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长江干流河岸侵蚀的多波束测深数据分析及风险评估
工程19(2022)50研究水利工程-文章长江干流河岸侵蚀的再认识葛燕a,程鹤琴a,c,刘伟,姜泽宇a,滕立志a,唐明a,田世a,姜月华b,杨国强b,周全平b华东师范大学河口海岸国家重点实验室,上海200000b中国地质调查局南京中心,南京210000c崇明生态研究所,上海200000阿提奇莱因福奥文章历史记录:收到2020年2020年11月22日修订2021年3月3日接受2021年9月9日网上发售保留字:多波束回声测深数据河岸侵蚀A B S T R A C T认识河岸侵蚀的风险是确保包括长江在内的河流流域的河岸崩塌预警和预防或控制的重要挑战。本文提出一种基于地形的多波束测深数据平坦度调整算法,用于河岸侵蚀信息的提取。该算法绘制了10个水下形态要素,包括斜坡、足坡、平地、山脊、峰、谷、坑、刺、凹地和肩。二十一个平坦度值被用来建立一个解释策略的水下特征的河岸侵蚀。结果表明:当坡率为10°时,作为侵蚀载体的岸坡被坡胞所覆盖; 冲刷坑和岸痕由岸边的坑单元和0°平面的岸坡中的空心单元表示。河流水下沙丘被认为是加速河岸侵蚀的重要因素,特别是靠近岸脚的沙丘;沙丘的临界平整度被评估为3°。水下形态要素的分布进行了分析,并用于绘制河岸侵蚀清单。分析结果表明,近岸区水深较大,易形成较大的冲刷坑和较长的岸坎。弧塌倾向于发生在长岸坎处,缩短岸坎长度。讨论了陆地、海洋和河流环境中平坦度值的不同分配因此,这项研究提供了一个参考的平坦性为基础的识别河流的形态要素,并提高了针对水下的迹象和银行破产的风险与一系列的多波束测深数据。©2021 THE COUNTORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇CCBY-NC-ND许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)中找到。1. 介绍河岸侵蚀是任何河流系统中的一个严重问题,因为它可以贡献集水区总泥沙量的大部分[1它会对河道附近的建筑物和土地造成破坏,导致河床和洪泛区的各种改变[4,5]。三峡大坝截流后,长江中下游干流侵蚀加剧,岸坡失稳频繁。大坝下游冲积河流的河岸侵蚀对于防洪管理非常重要,*通讯作者。电子邮件地址:hqch@sklec.ecnu.edu.cn(H. Cheng)。最近受到了广泛关注[6,7]。利用多期观测记录对侵蚀速率的评价已经进行了几十年[8许多研究都集中在使用基于地理信息系统(GIS)的脆弱性分区技术模拟河岸侵蚀[11,12],以及将河岸稳定性与河流过程(如坡脚侵蚀)相结合[13]和河床变形[14]。最近,新的测量仪器已被用于分析河岸侵蚀的机制,包括地面激光扫描仪、声学多普勒流速剖面仪和多波束回声探测系统[15]。运动摄影测量,以及高分辨率的地形数据,已被用来监测陆地银行的侵蚀[16]。而长江中下游干流的河岸侵蚀多发生在水下,大部分岸坡被水淹没https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.03.0272095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页:www.elsevier.com/locate/engG. Yan,H.郑,Z.Jiang等人工程19(2022)5051识别水下河岸侵蚀已成为必要的早期预警,从而成为决策者和规划者的一个重要和紧迫的问题。多波束生态探测系统的测量记录提供了一种创建高分辨率测深数据的方法,这些数据用于生成坡度图[17,18]或阴影地形图[19,20]。水下形态要素图也需要获得更多的知识对银行侵蚀。为了绘制形态要素,Wood[21]根据坡度和曲率将陆地表面分为六个要素,包括通道,山脊,平面,峰,坑和通道。Macmillan等人。[22]应用启发式规则和模糊逻辑将地形变量(如剖面中的相对凸、凹和平面)组合起来,对15个要素进行分类,包括水平波峰、分叉路肩、上凹陷和后坡。计算技术的进步导致了越来越多的方法的发展。迭代自组织数据分析技术已被用于从数字高程模型(DEM)中提取十个元素[23]。将顶帽法与Wood方法相结合应用基于对象的图像分析方法从四个参数中分割出九个元素,包括高程、剖面曲率、平面曲率和坡度[25]。