基于形態指數的山丘區中小河流灘地分類方法及演變分析

伊紫函，夏繼紅?，汪穎俊，畢利東，余根聽，曹偉杰，林立懷

(1.河海大學水利水電學院，210098，南京；2.龍游縣水利局，324400，浙江龍游)

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基于形態指數的山丘區中小河流灘地分類方法及演變分析

伊紫函1，夏繼紅1?，汪穎俊2，畢利東1，余根聽1，曹偉杰1，林立懷1

(1.河海大學水利水電學院，210098，南京；2.龍游縣水利局，324400，浙江龍游)

灘地是河道生態系統的重要組成部分，具有保護生物多樣性、維持生態系統的動態平衡、提高河流的自我修復能力等作用，對河道水土保持與河流健康具有重要意義。為探究中小河流灘地的分類方法，筆者選取浙江省龍游縣靈山港灘地為研究對象，利用ImageJ獲取河道灘地幾何特征參數，在計算圓形率、緊湊度、延伸率、形狀率和平均曲率等基本形態指數的基礎上，應用主成分分析法，獲得描述灘地形態的2個主成分，以其構建平面直角坐標系，根據形態指數數對所在象限，對灘地的幾何形態進行定量分析。結果表明：山丘區中小河流灘地可劃分為短寬規則型、窄長規則型、窄長不規則型與短寬不規則型等4種類型；分別在2003、2010及2013年，對龍游靈山港各類型灘地的面積與數量進行統計，發現靈山港灘地面積減少約17.82%；其中，短寬不規則型灘地面積減少幅度最大，約達60.76%，且灘地幾何形態明顯呈窄長化與不規則化趨勢。本文提出的灘地形態分類方法，能夠反映灘地的縱橫比例和邊緣規則程度，并用于分析不同類型灘地的增長與衰退趨勢。

山丘河道； 灘地； 形態指數； 分類； 主成分分析

河道灘地是河道水域與陸域的過渡區域，具有調蓄洪水、穩固河道、凈化水質、生物棲息和資源供給等豐富功能，對河道水土保持生態建設，以及河流健康保護具有重要意義[1-3]。由于過去不合理的管理、建設、開發與利用，河道灘地資源萎縮，功能退化，這已引起人們的廣泛關注和重視，一些學者對灘地的類型、發育、治理與利用等問題開展了研究。例如：李志威等2012年通過對長江、漢江等7條大型河道的653個沙洲衛星圖片的研究，將沙洲形態概化為橢圓形、竹葉形和鐮刀形3種類型[4]；高進[5]通過對沙洲形狀的概化研究，提出了沙洲的發育長度公式；李大鵬等[6]通過對山區河流灘地的研究，提出了細平整、厚填土碾壓實等治理方案；饒良懿等[7]研究發現河岸帶種植植被，能有效移除氮、磷、鈣、鉀、硫、鎂等營養物質，以及一些污染物?，F有研究大多針對大江大河中的灘地，以定性研究為主，但對中小河流灘地的定量研究較少；而中小河流已成為我國當前河流建設和管理的重點，尤其是灘地治理和保護更是治理中小河流的難點。針對這一現狀，本文以浙江省龍游縣靈山港灘地為研究對象，討論灘地類型的定量劃分方法，通過形態指數分析灘地的變化，以期為灘地治理提供參考。

1　研究區概況

靈山港位于浙江省西部仙霞嶺山系東北緣，介于E119°07′-119°12′，N28°49′-29°03′之間，是錢塘江上游衢江右岸的一條支流，發源于遂昌縣高坪鄉和尚嶺，流域總面積726.9 km2。靈山港流域屬亞熱帶季風氣候區，雨量豐沛，四季變化明顯。靈山港在龍游縣境內的流域面積為367.6 km2，主流長43.79 km，河道比降為4.24‰。河道自南往北流經沐塵、溪口、靈山、官潭、寺后和上圩頭等地，南北貫穿龍游縣城至東北部驛前、湖底葉兩村間匯入衢江。河道上游沐塵村建有沐塵水庫，為大(二)型水庫，流域內年平均降水量為1 815 mm，年平均徑流總量為4.49億m3，年平均徑流深1 130 mm，徑流系數為0.62。流域內植被較好，森林覆蓋率較高，屬亞熱帶竹林區和常綠闊葉林區。該河道在長期的演化過程中，形成了豐富的灘地資源，對河流的健康發揮了重要作用；但近年來，由于過度的開發利用，特別是采砂量的增加，導致部分灘地面積減小，破碎化程度增高，功能退化嚴重。

