黃河三角洲北部近岸懸浮物季節(jié)性分布及驅(qū)動因素

林聰泳，陳沈良*，李鵬，姬泓宇，凡姚申，禹定峰

( 1. 華東師范大學 河口海岸學國家重點實驗室，上海 200241；2. 黃河水利委員會黃河水利科學研究院，河南 鄭州 450003；3. 山東省科學院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266061)

1 引言

懸浮顆粒物（Suspended Particulate Matter, SPM）指的是非藻類顆粒物和浮游植物的總和， 是水體中主要的水色要素和水質(zhì)參數(shù)之一，也是泥沙輸運模擬計算的重要參量。受風浪、潮流、風暴潮等水文氣象因素以及局部地形的影響，三角洲近岸的懸浮物濃度有不同的時間尺度和周期變化，包括漲落潮、大小潮、季節(jié)性、事件性等變化，相應有不同的驅(qū)動機制。廢棄三角洲由于河流泥沙來源斷絕，在水動力作用下海岸不斷侵蝕，近岸泥沙強烈再懸浮，成為泥沙向外輸運擴散的物源[1]。1976年黃河由刁口河流路人工改道清水溝流路，黃河三角洲北部的刁口河口廢棄，海岸遭受強烈侵蝕，并持續(xù)至今。刁口河口附近常年存在一個高懸浮物濃度中心，然而受監(jiān)測條件的限制，該高懸浮物濃度中心的季節(jié)性分布變化還不甚了解。

衛(wèi)星遙感是懸浮物時空動態(tài)監(jiān)測的有效手段。近年，已有學者利用Landsat系列[2-5]和Sentinel-2 MSI衛(wèi)星數(shù)據(jù)[6]對黃河口懸浮物濃度進行了監(jiān)測，所建立的反演模型形式及所用光譜波段各不相同。通過實測光譜和懸浮物濃度數(shù)據(jù)對近些年黃河口水域所開發(fā)的懸浮物反演模型進行了評估[6]，發(fā)現(xiàn)周媛等[4]的模型在Landsat-8 OLI和Sentinel-2 MSI傳感器上的表現(xiàn)要優(yōu)于其他模型，即同時包含可見光波段和近紅外波段且采用非線性形式的模型具有較好的魯棒性，在同一片水域具有時間上可移植性。其他研究也證明，使用可見光波段和近紅外波段相結(jié)合的方式，并采用非線性模型形式能較準確地反演懸浮顆粒物濃度[7-8]。

通過遙感反演懸浮物濃度技術(shù)，研究者們發(fā)現(xiàn)了一些近岸懸浮物濃度的變化特征和規(guī)律。如Ramaswamy等[9]發(fā)現(xiàn)海灣的懸浮物時空分布與鄰近海域的潮汐變化有密切的關(guān)系；劉猛等[10]通過反演杭州灣海區(qū)懸浮物濃度的時空分布，發(fā)現(xiàn)海灣水位、潮流分布狀況是該海區(qū)懸沙分布變化的主要影響因素；Barnes等[11]指出港口疏浚工程會導致近岸海域高濃度懸沙和濁流的出現(xiàn)，進而對附近珊瑚群落的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。在研究區(qū)懸浮物的時空動態(tài)研究方面，Zhang等[12]利用Landsat-5 TM和Landsat-7 ETM+遙感數(shù)據(jù)分析了2000-2010年黃河三角洲近岸海域懸浮物年際變化和季節(jié)性分布特征，但沒有分析其驅(qū)動因素；Li等[6]利用Landsat系列和Sentinel-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)，分析了1997-2018年黃河口及近海域（包括刁口河口）逐年和逐月的分布特征，并結(jié)合氣象和海洋動力因素分析其對懸浮物時空分布的影響。同時指出，刁口河口懸浮物年際間變化并不明顯，且基本不受現(xiàn)黃河入海水沙的影響。

由于黃河三角洲海域水動力過程復雜多變，懸浮物含量短時間變化很大。常規(guī)水文現(xiàn)場觀測與采樣分析方法，具有調(diào)查速度慢、用時長、效率低的特點，不能夠?qū)崟r的監(jiān)測，而且這些方法測量得到的數(shù)據(jù)在時間和空間分布上是離散的，很難實現(xiàn)對大面積海域懸浮泥沙分布動態(tài)變化的連續(xù)同步監(jiān)測。因而黃河三角洲海域懸浮泥沙濃度數(shù)據(jù)量較少，不能夠滿足研究需求，其時空分異規(guī)律及驅(qū)動因素還沒有得到明晰，特別是三角洲北部的強侵蝕岸段海域。鑒于此，本文通過遙感反演技術(shù)，利用Landsat-8 OLI和Sentinel-2 MSI衛(wèi)星影像，研究2016-2018年黃河三角洲北部近岸海域懸浮物的季節(jié)性分布規(guī)律及影響因素，明晰這些科學問題對三角洲侵蝕防護、近岸漁業(yè)資源開發(fā)利用及生態(tài)環(huán)境保護等方面具有重要的參考價值和指導意義。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 研究區(qū)域