基于局部三元模式(LTP)和视线原理,使用模式识别方法(geomor-phons)从高程中提取地表元素[26]。Cui等人[27]还将地貌用于海洋环境,以相对较大的单元尺寸对海底的形态要素进行分类。此外,地貌的方法被发现优于伍德基于测地线形态测量的不同方法也被应用于自动提取沙丘波峰和波谷[29]。在河流系统中,算法技术可以有效地形态学元素的自动提取本研究应用地貌形态识别水下河岸侵蚀特征,包括岸崖、岸痕、冲刷坑,以及岸趾和沙丘。陡岸陡坎是河岸侵蚀的载体。岸痕和冲刷坑被认为是河岸侵蚀的遗迹在岸坡冲刷过程中,坡脚后退,影响岸坡稳定.沙丘的运动改变了河床的形态,进而影响流场环境,进而部分影响河岸侵蚀过程,尤其是当沙丘发育在河岸附近时。我们应用了地理形态学的方法,因为它在不同地区的灵活性[26,27,30我们的研究可以区分于许多现有的研究,因为它分析了设置一个合适的平面形态元素映射的意义。2. 研究区长江研究河段位于长江与洞庭湖交汇处上游该河段呈S形,长25km,东西向位于东经113 °40~ 113 ° 80之间,南北向位于北纬29 ° 260 ~29 ° 300之间。 研究河段南北分别与湖北省和湖南省接壤。图1(a)显示了2015年长江中游航道图生成的水深、浅水区(水深0米以上区域)和江岸矢量,基于1958年长江航行基准和1985年国家高程基准进行数字化处理该河段自齐州至城陵矶,从林角涝到齐州,又在林角涝上游。河床在浅水区被沙子覆盖,在旱季露出水面该河段河岸侵蚀严重,根据2019年的调查,主航道沿岸几乎所有河岸都被断层占据河岸崩塌分为冲刷崩塌、条带崩塌和弧形崩塌[36,37]。现场调查结果表明,沿河岸的条带和弧形崩塌是该河段最常见的破坏模式尽管采取了护岸措施,但岸坡仍面临严重的破坏风险(图附录A中的S1)。对于天然河岸,其上部地层为固结度高的粘性土,坡脚为松散砂层,往往导致河岸在切割失去支撑后发生条带坍塌[38]。弧形崩塌具有高度破坏性,通常发生在冲刷深度和曲率相对较大的凹岸顶部【39】。崩岸影响河道的演变,改变河势。在河道演变过程中,由于干流的摆动和河道的冲刷,可能会引起岸坡的破坏。如果不及时控制河道崩岸,可能导致河势调整[40]。3. 方法3.1. 数据采集现场测量于2019年8月27日至29日进行。水深数据是使用ResonSeaBat T50-P多波束系统在1-45米水深处采集的,操作频率为200/400千赫。数据由差分全球定位系统(DGPS)定位,并使用美国TeledynePDS软件包进行处理。为了保证水深数据的采集,船速控制在8节以内。选择通用横轴墨卡托(UTM)50 N作为投影参考系统。多波束测深系统共扫描了72.32km,主要扫描范围为林角涝上游左岸邻区、林角涝至齐州右岸邻区和齐州至城陵矶主航道然后,我们使用最新版本的PDS软件中的编辑工具从水深的点云中手动删除异常值可以选择和删除许多显著的离群值。处理后的点云用于生成网格模型,网格间距为0.5 m,整个区域的网格总数约为1537万 网格模型被导入到ArcGIS 10.3版软件包中,如图所示。 1(a),并用作地貌方法的输入,以绘制水下形态要素,用于识别河岸侵蚀。选择了六个样品区,并命名为“近岸区”(NBZ),在以下分析中表示为NBZ 1-6(图1)。 1(b))。3.2. 地貌原理与水下形态要素在地貌方法中,廖[41]发展的LTP方法描述了中央单元附近的地形类型。地形被用作输入,以基于地形的局部海拔来识别十个表面形态元素(图1)。[26])。形态要素可分为三类,包括凸形要素(脊、肩、峰、刺)、直形要素(坡、平)和凹形要素(谷、坡脚、坑、洼)。实际上,LTP是由八个高程变化趋势的组合确定的,从中心单元开始,沿着主罗盘方向(D)延伸到查找G. Yan,H.郑,Z.Jiang等人工程19(2022)5052LLLLL-1如果/L-wL>tLL>:Fig. 1. (a)测量的多波束测深数据和(b)样本区的横断面剖面。距离(L),使用视线原理提取[42]。从DEM中提取8个高程剖面,/D¼90-bDwD¼90mmdDð1Þ在中心单元处的天顶角(fD)和天底角(wD)The zenithL L图 2(b)[26]说明了天顶(/)和天底的概念天底角用于表示地形表面的开放性,并根据剖面的仰角计算。