2　研究方法

2.1常用平面圖形幾何形態指標

平面圖形的形態通常用圓形率、緊湊度、延伸率、形狀率和平均曲率等指標進行定量計算[8-9]。各指標計算方法如表1所示。

2.2數據獲取方法

選取2003年靈山港河道實測地形圖、2010及2013年Google Earth影像圖(比例尺為1∶1萬)為數據源，應用美國國立衛生研究院(National Institutes of Health)開發的圖像分析工具ImageJ，對相關圖形進行分析與處理[10]。筆者主要應用ImageJ軟件，讀取河道全線灘地的周長、面積、橫徑及縱徑等參數。首先將相關圖形導入ImageJ，并經校準、清噪、灰度化等處理，再利用圈取、抓讀等功能，讀取灘地幾何特征參數，最后存入相應數據文件。具體流程如圖1所示。

表1　常用平面圖形幾何形態指標的計算公式

注：A為圖形面積，m2；P為圖形周長，m；A′為該圖形最小外接圓面積，m2；L為圖形最長軸長度，m； L′為圖形最短軸長度，m。Note:A presents the area of the graph,m2; P presents the perimeter of the graph,m; A′ presents the minimum circumscribed circle of the graph,m2; L presents the major axis of the graph,m; L′ presents the minor axis of the graph,m.

圖1　灘地圖像分析流程Fig.1　Process of floodplain image analysis

2.3主成分分析法

主成分分析法是利用降維的思想，將多個指標轉化為幾個綜合指標的數理統計方法[11-12]。對于n個樣本和p個指標的數據，可將其構造為矩陣X=(xij)n×p；其中：i=1，2，…，n，j=1，2，…，p。計算X樣本的相關系數陣R=XTX/(n-1)，特征值|R-λIp|=0，可得p 個特征值λ1≥λ2≥…≥λp≥0，各特征值對應的標準化正交特征向量為γ1，γ2，…，γp，應用特征值通過貢獻率=λi/Σλi，計算各個特征值的貢獻率，選取貢獻率85%以上的成分，即為主成分，則第i個主成分為Y=γ1iX1+γ2iX2+…+γpiXp(i=1，2…，p)。本文對圓形率、緊湊度、延伸率、形狀率和平均曲率等指標進行主成分分析，依次算出協方差矩陣、協方差矩陣的特征根、特征向量、負荷量、中心化數據、各個指標的權重因子及標準化后主成分數值等，最后確定出描述灘地形態的主成分。

3　結果與分析

3.1灘地形態指數

以2003年靈山港灘地幾何參數為數據源，分別計算出河道沿線各灘地的K1、K2、K3、K4及K5的值。對2003年幾何形態指標數據進行主成分分析，計算出K1、K2、K3、K4及K5構成的協方差矩陣，由協方差矩陣計算特征值、特征向量及負荷量(表2和表3)。表2列出了5個指標的特征值、貢獻率和累積貢獻率，成分1和成分2的累積貢獻率達94.01%。其中：成分1的貢獻率為82.20%；成分2的貢獻率為11.81%。選取成分1與成分2作為灘地形態綜合判斷的2個主成分，分別記為P1和P2。

表2　協方差矩陣的特征值及其貢獻率與累積貢獻率

表3　各指標主成分的特征向量及負荷量

P1、P2的特征根對應的特征向量，以及每個指標對特征向量的負荷量見表3?？梢钥闯觯簩1貢獻最大的是K1、K2、K3和K4，負荷量分別為0.720、0.917、0.940和0.917，則P1基本代表了K1、K2、K3和K4；對P2貢獻最大的是K5，負荷量為0.943，則P2基本代表了K5。因此，P1與P2可用于描述灘地形態，將其定義為灘地形態指數向量(P1,P2)。其中：P1主要描述灘地形態的緊湊性與帶狀程度，反映灘地形態的“趨圓性”，其值越大灘地越短寬，值越小灘地越窄長；P2主要描述灘地邊界輪廓的不規則程度，其值越大灘地邊界越規則，值越小灘地邊界越不規則。P1與P2值是由K1、K2、K3、K4和K5標準化成ZK1、ZK2、ZK3、ZK4和ZK5后，將各特征向量數據中心化復合而得。計算公式如下：

