基于3S技術(shù)的黃河內(nèi)蒙古段河道演變特性分析

趙水霞，李暢游，李 超，史小紅，孫 標，趙勝男

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018）

基于3S技術(shù)的黃河內(nèi)蒙古段河道演變特性分析

趙水霞，李暢游，李 超，史小紅，孫 標，趙勝男

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學水利與土木建筑工程學院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010018）

為揭示黃河內(nèi)蒙古段河道形態(tài)大尺度、長序列的演變規(guī)律，選取典型河段蒲圪卜—岔河口為研究對象，以1995—2013年4期（1995年、1999年、2006年和2013年）多光譜遙感影像為數(shù)據(jù)源，采用3S技術(shù)，結(jié)合RTK實測數(shù)據(jù)，對不同年份129個測量斷面的河道平面擺動及河槽寬度變化進行了分析。結(jié)果表明，基于3S技術(shù)解譯的河道形態(tài)與實測河道形態(tài)吻合較好，1995—2013年研究區(qū)河槽寬度在波動中呈萎縮趨勢，2013年與1995年相比主河槽寬度平均萎縮了32.24m，變化率為-9%；彎道處多次出現(xiàn)裁彎取直，河床地質(zhì)條件、河道來水來沙條件及河道形態(tài)是影響河道演變的重要因素；相比于基巖河床，砂質(zhì)河床的河槽寬度變化率較大，變化幅度為-12%～-33%；昭君墳斷面較明顯的河槽萎縮是受南岸庫布其沙漠及上游“十大孔兌”入黃沙量增加的影響。

黃河內(nèi)蒙古段；河道演變；河槽萎縮；3S技術(shù)；遙感數(shù)據(jù)

近年來受上游水庫流量控制及黃河內(nèi)蒙古段支流來水、來沙量變化的影響，黃河內(nèi)蒙古段河道水流的輸沙能力及沖淤平衡發(fā)生了改變，河道擺幅頻繁、變遷劇烈，部分河槽寬度嚴重萎縮，降低了主河槽的行洪能力。黃河內(nèi)蒙古段河道沖淤演變已經(jīng)引起諸多學者的關(guān)注，通過同流量水位變化［1］、橫斷面沖淤指標跟蹤計算［2］和時間序列分析等方法［3-6］對黃河內(nèi)蒙古段下游河道的收縮特征進行了分析。因基于遙感（RS）、地理信息系統(tǒng)（GIS）和全球定位系統(tǒng)（GPS）的3S技術(shù)可以對河道形態(tài)進行大尺度、長序列系統(tǒng)的分析，使3S技術(shù)成為研究河道演變特性的新手段。王隨繼等［7］通過不同年份的衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)對黃河銀川平原段的河岸線進行了繪制，估算了河岸的平均擺動速率。Yao等［8］運用遙感技術(shù)研究了1977—2008年黃河寧蒙河段的河岸沖淤面積變化，并對其河岸侵蝕的原因進行了分析。毛鋒等［9］利用多源遙感數(shù)據(jù)，結(jié)合地形圖資料，對清口地區(qū)兩次大規(guī)模的河道變遷進行了識別，指出影響河道演變的因素主要為自然因素和人為因素。而結(jié)合RTK地形數(shù)據(jù)，采用3S技術(shù)對黃河內(nèi)蒙古段下游河道橫斷面沖淤演變的研究報道較少。本文采用3S技術(shù)對黃河內(nèi)蒙古段的歷史多光譜遙感影像數(shù)據(jù)進行解譯，通過對不同年份129個斷面主河槽寬度變化情況進行分析來揭示黃河內(nèi)蒙古段下游河道演變過程，以典型斷面河槽寬度變化率為基礎，探討影響該河段沖淤演變的主要因素。

1 研究區(qū)概況

黃河內(nèi)蒙古段位于黃河“幾”字形大彎曲的最北端，介于北緯37°35′～41°50′、東經(jīng)106°10′～112°50′之間，從寧夏的石嘴山入境，至鄂爾多斯市準格爾旗馬柵鄉(xiāng)出境，全長約840 km。按行政區(qū)域分為4段，自上游至下游依次為烏海分段、巴彥淖爾分段、包頭分段及準格爾旗分段，本文選取的斷面處于巴彥淖爾分段蒲圪卜至準格爾旗分段岔河口河段，如圖1所示。