每个中心单元有8个主罗盘方向,即北(N)、南(S)、西(W)、东(E)、东北(NE)、西南(SW)、西北(NW)和西南(SE),每隔45°。沿着每个方向,从轮廓计算一组仰角。仰角被定义为水平面与连接中心单元和位于轮廓上的点的线之间的角度。负和正的仰角分别与轮廓上低于和高于中央细胞的点相关联。在查找中,(w)角度。 对于点A,最大和最小仰角都是负的,产生大于90 °的天顶角和小于90°的天底角。因此,天顶角和天底角都在0°-180°的范围内变化。对应于方向(D)和查找距离(L)的剖面的高程变化趋势由天顶角和天底角之间的差平坦度(t),也称为起伏阈值,是被认为与地平线显著不同的天顶角和天底角之间的差的最小这是用来划分将差分成三个类别,由DD表示,如下所示:在方向(D)上的距离(L),沿方向的天顶角和天底可以从最大值计算查找距离和方向8>1if /D-wD-tLDD最大仰角(D)和最小仰角(D),DD¼0如果. /-w. ≤tð2ÞbLdLL LD D如下所示:G. Yan,H.郑,Z.Jiang等人工程19(2022)5053-LL---图二、(a)LTP的说明,(b)视线原理,和(c)基于地貌的形态元素自动分类中的查找表(b)中的A、B和C是三个中心单元,作为基于天顶角(f)和天底角(w)以及平坦度(t)之间的比较来示出D在(c)中,元素是基于组合成两位数的(-1)和(+1)符号的数量来定义的复制自Ref。[26]第26话许可其中(0)、(1)和(+1)分别表示从中心单元开始的表面轮廓是水平的、向下的和向上的。对应于该符号的三种典型效应如图所示。 2(b)[26],其中DD表示为D。此外,由于每个高程剖面具有一个DD,因此计算了三元图案的八个符号。在八个方向的每一个方向上都有三个可能的DD值为100 m,足以覆盖岸坡至河床水深数据没有考虑较大的窗口大小,因为较大的查找距离增加了计算压力,并且对元素映射的贡献很小跳跃半径用于过滤中心单元附近的小地形变化的影响(图10)。(第2(b)[26]段)作为男人-L8,删除了在可能的LTP的总数是3(即,6561)。在考虑旋转和反射对称性后,仅剩下498个不同的LTP,它们被定义为地貌[26]。Jasiewicz和Stepinski[26]建立了一个陆地地貌元素的查找表(图2(c)),其中的行和列分别表示图案中(1)和(+1)符号的数量。使用查找表,通过基于(1)和(+1)符号的数量对地貌进行分组来定义10个形态要素,这10个形态要素被视为10个水下形态要素。3.3. 查找距离、跳跃半径和平整度的预设用于有效地应用地貌方法进行水下河岸侵蚀识别的参数是查找距离(L)和平坦度(t),如等式(1)所示。(2)和跳跃半径,如图2(b)[26]所示。这里,L决定了遍历窗口的大小。这个窗口应该比较大以容纳河岸陡坎,而一个小窗口就足够了包括河岸伤痕和冲刷坑当窗口尺寸大于某一阈值时,由于天顶角和天底角随窗口尺寸的进一步增大而变化不大,因此映射结果是恒定的。使用更大的查找距离,我们可以同时识别更大范围尺度上的元素。例如,Jasiewicz和Stepinski[26]将50个单元视为临界查找距离。 因此,我们设置查找距离编辑工具困难,中心细胞附近的异常值与形态学元素的识别相冲突。因此,通过设置跳过半径,使得中心小区附近的地形变化被忽略,计算开始于大于跳过半径的值。在本研究中,跳跃半径为3m,即,对于N、E、S和W方向,在中央单元附近的六个单元内,以及对于NW、NE、SW和SE方向,在四个单元内,水深变化的距离。不同研究中的平整度值从1°到3°不等[26,27,31从理论上讲,随着平坦度的降低,(1)和(+1)符号的数量都可以增加,这表明更多的水下表面最初被平坦单元覆盖,可以被分类为其他元素。调整平坦度值以生成和比较形态元素图是必要的。然后,确定一个合适的平整度值,用于水下表面的分类和河岸侵蚀特征的识别。选择21个平整度值生成形态元素图,以显示平整度降低的趋势:40°、35°、30°、25°、20°和15°(间隔5°),以及14°、13°、12°、11°、10°、9°、8°、7 °、6°、5°、4°、3°、2°、1°和0°(间隔为1°)。3.4. 形态元素映射的处理过程GRASS GIS软件提供了一个生成地貌元素图的工具.在此工具中,平整度不能设置为零G. Yan,H.郑,Z.Jiang等人工程19(2022)5054D dd-ffiffiffi×-≤L-LLL..因为/-wt是将0赋给D的条件。