P1=0.447ZK1+0.485ZK2+0.448ZK3+

0.485ZK4+0.360ZK5；

(1)

P2=0.137ZK1-0.193ZK2-0.410ZK3-

0.193ZK4+0.861ZK5。

(2)

3.2灘地的主要類型

以P1為橫軸，P2為縱軸構建二維坐標系，應用式(1)、(2)分別計算2003年靈山港沿線灘地P1、P2值，點(P1，P2)分布如圖2?？梢钥闯?，所有的(P1，P2)點分布于P1-P2坐標系的4個象限內，隨著P1值的減小，灘地的形狀變得窄長，隨著P2值的減小，灘地的邊界變得不規則。據此本文將分布于第1象限內的灘地歸為短寬規則型灘地，分布于第2象限內的灘地歸為窄長規則型灘地，分布于第3象限內的灘地歸為窄長不規則型灘地，分布于第4象限內的灘地歸為短寬不規則型灘地，各類型灘地概化圖如圖例所示。

圖2　灘地類型劃分Fig.2　Floodplain classification analysis

3.3灘地類型變化分析

應用上述分類方法，對2010和2013年灘地進行分類，各類型灘地面積和個數變化見圖3和圖4。由圖3可見，灘地總面積顯著減少，其中，2003年灘地總面積為137.8萬m2，2010年灘地總面積為123.9萬m2，2013年灘地總面積為113.2萬m2。2013與2003年比灘地總面積減少17.82%。其中：短寬不規則型灘地面積減少最多，約減少60.76%；窄長不規則型灘地面積約減少5.75%。

圖3　不同年份各類型灘地面積變化Fig.3　Interannual area proportion change of floodplain

由圖4看出：2003至2013年，短寬型灘地逐漸減少，窄長型灘地逐漸增多。至2013年時，窄長不規則型灘地在4類灘地中所占比例最大。2013與2003年相比，窄長規則型灘地與窄長不規則灘地分別增加約3.64%與4.40%，短寬規則型灘地與短寬不規則型灘地分別減少約0.60%與7.36%。表明靈山港灘地變得狹長，邊界不規則程度也增加。例如上游沐塵村灘地2003—2013年的變化如圖5所示。2003年時，沐塵村灘地為短寬規則型灘地，而到2010年、2013年時，該灘地變為短寬不規則型灘地?？梢?，2003—2013年，該灘地邊緣不規則程度顯著增加。這主要是由于該灘地位于沐塵水庫下游，且距灘地頭部500 m建有堰壩，這些建筑物使該灘地邊緣水流紊動性增強，造成灘地邊緣不規則性增強。另外，梅村灘地2003—2013年的形態變化如圖6所示，梅村灘地由2003年的整塊灘地變為2010年和2013年的相互分離的小灘地，面積減少約60%。2003年以來，梅村灘地邊界越來越不規則，2003年時梅村灘地為窄長規則型，而到2010年灘地離散成短寬不規則型(①號灘地)、窄長不規則型(②號灘地)和窄長規則型(③號灘地)，到2013年灘地演變為窄長不規則型(④號灘地)、短寬不規則型(⑤號灘地)和窄長規則型(⑥號灘地)。這主要是由于在2003—2010年間，該河段內受到采砂等人為因素的擾動，使灘地局部沖刷深度加大，甚至出現深坑，最終導致灘地支離破碎。

