电子海图技术与河口演变定量分析

懒猴航海

电子海图技术与河口演变定量分析

恽才兴   巩彩兰   李  杰

（华东师范大学河口海岸国家重点实验室   上海  200062）

摘 要  电子海图显示系统是基于计算机和全球定位系统的新一代的航海技术，它通过海图数字化，特征数据和属性数据的提取，相关环境信息的复合和三维地形的可视化直接为水运事业现代化管理服务。本项研究拟引用电子海图技术，显示河口海岸演变过程和冲淤变化规律，研究过程中以高强度开发的长江口南港河段为例(图1)，结合外高桥深水港区建设、外高桥电厂取排水口的合理布局及长江口深水航道航标导航系统的配布调整等工程建设项目，探索河口演变定量分析的新途径，也为我国“数字海岸”的构筑奠定初步基础。
关键词  电子海图  河口演变  定量分析  淤积强度


1 电子海图技术及其应用前景
随着空间科学技术、电子技术和计算机科学技术的迅猛发展，一门新的应用技术科学——电子海图系统已经问世，它是自雷达之后，对海上航行安全做出保障的重大进步。从上世纪80年代开始，美国国家海洋大气局（NOAA）就致力于电子海图系统及其标准化的研究，研究成果包括标准化电子海图显示信息系统（ECDIS）、电子航海图（ENC）、国际标准化栅格形式海图显示系统（RCDS），以及栅格航海图（RNC）。[1]
电子海图信息系统不仅仅是现有纸质海图简单的数字化，而是在海图特征数据和属性数据集合的基础上，叠加船舶的全球定位系统信息、有关航海保障的环境信息、雷达信息和航行中可能遇到的危险信息等，它具有查询电子航行特征数据库、实时导航、显示海岸地形及水下三维图形、预报禁止航行区及安全航行区、拟停靠的码头泊位及锚泊地的环境状况等功能。目前美国国家海洋大气局大力发展栅格海图显示系统，这个系统的显著特点是具有实时定位和智能化导航的能力；它通过栅格航海软件与全球定位系统（GPS）或差分全球定位系统等电子定位系统的互操作，显示船只与周围地物的相对位置，布设航海计划和进行航海监控；参照海图注释，计算距离及方位，确定船只可否夜航及设置自动报警系统，预防固定航线上的危险发生。这一系统是与NOAA提出的建立美国40个主要港口的电子航海图战略计划的配套设施。
在复杂易变的冲积河口及淤泥质海岸，多时相栅格电子海图信息系统有广阔的应用前景，它可以定量分析河口海岸冲淤演变规律和发展趋势，判断沿岸工程的环境条件，优化港口、航道建设方案，指导滩涂围垦及海岸防护，提供自然过程模拟的边界条件和论证依据。本文通过长江口南港系列电子海图的叠加和信息提取，结合工程实践项目，为河口演变定量分析迈出了可喜的一步。
2河口海岸冲淤演变信息产品制作流程
1998年1月31日，美国副总统戈尔提出“数字地球”创意以来，引起了世界各国强烈的反响和中国科学家的关注，[2]这是21世纪地球科学发展的必由之路，作为河口海岸科学发展的历史使命，需要通过这一门空间科学、计算机技术及信息科学和地球科学交融的高新技术，对沿海地区海陆交互作用的各种自然过程和人——地关系进行定量分析，数值模拟及预测和决策，作者试图以栅格海图显示系统作为构筑“数字海岸”的楔入点，对河床及海床冲淤变化进行定量分析，这一信息产品的制作流程可分为以下几个步骤（图1[1]）：
现将冲淤演变信息产品制作流程分述如下：
A根据研究需要，选择代表性的海图，用手扶式数字化仪或高分辨率的彩色扫描仪对海图数字化，数字化过程中，首先在Arc/Info编辑环境下，将图上的点和线分别提取、储存为ASⅡ码格式。
B 数据格式转换。在Excel中对数据点坐标进行变换，水深值转化为负数，坐标数据根据研究需要放大或缩小，以确保图形的清晰度。
C 数字化水下地形图生成。以美国RSI公司ENVI软件提供的模块，读取文本文件数据，制成不同灰度层次的水下地形图，图中等深线自动加密，并可显示不同注记的等深线。
D 河床（海床）冲淤图制作。将不同年份需要冲淤对比的水深图进行裁剪，使其位置重叠、图幅面积相等，运用ENVI模块将每两张相关的地形图直接相减，形成冲淤灰度图，按不同冲淤量值分别赋色。
E 冲淤剖面图制作和冲淤量估算。为了解不同岸段的河床（海床）冲淤变化分布状况，可按用户需求在计算机屏幕上显示任意剖面的冲淤变化情况，并可量算河床变形速度和底沙的输移量。
F 运用最小距离法在ENVI中将冲淤图中不同水深区域分别提取并保存，将所有栅格数据转化为矢量数据后，保存为Arcview的图层格式。
G 在Arcview中对黑白及彩色冲淤图进行整饰注记，打印输出形成正式产品。