<此外,根据本研究的要求,我们在MATLAB 2019b中编写了地貌脚本为了增强天顶角和天底角的计算,主要罗盘方向的八个卷积被用来在每个方向的每个时刻将测深数据矩阵移动一个单元(图11)。3)。运动图像在N、E、S和W方向上的距离的差异是一个网格大小,而在NE,SE,NW和NW方向上的是p2倍的网格大小。我们保存了(+1)的数量,(1)分别作为十位数和位数的符号。因此,因此,所有的地貌都可以用一个两位数来表示(图2(c)[26]),其中,例如,52代表五(+1)和二(1)。使用具有i5 3570中央处理单元(CPU)和16 GB存储器的计算平台,对于100 m的查找距离,在没有并行计算的情况下,消耗大约2.5 h来计算15 396 15 237矩阵中的天顶角和天底通过比较天顶角和天底角,基于地貌的形态要素分类需要大约1小时的计算。总计算时间约为5小时,以确定整个研究区域的地貌元素是有利的。4. 结果4.1. 平面度对水下形态要素我们可以使用不同的平坦度值映射具有不同浮雕的形态学的水下元素。图4示出NBZ图4和图6示出了用于说明形态元素随平坦度值的集合的分布变化的图。倾斜细胞的数量有增加的趋势,而平坦细胞的数量则有相反的趋势,平坦度从40 °减小到3°。由于平面度为40°,靠近河岸的最水下区域被归类为平面单元。水下岸坡平面度为10°,坡面单元覆盖。河床平面度约为10°,逐渐被斜坡、山脊、以及平坦度进一步下降的谷单元。在平坦度为3°时,峰孔细胞在脊谷区中央扩展,但分子格局稳定。图5给出了形态元素的统计结果,表1定量列出了不同平坦度值下形态元素的地貌方法识别结果。平坦度为40°时,水下表面被扁平细胞占据,约占面积的95%。在平坦度为10°时,足坡细胞所占比例较大,约为9.68%~ 20.07%。 对于从10 °到3°的平坦度范围,斜率单元的占用增加,并在约3°处达到其最高点。而在3°时,扁平细胞的百分比急剧下降并消失。这表明,当平坦度值最小时,相对平坦的表面变成斜坡。空泡和 棘 泡 随 平 面 度 的 减 小 而 增 加 , 在 0° 处 达 到 峰 值 , 占 11.17%~20.63%。纹孔细胞也增加到最高值,约为4.26%-10.33%的NBZs 1-6的平坦度为0°。相反,肩部和足坡细胞消失,平坦度为0°。这可以用Eq来解释。(2)D不能对于t = 0 °,定义为(0),(+1)和(1)符号的总数为8,导致平面、路肩和足坡消失,如图10所示。 2(c).图三. 移动矩阵与一个细胞的距离为八个方向与卷积。G. Yan,H.郑,Z.Jiang等人工程19(2022)5055见图4。 (a)NBZ 4和(b)NBZ 6中的形态元素图,使用地貌从左到右减少平坦度。图五. 使用地貌对NBZ 1-6中平坦度递减的形态要素进行面积统计4.2. 河岸侵蚀在本研究中,岸崖、冲刷坑及岸痕被用来作为河流的水下特征来评估河岸侵蚀。随着平坦度的减小,具有大倾角的水下表面被识别为斜坡单元。当斜坡单元的坡率相对较大时,斜坡单元可以指示岸坡崩塌的可能性(图10)。 6(a))。冲刷坑的发育改变了岸坎的形态,加速了岸滩的冲刷。小窝细胞聚集在河岸相当于比周围更深的冲刷坑。岸痕是崩塌的结果,以凹陷的细胞为标志.相应地,突细胞指示塌陷的横向边界(图11)。 6(b))。图6(a)显示了本研究中的坡脚,可以用分布在岸坡底部的坡脚单元来表示。岸趾用于将岸崖与由扁平单元表示的河床分隔开。水下沙丘代表了波浪的脊和谷交替的韵律地形,这类似于沙丘的波峰和波谷(图11)。 6(b))。G. Yan,H.郑,Z.Jiang等人工程19(2022)5056表1基于地貌方法的十个形态要素的统计结果NBZ 平面度(°)脊肩膀刺激斜率中空Number百分比(%)Number百分比(%)Number百分比(%)Number百分比(%)Number百分比(%)1101 0420.936 6975.973 5453.1645 55740.586 8356.0902 4592.190015 76214.0447 66242.4623 16120.632101 0550.569 8665.242 2981.2249 73526.446 8253.63029 29615.570021 62811.5081 27143.2021 00711.173101 9670.5635 32610.015 5421.57125 