基于不同潮位的黃河三角洲海岸帶形態(tài)變化研究

單春芝，來慶廣，劉焱春，石錦坤

（1.青島地質(zhì)工程勘察院（青島地質(zhì)勘查開發(fā)局），山東 青島 370200；2.自然資源部 濱海城市地下空間地質(zhì)安全重點實驗室，山東 青島 370200）

受黃河泥沙輸送以及海洋動力作用影響，黃河三角洲海岸帶的形態(tài)一直處于動態(tài)變化的狀態(tài)［1］。筆者在多年持續(xù)的業(yè)務(wù)工作中發(fā)現(xiàn)，近年來黃河三角洲形態(tài)變化明顯，原因未知。因此，分析黃河三角洲近年來形態(tài)變化特征，把握其變化規(guī)律，不論是對黃河的調(diào)水調(diào)沙工作，還是對研究近年來黃河三角洲變化加劇的原因都具有重要意義。

對于宏觀區(qū)域的演化分析，遙感手段是一種有效、精準(zhǔn)的方法。已有研究主要從確定海岸線的角度分析濱海地區(qū)形態(tài)變化，主要有一般高潮線法、低潮線法等［2～3］。薛允傳等［4］采用平均高潮線法解譯黃河三角洲25 a的岸線信息，分析其岸線變化特征及時空發(fā)育規(guī)律。楊江平等［1］以低潮線為基線，研究了1996—2011年黃河口河道、岸線演變特征及近岸淤蝕狀況。上述方法主要是利用多期遙感影像，通過遙感影像自動分類、人機(jī)交互識別［5－9］的方法確定岸線位置，分析歷史變化規(guī)律。此外，黃李冰等［10］從黃河行河河道的洪枯季變化的角度，研究黃河現(xiàn)行入海流路的擺動規(guī)律及其趨勢。程慧等［11］采用遙感技術(shù)及數(shù)理統(tǒng)計法對岸線及面積變化進(jìn)行監(jiān)測計算，分析了黃河三角洲4個不同階段的沖淤演變及影響因素。

濱海區(qū)域演變過程分析中的海岸線，是基于遙感影像人工判讀、加工出的“一條線”，而從遙感影像獲取的最直觀、最精確的瞬時水邊界數(shù)據(jù)并未得到直接利用，也沒有體現(xiàn)高潮、低潮間海岸帶的變化。本研究收集2003年以來黃河三角洲地區(qū)遙感影像，根據(jù)臨近海域潮汐的變化規(guī)律，利用農(nóng)歷日潮汐的變化規(guī)律推算影像成像時間對應(yīng)的潮位，將影像根據(jù)潮位分為高潮、低潮兩組。通過人機(jī)交互的方式解譯兩組瞬時水邊界數(shù)據(jù)，分析黃河三角洲整體及局部變化過程、新生沙洲以及入海口位置、方向的變化規(guī)律，用于表征黃河三角洲海岸帶形態(tài)變化特征。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于黃河三角洲區(qū)域1號與2號點之間，1號點坐標(biāo)為東經(jīng)119°05′48.31″、北緯37°51′09.23″，2號點坐標(biāo)為東經(jīng)119°01′19.87″、北緯37°41′28.67″，如圖1所示，影像為2020年10月24日Landsat 8低潮時遙感影像。1976—1996年黃河向東南方向入海，1996—2007年改向東流，2007年再次改道向北入海，2012年河道繼續(xù)向北遷移，并且開始分叉。至2020年，沿主河道向北淤積嚴(yán)重，已經(jīng)與西側(cè)孤東大堤形成U形海灣，主河道入海口處形成兩處沙洲。

圖1 研究區(qū)范圍

2 數(shù)據(jù)與實驗

2.1 數(shù) 據(jù)

