系统归类，提出定量化程度较高的整治措施。如果不对河段进 行划分，笼统的将所有河段按照同一种整治方法进行河段调控无疑是 不合理的，如何合理、科学的针对河段进行划分，并根据划分结果进 行河道治理是当前河段整治的研究方向。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述背景技术提到的现有技术难以精 准地对河段进行划分、导致河段整治过于笼统、影响整治效果的问题， 提供一种基于主流摆动流量时序特征的河型划分方法。

本发明的技术方案为：一种基于主流摆动流量时序特征的河型划 分方法，其特征在于：将研究河段划分为上游河段和下游河段，根据 Morlet小波函数分别绘制上游河段和下游河段的小波变换系数实部 等值线图，获得不同时间尺度下河段主流摆动的特征流量持续天数系 列的小波变换实部在各年份的分布情况，并对上、下游河段的小波变 换系数实部等值线图的相位结构及能量中心的发生年份进行对比分 析；

若上游河段和下游河段中影响主流摆动的特征流量级一致、不同 流量级下主流摆动特征流量持续天数系列的正相位能量中心发生年 份也一致，即上游河段和下游河段具有相对应的时序特征，该下游河 段为非阻隔型河段；

若上游河段和下游河段中影响主流摆动的特征流量级不一致、不 同流量级下主流摆动特征流量持续天数系列的正相位能量中心发生 年份也不一致，即上游河段和下游河段具有不相同的时序特征，该下 游河段为阻隔型河段。

进一步的分别对上游河段和下游河段的Morlet小波函数进行转 换，获得上游河段和下游河段的小波方差公式，根据小波方差公式绘 制出主流摆动特征流量区间持续天数系列的周期变化的方差图，分别 对上下游河段的方差图进行分析；

若上、下游河段的方差图中主周期一致，即上游河段和下游河段 具有相对应的时序特征，该下游河段为非阻隔型河段；

若上、下游河段的方差图中主周期完全不同，即上游河段和下游 河段具有不同的时序特征，当下游河段的主周期长于上游河段，下游 河势调整频率低于上游时，该下游河段为阻隔型河段；

所述的主周期为小波方差图中小波方差最大值对应的时间尺度。

进一步的所述的对Morlet小波函数进行转换，获得小波方差公 式的方法为：

对于小波母函数ψ(t)，时间序列f(kΔt)(k＝1,2,…,N；)，离散小波变 换定义为：

其中：a—为尺度因子，反映小波的周期长度；

b—为时间因子，反映时间上的平移；

Δt—为取样时间间隔；

—为ψ(t)的复共轭函数；

W_f(a,b)—为小波变换系数，

对时间域上关于a的所有小波系数的平方进行积分，计算小波方 差，获得小波方差的离散形式，如下：

其中：n——研究时段，年。

进一步的所述的将研究河段划分为上游河段和下游河段的方法 为：将研究河段平面上存在的突出于岸线的矶头、山岩或人工节点， 或者弯道与顺直段、汊道与弯道或顺直段的交界处作为分界点，将处 于分界点上游的河段作为上游河段，将处于分界点下游的河段作为下 游河段。

进一步的主流摆动特征流量区间的确定方法：某一流量级下，主 流所在的河床部位往往是固定的；从某一河床部位摆向另一河床部位 往往对应某一临界流量级；两个临界流量级之间的时段，主流恰好全 部作用于中间的河床部位，该时段的流量过程称为该河床部位对应的 主流摆动特征流量区间。

本发明的河段河型划分方法简单、高效，可以针对不同河段进行 快速准确的划分，便于在河段治理过程中为不同类型的河段提供理论 依据，选择合适的治理方法，提高河段治理的效果，针对于河段治理 领域具有极大的推广价值。