黃河三角洲位于渤海西南部，北臨渤海灣，東靠萊州灣[13]，屬于弱潮河控型三角洲，其由高輸沙能力的河流注入弱潮動力環(huán)境海域所形成，曾是世界上堆積速率最快、演變最劇烈的河口三角洲。1964年1月至1976年5月，黃河從三角洲北部刁口河流路入海，行水歷時12年5個月，期間來水5 231.07×108m3，來沙134.46×108t。黃河三角洲沿岸平均潮位每年11月到翌年2月表現(xiàn)最低，8-10月明顯偏高。通過對2013年孤東驗潮站整年觀測潮位統(tǒng)計得知，孤東海域的大潮潮差大多為0.9～1.0 m，小潮潮差大多為0.5 m，二者相差約2倍。NE向浪是黃河三角洲北部海域的常向浪，頻率為10.3%，強浪主要來自NNE-ENE方位，尤以NE向最強，其次為NW向浪。就各級波浪出現(xiàn)的頻率而言，該海域最常見的波浪波高一般小于0.5 m，出現(xiàn)頻率為51.1%，其次為波高介于0.5～1.5 m之間的波浪，出現(xiàn)頻率為35.3%，波高介于1.5～3.0 m之間的波浪，出現(xiàn)頻率為11.8%，而波高大于3.0 m的波浪出現(xiàn)頻率為0.5%。黃河三角洲附近海域沉積物粒徑平面分布特征總體為由岸向海逐漸變細，三角洲北部海域黏土含量低于10%，砂的含量最高可達到60%，中值粒徑6.5Φ、6Φ、5.5Φ等值線基本平行。1976年5月黃河入海流路改道清水溝，三角洲北部的廢黃河口（刁口河口）水沙來源斷絕，在波、流動力作用下遭受強烈侵蝕，是典型的蝕退海岸（圖1）。至2019年，該區(qū)域岸線最大蝕退達11 km，海岸侵蝕總面積近300 km2，嚴重威脅了河口濕地生態(tài)安全和潮間帶土地資源。

圖1 研究區(qū)位置，黃河三角洲主要入海流路及海岸侵蝕分布Fig. 1 Study area, related river channels, and coastal erosion in the Yellow River Delta

2.2 遙感數(shù)據(jù)與處理

本研究選擇2016-2018年質(zhì)量較好（云量＜5%）的93景衛(wèi)星影像，其中包括29景Landsat-8 OLI影像，37景Sentinel-2A MSI影像以及27景Sentinel-2B MSI影像。保證每個月至少有6景影像（表1）。Landsat-8是美國最新一代陸地衛(wèi)星，其傳感器性能較之前的Landsat系列衛(wèi)星有較大的提升，于2013年2月發(fā)射，屬于太陽同步衛(wèi)星。OLI（Operational Land Imager）是搭載其上的多光譜傳感器，幅寬為185 km，空間分辨率為30 m，有8個多光譜通道。每天大約10:40在黃河三角洲上空過境，重訪期為16 d。Landsat-8 OLIL1b產(chǎn)品可從美國地質(zhì)調(diào)查局遙感圖像數(shù)據(jù)庫（https://earthexplorer.usgs.gov/）獲得。

表1 本研究中衛(wèi)星影像的數(shù)量分布Table 1 The number distribution of satellite images in this study

Sentinel-2有兩顆衛(wèi)星組成，A星于2015年6月發(fā)射，B星于2017年3月發(fā)射，同屬于太陽同步衛(wèi)星。MSI（Multi Spectral Instrument）是搭載上面的多光譜傳感器，幅寬為290 km，光譜觀測范圍可達13個波段，其中，綠波段（560 nm）、紅波段（665 nm）和近紅外波段（865 nm）與Landsat-8 OLI具有相似的光譜響應曲線。可見光波段的分辨率為10 nm，近紅外波段（中心波長為865 nm）的分辨率為20 nm。在黃河三角洲上空過境的時間在10:40-10:50之間，單顆星的重訪時間為10 d，雙星可達5 d。Sentinel-2A/B MSIL1b產(chǎn)品可從歐洲航天局（https://sentinel.esa.int/web/sentinel/）獲得。