圖1 黃河內(nèi)蒙古段示意圖

研究河段全長254 km，河道走向為自西北向東南，上游為平原型河道，下游為峽谷型河道，河道地形復雜，淺灘彎道較多，曲率較大。為更精準地反映河道演變特征，根據(jù)河道形態(tài)情況、基岸沖刷條件和水文站位置等因素，將研究河段分為7個子河段，并在各子河段間均勻插入了控制斷面，包括典型斷面（9個）共計129個，如圖2所示。

圖2 河段分割及控制斷面點

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

選取美國陸地資源衛(wèi)星TM（1995年）、ETM（1999年）、TM（2006年）和OLI-TIRS（2013年）4期多光譜遙感影像為數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)為Level3幾何精校正產(chǎn)品，具有分辨率高、信息量相對完整等優(yōu)點，校正后的均方根誤差控制在1個像素以內(nèi)，即小于30m。在影像時間選取上優(yōu)先選擇了秋季平水期，可避免豐水期和枯水期的影響，影像云量均小于0.1%，信息量相對完整，能很好地反映地物信息。

遙感影像數(shù)據(jù)處理是通過計算機對影像中各類地物的光譜及空間信息進行分析，以ENVI 4.7和Arc GIS 9.3為數(shù)據(jù)處理平臺，對研究區(qū)域的4幅遙感影像分別進行最佳波段組合、線性增強、圖像整飾、特征提取、最大似然分類等預處理，根據(jù)水體的光譜特征及各波段的應用領域選取7、4、3波段組合為最佳組合波段。結(jié)合野外實地觀測，在GIS軟件支持下采用人機交互式解譯方法提取河道信息，再對提取的信息進行顏色調(diào)整、分類統(tǒng)計分析、過濾處理和小斑點處理等圖像后處理，最后輔以定位在河道矢量圖中的大地坐標，對蒲圪卜—岔河口河段的129個斷面點河槽寬度進行測量和統(tǒng)計，將不同年份的河道圖層進行疊加、編輯和矢量對比分析，得出不同時期河道平面形態(tài)及其演變歷史。

2.2 河道演變計算方法

河槽寬度變化率是刻畫河槽寬度及河道形態(tài)的一個重要參數(shù)，也是反映河道沖淤演變程度的重要指標。以遙感影像解譯為主導，在GIS軟件的支持下對解譯結(jié)果進行空間信息的測量和統(tǒng)計，根據(jù)不同年份129個斷面的河槽寬度，計算主河槽寬度變化率，進而分析河道沖淤演變。河槽寬度變化率φ計算公式為

式中B1、B2分別為T1、T2時刻各斷面的河槽寬度。φ值為正說明河道增寬，為負說明河道萎縮。

3 結(jié)果與分析

利用2014年10月黃河野外RTK地形實測數(shù)據(jù)對同年11月遙感影像數(shù)據(jù)解譯結(jié)果進行精度驗證。本文所選影像的空間分辨率均在30m以內(nèi)，所以圖像校正后解譯出的河槽寬度誤差一般在30m以下［10］，而黃河內(nèi)蒙古段蒲圪卜—岔河口河段的平均河寬在350m左右，平均相對誤差約為8%，該誤差在可接受范圍之內(nèi)，可以定量反映出區(qū)域河床的變化及擺動情況。

選取頭道拐上游4.6 km至蒲灘拐下游2 km河段20個斷面的實測河槽寬度與3S解譯結(jié)果進行相關(guān)性分析，如圖3所示，解譯的主河槽寬度與實測結(jié)果吻合較好，R2達到0.8853，均方根誤差為27.7m，占實測樣本均值的8.9%。