附图说明

图1：实施例1中流量小于15500m³/s时，监利持续天数系列小 波变换系数实部等值线图；

图2：实施例1中流量大于27000m³/s时，监利持续天数系列小 波变换系数实部等值线图；

图3：实施例1监利持续天数系列小波方差图；

图4：实施例1流量小于15500m³/s时，大马洲持续天数系列小 波变换系数实部等值线图；

图5：实施例1流量大于27000m³/s时，大马洲持续天数系列小 波变换系数实部等值线图；

图6：实施例1大马洲持续天数系列小波方差图；

图7：实施例1监利水道整治工程布置图；

图8：实施例1大马洲水道整治工程布置图；

图9：实施例2流量处于25000m³/s和40000m³/s之间时，天兴 洲持续天数系列小波变换系数实部等值线图；

图10：实施例2流量大于40000m³/s之间时，天兴洲持续天数系 列小波变换系数实部等值线图；

图11：实施例2天兴洲持续天数系列小波方差图；

图12：实施例2流量处于25000m³/s和40000m³/s之间时，阳逻 持续天数系列小波变换系数实部等值线图；

图13：实施例2流量大于40000m³/s之间时，阳逻持续天数系列 小波变换系数实部等值线图；

图14：实施例2阳逻持续天数系列小波方差图；

图15：实施例2天兴洲水道整治工程布置图；

图16：实施例2阳逻水道整治工程布置图；

图17：实施例3流量处于22500m³/s和40000m³/s之间时，嘉鱼 持续天数系列小波变换系数实部等值线图；

图18：实施例3流量大于40000m³/s之间时，嘉鱼持续天数系列 小波变换系数实部等值线图；

图19：实施例3嘉鱼持续天数系列小波方差图；

图20：实施例3流量大于35000m³/s之间时，汉金关持续天数系 列小波变换系数实部等值线图；

图21：实施例3汉金关持续天数系列小波方差图；

图22：实施例3嘉鱼燕子窝水道整治工程布置方案；

图23：实施例3嘉鱼燕子窝～汉金关水道河势控制方案；

图24：实施例4流量处于18200m³/s和35500m³/s之间时，戴家 洲持续天数系列小波变换系数实部等值线图；

图25：实施例4流量大于35000m³/s之间时，戴家洲持续天数系 列小波变换系数实部等值线图；

图26：实施例4戴家洲持续天数系列小波方差图；

图27：实施例4流量大于30000m³/s之间时，黄石持续天数系列 小波变换系数实部等值线图；

图28：实施例4黄石持续天数系列小波方差图；

图29：实施例4戴家洲水道整治工程布置方案；

图30：实施例4戴家洲～黄石水道河势控制方案。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

长江中下游河道演变具有周期性。周期性指河床交替性地发生冲 刷和淤积变化的复归性变形，如陆溪口、罗湖洲等鹅头型分汊段均具 有“洲头低滩切割→新中港生成并下移→新、老中港合并→中港继续 弯曲下移→洲头低滩再度切割”的周期性演变特征；再如周天、界牌 等长顺直水道的主流过渡段平面位置具有“上过渡→中过渡→下过渡 →上过渡”的周期性演变特征。如前分析，这种河床演变的周期性必 然与主流摆动特征流量区间持续天数系列的周期性密切相关。

小波分析方法能够同时从时域和频域角度解释多时间尺度变化 特性，将隐含在水文序列中各种随时间的周期震荡清楚显现出来，而 被广泛应用于具有非平稳特性的水文序列变化特征研究中，来反映系 列的变化趋势，并对未来演变趋势做出定性估计。因此采用小波分析 方法对特征流量区间持续天数系列的突变性及周期性进行提取及分 析，可以以此为基础对河段进行划分，根据划分好的河段类型，又能 够选用对应的河段治理方法，为河段治理提供理论依据。

本实施例采用Morlet小波函数，对于小波母函数ψ(t)，时间序列 f(kΔt)(k＝1,2,…,N；)，离散小波变换定义为：

式中，a为尺度因子，反映小波的周期长度；b为时间因子，反 映时间上的平移，Δt为取样时间间隔。

是ψ(t)的复共轭函数； W_f(a,b)称小波(变换)系数。为了更直观地将系列主周期反映出来， 对时间域上关于a的所有小波系数的平方进行积分，计算小波方差，式1为小波方差的离散形式。小波方差能够反映持续天数序列中所包 含的各种尺度的波动及其能量强弱，第一峰值的尺度下信号震荡最 强，为该持续天数系列的第一主周期。

小波变换系数实部等值线图可表示不同时间尺度下信号在各年 份的分布和相位结构，某特征流量持续天数系列的正相位的能量震荡 中心所在年份，持续天数偏长，可能超过滩槽变形临界天数而发生突 然性河势调整。小波变换的模的大小可表示不同时间尺度下信号强 弱，能量波动的极值对应的时间尺度为该特征流量持续天数系列主周 期。周期越短，主流在该部位持续天数系列超过临界值的频率越高， 河势调整越为剧烈，某种程度上，特征流量区间持续天数系列出现峰 值的频率决定了河势发生剧烈调整的频率。

如图1～2，绘制了典型河段特征流量区间持续天数标准化系列的 小波变换实部等值线图。小波系数实部为正时，表示持续天数偏多(图 中亮色区域)，为负时表示持续天数偏少(图中暗色区域)，为零时表 示正、负的突变点，能量中心集中的频域尺度内多、少交替的相位结 构变化清晰。根据上文分析，主流在特定部位持续冲刷天数过长将导 致河床变形，因此亮色区域中心对应的年份持续天数可能超过临界 值，引发河床突然性形变。同时，参照图3，为绘制的典型河段特征 流量级的持续天数系列的小波方差图，小波方差极值所在处周期性震 荡最强，相应的时间尺度为该系列的主周期。

实施例1：根据式1，选取1955-2013年监利水道流量区间为 Q<15500m³/s以及流量区间为Q>27000m³/s的持续天数系列数据，获 得监利水道的小波函数，根据该函数绘制监利水道的小波变换系数实 部等值线图，如图1～2所示。