43135.567 8102.21017 1404.860058 23516.51150 05542.5450 85714.424109210.825 5474.962 5692.3036 25932.443 0962.7705 3794.810022 22919.8931 44328.1322 58120.205101 7511.2210 6297.388 2835.7573 72951.2211 5398.0204 4423.090016 55411.5073 13850.8125 31217.586102340.1013 5375.556770.2816 8026.882 0530.84052 49521.510039 79516.3164 86426.5828 78111.79NBZ 平面度(°)足坡谷坑平坦峰值Number百分比(%)Number百分比(%)Number百分比(%)Number百分比(%)Number百分比(%)11022 52520.073 1822.833150.2822 53620.08210.0200015 99414.256 9536.19002640.2421022 22511.813 1841.691860.1092 70249.28370.0200022 05511.7210 4005.53002 4561.3131053 44415.156 6641.896740.19115 73332.811560.0400058 95216.7115 0224.26002 4860.7041017 62815.771 4581.302840.2544 02539.380000018 45316.5111 55110.33001510.1451019 56913.595 4693.801150.0812 8698.942000014 79710.289 4366.55002760.1961023 6199.681 5770.65180.01185 52576.023000031 48212.9011 1284.560015 5006.35图六、平 面 度为10°时,横向剖面上的岸坎和岸趾;平面度为0°时,崩塌和冲刷坑形成的岸坎。4.3. 河岸侵蚀的关键平整度图图7显示了两个关键平面度的形态元素图。坡脚单元表示从岸崖到河床的过渡高比例的坡脚导致岸崖和河床之间的边界清晰。重点突出平整度坡脚单元占有较大,岸坎与河床的分界线为10°。同时,岸坡被斜坡单元覆盖(图7(a)),6个剖面的位置表示为岸坡剖面bp 01图8示出了从形态的横截面绘制的六个轮廓,表明L= 100 m足以限制G. Yan,H.郑,Z.Jiang等人工程19(2022)5057岸坡该图还显示了岸崖和河床之间的地形突变,使得坡度比(即,坡高与坡长之比)为1/3 ~ 1/2,坡脚与平地之比为1/5。Duan等人[36]发现长江中下游轻壤土或粘性土组成的岸坡稳定坡比Tang等人[43]认为稳定坡比是确定塌岸的标准稳定河岸的坡率因河流类型和地质条件的不同而不同,但稳定的坡率范围通常约为1/3至1/2。例如,中细砂的最小稳定坡比范围为0.24根据以往的研究[44],当岸坡超过稳定坡比时,它可能会坍塌。对于给定的10°平坦度,比为1/3 ~ 1/2的河岸陡坎,其比与见图7。 NBZ 1-6中地貌要素的基于地貌的分类结果,河岸剖面的位置表示为bp 01-bp 06 ,平坦度为(a )10 °和(b) 0°。G. Yan,H.郑,Z.Jiang等人工程19(2022)5058≤≤见图8。 (a)-(f)中bp 01-bp 06的河岸剖面,长江,表明该地区有崩溃的可能。坡脚和河床的平整度也应定为10°,与岸坡的平整度相等。图 7(b)表明,岸痕和冲刷坑是河岸侵蚀的标志,分别以空心细胞和坑细胞为代表。当平面度为0°时,空孔细胞和纹孔细胞的占有率仍然很小,不超过1/5(表1)。 图图4示出了更大的平坦度可以导致更少的中空和凹坑细胞。因此,0°是提取岸痕和冲刷坑岸蚀特征的关键值,因为相应的要素覆盖面积最大。沙丘应该被看作是山谷和山脊单元的组合。沙丘的临界平坦度应为3°,这是因为脊和谷单元分布在沙丘的峰谷中心,峰和坑单元没有明显扩展,占有率相对较低。当平坦度为0°时,沙丘可以由脊和峰单元的组合指示以及谷细胞和纹孔细胞(图4),因为峰细胞和纹孔细胞从脊和谷区域的中心扩展。