收集29景研究區(qū)美國陸地資源系列衛(wèi)星影像（http：／／ids.ceode.ac.cn／獲?。?，空間分辨率30 m，補(bǔ)充1景國產(chǎn)高分系列衛(wèi)星影像（中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心http：／／www.cresda.com／CN／獲?。?，空間分辨率16 m，時間跨度為2003—2020年。該影像既能滿足海岸帶變化分析的精度要求，又能滿足覆蓋范圍的要求，適用性較好。

根據(jù)羅丹等［12］的研究成果，黃河三角洲區(qū)域與萊州灣潮汐均為不規(guī)則半日潮。由于無法獲得黃河三角洲區(qū)域詳盡的歷史潮汐數(shù)據(jù)，因此利用萊州灣濰坊港的潮汐數(shù)據(jù)代表黃河口區(qū)域的潮汐數(shù)據(jù)。由于只能獲得濰坊港2020年的數(shù)據(jù)，其他歷史潮汐數(shù)據(jù)需要推算獲得，因此利用影像獲取時間對應(yīng)的農(nóng)歷日時間，對照2020年相同農(nóng)歷日所對應(yīng)的日期，從海事服務(wù)網(wǎng)（ht?tps：／／www.cnss.com.cn／tide／）查詢?yōu)H坊港2020年潮位，推算影像獲取時的潮位信息。根據(jù)海事服務(wù)網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，濰坊港高潮為2.2 m左右、低潮為0.7 m左右，獲得完全與高、低潮時間相匹配的影像較為困難，利用潮位推算結(jié)果，篩選潮位在1.5 m以上時對應(yīng)的影像作為高潮影像，潮位在1 m以下時的影像作為低潮影像，見表1、表2。

表1 高潮影像信息

表2 低潮影像信息

2.2 實 驗

2.2.1 數(shù)據(jù)處理

本研究所獲取的衛(wèi)星遙感影像為L1級數(shù)據(jù)，經(jīng)過了系統(tǒng)輻射校正和地面控制點的幾何校正。按照研究區(qū)范圍裁剪影像，為便于后續(xù)假彩色合成，保留藍(lán)光、綠光、紅光以及近紅外波段數(shù)據(jù)。為保證對比分析的可靠性，以2003年影像為基準(zhǔn)影像，配準(zhǔn)其他影像，配準(zhǔn)誤差在1個像元以內(nèi)。長度、面積、角度計算在高斯－克呂格投影（3°分帶，120°中央經(jīng)線）坐標(biāo)系進(jìn)行。

本研究通過人機(jī)交互方式目視解譯各期遙感影像瞬時水邊界數(shù)據(jù)，為突出水陸分界，采用綠光、紅光、近紅外波段標(biāo)準(zhǔn)假彩色合成影像［13］，解譯過程可通過調(diào)節(jié)影像直方圖、對比度、亮度等方式增強(qiáng)圖像，提高解譯效果。解譯過程原則統(tǒng)一，在灘涂和水域明顯區(qū)分的地方勾畫水邊界，潮灘上細(xì)小的潮溝和黃河入?？谔?，拉直勾畫；對于處于零散狀態(tài)、邊界不夠明顯的區(qū)域，以呈片狀分布的灘涂區(qū)域外邊界勾畫；沙洲單獨勾畫。最后形成高潮、低潮水邊界矢量數(shù)據(jù)集，獲得9條高潮瞬時水邊界和10條低潮瞬時水邊界，見圖2。

圖2 瞬時水邊界解譯結(jié)果及斷面布設(shè)

2.2.2 斷面計算

在海岸形態(tài)變化分析方面，采用較為成熟的美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）研發(fā)的數(shù)字海岸線分析系統(tǒng)（DSAS，Digital Shoreline Analysis System）進(jìn)行岸線形態(tài)的計算、分析。該系統(tǒng)主要是在研究區(qū)均勻設(shè)置一定密度的斷面，通過計算斷面點的變化來反映區(qū)域內(nèi)海岸形態(tài)的變化。比如劉鵬等［14］通過獲取黃河三角洲多年一般大潮高潮線，采用數(shù)字岸線分析系統(tǒng)和岸線分形分析法，定量分析了黃河三角洲岸線長度、形態(tài)及變化過程。