圖4　不同年份各類型灘地數量比例變化Fig.4　Interannual quantity proportion change of floodplain

圖5　不同年份沐塵村灘地演變Fig.5　Interannual change of floodplain in Muchen village

圖6　不同年份梅村灘地演變Fig.6　Interannual change of floodplain in Mei village

4　結論

1)以浙江省龍游縣靈山港為研究對象，應用主成分分析法，通過復合描述平面形態的指標，構建了描述灘地形態的形態指數向量，并建立了由形態指數向量為坐標軸的坐標系，根據形態指數在坐標系中的分布象限情況，將灘地分為短寬規則型、窄長規則型、窄長不規則型與短寬不規則型4種類型。與大型河道的灘地形狀概化分類方式相比，本文提出的山丘區中小河流灘地的分類方法，既能反映灘地縱橫比例，也能反映灘地邊緣規則程度，適用于形態多樣的中小河流灘地。該分類方法為山丘中小河道規劃、設計和管理提供了一定依據。

2)在灘地類型的動態變化研究中，各類型灘地的數量和面積變化，能夠準確的反映不同類型灘地的增長與衰退。分析表明：靈山港灘地總面積呈下降趨勢，尤其是短寬型灘地面積急劇下降，灘地形態總體呈現窄長化與不規則化，導致靈山港河勢不太穩定；因此，需根據河道來水來沙和人為擾動情況，采取有效生態治理措施，制定科學的水庫調度運行制度，才能有效遏制灘地破碎化和功能退化的趨勢。

[1]夏繼紅,林俊強,陳永明,等.國外河流潛流層研究的發展過程及研究方法[J].水利水電科技進展,2013,33(4):73.

Xia Jihong,Lin Junqiang,Chen Yongming,et al.Advancing processes and methods of abroad research on hyporheic zone [J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2013,33(4):73.(in Chinese)

[2]夏繼紅,林俊強,姚莉,等.河岸帶的邊緣結構特征與邊緣效應[J].河海大學學報(自然科學版),2010,38(2):215.

Xia Jihong,Lin Junqiang,Yao Li,et al.Edge structure and edge effect of riparian zones[J].Journal of Hohai University (Natural Sciences),2010,38(2):215.(in Chinese)

[3]夏繼紅,陳永明,王為木,等.河岸帶潛流層動態過程與生態修復[J].水科學進展,2013,24(4):589.

Xia Jihong,Chen Yongming,Wang Weimu,et al.Dynamic processes and ecological restoration of hyporheic layer in riparian zone [J].Advances in Water Science,2013,24(4):589.(in Chinese)

[4]李志威,王兆印,張康.典型沙洲形態與河道的關系[J].泥沙研究,2012,(1):68.

Li Zhiwei,Wang Zhaoyi,Zhang Kang.Relationship between morphology of typical sand bars and river channels [J].Journal of Sediment Research,2012,(1):68.(in Chinese)

[5]高進.河流沙洲發育的理論分析[J].水利學報,1999(6):66.

Gao Jin.On the formation of shoal in river [J].Journal of Hydraulic Engineering,1999(6):66.(in Chinese)

[6]李大鵬,王靜.淺談山區河流及灘涂綜合治理方法[J].農業與技術,2007,27(2):107.

Li Dapeng,Wang Jing.Introduction to mountain rivers and beaches comprehensive treatment method [J].Agriculture & Technology,2007,27(2):107.(in Chinese)

[7]饒良懿,崔建國.河岸植被緩沖帶生態水文功能研究進展[J].中國水土保持科學,2008,6(4):121.

Rao Liangyi,Cui Jianguo.Research advances on the eco-hydrological functions of riparian buffer [J].Science of Soil and Water Conservation,2008,6(4):121.(in Chinese)

[8]潘竟虎,韓文超.近20a中國省會及以上城市空間形態演變[J].自然資源學報,2013,28(3):470.

Pan Jinghu,Han Chaowen.Spatial-temporal changes of urban morphology of provincial capital cities or above in China [J].Journal of Natural Researches,2013,28(3):470.(in Chinese)

[9]張鳳太,王臘春,冷輝，等.典型天然與人工湖泊形態特征比較分析[J].中國農村水利水電,2012(7):38.

Zhang Fengtai,Wang Lachun,Leng Hui,et al.A comparative analysis of morphological characteristics of typical natural and artificial lakes [J].China Rural Water and Hydropower,2012(7):38.(in Chinese)

[10] 畢利東,張斌,潘繼花.運用ImageJ軟件分析土壤結構特征[J].土壤,2009,41(4):654.

