一种河道岸坡形变的量化方法

本发明涉及水利工程领域，具体是一种河道岸坡形变的量化方法。

背景技术：

1、河道岸坡是河床在水沙运动作用下形成的一种特殊的土体形态，不同于岩质高边坡的相对静止状态，河道岸坡在水流作用下处于时时刻刻的动态变化过程中，其稳定状态也随之不停的变化。当岸坡冲淤变化发展到一定程度，同时遭遇特殊的来水情况，就容易发生崩岸，形成灾害，影响人民生命财产安全和沿江产业布局，不利于经济社会可持续发展。崩岸是多学科交叉问题，涉及流体力学、泥沙动力学、河床演变学、土力学等，崩岸形式本身多种多样，影响因素也复杂多变，而且崩岸发生具有较大的隐蔽性和随机性，因而导致崩岸机理十分复杂。目前公认的影响崩岸发生的因素包括三个大类，分别为水沙运动、岸坡地质组成和人类活动，自然崩岸的影响因素则主要是前两者，岸坡地质组成是不随时间变化的。水沙运动是时间的连续函数，岸坡变形是水沙运动的直接结果，而崩岸是岸坡变形发展到一定程度的产物，因此研究岸坡形态变化就显得尤为关键。

2、目前，岸坡形态量化研究以静态参数为主，包括坡比和坡高等，静态参数仅能反映某一时刻岸坡的稳定状态，不能反映一段时间内岸坡稳定状态的变化情况，具有明显的片面性和局限性，需要进一步研究提出反映岸坡变化的动态参数。此外，以往的岸坡形态量化参数以手动、人工提取为主，该方法适用于仅有个别和少数几个断面的情况，即岸线上某个或几个点的研究。对于天然河道一段连续的岸线而言，要准确反映岸线的稳定状态，往往需要数百个断面，在该种情况下，手动、人工提取方法耗时长、工作量巨大，亟需提出自动化的岸坡形态量化参数提取方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供一种河道岸坡形变的量化方法，可以全面准确的反映岸坡形态变化。

2、一种河道岸坡形变的量化方法，包括如下步骤：

3、步骤一、提取河道实测地形图的近岸断面数据；

4、步骤二、对提取的近岸断面数据进行光滑处理，基于光滑处理后的近岸断面数据确定岸坡段与非岸坡段衔接处的突变点，基于岸坡段与非岸坡段衔接处的突变点提取岸坡段数据；

5、步骤三、基于步骤二提取的岸坡段数据计算岸坡静态参数，所述岸坡静态参数包括坡比k和坡高△h；

6、步骤四、基于步骤二提取的岸坡段数据计算岸坡动态参数，所述岸坡动态参数包括后退速率ex和下切速率ez，其中后退速率ex定义为岸坡在水平方向的侵蚀速率，负值表示岸坡冲刷后退，正值表示岸坡淤积前进，下切速率ez定义为岸坡在垂直方向的侵蚀速率，负值表示岸坡冲刷下切，正值表示岸坡淤积抬高。

7、进一步的，步骤二中对提取的近岸断面数据进行光滑处理，具体包括：采用五点线性平滑法对断面数据进行光滑处理，设定某个年份断面离散数据序列的坐标为（xi，zi），i=1……n，其中xi为起点距，单位为m；zi为高程，单位为m；n为离散数据的总数，采用如下公式对离散数据进行光滑处理：

8、

9、式中zi为原高程值，单位为m；z1i为光滑后的高程值，单位为m，光滑计算后，离散数据序列转换为（xi，z1i）。

10、进一步的，步骤二中基于光滑处理后的近岸断面数据确定岸坡段与非岸坡段衔接处的突变点，具体包括：

11、从光滑后离散数据的第二个点开始分别计算每个点的前导数值和后导数值，其公式为：

12、

13、上突变点p存在三种情况，三种情况对应的导函数判别条件分别为：

14、

15、下突变点q也存在三种情况，三种情况对应的导函数判别条件分别为：

16、。

17、进一步的，步骤二中基于岸坡段与非岸坡段衔接处的突变点提取岸坡段数据，具体包括：确定上下突变点p、q后，记录p、q对应的标号分别为l、k，岸坡段数据即为p、q之间的散点数据，假设p、q之间总共有m个散点，进行循环判断：