对监利水道的小波函数按照式2进行变换，获得监利水道的小波 方差公式，绘制监利水道的特征流量持续天数系列的小波方差图，如 图3所示。

根据式1，选取1955-2013年大马洲水道流量区间为Q<15500m³/s 以及流量区间为Q>27000m³/s的持续天数系列数据，获得大马洲水道 的小波函数，根据该函数绘制大马洲水道的小波变换系数实部等值线 图，如图4～5所示。

对大马洲水道的小波函数按照式2进行变换，获得大马洲水道的 小波方差公式，绘制大马洲水道的特征流量持续天数系列的小波方差 图，如图6所示。

图1为监利水道流量区间为Q<15500m³/s的持续天数系列的小波 系数实部等值线图，正相位能量中心发生于1972-1974、1992-1995、 2008-2011年等，上述年份枯水流量区间持续天数偏多，主流长期冲 刷右汊乌龟夹。上世纪六十年代主流位于监利左汊，乌龟洲与右岸边 滩相连，1972年开始切滩，1974年乌龟夹完全冲开；随后主汊再次 易位左汊，至九十年代初期再度冲开，2008年后乌龟夹进口淤积明 显好转。

如图2所示，监利水道流量区间为Q>27000m³/s的持续天数系列 的正相位能量中心发生于1965-1968、1981-1987、1999-2003年等， 上述年份洪水流量区间持续天数偏多，主流位于监利左汊时间偏长， 导致1965-1968年监利左汊发展，随后右汊乌龟夹成为主汊，经历 1975-1980年两汊争流时期后，1981-1987年左汊巩固主汊地位。九 十年代初乌龟夹冲开，1999年后因乌龟洲头剧烈崩退，右汊口门大 幅度淤积，左汊发展而再次出现两汊争流局面。

对大马洲水道的小波变换系数实部等值线图和监利水道的小波 变换系数实部等值线图进行对比分析发现，下游大马洲水道的主流摆 动情况与上游监利水道的主流平面位置息息相关。由于影响监利水道 和大马洲水道主流摆动的特征流量级基本一致，因此两者的持续天数 系列小波变换系数实部等值线图也基本一致，不同流量级下主流摆动 特征流量持续天数系列的正相位能量中心发生年份也基本一致，即主 流摆动特征流量顶冲部位滩槽变形的突变年份也较为接近，使得大马 洲水道与上游监利水道具有相对应的时序特征。对大马洲水道的小波 方差图和监利水道的小波方差图进行对比分析，可知特征流量出现的 周期都是相同的，也进一步证明了大马洲水道与上游监利水道具有相 对应的时序特征。

如图7所示，当枯水流量级持续时间较长时，水流动力轴线弯曲 半径较小，监利水道主流贴靠乌龟夹右岸下行，太和岭挑流作用较弱， 大马洲水道主流居中或贴靠左岸；当洪水量级持续时间较长时，水流 动力轴线弯曲半径较大，监利水道主流向左紧靠乌龟夹左岸(乌龟洲 右缘)下行，太和岭挑流作用较强，大马洲水道主流贴靠右岸顶冲丙 寅洲。可见，由于大马洲水道为非阻隔性河段，上游监利水道的主流 摆动将直接引起下游大马洲水道的主流摆动，因此大马洲河道整治工 程的布置应充分考虑上游监利水道的河势情况，使其工程能够与监利 水道河势保持一致，避免监利水道的不利河势导致整治工程水毁，顺应上游河势的整治工程也有利于促使本河段河势向良性方向发展。

对于上游监利水道而言，目前乌龟夹进口段过于宽浅，槽口众多、 主流不稳定，需要采取工程措施促使乌龟洲与洲头心滩连成一体，形 成较为完整的洲滩形态，缩减乌龟夹进口段主流的摆动范围。具体整 治工程布置为：对乌龟洲洲头、右缘至洲尾进行护岸，保持乌龟洲洲 头及右缘上段的稳定；在洲头心滩上建护滩带(由1条纵向护滩带和 5条横向护滩带组成)，主要作用是稳定洲头心滩，封堵窜沟，并与 乌龟洲相接，促使洲头心滩与乌龟洲联成一体；通过洋沟子边滩护滩 工程和新河口边滩顺格坝工程等，维持洲滩的高大完整，塑造优良的 枯水河槽边界。