根據(jù)瞬時水邊界解譯結(jié)果，黃河入?？谔幇毒€形態(tài)變化角度、距離較大，無法直接利用DSAS系統(tǒng)計算斷面變化。分析可知黃河三角洲主要有8個典型變化區(qū)域，本研究參照DSAS方法，根據(jù)這些變化區(qū)域分別設(shè)計8條監(jiān)測斷面（高潮GC01～GC08、低潮DC01～DC08），斷面盡量設(shè)計在變化波動最大的區(qū)域，鑒于高、低潮時變化位置有差別，部分?jǐn)嗝嫖恢迷诟?、低潮時有調(diào)整，如圖2所示。以最早一期的瞬時水邊界作為基線，斷面與基線交點為基點，分別計算高、低潮時其他各個時期水邊界與斷面交點（簡稱“斷面交點”）至基點的距離，從而計算出斷面上各個時期淤積或侵蝕的距離以及平均速率。

2.2.3 入?？谖恢眉胺较蛴嬎?/p>

黃河入海口的遷移變化是整個黃河三角洲海岸帶形態(tài)變化最典型、最直觀的反映，已有的研究重點則更多集中在海岸線的變化上，如楊江平等［1］在研究中定性給出了黃河入海的位置及方向。

為便于分析研究，本研究將河口處水邊界的中點作為入海口位置，河口水邊界上游1 km處河道中心點至河口水邊界中心點所形成矢量的地理方位角作為黃河的入海方向，如圖3所示。根據(jù)瞬時水邊界的解譯結(jié)果，進(jìn)一步解譯并定量計算黃河入?？诘倪w移過程。存在沙洲時，為了突出河道的變化，將沙洲與陸地相夾形成的河道作為入?？谟嬎闫淙牒７较颉１疚乃f的入?？谖恢檬侵溉牒？谔庍b感解譯水邊界的中點，并不具有嚴(yán)格的地學(xué)意義。

圖3 入?？谖恢眉胺较蚪庾g示意

3 結(jié)果分析

3.1 海岸帶變化情況

3.1.1 總體變化情況

根據(jù)基期和末期的瞬時水邊界矢量信息，通過線－面轉(zhuǎn)換、矢量疊加分析，得到黃河三角洲海岸帶區(qū)域淤積、侵蝕空間分布狀況，如圖4（a）所示。高潮時，淤積面積66.39 km2，年平均淤積速率3.91 km2／a，主要集中在三角洲東北部區(qū)域；侵蝕面積64.46 km2，年平均侵蝕速率3.79 km2／a，主要集中在三角洲西北、東南及南部區(qū)域。低潮時，淤積面積90.36 km2，年平均淤積速率5.32 km2／a，主要集中在三角洲北部、東部和西南部區(qū)域；侵蝕面積33.50 km2，年平均侵蝕速率1.97 km2／a，主要集中在老黃河口以及西北部區(qū)域。

為了比較海岸帶的變化情況，根據(jù)2004年、2020年高潮、低潮瞬時水邊界形成兩期海岸帶區(qū)域，如圖4（b）所示，2004年海岸帶面積82.99 km2，2020年海岸帶面積83.73 km2，總面積并未發(fā)生明顯變化，但在空間分布上發(fā)生了較為明顯的變化，北部區(qū)域海岸帶變窄，現(xiàn)行河口區(qū)域海岸帶整體向海遷移。東部區(qū)域海岸帶也整體向外遷移，但高潮、低潮線還能明顯區(qū)分。老黃河區(qū)域高潮、低潮線整體向陸地遷移，海岸帶寬度未發(fā)生明顯變化。南部及西南部區(qū)域海岸帶寬度明顯變大。海岸帶變化定量表征見3.1.3節(jié)。將本研究成果與黃河口區(qū)域已有的一般高潮線法［1］和低潮線法［2］成果進(jìn)行比較，鑒于研究時間和范圍的不同，本文僅對部分?jǐn)嗝孢M(jìn)行定性比較，結(jié)果見表3?？梢钥闯觯狙芯糠椒ㄅc一般高潮線法和低潮線法在整體上具有相同的結(jié)論。