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图1  河口海岸冲淤演变信息产品产品制作流程图3 浦东外高桥深水港区岸线稳定性分析
自1843年上海港开港以来，长江口南港一直是入海航道必经之路，20世纪上半叶，长江经历1931年、1935年、1949年和1954年四次较大的洪水过程，至1958年，南港塑造为一条港阔水深的优良水道（图3）。[3]20世纪60年代和70年代，吴淞口以上南北港分流口河势发生剧烈变化，由新崇明水道和新宝山水道切滩过程造成近4亿m3泥沙进入南港，在地貌形态上由瑞丰沙咀的发育壮大使南港由单一河槽分化为复式河槽，1958年至1982年冲淤图上，南港主槽中央明显横卧这一条庞大的淤积体，淤积体北侧为长兴岛涨潮沟，南侧为长江南港主槽。南港淤积体形成以来，上承南支河段来沙，下泄泥沙主要进入南槽形成江亚南沙新的淤积体（图4），促使南北槽分流、分沙比作大的调整。大量底沙从南港过境，会否对在建的长江口深水航道和外高桥深水港区产生严重的影响，这是建港部门共同关心的问题，本项研究结合外高桥港区四期工程五号沟岸段的河床冲淤变化，用栅格电子海图的定量信息，为建港部门码头布置决策提供了可靠的依据。
1、港河槽分化及瑞丰沙咀的增长虽然使南港河槽容积明显减少，但涨落潮流路分歧使长江口南港南岸落潮水流更为集中，单宽造床流量明显增加，已建码头和拟建码头前沿水深在继续增加，河床发生冲刷，有利于深水码头的建设。
2、1958-1982年冲淤分布图，明显看出南港泥沙明显进入南槽，这与江亚南沙沙体增长，南槽上段床沙粒径粗化验证结果相一致（图5）。
3、上海港外高桥四期工程五号沟岸段地处南北槽分流鱼嘴工程上游9.5km，上世纪60年代和90年代，由于洪水造床作用及底沙输移堆积曾使南北槽分流与分沙比频繁调整，从而使五号沟以下-10m等深线发生明显位移，如进一步扩建深水港泊位区，需安排适当的疏浚工程量。
4码头建筑物对外高桥电厂取排水口淤积的影响
    长江口外高桥电厂位于吴淞口下游9.5km，规划容量5000MW左右，一期工程4×300MW，现已投产并网运行，二期工程2×900MW的前期工作正在紧张实施，随着浦东开发速度的加快，长江口南港吴淞口—五号沟岸段深水岸线被争相利用，比如1992年以后，电厂上游外高桥深水港区集装箱码头群相继修筑，电厂煤码头及出灰码头紧跟而上，沿岸水工建筑物布置过密，已使码头后方沿岸水域形成数百米宽的淤积带，使电厂一期工程取排水口的水深从建厂前的-9m和-3～-5m分别淤积至-3～-5m及-１～-２m，1997年至1999年期间，电厂下游特大型造船基地兴建大规模围滩造陆工程以来，取排水口的淤积速度倍增，直接影响到电厂一期工程取排水口的正常运行和二期工程的进一步实施，电厂建设部门和工程设计单位从电厂安全运行的要求出发，委托本项研究利用海图数字化分析计算技术，回答电厂码头区淤积原因，冲淤强度和分布，发展趋势预估和拟建取排水口合理布置方案。通过1996年6月至1999年7张不同测期的大比例尺水深地形图计算机数字化叠加分析，在多张冲淤变化分布图和码头区冲淤剖面图显示的基础上，对以下问题作出了明确的回答：