由于下游大马洲水道对监利水道河势变化和太和岭矶头挑流作 用的强弱变化较为敏感，随着监利水道出口处主流平面位置变化，大 马洲水道内深泓也多次在左、右岸之间往复摆动，丙寅洲、大马洲等 大型洲滩不断冲淤调整，难以有效集中主流，。如图8所示，乌龟夹 出流相对偏右，太和岭矶头挑流作用相对较弱，大马洲水道主流居中 靠左下行。根据上、下游河势调整的对应关系以及当前相对有利的河 势条件，大马洲水道整治思路主要在于，进一步削弱太和岭挑流作用， 限制不同流量级下的主流平面摆动；加强左岸大马洲及横岭一带的护 岸工程，使居中偏左的主流平面位置能够长久维持；同时加强对右岸 丙寅洲洲坎的守护，避免上游河势调整后，避免太和岭出流顶冲右岸 丙寅洲造成大幅度的冲刷甚至切滩。具体整治措施包括：适当清除乌 龟夹出口太和岭附近的江中乱石堆，改善原乱石区紊乱的流态，减小 主流摆动幅度；右岸丙寅洲护坎工程采用平顺式护岸对岸线进行守 护；大马洲护岸加固工程对大马洲水道左岸的进口段已护岸线进行加 固；左岸大马洲护岸工程对左岸沙家边至窑往段岸坡进行守护。

实施例2：根据式1，选取1955-2013年天兴洲水道流量区间为 25000m³/s<Q<40000m³/s以及流量区间为Q>40000m³/s的持续天数系 列数据，获得天兴洲水道的小波函数，根据该函数绘制天兴洲水道的 小波变换系数实部等值线图，如图9～10所示。

对天兴洲水道的小波函数按照式2进行变换，获得天兴洲水道的 小波方差公式，绘制天兴洲水道的特征流量持续天数系列的小波方差 图，如图11所示。

根据式1，选取1955-2013年阳逻水道流量区间为 25000m³/s<Q<40000m³/s以及流量区间为Q>40000m³/s的持续天数系 列数据，获得阳逻水道的小波函数，根据该函数绘制阳逻水道的小波 变换系数实部等值线图，如图12～13所示。

对阳逻水道的小波函数按照式2进行变换，获得阳逻水道的小波 方差公式，绘制阳逻水道的特征流量持续天数系列的小波方差图，如 图14所示。

如图9所示，为天兴洲水道流量区间为25000m³/s<Q<40000m³/s 的持续天数系列的小波系数实部等值线图，正相位能量中心发生于 1965-1970、1980-1985、1994-2002年等，上述年份中水流量区间持 续天数偏多，导致天兴洲洲头心滩大幅度冲刷后退。例如，20世纪 60年代中后期，洲头心滩尚未形成；80年代初期天兴洲洲头被水流 切割形成心滩，但滩体面积较小；80年代末期心滩大幅度淤高长大； 90年代初期随着天兴洲洲头崩退速度加快，心滩范围进一步扩大， 之后在天兴洲洲头与心滩之间出现串沟，2002年较1990年串沟下移 近2700m，洲头串沟的发展与中水流量长期冲刷有关。

天兴洲水道流量区间为Q>40000m³/s的持续天数系列的正相位 能量中心发生于1960-1965、1975-1980、1990-1995年、2008-2011 年等，上述年份洪水流量区间持续天数偏多，主流位于左汊时间偏长， 导致其左汊进口上游汉口边滩冲刷萎缩。例如，汉口边滩在20世纪 60年代初期，边滩规模较小、滩面低平；70年代汉口边滩仍然未显 著发展，80年代中初期连续出现大水大沙年，汉口边滩迅速淤长与 天兴洲相连；90年代初期，汉口边滩淤长幅度放缓；90年代中后期 开始大幅度淤长、滩面抬高；至2008年，汉口边滩上典型淤积体已经下移至边滩尾部的极限位置，随后大幅度上提，使得汉口边滩主体 部分再度大幅萎缩。

如图11所示，天兴洲水道25000m³/s<Q<40000m³/s、Q>40000m³/s 流量区间持续天数系列的主周期分别为16年、14年，前者与天兴洲 洲头心滩大幅度萎缩及洲头串沟的生成及发育周期有关；后者与天兴 洲左汊上游汉口边滩冲刷萎缩的周期有关。

而下游阳逻水道的主流摆动特征流量区间持续天数系列的时序 特征与上游天兴洲水道密切相关。1972、1990、2010等年份主流顶 冲天兴洲头部心滩，导致洲头心滩冲刷后退，使天兴洲出流居中或偏 右，阳逻矶挑流作用较弱，下游主流居中；1966、1976、1993、2010 等年份主流顶冲天兴洲左汊上游汉口边滩，导致汉口边滩冲刷萎缩， 左汊分流比增大，天兴洲出流贴靠左岸阳逻，导致阳逻矶挑流作用较 强，下游主流靠右。可见，由于阳逻水道为非阻隔性河段，上游天兴 洲水道的主流摆动将直接引起下游阳逻水道的主流摆动，而使两水道 主流摆动特征较为接近。