圖4 淤積、侵蝕空間分布

表3 與已有研究成果的對比

3.1.2 區(qū)域變化情況

計算高潮、低潮時各斷面交點至基點的距離d1、d2，保留整數(shù)米，見表4、表5，正值代表向海淤積，負(fù)值代表向陸侵蝕。結(jié)合高潮、低潮時8條斷面交點至基點距離變化圖，可以清晰看出黃河口區(qū)域淤積－侵蝕變化過程，如圖5所示。

圖5 斷面交點至基點距離變化

表4 高潮斷面交點至基點距離d1 m

表5 低潮斷面交點至基點距離d2 m

第2、3、6條斷面所在區(qū)域一直處于淤積狀態(tài)，且第3條斷面淤積速度最快。高潮時，其最大淤積距離為10.30 km，平均淤積速度0.61 km／a；低潮時，其最大淤積距離為9.62 km，平均淤積速度0.60 km／a。高潮、低潮時淤積趨勢、速度相似。

第1、7條斷面所在區(qū)域均處于逐漸侵蝕的狀態(tài)，且第7條斷面侵蝕速度最快。高潮時，其最大侵蝕距離為4.51 km，平均侵蝕速度0.27 km／a；低潮時，其最大侵蝕距離為3.91 km，平均侵蝕速度0.24 km／a。高潮、低潮時侵蝕趨勢、速度相似。

第4條斷面在高潮時呈現(xiàn)逐漸淤積的狀態(tài)，低潮時先侵蝕后淤積。第5條斷面在高潮、低潮時均為先淤積后侵蝕的過程，但高潮時整體處于淤積狀態(tài)。第8條斷面在高潮時處于波動侵蝕的狀態(tài)，而在低潮時呈現(xiàn)逐漸淤積的狀況，這導(dǎo)致該區(qū)域潮間帶的寬度被拉大、灘涂面積增大。具體見圖4。

3.1.3 海岸帶變化表征指標(biāo)

基于上述分析，提出表6所列指標(biāo)，用于表征區(qū)域海岸帶的變化趨勢。

根據(jù)表6中的指標(biāo)定義，計算黃河三角洲2003—2020年海岸帶變化指標(biāo)，結(jié)果見表7?？傮w指標(biāo)中海岸帶高潮時向陸遷移總面積為64.46 km2，向海遷移總面積為66.39 km2；低潮時海岸帶向陸遷移總面積33.50 km2，向海遷移總面積90.36 km2。有3條斷面高潮線向陸侵蝕，最大侵蝕距離4.51 km，5條斷面高潮線向海淤積，最大淤積距離10.30 km；3條斷面低潮線向陸侵蝕，最大侵蝕距離3.91 km，5條斷面低潮線向海淤積，最大淤積距離9.62 km。海岸帶寬度在斷面8處變寬達(dá)8.13 km。海岸帶中心點在斷面3處向海遷移達(dá)9.96 km，在斷面7處向陸遷移4.21 km?？臻g分布變化狀況見圖4。

表6 海岸帶變化表征指標(biāo)