1、自1996年6月以来，电厂码头前沿线外侧逐年发生冲刷，码头前沿线后方的近岸区发生淤积，淤积严重地段位于码头的内侧，如煤码头下游一期取水口累计淤积厚度达4m，出灰码头后侧下游最大淤积厚度大于5m，证明淤积原因为码头桩群阻水作用所致（图6）。
2、1997—1999年期间电厂码头后方淤积增强的原因主要是1998年长江大洪水作用过大所致，具体反映在1998年6月—12月冲淤变化图上（图7）。
3、根据电厂码头区16个冲淤剖面图分析，码头前沿线为主槽冲刷区和边滩淤积区的过渡带，该处地形坡度较陡，水深变化相对稳定（图8），是电厂取水口布置的推荐方案，它既可以避开码头后方淤积区和码头作业区的航行障碍，又可以借用沿岸水流切边锋的有利条件，将取排水口冷水场和温排水场加以分离。
5洪水造床作用和底沙输移定量计算
纵观150年来长江河口演变历史，长江大流量洪水在河口的造床作用非常明显，据统计，当大通站洪峰流量超过60000m3/s时，入海汊道，分流口的河床地形均有明显变化，[4]变化原因为洪峰过境，在河床阻力干扰下，河口水面纵比降和横比降有异常变化，在水面比降最大处，河床就出现明显的冲刷作用，如1860年洪水（大通站洪峰流量76000m3/s），曾使长江口北港代替南港—南槽作为长江入海主汊，拦门沙滩顶水深曾达7.32m,1949年及1954年的洪水过程（大通站洪峰流量分别为68500m3/s和92600m3/s）塑造了长江口北槽新生汊道；1973年洪水（大通洪峰流量69000 m3/s）使横沙东滩串沟5m等深线贯通，冲刷近5400万m3泥沙堆积在北槽下段；1983年洪水（大通站洪峰流量72600 m3/s）使横沙通道冲刷扩大和南港—北槽连结处的圆圆沙通道发展，北槽分流、分沙量剧增。1995—1999年期间，长江口大通站洪峰流量连年超过65000 m3/s，其中1995年及1996年超过75000 m3/s，1998年及1999年超过81000 m3/s，特别是1998年洪水过程，7、8月份曾出现8次洪峰，大通站流量超过70000 m3/s达69天，洪水造床过程在长江口南港河段表现为南北港分流口上提，新老浏河沙冲淤变幅增大，沙头冲刷下移明显，除新生汊道冲刷外，河床普遍淤积，瑞丰沙上段淤积变浅（图9），从1997—1999年间河床冲淤分布图还可发现在冲刷槽的下端往往存在明显的局部堆积体。
    多年来，由于观测技术的限制，河流、河口及海岸推移质泥沙输移的定量计算问题没有得到合理解决，[5][6]作者从电子海图显示系统发现，以河床冲淤图上的成形淤积体作为标识体，可以对底沙输移进行有效的定量估算，现将长江口新、老浏河沙体作为样本，简述估算的三种方法：
5.1淤积体推移情况
作者通过南港上游新浏河沙1994—1999年五年间变化图，计算底沙的推移速度及淤积体的消长情况（表1、表2），由表可以看出，新浏河沙沙头5m等深线附近底沙推移速度为每年439~521m左右，10m等深线附近的底沙推移速度每年为313m，沙尾下移速度较慢的原因在于受通道水流切滩影响。