根据上文分析不难发现，下游阳逻水道的主流摆动情况与上游天 兴洲水道的主流平面位置息息相关。由于影响天兴洲水道和阳逻水道 主流摆动的特征流量区间基本一致，因此两者的持续天数系列小波变 换系数实部等值线图也基本一致，不同流量级下主流摆动特征流量持 续天数系列的正相位能量中心发生年份也基本一致，即主流摆动特征 流量长期作用部位引起滩槽变形的突变年份较为接近，使得下游阳逻 水道与上游天兴洲水道具有相对应的时序特征。对阳逻水道的小波方 差图和天兴洲水道的小波方差图进行对比分析，可知特征流量出现的 周期都是相同的，也进一步证明下游阳逻水道与上游天兴洲水道具有 相对应的时序特征。

由于上游天兴洲水道的主流摆动将直接引起下游阳逻水道的主 流摆动，因此阳逻水道整治工程的布置应充分考虑上游天兴洲水道的 河势情况，使其工程能够与天兴洲水道河势保持一致，避免天兴洲水 道的不利河势导致阳逻河势控制工程水毁。

天兴洲水道的整治思路包括：通过工程措施，稳定洲头低滩位置， 从而对右汊进口航槽也产生一定的控制作用，防止过渡段低滩下移引 起航道条件恶化。具体整治工程的布置方案为：对天兴洲头部低滩进 行守护，在天兴洲洲头前沿低滩布置鱼刺型护滩带(如图15所示)， 主要包括①Y#1(纵向)、Y#2、Y#3、Y#4和Y#5五条护滩带；②在 天兴洲洲头右缘侧低滩设置T#1、T#2两条条形护滩带。

根据天兴洲与阳逻水道河势调整的对应关系，以及两水道当前的 河势格局，阳逻水道的整治思路在于，通过工程措施，稳定目前相对 较优良的河势条件，防止牧鹅洲边滩切滩，保障河势稳定及防洪安全。 如图16所示，具体整治工程措施包括：近期对汪家铺段进行延护及 加固；远期根据需要对牧鹅洲边滩进行守护。对阳逻水道进口矶头处 采取平顺护岸措施，避免矶头挑流作用过强导致不同流量级下的主流 平面位置发散，进而引起河势不稳的现象；对阳逻水道出口猴儿矶采 取炸礁工程，消除过于突出岸线的矶头的挑流作用，防止通过猴儿矶 挑流将阳逻水道的河势变化进一步向下游湖广水道等传递。

实施例3：根据式1，选取嘉鱼水道1955-2013年流量区间为 22500m³/s<Q<40000m³/s和流量区间为Q>40000m³/s的持续天数系列 数据，获得嘉鱼水道的小波函数，根据该函数绘制嘉鱼水道的小波变 换系数实部等值线图，如图17～18所示。

对嘉鱼水道的小波函数按照式2进行变换，获得嘉鱼水道的小波 方差公式，绘制嘉鱼水道的特征流量持续天数系列的小波方差图，如 图19所示。

根据式1，选取汉金关水道1955-2013年流量区间为Q>35000m³/s 的持续天数系列数据，获得汉金关水道的小波函数，根据该函数绘制 汉金关水道的小波变换系数实部等值线图，如图20所示。

对汉金关水道的小波函数按照式2进行变换，获得汉金关水道的 小波方差公式，绘制汉金关水道的特征流量持续天数系列的小波方差 图，如图21所示。

如图17所示，为嘉鱼水道流量区间为22500m³/s<Q<40000m³/s 的持续天数系列的小波系数实部等值线图，正相位能量中心发生于 1963-1966年、1974-1977年、1987-1991年、2001-2003年等，上述 年份主流长期位于左汊进口汪家墩边滩一侧，导致汪家墩边滩冲刷萎 缩或滩尾倒套上溯，例如1965年滩尾倒套溯源发展，1975年倒套上 溯1.4km并形成尾部小心滩，1990年汪家墩边滩被切割成左汊内的 低矮心滩，1998、1999年大水过后心滩与复兴洲合并，2002年再次 出现滩尾倒套。流量区间为Q>40000m³/s的持续天数系列正相位能量 中心发生于1967-1970年、1980-1984年、1998-2002年，这与嘉鱼左 汊萎缩、中夹发展的时间基本对应，例如20世纪70-80年代，随着 汪家墩边滩大幅淤积，导致复兴洲洲头左缘持续冲刷后退，致使嘉鱼 中夹进口段有所冲刷，80年代中后期复兴洲洲头与护县洲连为一体， 嘉鱼中夹枯水期因淤积而断流，90年代中后期因复兴洲及左边滩冲 刷后退，嘉鱼中夹进口再度冲开。

如图19所示，嘉鱼水道22500m³/s<Q<40000m³/s、Q>40000m³/s 流量区间持续天数系列的主周期分别为10年、15年，前者与嘉鱼左 汊汪家墩边滩的冲退萎缩、切割为心滩或倒套上溯的周期性一致；后 者与嘉鱼左汊萎缩、嘉鱼中夹发展的周期一致。

