基于Surfer的芦潮港水闸附近河床变形分析

刘 权

(上海浦海测绘有限公司,上海 201399)

0 引 言

传统的河床水下地形观测主要是测量各观测点的相对位置和相应的水深,并通过水位等数据来推算各测点相应的高程,从而绘制出河床断面图或水下地形图,为进行河床冲淤变化分析提供依据[1]。通过对不同时期的数据进行叠加分析,采用一定的算法模型均能得出不同时期同一区域的高程变化值,乃至对河床淤积量的宏观变化趋势进行分析[2]。本文基于Surfer软件,不同于传统方式,以等值线渲染图、典型剖面图、冲淤分析图三种分析手段相结合,详细介绍了其在河床变形监测中的应用,并做出最后总结。

1 Surfer概述

Surfer软件是美国Golden Software 公司编制的一款绘制三维地形图的软件。该软件具有的强大插值功能和绘制图件能力[3]。因为其强大的插值功能,能迅速地将离散点的测量数据通过插值转换为连续的数据曲面,已经使它成为用来处理(x,y,z)数据的首选软件[4]。基于Surfer软件可以轻松制作基底图、数据点位图、分类数据图、等值线图、线框图、地形地貌图、趋势图、矢量图以及三维表面图等不同分析图,同时提供了数据格式转换、平滑、体积计算、数学运算、滤波等数据分析功能,因此Surfer广泛应用在如气象、地质、测绘、水文等领域。

Surfer绘制等值线的基本原理:利用空间上若干离散点的属性数据,通过内插法生成一系列光滑曲线即等值线,同一等值线上所代表的属性值是处处相等的。[5]绘制等值线,需要对原始数据进行网格化,即采用一定的网格化方法对不规则分布的原始离散点数据点进行插值,生成指定规则间距的数据点。通过不同期的数据,亦可对两期格网数据进行数学运算,如相减即为两期数据高程点之差,可以以此制作冲淤分析图、沉降曲线图等,因此,利用Surfer软件提供的强大功能,可应用在工程测绘中的不同领域。本文以芦潮港附近河床变形分析为例,介绍其应用。

2 应用实例

芦潮港水闸位于上海市浦东新区南汇新城镇,该水闸2016年全面建成后,成为该地区重要的直排河道之一,主要承担着浦东新区南片的防洪、排涝功能。水闸附近河床由于人工开启闭闸门,相比自然冲刷更易受到形变影响,为水闸整体运行安全考虑,往往需对水闸附近的河床长期进行变形监测,并根据观测的数据,分析河床的演变及形变趋势。

2.1 数据准备

使用Surfer进行河床变形观测分析,需准备外业观测的测量成果数据,Surfer可识别多种数据格式的离散点数据,测量工程中以.dat及.xyz离散点格式较为常见,这里以.xyz格式为例,水深数据以单波束方式采集,测线间距5 m,外业采集数据间隔为1 m,经内业处理,可输出为.xyz格式的原始成果数据,通过该数据建立格网,关键步骤为:主页-网格数据-选取数据-确定网格化算法-网格间距-输出格网,如图1所示。

图1 建立网格数据

数据列xyz分别对应数据的东坐标、北坐标、高程,可以根据数据格式的不同进行选择,网格化算法即内插算法,Surfer中提供了多种不同的算法,一般常用的有克里金值内插法、反距离插值法、最小曲率法等,不同算法对应数据的来源、用途不同,线性插值三角网法是使用最佳的Delaunay三角形,将连接数据点间的连线形成三角形[6],是测量工程中常用的内插方法;网格线几何特征类似南方cass中的方格网算法,即将外业采集的离散点数据按设定的方格大小进行数据插值,这里选择2 m×2 m间距进行格网化;数据包外网格自动白化,即只对测量数据范围内进行格网化,点击确定,即可保存.grd格式的格网数据,通过该格网文件进行后续的河床变形分析。

