5.7.2.1　长江河道崩岸BP 网络预测预报模型的建立

BP（Back Propagation）网络是指在具有非线性传递函数神经元构成的神经网络中采用误差反传算法作为其学习算法的前馈网络，通常由输入层、输出层和隐含层构成，层与层之间的神经元采用全互联的连接方式，通过相应的网络权系数相互联系，每层内的神经元之间没有连接。

BP网络在进行应用于预测预报问题的研究之前，需要一个网络学习过程，这是一种无教师指导的学习和训练，网络根据输入的训练（学习）样本进行自适应、自组织，确定各神经元的连接权和阈值，实现任意维空间向量（输入向量）向任意维空间向量（输出向量）的映射。经过多次训练后，网络具有对学习样本记忆和联想的能力。网络工作过程实际上包括信息正向传播和误差反向传播两个反复交替的过程。

在建立模型过程中，模型结构及其工作原理均根据BP 神经网络模型，针对不同的研究对象即不同断面的平面变形（崩岸）情况，选择相应的模型输入向量即河道边界和水沙条件。作为模型本身来讲，并不失其一般性和普适性。

由于神经网络模型本身对训练样本有较强的依赖性，因此训练样本的特性对模型的学习和泛化能力有重要影响；而在实际工作中，河道地形图测次十分有限，也就是说反映出的河道崩岸与水沙条件、河床边界条件、水文气象条件及人为影响等因素之间关系的信息较为有限，这对模型的建立十分不利。同时由于河道演变问题较为复杂，所涉及的因素也较多，其中许多影响因素目前均无法准确数值化，加之近年来人为影响较为剧烈，因此在如何选取模型输入、输出向量方面存在诸多困难。作为对河道崩岸预测模型的研究，将试图对一些影响因素的数值化，模型通过对典型断面平面变形（崩岸） 历史过程的复演，力图用一些简单的数据变化来反映河道的平面变形（崩岸） 过程及其趋势。

5.7.2.2　长江河道BP 网络预测预报模型在预测石首弯道崩岸中的应用

荆江是长江中下游防洪的重点河段，其河岸与堤防的稳定十分重要。近年来，石首弯道演变较为剧烈，特别是向家洲撇弯切滩以来，引起北门口附近大面积的崩岸，不仅严重影响到长江防洪和堤防安全，而且还严重制约当地经济的发展。本文将以河道来水来沙条件和河道边界条件为输入向量，以河道崩岸时空变化为输出向量，研究建立河道崩岸BP 网络预测预报模型，对石首弯道的崩岸进行模拟和预测（石首弯道河势见示意图5-41），这对于长江中下游防洪安全以及研究长江河道崩岸机理等都具有重要意义。

图5-41　石首河弯演变过程示意图

（1）河道水沙条件和断面特征。

新厂站位于石首弯道上游，其间有藕池口分流分沙，作为近似处理，把新厂站的水沙条件作为石首弯道的进口水沙条件。统计新厂站1965～1998年的水沙基本因子见表5-14。

表5-14　新厂站1965～1998 年水沙基本因子统计表

在研究过程中，为避免由于各横断面起始端点的不同，把各断面的特征值统一起来，以及能够更为准确地反映河道的真实变化，本文把各断面的起始点坐标进行统一，见表5-15。为此，根据各横断面历年地形图计算断面基本特征值，见表5-16。

表5-15　各断面起始点坐标

表5-16　石首弯道各横断面特征值统计表

续表

注　各断面的宽深比均是根据水位Z＝35m（相应流量20000～25000m3/s）时计算值。各断面历年深泓位置均根据各断面左端起点，从河道原形地形图量算而得。

（2）模型的验证。

根据现有地形资料分析，石首弯道上段荆90 断面左岸和荆92 断面岸线摆动幅度均较大，基本上能反映石首弯道上段平面变形情况，同时由于荆90、荆9 2 断面位于石首弯道进口段，受上游和下游弯道变化的影响较大。石首弯道1994 年发生撇弯后顶冲点下移，北门口冲刷严重，该处岸线的变化对整个石首弯道的变形有着十分重要的影响。因此选取荆90、荆92 断面和荆96 断面岸线变化作为弯道下游平面变形（崩岸）BP预测预报模型的研究对象。

由于在模型中对各输入向量分别进行了标准化处理，因此各断面深泓位置并不因为固定点选择的不同而影响模型计算结果。

河道岸线变化具有一定的时间累加性，不仅与河道初始地形和一定时段内的水沙基本特征有密切联系，而且与水流作用时间长度大小有关。因此本报告以各时段内的岸线变化（崩岸距离）为模型研究对象；在输入向量中，选取上下游断面形态，深泓位置，时段内水沙因子及时段长度为影响因子。如根据1965年的河道边界条件和1965～1975 年的水沙因子，研究1965～1975 年间的岸线变化。