18、如果,则,j=1……m

19、如此得到岸坡段的数据散点序列（x1j，z2j），其中j=1……m，岸坡段分离提取完成。

20、进一步的，步骤三基于步骤二提取的岸坡段数据计算坡比k和坡高△h，具体包括：

21、坡比k通过对某个年份岸坡段的散点序列（x1j，z2j）进行线型回归分析得到，回归直线的斜率通过如下公式计算：

22、

23、式中b为回归直线的斜率；为起点距的平均值，单位为m；为高程的平均值，单位为m，坡比k是直线斜率b的导数：

24、

25、坡高△h为岸坡段起点与终点的高程差：

26、。

27、进一步的，步骤四基于步骤二提取的岸坡段数据计算后退速率ex和下切速率ez，具体包括：基于提取的岸坡段数据计算出每个年份的岸坡相对于某个起点基点的平均起点距和相对于某个高程基准的平均高程，然后对多个年份的平均起点距和高程进行线性拟合，得到后退速率ex和下切速率ez。

28、本发明在岸坡静态参数（坡高、坡比）外，提出了岸坡动态参数，包括后退率、下切率，并给出了具体的计算方法，能全面、准确的反映岸坡的形态变化；本发明提出的岸坡形态量化分析方法，可以实现岸坡形态量化参数的自动化提取，极大的提高了效率，同时实现了岸坡稳定分析由点到线的突破。

技术特征：

1.一种河道岸坡形变的量化方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的河道岸坡形变的量化方法，其特征在于：步骤二中对提取的近岸断面数据进行光滑处理，具体包括：采用五点线性平滑法对断面数据进行光滑处理，设定某个年份断面离散数据序列的坐标为（xi，zi），i=1……n，其中xi为起点距，单位为m；zi为高程，单位为m；n为离散数据的总数，采用如下公式对离散数据进行光滑处理：

3.如权利要求2所述的河道岸坡形变的量化方法，其特征在于：步骤二中基于光滑处理后的近岸断面数据确定岸坡段与非岸坡段衔接处的突变点，具体包括：

4.如权利要求3所述的河道岸坡形变的量化方法，其特征在于：步骤二中基于岸坡段与非岸坡段衔接处的突变点提取岸坡段数据，具体包括：确定上下突变点p、q后，记录p、q对应的标号分别为l、k，岸坡段数据即为p、q之间的散点数据，假设p、q之间总共有m个散点，进行循环判断：

5.如权利要求4所述的河道岸坡形变的量化方法，其特征在于：步骤三基于步骤二提取的岸坡段数据计算坡比k和坡高△h，具体包括：

6.如权利要求1所述的河道岸坡形变的量化方法，其特征在于：步骤四基于步骤二提取的岸坡段数据计算后退速率ex和下切速率ez，具体包括：基于提取的岸坡段数据计算出每个年份的岸坡相对于某个起点基点的平均起点距和相对于某个高程基准的平均高程，然后对多个年份的平均起点距和高程进行线性拟合，得到后退速率ex和下切速率ez。

技术总结本发明提供一种河道岸坡形变的量化方法，包括：步骤一、提取河道实测地形图的近岸断面数据；步骤二、对提取的近岸断面数据进行光滑处理，基于光滑处理后的近岸断面数据确定岸坡段与非岸坡段衔接处的突变点，基于岸坡段与非岸坡段衔接处的突变点提取岸坡段数据；步骤三、基于步骤二提取的岸坡段数据计算岸坡静态参数，所述岸坡静态参数包括坡比K和坡高△H；步骤四、基于步骤二提取的岸坡段数据计算岸坡动态参数，所述岸坡动态参数包括后退速率E<subgt;x</subgt;和下切速率E<subgt;z</subgt;。本发明提出的岸坡形态量化分析方法，可以实现岸坡形态量化参数的自动化提取，极大的提高了效率，同时实现了岸坡稳定分析由点到线的突破。技术研发人员：江磊,曾子悦,许继军,郑华康,王永强受保护的技术使用者：长江水利委员会长江科学院技术研发日：技术公布日：2024/9/29