然而，下游汉金关水道主流摆动特征流量持续天数的时序特征与 上游嘉鱼～燕子窝水道明显不同。从图20可见，Q>35000m³/s流量区 间持续天数系列的时间尺度在10年以上的正相位能量中心主要位于 1963-1967年、1999-2004年，而位于1979-1986年的正相位中心的能 量较弱。从小波方差分析图来看，与上游非阻隔性河段不同的是，作 为阻隔性河段的汉金关水道的持续天数系列不仅主周期较长，达14 年以上；同时该系列震荡能量小于主周期的次周期并不显著，虽然在 时间尺度为4、7年时小波方差存在并不显著的峰值，这些时间尺度 下的信号震荡并不强烈，可予以忽略。而上游嘉燕水道，Q>40000m³/s 持续天数系列在5年时小波方差也存在较大峰值，其信号震荡的强烈 程度仅次于主周期，说明该系列存在次周期且信号震荡较强，该次周 期也可能导致Q>40000m³/s系列发生主周期以外的主流大幅摆动及 河势突然性调整，给河道演变趋势带来很大不确定性，因此嘉燕水道河势稳定性较低而不具有阻隔性。

从嘉鱼燕子窝水道的中、洪水流量级持续天数系列的小波系数实 部等值线图可以看出，正相位能量中心出现频率较高；相应小波方差 图也显示，上述流量级的持续天数系列的主周期相对较短、信号震荡 程度较大；同时还存在峰值较大的次周期，信号震荡的强烈程度仅次 于主周期，次周期的存在给河道演变带来较大不确定性。从下游汉金 关水道的中、洪水流量级持续天数系列的小波系数实部等值线图可以 看出，时间尺度在10年以上的正相位能量中心的间隔时间较长；相 应小波方差图也显示，其持续天数系列的主周期较长、信号震荡程度 较小，且震荡能量小于主周期的次周期峰值并不显著，信号震荡并不强烈。可见，下游汉金关水道主流摆动特征流量持续天数的时序特征 与上游嘉鱼～燕子窝水道明显不同。

从上、下游河势调整的对应情况来看，当嘉鱼水道中水流量级持 续时间较长时，主流长期位于左汊进口汪家墩边滩一侧，导致汪家墩 边滩冲刷萎缩、或边滩尾部倒套上溯、或被切割为左汊内低矮心滩。 当嘉鱼水道洪水流量级持续时间较长时，主流居中导致汪家墩边滩大 幅淤积，左汊萎缩，而中部复兴洲洲头左缘冲刷后退，嘉鱼中夹冲刷 发展。然而，下游汉金关水道为阻隔性河段，始终没有受到上游嘉鱼 水道河势调整的影响。对于汉金关水道而言，影响主流摆动的特征流 量的持续作用始终没有导致相应河床部位发生明显冲淤变形，使得不 同流量级下主流摆动空间及平面位置的变化非常有限。整治工程布置 应着重对现有平顺岸线进行守护，保持河段现有的优良河势，避免河 段阻隔性遭到破坏进而向上游传递，影响上游河势调整。

综上，汉金关水道不仅主周期较长，次周期也并不显著，个别时 间尺度下信号存在不显著峰值，震荡并不强烈；嘉燕水道具有较强主 周期，信号震荡幅度大，次周期信号震荡幅度也较大，给河床演变带 来不确定性。针对嘉燕水道和汉金关水道的主流摆动特征流量的时序 特征，嘉燕水道的整治思路在于：维持现有主流走左汊的河势，远期 研究封堵复兴洲右汊，使其逐渐转化为双分汊河道。具体整治方案布 置为：如图22～23所示，在左岸汪家洲边滩的下段布置短丁坝群和护 滩带等整治建筑物，稳定边滩，以免其下段遭水流切割而形成心滩。 对复兴洲和汪家洲边滩进行守护。其中在复兴洲及边滩中下段共布置 4条护滩带，在汪家洲边滩守护包括对左岸梅家墩至蒋家墩段布置4 条护滩带。在右岸复兴洲布置导流建筑物，维持岸坡稳定并适当束窄 枯水河宽。燕子窝水道对心滩及右槽进口的守护。其中心滩守护包括 自洲头向左右两侧布置一道弧形护滩带，沿滩脊布置一道纵向护滩带，二者之间加护一道横向护滩带连结；对右槽进口浅埂自左岸到心 滩头部布置一道斜向护滩带。

汉金关水道的整治思路在于：如图22～23所示，保证在上游河势 调整的不稳定时期，汉金关水道不会因主流漫滩而导致滩体切割，不 会因凹岸顶冲点下移而导致岸线明显冲刷崩退，进而使其不会传递上 游的河势调整。具体整治工程布置为：抑制弯顶进一步弯曲，稳定现 状河势，保护堤防安全；巩固已有平顺护岸工程对河势的控制作用， 适当延长守护范围，减轻对凹岸的淘刷；对现有肖潘段护岸工程进行 加固。