2.2 河床变形分析

常规的河床变形分析,以提供河床水下地形图及固定断面图为分析依据,这样的分析手段单一、缺乏直观性,使用Surfer可以实现以下3种方式的河床变形分析:

(1)对河床水下地形自动生成等值线,并进行等值线渲染,以不同的颜色分层展示河床的高程分布,可以定性解河床的地形状况。

(2)建立剖面线即断面线,自动绘制河床断面图,分析比较多期的观测数据,可以定量了解固定断面的地形变化。

(3)通过两期格网数据做差,获得河床冲淤分析图,可以全面、定量地了解河床的地形变化,对河床的变化趋势进行预测分析。

2.2.1 等值线渲染图对比分析

本次观测范围位于水闸南侧,东西宽约60 m,南北长约300 m,使用Surfer将格网文件生成等值线图,步骤为主页-等值线-选择格网文件。对等值线图进行渲染、设置颜色分层、添加基底文件等操作后,分别得到2020年11月及12月的河床等值线渲染图(图2-图3)。从2020年11月等值线渲染图中,可清楚直观地看到水闸南侧河床的地形特征。消力池高程-3 m ～-4 m之间,消力池南北两侧为护坦,高程-2 m ～-3 m,往南约90 m地形较平缓,高程范围-1 m～-2 m,之后地形出现较明显变化,由-2 m高程逐渐减小至-3 m以下,延续至闸室以南280 m处,并且出现3处高程低于-4 m的区域,由北至南,区域一,东西长约15 m,南北长约30 m,面积约280 m2,区域二呈南北狭长形,南北长约65 m,东西较宽处约13 m,面积约380 m2,区域三呈锥型,北侧窄,南侧宽,南北长约32 m,东西较宽处约16 m,面积约260 m2。河床两侧的滩地亦清晰可辨。

图2 2020年11月河床等值线渲染图

对比2020年11月河床等值线渲染图(图2),2020年12月图中明显的变化为3处高程低于-4 m的区域消失,河床其他区域变化并不明显(图3)。

2.2.2 典型剖面分析

通过等值线渲染图,可以定性地了解河床的地形变化,却无法做到定量分析,这是由于1 m的等值线间隔设置,对于河床的细微变化之处难以精确体现。Surfer中同样提供了剖面图的绘制,以反映河床中所需了解的重要剖面细微变化,绘制典型剖面图的步骤为图形工具-剖面图,分别在3处明显变化区域建立剖面线,截取两期的观测数据并对比,剖面线位置如图2、图3所示。

剖面一(图4)两侧斜坡呈西侧陡,东侧缓的形态,西侧斜率约1∶1.25,东侧斜率约1∶5,对比两期数据,西侧斜坡冲刷,冲刷幅度不等,最大刷深约1.2 m,冲刷范围宽约5 m,东侧无明显冲淤变化;剖面中部13 m～35 m,出现较明显的淤积迹象,尤其在13 m～30 m范围,高程由-4.1 m淤积至-3.6 m附近,淤积约0.5 m。

图4 剖面图一

剖面二(图5)与剖面一(图4)形态大致相同,西侧陡,东侧缓,东西两侧斜率与剖面一(图4)近似,剖面中部17.5 m～40 m范围淤积较为明显,高程由-4.1 m淤积至-3.6 m附近,淤积约0.5 m。

剖面三(图6)与剖面一(图4)、剖面二(图5)相比,中部22 m～35 m区域淤积更为明显,高程由-4.7 m淤积至-3.6 m附近,最大淤积约1.1 m,东西两侧斜坡变化不明显。

图6 剖面图三

2.2.3 冲淤分析

通过等值线渲染图及典型剖面分析,可以定性判断河床区域内的深浅变化以及定量分析特定剖面的高程变化,要全面、定量了解河床内区域整体变化,需制作冲淤分析图。冲淤变化图就是任意两次测量的地形变化量图。使用冲淤变化图可以总体直观地描述出两次水下地形测量间地形冲淤变化的位置、范围和冲淤变化量。[7]使用Surfer制作冲淤变化图的关键步骤为:网格-数学-选择两期格网(A与B),以本期数据与上期做差即(A-B),获得冲淤变化格网图,经过等值线渲染,即可得到两期观测的冲淤变化图(图7)。

