伊紫函，夏继红†，汪颖俊，毕利东，余根听，曹伟杰，林立怀

(1.河海大学水利水电学院，210098，南京；2.龙游县水利局，324400，浙江龙游)



基于形态指数的山丘区中小河流滩地分类方法及演变分析

伊紫函1，夏继红1†，汪颖俊2，毕利东1，余根听1，曹伟杰1，林立怀1

(1.河海大学水利水电学院，210098，南京；2.龙游县水利局，324400，浙江龙游)

滩地是河道生态系统的重要组成部分，具有保护生物多样性、维持生态系统的动态平衡、提高河流的自我修复能力等作用，对河道水土保持与河流健康具有重要意义。为探究中小河流滩地的分类方法，笔者选取浙江省龙游县灵山港滩地为研究对象，利用ImageJ获取河道滩地几何特征参数，在计算圆形率、紧凑度、延伸率、形状率和平均曲率等基本形态指数的基础上，应用主成分分析法，获得描述滩地形态的2个主成分，以其构建平面直角坐标系，根据形态指数数对所在象限，对滩地的几何形态进行定量分析。结果表明：山丘区中小河流滩地可划分为短宽规则型、窄长规则型、窄长不规则型与短宽不规则型等4种类型；分别在2003、2010及2013年，对龙游灵山港各类型滩地的面积与数量进行统计，发现灵山港滩地面积减少约17.82%；其中，短宽不规则型滩地面积减少幅度最大，约达60.76%，且滩地几何形态明显呈窄长化与不规则化趋势。本文提出的滩地形态分类方法，能够反映滩地的纵横比例和边缘规则程度，并用于分析不同类型滩地的增长与衰退趋势。

山丘河道； 滩地； 形态指数； 分类； 主成分分析

河道滩地是河道水域与陆域的过渡区域，具有调蓄洪水、稳固河道、净化水质、生物栖息和资源供给等丰富功能，对河道水土保持生态建设，以及河流健康保护具有重要意义[1-3]。由于过去不合理的管理、建设、开发与利用，河道滩地资源萎缩，功能退化，这已引起人们的广泛关注和重视，一些学者对滩地的类型、发育、治理与利用等问题开展了研究。例如：李志威等2012年通过对长江、汉江等7条大型河道的653个沙洲卫星图片的研究，将沙洲形态概化为椭圆形、竹叶形和镰刀形3种类型[4]；高进[5]通过对沙洲形状的概化研究，提出了沙洲的发育长度公式；李大鹏等[6]通过对山区河流滩地的研究，提出了细平整、厚填土碾压实等治理方案；饶良懿等[7]研究发现河岸带种植植被，能有效移除氮、磷、钙、钾、硫、镁等营养物质，以及一些污染物。现有研究大多针对大江大河中的滩地，以定性研究为主，但对中小河流滩地的定量研究较少；而中小河流已成为我国当前河流建设和管理的重点，尤其是滩地治理和保护更是治理中小河流的难点。针对这一现状，本文以浙江省龙游县灵山港滩地为研究对象，讨论滩地类型的定量划分方法，通过形态指数分析滩地的变化，以期为滩地治理提供参考。

1　研究区概况

灵山港位于浙江省西部仙霞岭山系东北缘，介于E119°07′-119°12′，N28°49′-29°03′之间，是钱塘江上游衢江右岸的一条支流，发源于遂昌县高坪乡和尚岭，流域总面积726.9 km2。灵山港流域属亚热带季风气候区，雨量丰沛，四季变化明显。灵山港在龙游县境内的流域面积为367.6 km2，主流长43.79 km，河道比降为4.24‰。河道自南往北流经沐尘、溪口、灵山、官潭、寺后和上圩头等地，南北贯穿龙游县城至东北部驿前、湖底叶两村间汇入衢江。河道上游沐尘村建有沐尘水库，为大(二)型水库，流域内年平均降水量为1 815 mm，年平均径流总量为4.49亿m3，年平均径流深1 130 mm，径流系数为0.62。流域内植被较好，森林覆盖率较高，属亚热带竹林区和常绿阔叶林区。该河道在长期的演化过程中，形成了丰富的滩地资源，对河流的健康发挥了重要作用；但近年来，由于过度的开发利用，特别是采砂量的增加，导致部分滩地面积减小，破碎化程度增高，功能退化严重。