实施例4：根据式1，选取戴家洲水道1955-2013年流量区间为 18200m³/s<Q<35500m³/s和流量区间为Q>35500m³/s的持续天数系列 数据，获得戴家洲水道的小波函数，根据该函数绘制戴家洲水道的小 波变换系数实部等值线图，如图24～25所示。

对戴家洲水道的小波函数按照式2进行变换，获得戴家洲水道的 小波方差公式，绘制戴家洲水道的特征流量持续天数系列的小波方差 图，如图26所示。

根据式1，选取黄石水道1955-2013年流量区间为Q>30000m³/s 的持续天数系列数据，获得黄石水道的小波函数，根据该函数绘制黄 石水道的小波变换系数实部等值线图，如图27所示。

对黄石水道的小波函数按照式2进行变换，获得黄石水道的小波 方差公式，绘制黄石水道的特征流量持续天数系列的小波方差图，如 图28所示。

如图24所示，为戴家洲水道流量区间为18200m³/s<Q<35500m³/s 的持续天数系列的小波系数实部等值线图，正相位能量中心主要发生 于1964-1967年、1981-1985年、1989-1993年、2001-2004年等，上 述年份中水流量区间持续天数偏长，使主流长期顶冲戴家洲洲头心 滩，导致洲头低滩大幅度冲刷萎缩。流量区间为Q>35500m³/s的持续 天数系列的小波系数实部等值线图，正相位能量中心发生于 1964-1970年、1982-1985年、1997-2001年等，上述年份洪水流量区 间持续天数偏长，由于中洪水期右汊直港分流比大于左汊圆港，使主流作用于直港的时间偏长，导致上述年份戴家洲直港的凹岸边界—— 戴家洲洲体左缘发生严重崩岸的现象。

如图26所示，戴家洲水道18200m³/s<Q<35500m³/s、Q>35500m³/s 流量区间持续天数系列的主周期分别为10、13年。前者与戴家洲洲 头心滩冲刷萎缩的周期基本对应，而后者主要与右汊直港凹岸——戴 家洲洲体左缘剧烈崩岸的周期基本对应。

然而，下游黄石水道主流摆动特征流量持续天数的时序特征与上 游戴家洲水道明显不同。从图27中可见，Q>30000m³/s流量区间持 续天数系列的时间尺度在10年以上的正相位能量中心主要位于 1962-1965年、1996-2003年，位于1976-1980年的正相位中心的能量 较弱。从小波方差分析图来看，不仅作为阻隔性河段的黄石水道持续 天数系列的主周期较长，达12年以上；同时该系列次周期并不显著， 虽然在时间尺度为4年时小波方差也存在峰值，但这些时间尺度下的 信号震荡并不强烈，可视为微小波动。而上游戴家洲水道，18200m³/s<Q<35500m³/s持续天数系列在2、4年时小波方差也存在较 大峰值，Q>35500m³/s持续天数系列在4年时小波方差也存在较大峰 值，这些信号震荡强烈，说明该系列的次周期较多且信号震荡程度较 强，这些次周期也可能导致主流大幅摆动及河势突然调整，给河道形 态稳定带来很大不确定性，因而不具有阻隔性。

从戴家洲水道持续天数系列的小波系数实部等值线图可以看出， 正相位能量中心出现频率较高；小波方差图也显示，小波方差曲线存 在峰值较大的摆动主周期，信号震荡较为强烈，同时次周期较多且信 号震荡程度也相对较强，进一步降低了河势稳定性。从下游黄石水道 的中、洪水流量级持续天数系列的小波系数实部等值线图可以看出， 正相位能量中心的间隔时间较长；小波方差图也显示，其持续天数系 列的主周期较长、信号震荡程度较小，基本没有峰值显著、信号震荡 强烈的次周期。可见，下游黄石水道主流摆动特征流量持续天数系列 的时序特征与上游戴家洲水道明显不同。

从上、下游河势调整的对应情况来看，戴家洲水道新洲头滩地完 整高大与右汊直港冲刷发展关系密切。当影响主流摆动的中水特征流 量持续时间较长时，主流长期顶冲戴家洲洲头心滩，将导致洲头低滩 大幅度冲刷萎缩，导致右汊直港进口淤积。反之，当洪水特征流量持 续时间较长时，水流动力轴线弯曲半径增大，主流顶冲位置靠近，滩 头上提或偏右，此时右汊直港分流比大于左汊圆港，直港冲刷发展明 显。但对于下游黄石水道而言，无论是中水期还是洪水期，深泓平面 位置始终保持稳定，并未因流量级变化而发生大幅度的往复摆动，可 见黄石水道为阻隔性河段，能够阻止上游河势调整及不同流量级下的 主流摆动现象向下游传递。