研究表明，Landsat-8 OLI和Sentinel-2 MSI在水色遙感監(jiān)測表現(xiàn)出較好的一致性，可見光到近紅外波段表觀反射率的差異在1%以內(nèi)，遙感反射率Rrs產(chǎn)品的差異在5%以內(nèi)[14]。影像大氣校正和水體遙感反射率的計算使用的是暗光譜擬合DSF算法[14]，該算法封裝在ACOLITE軟 件 中（http://odnature.naturalsciences.be/remsem/acolite/）。通過實測光譜數(shù)據(jù)的驗證表明，該大氣校正方法在黃河三角洲近海水體具有較好的適用性[5]。

另外，每天逐時分辨率為0.25°×0.25°的風速風向數(shù)據(jù)、有效波高數(shù)據(jù)來自歐洲中尺度預報中心（ECMWF）開發(fā)的第五代全球氣候和大氣再分析軟件（https://cds.climate.copernicus.eu/）。水 深 數(shù) 據(jù) 為2015年 黃 河三角洲濱海區(qū)水下地形130條斷面實測數(shù)據(jù)。

2.3 懸浮物濃度反演模型

利用實測的光譜數(shù)據(jù)和SPM濃度數(shù)據(jù)對黃河口開發(fā)的諸多懸沙反演模型進行比較發(fā)現(xiàn)，同時包含可見光波段和近紅外波段的文獻[4]模型，在OLI和MSI傳感器上表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，模型的詳細介紹參見文獻[6]。因此，本研究直接將該模型應用到Landsat-8 OLI和Sentinel-2 MSI影像進行懸浮物濃度的反演。另外，需要說明的是由于遙感影像的反演結(jié)果基本反映的是表層懸浮物濃度，因此本文中所闡述的懸浮物濃度應指表層懸浮物濃度。

3 研究結(jié)果

3.1 兩種傳感器反演SPM濃度的比較

通過對不同傳感器在相同或相近日期獲取的影像反演結(jié)果進行交叉比較，可以評估所選反演模型的適用性和準確性。選擇2018年10月19日Landsat-8 OLI （10:41）反演的懸浮物濃度與同一天Sentinel-2 MSI（10:45）反演結(jié)果進行比較，以驗證和評估兩傳感器反演結(jié)果的一致性。由圖2所示，在相同日期相近時刻從兩個傳感器反演得到的懸浮物濃度具有良好的一致性，R2=0.97，均方根誤差RMSE=5.5 mg/L，平均相對誤差不超過8%。由此可見，基于Landsat和Sentinel-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)反演懸浮物濃度具有較高的一致性，兩種衛(wèi)星數(shù)據(jù)可以結(jié)合使用。

圖2 Landsat-8 OLI與Sentinel-2 MSI的交叉驗證Fig. 2 Cross validation of Landsat-8 OLI and Sentinel-2 MSI

3.2 SPM濃度季節(jié)性變化

利用93景Landsat-8 OLI和Sentinel-2 MSI衛(wèi)星影像，反演得到研究區(qū)逐月的平均懸浮物濃度分布（圖3）。本文將研究時段（2016-2018年）所有相同月份的反演結(jié)果的平均值作為月均懸浮物濃度，圖4展示了月均懸浮物濃度30 mg/L，60 mg/L和100 mg/L等值線分布以及水深等值線。表2是不同季節(jié)懸浮物在不同濃度等級區(qū)間的分布面積，季節(jié)劃分按照3-5月為春季，6-8月為夏季，9-11月為秋季，12月至翌年2月為冬季。

圖3 研究區(qū)月均懸浮物濃度分布變化Fig. 3 Monthly mean suspended particulate matter distribution in the study area

表2 研究區(qū)月均懸浮物分布不同濃度等級的面積統(tǒng)計（單位：km2）Table 2 Area statistics of different concentrations of suspended particulate matter distribution in the study area (unit: km2)