Bi Lidong,Zhang Bin,Pan Jihua.Analysis of soil structural properties by using Image-J software [J].Soils,2009,41(4):654.(in Chinese)

[11] Sebok E,Duque C,Engesgaard P,et al.Spatial variability in streambed hydraulic conductivity of contrasting stream morphologies:channel bend and straight channel [J].Hydrological Processes,2015,29(3):458.

[12] 趙宏亮,陳凱,張強,等.應用主成分分析和聚類分析的水稻源庫特性研究[J].沈陽農業大學學報,2015(2):135.

Zhao Hongliang,Chen Kai,Zhang Qiang,et al.Application of principal component analysis and cluster analysis of source-sink characteristics of rice [J].Journal of Shenyang Agricultural University,2015(2):135.(in Chinese)

Morphological indexes-based quantitative classification of floodplains in hilly areas

Yi Zihan1,Xia Jihong1,Wang Yingjun2,Bi Lidong1,Yu Genting1,Cao Weijie1,Lin Lihuai1

(1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,210098,Nanjing,China;2.Longyou Water Conservancy Bureau,324400,Longyou,Zhejiang,China)

[Background] The floodplain which is an important part of the river ecosystem,can protect the biodiversity,decrease the over-exploitation of sources，keep the homeostasis of the ecological system,and improve the abilities of the self-adjustment and self-healing of the system for the improvement of the human living environment,then has an important significance for the river water and soil conservation and the river health protection.In order to prove the classification method of medium or small river floodplains in hilly areas,this paper takes the geometric feature parameters of the Lingshan River floodplains in Longyou County of Zhejiang Province as research objects.[Methods] The geometric feature parameters of the Lingshan River floodplains were obtained through ImageJ software.And based on the basic morphology indexes,including circularity ratio,compact ration,elongation,form ratio,and mean curvature,the principal component analysis was used to get two principal components,P1 and P2,the two principal components can represent the information of all the basic morphology indexes.Using the two principal components as the plane coordinate axes and according to their values,the quantitative analysis of floodplain geometrical morphology was carried out.[Results] The research result indicated that the floodplains were classified into four types:the short wide regular floodplains,the narrow long regular floodplains,the narrow long irregular floodplains,and the short wide irregular floodplains.Analyzing the area and amount of floodplains in 2003,2010 and 2013,it could be concluded that the area of floodplains decreased by about 17.82% in Lingshan River from 2003 to 2013,and the area of short wide irregular floodplains declined fastest by about 60.76%.The geometrical morphology of floodplain obviously presented the narrow long and irregular trend.Then,taking the Muchen village floodplain and Mei village floodplain as examples,the Muchen village floodplain was short wide and regular in 2003.However,in 2010 and 2013,it became a short wide irregular floodplain.This is mainly because that the Muchen village floodplain is located in the lower reaches of Muchen reservoir.The dam enhanced the turbulent fluctuation of the stream of the floodplain fringe and the irregularity of the floodplain fringe.The whole Mei village floodplain in 2003 was separated from some unrelatedly small floodplains in 2010 and 2013,and the whole area reduced by about 60%.Since 2003,due to the effects of human activities and excessive utilization,the Mei village floodplain fringe has been becoming more and more irregular.[Conclusions] Therefore,the classification method proposed in this paper can reflect the length and width rate and the degree of edge rules of the floodplains.In addition,it can be applied to analyze the morphology change tendency of floodplains in medium or small rivers.

hilly stream; floodplain; morphological index; classification; principal component analysis

2016-04-11

2016-06-27

項目名稱：國家自然科學基金“蜿蜒型河岸帶潛流層水動力學機制及溶質運移規律研究”(41471069)；浙江省水利科技項目“龍游縣中小河流灘地時空演化機理及生態修復技術研究”(RC1527)

伊紫函(1992—)，女，碩士研究生。主要研究方向：河流生態建設。E-mail:guodonghan143@sohu.com

簡介：夏繼紅(1970—)，男，博士，教授。主要研究方向：河流健康理論與生態修復。E-mail:syjhxia@hhu.edu.cn

TV147

A

1672-3007(2016)04-0128-06

10.16843/j.sswc.2016.04.016