河床表面空间结构的分形度量方法研究

河床形态具有三维性、不规则性和多尺度性，定量描述河床表面的复杂特性是判断河势调整量变和河型转化质变的基础。项目拟采取理论分析、概化水槽试验和资料分析的方法，引入地理信息系统技术和分形理论，从空间结构入手，研究河床表面形态复杂性特征的分形度量方法。研究提出以基本河型单元为基准，并可以区分不同河型、反映床面起伏程度的河床表面分形维数计算方法；深入探讨河床表面分形维数与整体河势之间的内在联系，提出判断整体河势调整幅度的量化方法；统计分析不同类型河段的水沙因子和河床形态特征，建立基于河床表面形态分形度量的河型划分模式。研究成果将提供新的河床形态量化方法，进一步深化河床演变的研究，促进学科交叉，丰富河流动力学的研究手段，有利于工程热点问题的解决，对学科发展和实际工程分别具有推动作用和指导意义。

采用实测资料分析和概化模型试验的方法，将GIS技术、非线性-分形理论引入河流动力学，对河床形态冲刷调整规律及其度量方法进行了研究，并以此为基础对河型划分以及三峡工程坝下游河段河床形态冲刷调整及其对阻力的影响进行了探讨，具体研究内容和所得主要结论如下。.（1）提出以河床表面分形维数来量化河床形态，并根据表面积——尺度法原理，在对其表面积估算、边界处理及无标度区判断等方面进行改进的基础上，结合GIS技术，给出了以DWG格式河道水下地形图为数据源计算河床表面分形维数的方法，该方法对河床表面分形计算具有较好的适用性，并具有高效、准确的特点，同时结合典型河段，分析了河床表面形态的分形特征。.（2）通过不同河型的概化模型试验，并结合实测资料，对河床表面分形维数与河床形态调整的关系进行了研究。河床表面分形维数与河段平面形态、横断面形态及深泓纵剖面形态之间是整体与部分的必然关系，各二维剖面仅是从不同的侧面或局部来反映床面形态的变化，而河床表面分形维数是从整体上描述河床表面形态冲淤起伏的剧烈程度，并且能较好地反映河床形态的演变特点，由于不同类型河段具有不同的河床形态，故河床表面分形维数可在一定程度上体现河型、以及河型亚类之间的差异，在收集更多实测河段资料并统一分维算法后，河床表面分形维数可作为河型的判据之一。同时，对河段深泓纵剖面分形维数的物理意义亦进行了研究，认为深泓纵剖面分形维数可定量反映河段深泓纵剖面的起伏程度，并与枯水糙率存在一定联系。.（3）从三峡工程蓄水后宜昌至杨家脑河段的冲刷分布特点及河段形态调整对宜昌枯水位的变化机理进行了分析和探讨。宜昌至杨家脑河段冲刷的沿程分布与河道形态有密切关系，相对而言，弯道段及分汊段冲刷强度大于整体河段平均值；河段纵向节点多为分汊河段，且交替型分汊河段较非交替型分汊河段的节点作用更为稳定；由于长河段深泓纵剖面分形维数的加大，节点河段河床表面分形维数的普遍加大以及床沙的粗化使得下游河道阻力有所加大，这对宜昌河段枯水位的下降起到了抑制作用。