the 黄河下游河型分类与判别模式研究guide download.pdf

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1、泥沙研究年月第期收稿日期基金项目 国家自然科学基金委员会 黄委黄河联合研究基金项目河南省自然科学基金项目作者简介 史传文男 河南济源人 博士研究生 主要从事水利水电工程研究黄河下游河型分类与判别模式研究史传文 吴保生 马吉明清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室 北京摘要 利用黄河下游年资料的计算表明 本文在前人研究成果的基础上 根据泥沙运动基本理论 河床演变基本原理以及河流输沙强平衡概念建立的 以实用冲积河流稳定程度公式为理论和计算依据 由模糊聚类分析和判别分析方法构成的黄河下游河型分类与判别模式 可以为小浪底水库运用后黄河下游河型的分类与判别提供有力的理论依据和具体的计算方法 同时

2、 也对其它冲积河流河型的分类与判别有一定的借鉴作用关键词 黄河下游 河型分类与判别稳定程度公式模糊聚类分析中图分类号文献标识码文章编号引言年小浪底水库开始运用后 黄河下游河势发生了很大变化 目前需要尽快确定河道整治方案但河道整治方案确定的前提是河型的确定小浪底水库运用前 黄河下游各河段河型的实际分类见表由于其河型的分类与判别不是完全的定量方法 并不能较好地回答小浪底水库运用后黄河下游各河段的河型变化问题前人的河型研究成果归纳起来主要有两类 一类是河型成因分析和试验成果另一类是在成因研究成果的基础上建立起来的半经验半理论河型判别式半经验半理论河型判别式的建立过程 一般是先找出影响河型的主要因素

3、然后按因素对河型影响的相同趋势构建公式 最后根据实测资料确定系数和指数这类公式可能存在影响因素的重叠或遗漏 公式结构还具有一定的缺陷 还不能较为确切地回答黄河下游河型的分类与判别问题本文研究的目的是 寻找冲积河流河型分类与判别的依据 建立适合于黄河下游的河型分类与判别模式表黄河下游六河段长度及实际河型分类表河段名称花夹夹高高孙孙艾艾洛洛利河段长度?河型游荡型游荡型过渡型上过渡下弯曲弯曲型弯曲型冲积河流河型分类与判别的依据冲积河流稳定程度公式的建立作者在前人研究的基础上 通过长期实地考察 根据泥沙运动基本理论与河床演变基本原理 认为冲积河流输沙强平衡程度的差异是形成不同冲积河型的根本原因河流输沙

4、强平衡条件为式中分别为含沙量 分组含沙量 挟沙力分别为分组含沙量和分组挟沙力的泥沙级配为分组泥沙沉速为恢复饱和系数分别为河长和单宽流量根据式 河流输沙强平衡要求的具体泥沙 水流和河床条件是泥沙条件为?水流条件为 水流为恒定均匀流河床条件为 河床为河床物质组成沿程不变的棱柱体顺直河床根据以上分析结论 用均匀流公式 张瑞瑾挟沙力公式 断面河相系数关系式以及推导得出?上式左端项是水沙与河床边界条件相适应的用水沙床因素表达的冲积河流输沙强平衡时的无量纲量由于输沙平衡程度与河流相对稳定性之间存在着确定的对应关系 因此 可采用该无量纲量的数学表达形式 写出如下形式的冲积河流稳定程度公式?上式中说明河流输沙

5、处于强平衡状态 河流是稳定河流说明河流输沙不平衡 河流不稳定 稳定程度数偏离的距离越小 说明河流越接近稳定偏离的距离越大 说明河流越不稳定谢鉴衡等学者的研究结果表明 不同的河型具有不同的相对稳定性 四种基本河型按其相对稳定程度递增的次序依次为游荡 分汊 弯曲和顺直由于河流的相对稳定性与河型之间存在着确定性的对应关系 因此 可以用冲积河流稳定程度公式作为冲积河流河型分类与判别的依据根据韩其为的研究成果对于黄河下游 挟沙力公式中的系指数可用把其系指数值代入式得如下适用于黄河下游的实用冲积河流稳定程度公式?式中为河流稳定程度数为河流流量为河流含沙量为泥沙沉速分别为河流水深 河宽 比降和糙率为重力加速