2　研究方法

2.1常用平面图形几何形态指标

平面图形的形态通常用圆形率、紧凑度、延伸率、形状率和平均曲率等指标进行定量计算[8-9]。各指标计算方法如表1所示。

2.2数据获取方法

选取2003年灵山港河道实测地形图、2010及2013年Google Earth影像图(比例尺为1∶1万)为数据源，应用美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)开发的图像分析工具ImageJ，对相关图形进行分析与处理[10]。笔者主要应用ImageJ软件，读取河道全线滩地的周长、面积、横径及纵径等参数。首先将相关图形导入ImageJ，并经校准、清噪、灰度化等处理，再利用圈取、抓读等功能，读取滩地几何特征参数，最后存入相应数据文件。具体流程如图1所示。

表1　常用平面图形几何形态指标的计算公式

注：A为图形面积，m2；P为图形周长，m；A′为该图形最小外接圆面积，m2；L为图形最长轴长度，m； L′为图形最短轴长度，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.

图1　滩地图像分析流程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维的思想，将多个指标转化为几个综合指标的数理统计方法[11-12]。对于n个样本和p个指标的数据，可将其构造为矩阵X=(xij)n×p；其中：i=1，2，…，n，j=1，2，…，p。计算X样本的相关系数阵R=XTX/(n-1)，特征值|R-λIp|=0，可得p 个特征值λ1≥λ2≥…≥λp≥0，各特征值对应的标准化正交特征向量为γ1，γ2，…，γp，应用特征值通过贡献率=λi/Σλi，计算各个特征值的贡献率，选取贡献率85%以上的成分，即为主成分，则第i个主成分为Y=γ1iX1+γ2iX2+…+γpiXp(i=1，2…，p)。本文对圆形率、紧凑度、延伸率、形状率和平均曲率等指标进行主成分分析，依次算出协方差矩阵、协方差矩阵的特征根、特征向量、负荷量、中心化数据、各个指标的权重因子及标准化后主成分数值等，最后确定出描述滩地形态的主成分。

3　结果与分析

3.1滩地形态指数

以2003年灵山港滩地几何参数为数据源，分别计算出河道沿线各滩地的K1、K2、K3、K4及K5的值。对2003年几何形态指标数据进行主成分分析，计算出K1、K2、K3、K4及K5构成的协方差矩阵，由协方差矩阵计算特征值、特征向量及负荷量(表2和表3)。表2列出了5个指标的特征值、贡献率和累积贡献率，成分1和成分2的累积贡献率达94.01%。其中：成分1的贡献率为82.20%；成分2的贡献率为11.81%。选取成分1与成分2作为滩地形态综合判断的2个主成分，分别记为P1和P2。

表2　协方差矩阵的特征值及其贡献率与累积贡献率

表3　各指标主成分的特征向量及负荷量

P1、P2的特征根对应的特征向量，以及每个指标对特征向量的负荷量见表3。可以看出：对P1贡献最大的是K1、K2、K3和K4，负荷量分别为0.720、0.917、0.940和0.917，则P1基本代表了K1、K2、K3和K4；对P2贡献最大的是K5，负荷量为0.943，则P2基本代表了K5。因此，P1与P2可用于描述滩地形态，将其定义为滩地形态指数向量(P1,P2)。其中：P1主要描述滩地形态的紧凑性与带状程度，反映滩地形态的“趋圆性”，其值越大滩地越短宽，值越小滩地越窄长；P2主要描述滩地边界轮廓的不规则程度，其值越大滩地边界越规则，值越小滩地边界越不规则。P1与P2值是由K1、K2、K3、K4和K5标准化成ZK1、ZK2、ZK3、ZK4和ZK5后，将各特征向量数据中心化复合而得。计算公式如下：

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滩地的主要类型

以P1为横轴，P2为纵轴构建二维坐标系，应用式(1)、(2)分别计算2003年灵山港沿线滩地P1、P2值，点(P1，P2)分布如图2。可以看出，所有的(P1，P2)点分布于P1-P2坐标系的4个象限内，随着P1值的减小，滩地的形状变得窄长，随着P2值的减小，滩地的边界变得不规则。据此本文将分布于第1象限内的滩地归为短宽规则型滩地，分布于第2象限内的滩地归为窄长规则型滩地，分布于第3象限内的滩地归为窄长不规则型滩地，分布于第4象限内的滩地归为短宽不规则型滩地，各类型滩地概化图如图例所示。