圖3 河寬實測值與解譯值對比

圖4 各子河段河道演變

3.1 河道沖淤演變過程分析

為了更好地研究黃河內(nèi)蒙古段典型河段的歷史沖淤演變情況，根據(jù)影像的解譯結(jié)果及典型斷面大地坐標的定位，輔以河道形態(tài)情況、基岸沖刷條件等，將研究河段7個子河段逐一進行分析，以直觀反映蒲圪卜—岔河口河段1995—2013年的河道演變特性，結(jié)果如圖4所示。

a.1999年與1995年相比，φ值為-19%，主河槽寬度呈現(xiàn)萎縮狀態(tài)。其中DM1長為37.75 km，東西走向，屬游蕩性河段，受彎道水流特性影響，主河道向凹岸一側(cè)偏移；DM2、DM3的萎縮程度較為明顯，φ值分別達到-25%和-23%。河道受水流沖刷及右岸“十大孔兌”來水來沙影響，這兩個河段最大偏移距離達到300m左右；DM6、DM7為南北走向，河道近似為直道，平面擺動小，φ值變化不大，河槽寬度基本趨于穩(wěn)定。

b.2006年與1999年相比，φ值達到31%，河道呈現(xiàn)增寬趨勢，河道平面擺動不穩(wěn)定，幅度相差較大，受大流量影響，河道裁彎取直現(xiàn)象明顯（圖5）；DM2長為20.6 km，河道主河槽以向右岸遷移為主，昭君墳至下游5 km彎道凹岸處出現(xiàn)兩處拓寬，寬度為617m和1300m；磴口村附近的彎道較多，受水力條件的影響較大，多處出現(xiàn)了裁彎取直現(xiàn)象，如圖5（b）所示。

圖5 河道裁彎取直提取結(jié)果

c.2013年與2006年相比，φ值為-14%，河道雖呈現(xiàn)萎縮狀態(tài)，但各子河段變化較為穩(wěn)定，上游河段因彎道多，擺動幅度較下游大，最為明顯的為DM2河段，φ值達到-42%。

d.總體來講，1995—2013年，主河槽寬度平均萎縮了32.24m，河槽寬度變化率φ=-9%，河道整體呈現(xiàn)萎縮狀態(tài)。上游河段彎道較下游多，平面擺幅狀態(tài)也較明顯。DM1～DM5的平面擺動幅度較為突出，擺動距離最大的位置均發(fā)生在河道彎曲處，多處出現(xiàn)裁彎取直現(xiàn)象；DM7、DM8河道近于直道，其地質(zhì)條件相對穩(wěn)定，河槽寬度演變趨勢不明顯。

3.2 典型斷面主河槽寬度定量分析

河槽寬度及其變化率可定量表征不同時期的河道演變特征，在GIS軟件統(tǒng)計功能的支持下，結(jié)合野外實際觀測，對選取的9個典型斷面的主河槽寬度進行量化分析。受河道形態(tài)影響，同一時段內(nèi)各典型斷面的河槽寬度差異較大，最大河槽寬度達到487.95m，最小河槽寬度僅有182.81m，但總體變化趨勢一致，如1995—2013年河道呈淤積趨勢，9個典型斷面河槽寬度均呈萎縮趨勢，河槽寬度及其變化率如表2所示。由表2可知，蒲圪卜、包神鐵路、頭道拐3個斷面變化幅度較為穩(wěn)定，昭君墳和磴口村斷面受彎道環(huán)流的影響，河槽寬度變化率較大。