综合上述分析，戴家洲水道的整治思路在于，如图29所示，在 巩固现有洲头滩地的基础上，促使其高大完整，并适当调整其走向， 引导水流与现有岸线平顺衔接；稳定两汊的分流比；对戴家洲洲体右 缘岸线进行必要守护。具体整治方案包括：池湖港航道中部锁坝、新 洲滩头鱼骨坝、直水道内部低水丁坝以及江心洲洲头右缘与洲尾护岸 工程。在新洲头滩地上布置鱼骨坝，包括1道脊坝和8道刺坝。在新 洲头头部处布置护滩带工程，与鱼骨坝尾构成一体。

黄石水道的整治思路在于，如图30所示，守护河湾凹岸的崩岸 险工段，适当延长守护范围并加固已有护岸工程，守护凸岸边滩，塑 造窄深河槽约束主流摆动，防止不利水沙条件下，本河段出现凸岸切 滩、凹岸崩退等不利变化。具体整治措施包括，对南岸黄石大桥、黄 石水位站、石灰窑、海观山、大冶钢厂等险工段的护岸工程进行加固。

综上所述，小波变换法分析特征流量区间持续天数系列的时序特 征表明，当主流某特征流量区间持续天数超过临界值后，相应滩槽部 位发生突然性形变，突变年份与该流量区间持续天数系列小波变换系 数实部的峰值年份一致；由于特征流量区间持续天数系列具有周期 性，相应部位的滩槽变形也具有周期性，两者周期性基本吻合。小波 变换方法可用于预测特征流量区间持续天数系列的时序特征，从而可 用于分析当上游河势调整或流量变化后，两类河段在河势调整频率、 突变年份等方面的响应机制的差异。

非阻隔性河段主流摆动特征流量区间持续天数系列的周期与上 游河段周期基本一致，相应部位滩槽变形的突变年份也较为接近，主 周期较短且有信号强烈的多个次周期，河势调整频率较高；阻隔性河 段持续天数系列的周期与上游河段周期明显不同，主周期较长，次周 期个数不显著且信号震荡并不强烈，河势调整频率较低。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优 点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上 述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明 精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进 都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利 要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.一种基于主流摆动流量时序特征的河型划分方法，其特征在于：将研究河段划分为上游河段和下游河段，根据Morlet小波函数分别绘制上游河段和下游河段的小波变换系数实部等值线图，获得不同时间尺度下河段主流摆动的特征流量持续天数系列的小波变换实部在各年份的分布情况，并对上、下游河段的小波变换系数实部等值线图的相位结构及能量中心的发生年份进行对比分析；

若上游河段和下游河段中影响主流摆动的特征流量级一致、不同流量级下主流摆动特征流量持续天数系列的正相位能量中心发生年份也一致，即上游河段和下游河段具有相对应的时序特征，该下游河段为非阻隔型河段；

若上游河段和下游河段中影响主流摆动的特征流量级不一致、不同流量级下主流摆动特征流量持续天数系列的正相位能量中心发生年份也不一致，即上游河段和下游河段具有不相同的时序特征，该下游河段为阻隔型河段；

分别对上游河段和下游河段的Morlet小波函数进行转换，获得上游河段和下游河段的小波方差公式，根据小波方差公式绘制出主流摆动特征流量区间持续天数系列的周期变化的方差图，分别对上下游河段的方差图进行分析；

若上、下游河段的方差图中主周期一致，即上游河段和下游河段具有相对应的时序特征，该下游河段为非阻隔型河段；

若上、下游河段的方差图中主周期完全不同，即上游河段和下游河段具有不同的时序特征，当下游河段的主周期长于上游河段，下游河势调整频率低于上游时，该下游河段为阻隔型河段；

所述的主周期为小波方差图中小波方差最大值对应的时间尺度。

2.如权利要求1所述的一种基于主流摆动流量时序特征的河型划分方法，其特征在于：所述的对Morlet小波函数进行转换，获得小波方差公式的方法为：对于小波母函数ψ(t)，时间序列f(kΔt)(k＝1,2,…,N；)，离散小波变换定义为：

其中：a—为尺度因子，反映小波的周期长度；

b—为时间因子，反映时间上的平移；

Δt—为取样时间间隔；

—为ψ(t)的复共轭函数；

W_f(a,b)—为小波变换系数，

对时间域上关于a的所有小波系数的平方进行积分，计算小波方差，获得小波方差的离散形式，如下：

其中：n——研究时段，年。

3.如权利要求1所述的一种基于主流摆动流量时序特征的河型划分方法，其特征在于：所述的将研究河段划分为上游河段和下游河段的方法为：将研究河段平面上存在的突出于岸线的矶头、山岩或人工节点作为分界点；或者是将研究河段平面上弯道与顺直段、汊道与弯道或顺直段的交界处作为分界点；将处于分界点上游的河段作为上游河段，将处于分界点下游的河段作为下游河段。

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