在平坦度为3°时,谷和脊细胞的数量略有波动,形成了指示沙丘的适当模式。因此,在长江中游用地貌方法提取沙丘时,以3 °的平坦度为宜。表2总结了水下形态要素与关键平整度值的河岸侵蚀当平面度为10°时,河岸陡坎和河床分别由斜坡和平坦单元表示。在岸坎与河床之间,坡脚单元指示岸脚。平面度为0°时,塌岸的伤痕和边界在岸坡处分别以空心和尖突单元表示。冲刷坑以靠近岸坡的洼地中的坑胞为代表。该策略是针对主航道一侧的NBZ开发的,其中沿深泓形成凹陷。5. 讨论5.1. 河岸侵蚀分布与河势的关系图7所示地图中的形态要素显示了河岸侵蚀特征的分布在NBZ 3和5处,深泓线靠近河岸(图1(b)),造成严重冲刷。比较图7(a)和(b),冲刷坑位于岸脚。在NBZs3中,岸崖长约80 m冲刷坑宽度大于20 m,冲刷坑明显。当水深远离岸边时,岸脚处不发育冲刷坑,岸坎较短,如NBZ2和6,长30 m。对于NBZ 1、2、4和6,冲刷坑的存在并不明显,其中沿深泓的水深为10 m。然而,对于水深> 11m的NBZ 3和5,冲刷坑是重要的,这表明在该水深处可能会形成大型冲刷坑。与此同时,对于水深10 m,较小的冲刷坑分布在沙丘槽内,如先前研究所报告的那样[45水下沙丘反映了不稳定的河床形态[48河床的大部分地区都是活跃的,因为它们被沙丘覆盖。条塌的底部接近水面,因此,野外观察到条塌的岸痕在水面以上相比之下,弧塌陷的底部因此,岸痕被认为是电弧塌陷的形态学指标。图7(b)显示,在NBZ 1、3、4和5中,岸痕明显,但在NBZ 2和6中不存在在塌岸位置,岸坎长度减小。这表明,岸弧崩塌有缩短岸坡陡坎,提高岸坡稳定性或减小潜在崩塌规模的趋势。尽管使用编辑工具去除离群值,但仍存在许多中断形态元素映射的残留离群值。 河床被平坦的单元覆盖,异常值以分散的点的形式存在(图1)。(见第7(a)段)。 图图7(b)显示异常值导致各种元素之间的轮廓不清晰。在今后的研究中,必须减少异常值对地貌解释的影响5.2. 河岸侵蚀清单制图表2给出了在ArcGIS 10.3版本中用于指导河岸侵蚀的本发明制图的策略。根据近岸单位的分区统计数据生成了岸侵蚀量清单图。NBZ被划分为169个单元,间隔为100 m。此外,用平整度值为10°和0°的形态要素图覆盖河岸单元,以使用以下步骤计算岸崖、岸痕和冲刷坑的面积。首先根据沙丘和坡脚的分布情况,人工绘制坡脚线;根据坡脚线确定了两个靠近岸边的区域:一个是距坡脚线50 m处,表示为多边形A,用于随后提取冲刷坑;另一个是岸坡G. Yan,H.郑,Z.Jiang等人工程19(2022)5059表2从形态要素解释河岸侵蚀特征的策略平坦度河床岸坡沙丘抑郁缓坡陡坡10°3°0°平的? 床山脊?沙丘谷的顶峰沙丘槽山脊和山峰?沙丘顶--坑? 冲刷坑斜坡?岸趾空洞?塌岸痕斜坡?岸崖山谷和矿坑?沙丘槽马刺?塌陷边界主槽一侧的近岸区的策略,在那里沿深泓形成低压在距坡脚线200 m范围内的边,表示为岸坎和岸痕的多边形B其次,使用“光栅计算”工具,使用形态元素图提取目标细胞并以某堤道为例,从平面度为0°的单元图中提取出凹陷。然后,当目标单元位于河岸附近的合适位置时,使用“掩模提取”工具选择目标单元作为河岸侵蚀的元素。例如,中空细胞聚集形成堤痕,但只有多边形B内的细胞被保留。最后,利用NBZ中选定目标单元的叠加,使用“分区统计表”工具计算每单位选定目标单元的面积从这些方面的制图考虑,从林角涝到城陵矶的河岸比林角涝上游的河岸具有更高的破坏风险。图9显示,从齐州至城陵矶的冲刷坑空间分布来看,较长的岸坎对应的冲刷坑面积相对较大,水深数据相对完整,与主槽重叠,并覆盖了岸脚附近的冲刷坑岸痕占较大面积(即,面积>400m2),当岸坎长度超过20 m(即,面积> 2000m2),表明沿陡坎较长的河岸易发生5.3. 各种形态的平整度比较平坦度值在基于地貌的地貌和形态描绘研究中有所不同特别是,1°的平坦度值已被广泛用于海拔差约为1000 m的山区的中等分辨率(10此外,同样的平坦度在海拔差约为100 m的支流集水区进行这类研究时,使用了一个数值[35]。Kramm等人[32]使用3°的平坦度值,并比较了不同的网格尺寸,包括5,10和30米,用于黄土高原的地貌要素分类。最近,Cui et al.[27]发现,3°的平坦度值适合于在网格尺寸为250 m的海底进行地貌要素探测(附录A中的表S1本研究发现,大于40°的平坦度对于长江水下形态要素制图是没有用的,因为平坦单元占据了绘制河流水下河岸侵蚀要素的平面度临界值为10°和0°。 