1）荆90 断面。对于荆90 断面，分别选择左岸＋25m、＋30m、＋35m岸线的变化作为模型研究对象。选取荆82、荆84、荆89、荆92 及荆石断面处的深泓位置、断面宽深比、时段长度，以及时段内平均流量、输沙率等水沙因子作为输入向量，以1965～1970年、1970～1975年、1975～1980年、1980 ～1987年、1987～1990年、1990～1993年、1993～1996年等7个时段为模型训练样本，1996～1998年时段作为模型预测样本。(www.daowen.com)

2）荆92 断面。对于荆92 断面，分别选择左岸＋25m、＋30m、＋35m岸线和右岸＋25m、＋30m、＋35m岸线的变化作为模型研究对象。选取荆82、荆84、荆89、荆90及荆93断面处的深泓位置、断面宽深比、时段长度，以及时段内平均流量、输沙率等水沙因子作为输入向量，以1965～1970 年、1970～1975年、1975～1980年、1980～1987年、1987～1990年、1990～1993 年、1993～1996年等7个时段为模型训练样本，1996～1998年时段作为模型预测样本。

3）荆96断面。对于荆96断面，以右岸＋25m、＋30m岸线在各个时段的变化情况为研究对象，模型以荆90、荆92、荆93、荆石、荆95 断面的深泓位置和断面形态，时段长度，时段内平均流量、输沙率等水沙因子作为输入向量，以1965～1970 年、1970～1975 年、1975～1980 年、1980～1987 年、1987～1990年、1990～1993年、1993～1996年等7个时段为模型训练样本，1996～1998 年时段作为模型预测样本。模型计算结果分别见表5-17～表5-19。

表5-17　荆90 断面岸线变化模型计算结果与实际值比较

续表

注　“＋”表示淤长；“－”表示崩退。

表5-18　荆92 断面岸线变化模型计算结果与实际值比较

注　“＋”表示淤长；“－”表示崩退。

表5-19　荆96 断面岸线变化模型计算结果与实际值比较

注　“＋”表示淤长；“－”表示崩退。

由上述计算结果我们可以看出，BP 网络模型的学习训练精度均满足精度控制要求，相对误差基本上在10％以内（虽然个别样本值相对误差较大，但其绝对误差较小）。根据1996年的河道地形和1996～1998年的水沙因子，模型对荆90断面左岸和荆92断面左岸以及荆96断面右岸崩退距离的计算结果均大于实际结果。1994年向家洲新河过流，新河逐渐展宽，过流能力不断增强。特别是1996年大水以后，深泓向左摆动，引起岸线不断向后崩退，临近岸线位置水流冲刷严重（如荆92左岸最低点高程由1996年的＋18m下降到1998年的0.7m），当地政府在荆90～荆92断面河段左岸进行了一定的抛石护岸工程，以控制河道继续向左摆动。模型计算结果表明，一方面，荆90断面～荆92断面左岸岸线都有继续向后崩退的趋势，对公路的安全将造成严重威胁，需引起有关部门的重视，这也与长江中下游干流河道综合治理规划报告（长江水利委员会，1996年）的有关结论一致；另一方面，模型计算结果也表明，荆90～荆92断面左岸的抛石护岸工程对控制岸线崩退的作用较为显著。而荆92断面右岸送江码头附近将出现一定程度上的淤积，对码头的正常使用产生不利影响。计算结果与实际情况基本一致。

荆96断面右岸附近为石首城，特别是1993年石首弯道发生撇弯后，水流流向发生了较为明显的变化，1993～1998 年主流向右岸最大摆幅达1.8km，顶冲点下移至右岸南岳山下游北门口一带，荆95～荆96断面右岸遭受水流直接冲刷，岸线崩塌严重，对石首城的防洪安全构成极大威胁。根据长江中下游干流河道治理规划报告（长江水利委员会，1996年），有关部门和石首市政府近年来对荆92右岸至南岳山段长约9 km的河段进行了人工护岸，加之右岸南岳山节点的控导作用，使岸线向后崩退的现象得到了一定控制。但模型计算表明，随着水沙条件和河道地形的不断变化，随着向家洲新河过流能力的增强，主流顶冲点下移，荆96断面附近河段右岸岸线仍存在向后崩退的危险，特别是在高水时，右岸岸线出现大幅度崩退的可能性加大，应引起有关部门的重视。