通过冲淤变化图,可以清楚明显地看到两期河床的冲淤变化,其中正值为淤积,负值为冲刷。河床北侧(闸室以南)120 m基本无变化;河床中部至南侧有明显的淤积迹象,淤积范围呈北侧窄、中南侧宽的尖头形态,南北长约180 m,东西较宽处约30 m,面积近4 000 m2,范围内大部淤积0.2 m～0.5 m之间,部分零散区域超过0.5 m,分布较分散,其中河床南端淤积范围及幅度较大,面积达到350 m2,淤积0.5 m至1.2 m,最大淤积超过1 m;河床东西两侧滩地有小幅度的冲刷现象,冲刷0.2 m～0.5 m之间,由于河床西侧的边坡较陡,受潮流(涨跌)影响,在中南侧出现一南北狭长分布的冲刷带,南北长约130 m,东西宽5 m～10 m,冲刷带部分区域刷深超过0.5 m,分布在南北两侧,其中南侧面积较大,约130 m2,最大刷深1.2 m,出现在北侧(剖面一穿过区域),范围较小。

基于此可判断,本期水闸南侧河床相比上期有较明显的冲淤现象,表现为东西两侧滩地冲刷,冲刷幅度0.2 m～1 m之间,冲刷的泥沙向河床内流动,同时由于地处出海口附近,受潮流影响,造成中南部不同程度淤积,淤积幅度0.2 m～1.2 m之间,河床南端淤积相对较大,在0.5 m～1.2 m范围,河床北侧相比上期无明显变化,后期应当继续关注中南部河床及两侧滩地的冲淤变化。

2.3 经验总结

基于Surfer,通过实例以等值线渲染对比分析、剖面分析、冲淤分析3种分析手段相结合,可以直观、定量、全面地了解河床的地形状况及冲淤变化情况,3种手段各有优劣(表1),在实际工作中可根据不同需要进行选择。

表1 3种分析手段对比

使用Surfer进行河床变形分析,应注意以下4个方面:

(1)格网数据制作是后续河床变形分析的关键步骤,格网内插是对外业采集离散数据的重排序生成,不同的插值方法对数据的算法不同,应根据需要使用合理的插值方法,格网大小的选择,则直接反映地形的不同表现程度,格网越小,地形表现越细致,但同时生成的等值线也越弯曲,在作者多次尝试的经验中,河床变形建议使用克里金值内插法或者线性插值三角网内插法,格网大小的选择以不大于2倍外业采集的数据间隔为宜。

(2)使用Surfer进行冲淤分析的两期格网大小(网格线几何特征)应相同,否则无法进行做差处理(冲淤分析),考虑到两期采集的数据范围有所不同,相比前期应适当对本期数据进行多删少补,并进行范围白化处理。

(3)在边坡较陡或深坑等地形突变较大的区域,外业数据采集时应适当进行加密测量,补测数据,这样在内业处理(格网内插)时能更好地反映真实的地形状况。

(4)使用Surfer制作横断面图,其优势为根据剖面的预设参数(如图幅横纵宽度、线型、颜色等)自动生成,然而其对横纵比例的设置并不友好,无法自由设置,对于需要固定比例的出图,目前则无法胜任。

3 结 语

基于Surfer通过等值线渲染图、典型剖面图、冲淤分析图3种分析方式相结合,直观、准确、全面地展示了芦潮港水闸南侧两期的河床变形情况,以此为基础,通过进行长期的监测,绘制河床动态变化图,对分析预测河床的形变及演变规律,提供一定的参考价值,方便相关部门分析决策,同时对其他的类似水下地形监测具有很好的借鉴意义。