6、度根据实用冲积河流稳定程度公式 用年资料计算得黄河下游六个河段年的月河流稳定程度数组 以该组数据为样本空间 进行黄河下游河型分类与判别的定量分析黄河下游河型的模糊聚类分析为了验证实用冲积河流稳定程度公式能否作为黄河下游河型分类的理论依据和计算依据 以组数据为样本空间 采用模糊聚类分析方法对黄河下游基本河型的分类进行验证由于黄河下游各河段的 相同 与 不同 之间没有明确的界限 其间是一个从量变到质变的连续过程 是一个关系因此 黄河下游各河段河型的确切分类 可采用模糊聚类分析方法来确定稳定程度数的均匀化处理为了使冲淤状态的数据处于同一个量级 对组原始数据进行均匀化处理稳定程度数数据的处理公式为稳定

7、程度数数据的处理公式为以上两式中分别为最大和最小稳定程度数为均匀化处理后的稳定程度数建立六个河段的相似矩阵黄河下游六个河段花夹 夹高 高孙 孙艾 艾洛 洛利分别用表示每个河段由经过均匀化处理后的稳定程度数表征如下这样 待分类河段的全体就可以表示为集合论域中元素之间的相似关系 是一个相似关系 可表示为相似关系的建立选用下面绝对值减数方法其中 为使选取?计算得到的黄河下游六河段相似矩阵如下等价矩阵聚类分析需要的矩阵是具有自反 对称和传递三种性质的等价矩阵上边的相似矩阵满足自反和对称性 是否满足传递性要求 可以用是传递的关系的充要条件来判定这里的是阶矩阵 根据以下矩阵乘积的运算规则计算得由于不包含所

8、以不具有传递性 故不是等价矩阵由于相似矩阵的传递闭包是等价矩阵 可采用平方法求传递闭包根据式和计算得从上边的矩阵可以看出所以是等价矩阵根据对上元素进行聚类分析一个等价矩阵可以转化为矩阵 即普通等价矩阵随着取不同的值 便可将分成不同的类等价矩阵的截矩阵为其中分别取置信水平得下面六个截矩阵由于元素与归于同一类的充要条件是可根据矩阵对上元素进行分类从上面的六个截矩阵可以看出在不同置信水平条件下 黄河下游六河段可以分为类当时 论域上相应的分类为和两类根据在我国广泛使用的四种基本河型的分类体系冲积河流只有游荡 分汊 弯曲和顺直四种基本河型确定黄河下游六个河段所属于的基本河型 还需要进一步的分析小浪底运用

9、前黄河下游河型的实际分类 见表实际上是在四种基本河型的基础上 又对河型作了次一级的分类如果一个河段的上游分段和下游分段不是同一种基本河型 那么该河段就是一种四种基本河型的交叉河型如果考虑该河段上下游分河段基本河型的顺序 根据排列公式 该河段可能属于的交叉河型共有种 如果不考虑该河段上下游分河段基本河型的顺序 根据组合公式 该河段可能属于的交叉河型的种类也有种由此可见 黄河下游的游荡弯曲过渡型河型可能是种或种基本河型的交叉河型中的种不过有些学者往往说 黄河下游的过渡型河段既具有游荡河流特征 又具有弯曲河流特征在不能区分河段所属的基本河型情况下 往往就说该河段属于过渡河型 这也说明采用模糊聚类分析