水下岸坎、岸脚和河床为斜坡、坡脚和扁平单元所覆盖,平面度为10°。平面度为0°时,滩痕和冲刷坑均以空坑和坑槽单元显示。平坦度为3°,沙丘呈现为山谷和山脊单元的组合。不同的平坦度值是必要的,以确定河流水下形态要素,在现有的地貌为基础的地形和形态划定的研究,使用一个特定的平坦度的区域。这是因为河流要素是相互叠加的。如河床内分布有沙丘,岸坡上分布有岸痕,岸脚处分布有冲刷坑。相对大的平坦度可以过滤相对小的粗糙度或纹理,该相对小的粗糙度或纹理与相对小的平坦度一起存在对于坡度比约为1/3至1/2的岸崖,需要较大的平整度将岸崖与河床分开为了从表面粗糙度和纹理中提取岸痕、冲刷坑和沙丘,需要小的平坦度。相反,大多数现有的研究没有考虑的关系,见图9。从河流水下形态要素图中提取的河岸侵蚀属性清单,包括(a)河岸陡坎、(b)冲刷坑和(c)坍塌的河岸疤痕G. Yan,H.郑,Z.Jiang等人工程19(2022)5060陆地或海洋环境中地形或形态要素的叠加6. 结论传统的多波束测量记录生成的地图不能反映水下形态要素的银行侵蚀。因此,本研究引入地貌算法,将水下表面自动分类为斜坡、坡脚、平坦、山脊、山峰、山谷、坑、刺、凹地和肩单元,并检验它们作为河岸侵蚀指标的功能在地貌方法中,必须预设三个参数,即查找距离、跳过半径和平坦度。查找距离控制遍历窗口的大小,100 m的值足以限制岸坡、冲刷坑和岸痕。跳跃半径设置为3米,以消除异常值的影响。平坦度在基于地貌的元素提取中至关重要。坡脚单元被视为岸脚,有效地将河岸陡坎与河床分离,平面度为10°。坡率单元表明该岸坡易发生崩塌,因为其剖面曲线的坡率在1/3 ~ 1/2之间,与长江中游稳定坡率相似。空泡和坑胞较好地代表了平面岸痕和冲刷坑,在0 °平面度下空泡和坑胞所占比例最高。在适当的平坦度下,分析水下形态要素的分布,并用于绘制河岸侵蚀清单。分析表明,在主槽侧,水深较大的NBZ容易形成长岸崖,易发生弧塌当水深大于11 m且岸坎被拉伸时,会形成较大的冲刷坑。弧形崩塌缩短了岸坡的长度,提高了岸坡的稳定性。平坦度对于提取河流环境中的沙丘也很重要;对于长江,这种提取的有效平坦度范围在0 °和3°之间。不同的平坦度值是必要的河流水下形态元素表现出相互叠加的识别。这与现有研究中使用一个平坦度值实现陆地地形和海底要素的分类不同致谢本研究得到了国家自然科学基金委员会(NSFC)-荷兰科学研究组织 ( NWO ) - 工 程 与 物 理 科 学 研 究 委 员 会 ( EPSRC )(51761135023)、中国地质调查局(DD 20190260)和国家自然科学基金委员会(41476075)的遵守道德准则严歌、程鹤琴、姜泽宇、唐明、滕立志、田实、姜月华、杨国强和周全平声明,他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。附录A.补充数据本文的补充数据可在https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.03.027上找到。引用[1] Sekely AC,Mulla DJ,Bauer DW.河岸滑塌及其对明尼苏达州蓝土河磷和悬浮沉积物负荷的贡献。土壤水分保持杂志2002;57(5):243-50.[2] 埃文斯DJ,吉布森CE,罗塞尔RS。在严重修改爱尔兰集水区的沉积物负荷和来源:走向知情的管理战略。 Geomorphology 2006;79(1-2):93-113.[3] Wilson CG,Kuhnle RA,Bosch DD,Steiner JL,Starks PJ,Tomer MD,et al.量化保护影响评估项目流域沉积物来源的相对贡献。土壤水分保持杂志2008;63(6):523-32.[4] Henshaw AJ,Thorne CR,Clifford NJ.英国高地流域河岸侵蚀的原因和控制。Catena 2013;100:107-19.[5] MarteauB,Vericat D,Gibbins C,Batalla RJ,Green DR. 结构自动摄影测量在河道修复中的应用。Earth Surf Process Landf2017;42(3):503-15.[6] 夏军,宗强, 邓胜,徐强, 陆军。下荆江河 段复合河岸稳定 性的季节变化。 