表2 典型斷面河槽寬度及其變化率

3.3 河槽寬度變化影響因素分析

不同河床地質(zhì)條件下河槽寬度變化率呈顯著差異。蒲圪卜斷面河床為基巖，河槽寬度變化率最小，河勢穩(wěn)定；昭君墳斷面位于由粉細砂組成的沖積平原區(qū)，自然地勢為南高北低，受南岸庫布其沙漠及上游“十大孔兌”的影響，斷面的水沙與風沙入河量較大，且顆粒粒徑多集中在0.1m以上，不易被水流挾帶，輸移過程中容易在河道淤積［11-12］，φ值最大達到-33%，在不同年份呈現(xiàn)不穩(wěn)定的沖淤變化。圖6為頭道拐水文站1995—2013年年平均徑流量，可以看出，不同時期的流量變化與河道沖淤狀況相關(guān)。1995—1999年，頭道拐年平均流量呈遞減趨勢，使得輸沙能力減弱，河道淤積；1999—2006年，隨著流量的持續(xù)增加，主河槽沖刷較嚴重，同時期河槽寬度變化率為正值；2012年該水文站出現(xiàn)了流量極大值，達到900m3/s［13］，而2013年流量又呈現(xiàn)下降趨勢，河道再次淤積。因此，不同河床地質(zhì)條件及流量、含沙量條件是影響河道沖淤演變的重要因素。

圖6 頭道拐水文站1995—2013年年平均流量

研究區(qū)上游彎道較多，受彎道橫向環(huán)流的作用，河槽變化幅度較下游明顯。河道演變最嚴重的區(qū)域均出現(xiàn)在河流彎道處，在彎道環(huán)流及水流沖刷力的影響下，河床泥沙會沿主流由凹岸向凸岸移動，使得彎道凹岸不斷被侵蝕，而凸岸不斷淤積，從而改變河道形態(tài)，進一步演化為裁彎取直。因此，河道形態(tài)也是影響河道演變的重要因素之一。

4 結(jié) 論

a.黃河內(nèi)蒙古段蒲圪卜—岔河口河段1995—2013年河道呈萎縮狀態(tài)，河槽寬度變化率為-9%；受流量過程持續(xù)增大的影響，2006年較1999年河槽寬度變化率達到31%。

b.河道演變受多重因素的影響，其中河床地質(zhì)條件、河道來水來沙條件及河道形態(tài)是影響河道演變的重要因素。

c.受彎道環(huán)流作用，彎道處河道平面擺幅大，多處出現(xiàn)裁彎取直現(xiàn)象，因此在河道的長序列監(jiān)測及進行河道整治的過程中，要將重點放在彎道處，有效保障彎道兩岸建筑物的安全。

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Analysis of characteristics of river channel evolution in Inner M ongolia reach of Yellow River based on 3S technology

ZHAO Shuixia，LI Changyou，LI Chao，SHI Xiaohong，SUN Biao，ZHAO Shengnan
（College of Water Conservancy and Civil Engineering，InnerMongolia Agricultural University，Hohhot 010018，China）

In order to explore the large-scale long-term law of river channel evolution in the Inner Mongolia reach of the Yellow River，the Pugebu-Chahekou section was selected as a study area.The lateralmigrations of the river channel and the changes in river width at 129 cross-sectionsmonitored in different years were analyzed using 3S technology and RTK data on the basis of four groups of multi-spectral remote sensing image data during the period of 1995，1999，2006 and 2013.The results show that the interpreted river morphology results using the 3S technology agreed with the measured results.The average width of the river showed a tendency of shrinkage，although fluctuation existed.The river width of the main stream decreased by 32.24 m on average from 1995 to 2013，with a change rate of-9%.Curve cutoff phenomena occurred more than once.The geological conditions，inflowing water and sediment conditions，and channelmorphology are important factors affecting river channel evolution.The change rates of river width in the sandy riverbed sections ranged from-12%to-33%，which were greater than those in the bedrock riverbed sections.The apparent shrinkage of the Zhaojunfen cross-section was affected by the increase of the contentof sand into the Yellow River from the KubuqiDesert in the south and ten tributaries upstream.

Inner Mongolia reach of Yellow River；river channel evolution；channel shrinkage；3S technology；remote sensing data

TV147

A

1006- 7647（2016）04- 0070- 05

10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.04.013

2015- 06 28 編輯：熊水斌）

國家自然科學基金（51369017，51369021）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然基金（2012MS0721）

趙水霞（1992—），女，碩士，主要從事河冰水力學及河道演變遙感監(jiān)測研究。E-mail：zhaoshuixia@emails.imau.edu.cn

李暢游（1955—），男，教授，主要從事水環(huán)境保護與水環(huán)境修復研究。E-mail：nndlichangyou@163.com