10、方法对河型进行分类的必要性由于小浪底运用前 黄河下游六河段中不存在顺直和分汊两种基本河型从河型模糊聚类分析的截矩阵和式看出 在时的河型聚类符合黄河下游基本河型分类的实际即小浪底水库运用前 花夹 夹高和高孙河段属于游荡型河段 孙艾 艾洛和洛利河段属于弯曲型河段 黄河下游的游荡弯曲过渡型河段属于四种基本河型中的游荡河型以上的分析和计算结果表明 实用冲积河流稳定程度公式可以作为黄河下游河型分类的理论依据和计算依据黄河下游河型的判别分析河型判别式与判别准则的建立基于实用冲积河流稳定程度公式 采用统计判别分析方法 建立适用于黄河下游的冲积河流河型判别式和判别准则黄河下游六河段年月稳定程度数样本的特征统计

11、量黄河下游六河段年月稳定程度数样本的统计量见表从表可以看出 以为基准 即均值取情况下 游荡型河段的总体标准差范围为弯曲型河段总体标准差范围为表黄河下游六河段基本河型与年月稳定程度数样本特征统计量之间的关系河段花夹夹高高孙孙艾艾洛洛利基本河型游荡游荡游荡弯曲弯曲弯曲均值样本标准差均值取情况下的总体标准差河型判别公式依据冲积河流稳定程度数偏离的 距离 来判别河型的归类由于 均值取情况下 冲积河流稳定程度数样本标准差可以反映总体中各数值平均偏离 稳定 的程度 因此 冲积河流河型判别公式可以表达为式中 无量纲数为冲积河流河型判别数为河段或河流的月稳定程度数为河段或河流的月稳定程度数的个数河型判别准则由

12、于四种基本河型按其相对稳定程度递增的次序依次为游荡 分汊 弯曲和顺直根据冲积河流河型判别公式和表中的数据 可以推论 均值取情况下 分汊型河段样本标准差范围大体上应该在弯曲河型河段样本标准差至少应该大于因此 相应于式的冲积河流河型判别准则为若则河段属于游荡型若则河段属于分汊型若则河段属于弯曲型若则河段属于顺直河型以上结果说明 依据实用冲积河流稳定程度公式建立的河型判别式和判别准则 可以清楚地区分黄河下游各河段所属的基本河型结论本文的分析和计算表明 根据输沙强平衡理论建立的实用冲积河流稳定程度公式可以作为黄河下游河型分类与判别的依据本文利用年资料 采用模糊聚类分析方法的计算表明 小浪底水库运用前黄

13、河下游六河段基本河型的分类相当于置信水平在范围内的河段分类 黄河下游的过渡型河段属于基本河型中的游荡河型本文实质上是建立了一种适合于黄河下游的冲积河流河型分类与判别模式这个模式由实用冲积河流稳定程度公式 基于稳定程度公式的河型模糊聚类分析方法 基于稳定程度公式的河型判别式和判别准则组成这个模式可以为小浪底水库运用后黄河下游河型的分类与判别提供有力的理论依据和具体的计算方法 同时 对冲积河流河型的分类与判别有借鉴作用参考文献吴保生 马吉明 张仁 府仁寿 水库及河道整治对黄河下游游荡性河道河势演变的影响水利学报倪晋仁 张仁 河型成因的各种理论及其间关系地理学报叶青超 陆中臣 等 黄河下游河流地貌北京 科学出版社钱宁 张仁 周志德 河床演变学北京 科学出版社胡一三 张红武 等 黄河下游游荡性河段河道整治郑州 黄河水利出版社谢鉴衡 江河演变与治理研究武汉 武汉大学出版社韩其为 水库淤积北京 科学出版社黄河水利委员会 中华人民共和国水文年鉴黄河流域水文资料第册郑州 黄河水利出版社杨纶标 高英仪 模糊数学原理及应用广州 华南理工大学出版社李鸿吉 模糊数学基础及实用算法北京 科学出版社何灿芝 等 应用统计学长沙 湖南大学出版社