1994年汛期向家洲新河过流和1996 年大水以后，石首弯道河势变化剧烈，严重影响石首市的防洪安全和交通航运，当地政府及有关部门为控制河势变化，在左右两岸易于冲刷的地段进行了一些抛石护岸工程，而模型中人为护岸工程的影响难以数据化处理，因此本报告在上述计算的基础上，根据1996 ～1998年的岸线变化情况与相应的水沙因子及边界条件两者之间建立的映射关系，来间接表示这些人为护岸工程对岸线变化所带来的影响，由1998年的河道原型观测地形资料和一定的水沙条件，预测1998 年后岸线的变化趋势。即以1965～1998年的弯道平面变形资料和水沙资料为模型训练样本，然后由1998年的河道原型观测地形和1999年的水沙条件（大水小沙），来预测1998 ～1999年弯道平面变形（岸线变化）情况。

模型计算结算的结果表明，1998～1999 年，荆90 断面左岸＋25m、＋30m、＋35m岸线分别向后崩退9.5m、12.5m和71.1m；荆92 断面左岸＋25m、＋30m、＋35m岸线分别向后崩退4.2m、5.0m和43.3m，右岸＋25m、＋30m、＋35m岸线分别向河中淤长130.0m、152.4m和173.3m；荆96断面右岸＋25m、＋30m岸线分别向后崩退100.2m和303.1m。

从上述计算结果分析可见，由于人工抛石护岸工程的控导作用，1999 年荆90断面和荆92断面左岸岸线基本保持稳定。但荆92断面右岸送江码头仍有继续淤积的趋势。1993年11月石首弯道向家洲发生了撇弯切滩，1994年汛期过流形成新河，深泓向左摆动，导致荆92右岸送江码头一带泥沙淤积严重，虽经有关部门采取清淤措施，但是随着新河的不断展宽，过流能力不断加大，主流左移，送江码头会出现泥沙淤积。由此可见，两者是基本一致的。

荆96断面右岸将继续受到冲刷，据了解，在1999年洪水期间，荆94断面～荆96断面右岸水流冲刷严重，岸线崩退，有关部门在此抛石护岸，以巩固岸线。2002年1月，长江委水文局现场勘查结果表明，由于向家洲撇弯切滩，石首港附近泥沙淤积严重，港口已基本淤废；北门口一带虽经有关部门抛石护岸，但由于河势变化，水流顶冲严重，一些地方仍然出现了崩塌现象；北碾子湾以及寡妇夹一带崩岸较为严重，其中北碾子湾崩岸长度约10km，崩岸范围为荆99下350m～荆108下1600m一带，目前崩岸仍十分剧烈。寡妇夹崩岸主要位于荆108下40m～荆119上1200m，崩岸总长约6km，目前该段岸线仍处于崩塌过程中。与模型预测结果基本一致。

5.7.2.3　结语与建议

综上所述，本文建立的石首弯道崩岸BP网络预测预报模型可以模拟1965 ～1996年石首弯道岸线变化的实际过程，也能预报1996～1998年天然情况下石首弯道崩岸的基本趋势。同时模型计算结果表明，有关部门对荆90、荆92 断面左岸和荆96断面右岸的护岸工程对控制岸线的作用较为明显。该模型的建立为河道崩岸的模拟和预测提供了一条新途径。

由于长江河道崩岸BP网络预测预报模型主要是在假设河道护岸情况不变即河岸抗冲性不变的情况下得到的。通常情况下，随着时间的推移，原有护岸工程运作效率会有所下降，以及河道管理部门进行新的河势控制护岸工程，同时河床和河岸的组成特性会对河道的演变产生影响，目前，由于缺乏详细的护岸工程资料，在模型中无法将其准确数值化。在今后的研究工作中，把河道护岸的作用及河床、河岸的组成特性作为影响因子，这将进一步提高模型的学习和预测能力。

河道崩岸BP网络预测预报模型中训练样本易受到实测资料的限制，特别是在河道变化比较剧烈的地方，河道地形等水文资料的长期性与代表性都将直接影响模型的学习精度。所建模型中，训练样本系列稍嫌不足，因此在今后需加强对河道地形等水文资料的收集、分析和整理工作。

河道崩岸不仅涉及的影响因素十分复杂，而且由于河道本身条件的不同，其崩岸表现形式也各不相同。BP 神经网络模型目前在水文水资源问题研究方面有较为成功的应用，但在河道崩岸应用中存在的一些问题如预测崩岸形式等还有待进一步加以完善、改进。