表1  新浏河沙沙体推移情况

年  份	上新浏河沙		下新浏河沙		沙体上端10 m等深线下移距离(m)
	沙体上端5 m等深线下移距离(m)	沙体下端5 m等深线下移距离(m)	沙体上端5 m等深线下移距离(m)	沙体下端5 m等深线下移距离(m)
1994-1995	233.86	246.92	594.82	-1165.61	--------
1995-1996	314.29	575.16	663.23	-66.97	-19.99
1996-1997	453.49	937.56	278.01	1262.50	827.39
1997-1998	1330.27	-962.96	1084.44	-1383.56	559.23
1998-1999	-137.51	81.29	-17.18	-158.22	-114.22
年均移距	438.88	175.59	520.66	-302.37	313.10

注：表中负值为通道切滩所致。

表2  新浏河沙沙体增长情况

年份	上新浏河沙			下新浏河沙
	<5m沙体平均水深（m）	<5 m沙体面积（km  2）	<5 m沙体体积（亿m 3）	<5 m沙体平均水深（m）	<5 m沙体面积（km  2）	<5 m沙体体积（亿m 3）
1994年	2.756	2.911	0.065	2.403	19.790	0.514
1995年	3.176	3.189	0.058	2.094	20.540	0.597
1996年	2.491	3.456	0.087	1.819	20.754	0.660
1997年	3.143	6.584	0.122	1.997	17.788	0.534
1998年	2.157	5.753	0.164	1.616	16.467	0.557
1999年	2.334	5.950	0.159	1.767	15.693	0.508

5.2新浏河沙沙体推移质输沙率的估算
为探索长江口推移质输沙率计算方法，作者选择新浏河沙沙头冲淤变化剧烈地区，从地形淤积体的尺度变化及位移情况推算不同年份的推移质单宽输沙率（表3）。

表3  新浏河沙沙体上端下移消长情况

年   份		1994-1995	1995-1996	1996-1997	1997-1998	1998-1999
上新    浏河沙	<5 m沙体    平均水深（m）	4.734	4.541	3.677	1.881	4.765
	<5 m沙体    面积（km  2）	0.05	0.08	0.11	0.91	0.02
	<5 m沙体    体积（m  3）	1.330×104	3.672×104	1.455×105	2.838×106	2.470×104
	单宽输沙率    （m  3/  s）	3.157×10-5	6.799×10-5	2.284×10-4	1.684×10-3	8.583×10-5
下新    浏河沙	<5 m沙体    平均水深（m）	3.777	4.097	3.904	1.631	4.237
	<5 m沙体    面积（km  2）	0.28	0.38	0.04	0.65	0.01
	<5 m沙体    体积（m  3）	3.424×105	3.431×105	4.384×104	2.189×106	7.630×103
	单宽输沙率    （m  3/  s）	1.959×10-4	1.481×10-4	7.777×10-5	1.466×10-3	1.018×10-4

5.3港区及航道淤强计算
上海港罗泾港区位于宝山钢铁厂上游，是宝山水道连接南支和南港的必经河段，为判断河床冲淤变化对码头前沿水深的影响，作者在历年冲淤变化图上，在罗泾煤码头选取0.39km2（474m×778m）的计算小区，进行河床淤强估算，发现1998年的洪水过程，码头前沿的淤强明显增加（表4）。

表4  上海港罗泾港区煤码头前沿淤强统计表

	1994年	1995年	1996年	1997年	1998年	1999年
平均水深(m)	12.526	12.208	12.090	12.753	12.114	11.902
淤积强度(m)	-----	0.318	0.118	-0.663	0.639	0.212

注：选定河槽长方形面积0.39km2。

参  考  文  献

[1]  DavidB.Enabnit and Michael B.Brown(1999),Electronic charting at NOAA. SeaTechnology, July, 1999,39-41.
[2]  承继成 等，国家空间信息基础设施与数字地球，清华大学出版社，1999.4。
[3]  陈吉余 等，长江河口动力过程和地貌演变，上海科学技术出版社，1988。
[4]  恽才兴 等，长江口通海航道泥沙场动态分析，华东师范大学学报，1995。
[5]  钱  宁 等，河床演变学，科学出版社，1987。
[6]  张瑞瑾 等，河流泥沙动力学，水利电力出版社，1988。

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[1] 本文彩图较多，固略去，开会时用计算机演示。