图2　滩地类型划分Fig.2　Floodplain classification analysis

3.3滩地类型变化分析

应用上述分类方法，对2010和2013年滩地进行分类，各类型滩地面积和个数变化见图3和图4。由图3可见，滩地总面积显著减少，其中，2003年滩地总面积为137.8万m2，2010年滩地总面积为123.9万m2，2013年滩地总面积为113.2万m2。2013与2003年比滩地总面积减少17.82%。其中：短宽不规则型滩地面积减少最多，约减少60.76%；窄长不规则型滩地面积约减少5.75%。

图3　不同年份各类型滩地面积变化Fig.3　Interannual area proportion change of floodplain

由图4看出：2003至2013年，短宽型滩地逐渐减少，窄长型滩地逐渐增多。至2013年时，窄长不规则型滩地在4类滩地中所占比例最大。2013与2003年相比，窄长规则型滩地与窄长不规则滩地分别增加约3.64%与4.40%，短宽规则型滩地与短宽不规则型滩地分别减少约0.60%与7.36%。表明灵山港滩地变得狭长，边界不规则程度也增加。例如上游沐尘村滩地2003—2013年的变化如图5所示。2003年时，沐尘村滩地为短宽规则型滩地，而到2010年、2013年时，该滩地变为短宽不规则型滩地。可见，2003—2013年，该滩地边缘不规则程度显著增加。这主要是由于该滩地位于沐尘水库下游，且距滩地头部500 m建有堰坝，这些建筑物使该滩地边缘水流紊动性增强，造成滩地边缘不规则性增强。另外，梅村滩地2003—2013年的形态变化如图6所示，梅村滩地由2003年的整块滩地变为2010年和2013年的相互分离的小滩地，面积减少约60%。2003年以来，梅村滩地边界越来越不规则，2003年时梅村滩地为窄长规则型，而到2010年滩地离散成短宽不规则型(①号滩地)、窄长不规则型(②号滩地)和窄长规则型(③号滩地)，到2013年滩地演变为窄长不规则型(④号滩地)、短宽不规则型(⑤号滩地)和窄长规则型(⑥号滩地)。这主要是由于在2003—2010年间，该河段内受到采砂等人为因素的扰动，使滩地局部冲刷深度加大，甚至出现深坑，最终导致滩地支离破碎。

图4　不同年份各类型滩地数量比例变化Fig.4　Interannual quantity proportion change of floodplain

图5　不同年份沐尘村滩地演变Fig.5　Interannual change of floodplain in Muchen village

图6　不同年份梅村滩地演变Fig.6　Interannual change of floodplain in Mei village

4　结论

1)以浙江省龙游县灵山港为研究对象，应用主成分分析法，通过复合描述平面形态的指标，构建了描述滩地形态的形态指数向量，并建立了由形态指数向量为坐标轴的坐标系，根据形态指数在坐标系中的分布象限情况，将滩地分为短宽规则型、窄长规则型、窄长不规则型与短宽不规则型4种类型。与大型河道的滩地形状概化分类方式相比，本文提出的山丘区中小河流滩地的分类方法，既能反映滩地纵横比例，也能反映滩地边缘规则程度，适用于形态多样的中小河流滩地。该分类方法为山丘中小河道规划、设计和管理提供了一定依据。

2)在滩地类型的动态变化研究中，各类型滩地的数量和面积变化，能够准确的反映不同类型滩地的增长与衰退。分析表明：灵山港滩地总面积呈下降趋势，尤其是短宽型滩地面积急剧下降，滩地形态总体呈现窄长化与不规则化，导致灵山港河势不太稳定；因此，需根据河道来水来沙和人为扰动情况，采取有效生态治理措施，制定科学的水库调度运行制度，才能有效遏制滩地破碎化和功能退化的趋势。

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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

项目名称：国家自然科学基金“蜿蜒型河岸带潜流层水动力学机制及溶质运移规律研究”(41471069)；浙江省水利科技项目“龙游县中小河流滩地时空演化机理及生态修复技术研究”(RC1527)

伊紫函(1992—)，女，硕士研究生。主要研究方向：河流生态建设。E-mail:guodonghan143@sohu.com

简介：夏继红(1970—)，男，博士，教授。主要研究方向：河流健康理论与生态修复。E-mail:syjhxia@hhu.edu.cn

TV147

A

1672-3007(2016)04-0128-06

10.16843/j.sswc.2016.04.016