表7 黃河三角洲海岸帶形態(tài)變化結(jié)果

3.2 沙洲變化情況

根據(jù)韓香舉等［15］關(guān)于黃河三角洲沖淤時空演變的研究成果，在2009—2014年、2017—2018年現(xiàn)行河口口門處淤積量大幅增加。根據(jù)本研究影像解譯結(jié)果，2013年11月高潮時在入海口處出現(xiàn)面積為0.31 km2的沙洲，河道分叉，隨后向東北側(cè)發(fā)育，如圖6所示，2020年已發(fā)展為面積6.95 km2的穩(wěn)定灘涂，灘面逐漸被互花米草穩(wěn)固。2020年起，在北側(cè)區(qū)域發(fā)育形成第二片沙洲，面積5.12 km2，再次分叉河道。

圖6 沙洲面積變化

低潮時出現(xiàn)了類似的情況，但沙洲出現(xiàn)的時間較早，面積0.28 km2，在空間上較高潮時的沙洲偏北2.5 km，低潮時沙洲的演變方向為東南向，與高潮時不同。發(fā)展到2020年，面積達(dá)到11.53 km2，北部沙洲在低潮時面積也達(dá)到8.04 km2。

3.3 入?？谖恢眉叭牒７较?/h3>

關(guān)于黃河入海口位置、方向變化定量精確計算的研究成果較少，為了便于分析入?？谶w移變化過程，根據(jù)高低潮瞬時水邊界的解譯結(jié)果，按照2.2.3節(jié)的方法計算高潮、低潮時入?？谖恢眉胺较?，結(jié)果見表8。東向、北向坐標(biāo)為高斯投影（3°帶，中央經(jīng)線120°）下的平面坐標(biāo)。高潮、低潮日期后的（1）（2）代表分叉河道的入?？谖恢?，高潮時有3個時期出現(xiàn)河道分叉，低潮時有5個時期出現(xiàn)河道分叉。

表8 黃河入?？谖恢?、入海方向

根據(jù)圖7所示黃河入?？跁r間、空間遷移變化情況可知，高潮時，2007年之前入海方向在58°～99°之間，入?？谙蚝Ｍ七M(jìn)約5 km。2007年9月解譯結(jié)果顯示，黃河河道向北分叉，分別向349°、33°方向入海，此后，在7°～26°形成主河道。2013年河口出現(xiàn)小規(guī)模沙洲，2015年沙洲規(guī)模變大，使得河道明顯向5°和74°兩個方向分叉。2020年北向河道再次向72°和331°方向分叉，至此黃河入?？谔幮纬?處入海河道，比2003年河道分別向東北方向遷移約9.3、7.0 km，向西北方向遷移約11.4 km。

圖7 入?？跁r間、空間遷移變化

低潮時，2007年入?？谖恢门c2004年相比變化不大，2008年改向8°方向流出，空間位置上比2004年向西北遷移約6.2 km。2012年出現(xiàn)小規(guī)模沙洲，2014年沙洲面積擴(kuò)大，形成較為明顯的分叉河道，分別向88°和357°方向流出。此后，河道繼續(xù)沿這兩個方向向海推進(jìn)，2020年北向河道再次發(fā)生分叉，分別向90°和336°方向流出，至此低潮時也形成3處入海河道，比2004年河道分別向東北方向遷移約8.9、5.4 km，向西北方向遷移約12.3 km。

4 結(jié) 語

本研究基于黃河三角洲歷史影像以及潮位數(shù)據(jù)，解譯三角洲區(qū)域高潮、低潮瞬時水邊界，通過計算典型斷面變化量，分析海岸帶、新生沙洲以及入?？谖恢谩⒎较蜃兓厔?，提出表征海岸帶變化的指標(biāo)。研究結(jié)果表明，利用高潮、低潮兩方面數(shù)據(jù)分析能夠全面表征2003—2020年黃河三角洲海岸帶形態(tài)演變趨勢。利用海岸帶變化指標(biāo)能夠定量計算區(qū)域內(nèi)海岸帶的具體變化量，證明該指標(biāo)在海岸帶演變的研究工作中能夠發(fā)揮作用，筆者將在今后工作中繼續(xù)完善、推廣。