JHydrol2014;519:3664-73.[7] KonsoerKM,Rhoads BL,Langendoen EJ,Best JL,Ursic ME,Abad JD,等.在一个大的弯曲,混合卵石-冲积河流上河岸抗侵蚀的空间变异性。2016;252:80-97.[8] GilvearDJ,Davies JR,Winterbottom SJ. 苏格兰泰河和厄恩河大洪水事件期间防洪堤破坏的机制。《工程地质与水文地质》1994;27(4):319-32.[9] [10]李晓,李晓. 湄公河沿岸的河岸变化:万象-廊开地区的遥感探测。Quat Int2008;186(1):100-12.[10] Sarkar A,Garg RD,Sharma N.基于RS-GIS的印度雅鲁藏布江河流动态评估 JWater Resource Prot2012;04(02):63-72.[11] 温特波顿SJ吉尔维尔DJ一个基于GIS的方法来映射河岸侵蚀的概率:苏格兰的Tummel河。Regul Rivers ResManage 2000;16(2):127-40.[12] Bandyopadhyay S,Ghosh K,De SK.河岸侵蚀脆弱性分区的建议方法及其在印度特里普拉邦Haora河的应用。 Geomorphology 2014;224:111-21.[13] Midgley TL,Fox GA,Heeren DM.预测复合河岸侧向后退的河岸稳定性和坡脚侵蚀模型(BSTEM)的评价。Geomorphology2012;145-146:107-14.[14] 邓S,夏健,周明,林芳.长江中游荆江河段河床变形与河岸冲刷耦合模拟。JHydrol2019;568:221-33.[15] HackneyC,Best J,Leyland J,Darby SE,Parsons D,Aalto R,等. 崩塌块体对外岸侵蚀的调节:破坏材料对三维水流结构的保护作用和破坏作用的分离。Geophys Res Lett 2015;42(24):10663-70.[16] Jugie M,Gob F,Virmoux C,Brunstein D,Tamisier V,Le Coeur C,等. 使用运动摄影测量和侵蚀针表征和量化小型低能河流的不连续河岸侵蚀。JHydrol2018;563:418-34.[17] Twichell DC,Chaytor JD,ten Brink US,Buczkowski B.美国大西洋大陆边缘晚第四纪海底滑坡的形态。Mar Geol 2009;264(1-2):4-15.[18] Puga-Bernabéu J.,Webster JM,Beaman RJ,Guilbaud V.澳大利亚东北部大堡礁边缘混合碳酸盐-硅质岩海底峡谷系统演化的形态学和控制。 Mar Geol2011;289(1-4):100-16.[19] McCluo BG , Pratson LF , Orange DL. 海 底 滑 坡 地 貌 , 美 国 大 陆 坡 。 MarGeol2000;169(1-2):103-36.[20] 格林A、乌肯河西南印度洋南非夸祖鲁-纳塔尔大陆架北部海底滑坡和峡谷演化。Mar Geol2008;254(3-4):152-70.[21] 伍德J.数字高程模型的地貌特征[论文]。Leicester:University of Leicester;1996.[22] MacMillanRA,Pettapiece WW,Nolan SC,Goddard TW. 一个通用的程序自动分割地形地貌要素使用DEM,启发式规则和模糊逻辑。模糊集系统2000;113(1):81-109.[23] Adediran AO,Parcharliament I,Poscolieri M,Pavlopoulos K.通过对局部地形梯度应用多元统计对克里特岛中北部(希腊)形态单位的计算机辅助鉴别。地貌学2004;58(1-4):357-70.[24] Schmidt J , Hewitt A. 基 于 几 何 和 地 形 位 置 的 DTM 土 地 要 素 模 糊 分 类 。Geoderma2004;121(3-4):243-56。[25] A.A.A. 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