由上述圖表可知，研究區(qū)近岸海域懸浮物濃度月際和季節(jié)變化明顯，懸浮物濃度較大的月份是1-5月和12月，較小的月份是6-9月，而10月和11月懸浮物濃度中等；從季節(jié)來看，春季和冬季懸浮物濃度較高，夏季較低，秋季中等。分別來看，冬季懸浮物濃度大多在60 mg/L以上，小于該濃度的海域面積平均不到整個研究區(qū)面積的13%；春季懸浮物濃度總體稍小于冬季，但也明顯大于夏秋季，春季的3月和4月份懸浮物濃度大于60 mg/L的區(qū)域占整個研究范圍的近一半；夏季研究區(qū)懸浮物濃度總體小于30 mg/L，只有近岸小范圍淺水區(qū)有超過30 mg/L的區(qū)域，基本上沒有大于60 mg/L的區(qū)域；秋季懸浮物濃度大于60 mg/L的區(qū)域大于夏季而小于冬春季，且秋季的3個月中，高懸浮物濃度區(qū)9月最小，11月最大，懸浮物濃度有明顯增大的趨勢，可見秋季是懸浮物濃度從低向高轉(zhuǎn)換的季節(jié)。

空間上，研究區(qū)總體呈現(xiàn)出近岸淺水區(qū)懸浮物濃度大于遠岸深水區(qū)，但不完全是水深越大懸浮物濃度越小的趨勢，而是夏秋兩季懸沙濃度的高值區(qū)出現(xiàn)在近岸潮灘海域，冬春兩季則在一定水深存在高懸沙濃度區(qū)。如4月和5月，高濃度懸沙卻出現(xiàn)在5m等深線附近海域，這與該區(qū)域水動力季節(jié)變化有關(guān)。另外，無論是哪個季節(jié)，東營港近岸丁壩附近懸浮物濃度明顯小于近岸其他區(qū)域。尤其是丁壩之間的區(qū)域，這種空間差異更明顯。如在12月，整個研究區(qū)懸浮物都呈現(xiàn)較高的濃度，而在丁壩之間的海域卻出現(xiàn)較小的懸沙濃度（圖4），可見丁壩對懸沙濃度的空間分布具有一定的影響。

圖4 研究區(qū)懸浮物濃度（SPM）等值線分布Fig. 4 Contour of suspended particulate matter (SPM) concentration in the study area

4 討論

4.1 懸沙來源

近岸海域懸浮物主要來源于河流入海泥沙的輸入和區(qū)域底床泥沙的再懸浮。作為廢棄的黃河入?？冢?976年刁口河流路停止行河后，研究區(qū)內(nèi)的刁口河口基本已無泥沙入海[15]。現(xiàn)行黃河口位于研究區(qū)以南，以往研究證實黃河入海泥沙在切變鋒的阻隔作用下，絕大部分在河口沙嘴近岸沉積造陸，不易被輸運到其他區(qū)域[16-17]。因此，現(xiàn)行黃河口入海泥沙不是研究區(qū)主要的泥沙源。

根據(jù)利津水文站監(jiān)測數(shù)據(jù)，黃河在刁口河流路行河期間入海泥沙量共計134.46×108t，其中大部分泥沙沉積在濱海區(qū)，只有少部分擴散到遠海區(qū)域，研究區(qū)在刁口河流路行河期間堆積了大量泥沙。1976年5月黃河改道后，廢棄的刁口河口海岸在波浪掀沙和潮流輸沙的聯(lián)合作用下，岸灘和海床底質(zhì)泥沙出現(xiàn)再懸浮，成為懸浮物的主要來源，造成海岸泥沙流失、海岸不斷后退和下蝕[18]?；?976年6月2日成像的Landsat-2 MSS影像和2018年6月6日成像的Sentinel-2A MSI影像，利用歸一化差分水體指數(shù)（Normalized Difference Water Index，NDWI）和類間方差閾值分割算法（Ostu）提取兩個時期的水陸界線（圖5）可以看到，1976年黃河改道至今，研究區(qū)內(nèi)海岸共侵蝕了283.17 km2，主要分布在廢棄的河口沙嘴附近。

圖5 1976年6月2日成像的Landsat-2 MSS影像（a）；2018年6月6日成像的Sentinel-2 MSI影像（b）Fig. 5 Landsat-2 MSS image on June 2, 1976 (a); Sentinel-2 MSI image on June 6, 2018 (b)

4.2 海洋動力對懸浮物季節(jié)性分布的影響

風浪是泥沙再懸浮的主要驅(qū)動力，且在淺水區(qū)響應更加明顯。由年內(nèi)各月平均波高統(tǒng)計圖（圖6）可知，研究區(qū)波浪動力表現(xiàn)出顯著的季節(jié)性變化特征，冬季平均波高普遍較大，超過1 m的波高占比超過20%，而夏季平均波高普遍在0.5 m以下，超過一半的波高小于0.2 m，大于1 m的波高僅占3%左右。

運用數(shù)值模擬的方法[19]，模擬了黃河三角洲近岸的流速分布，發(fā)現(xiàn)黃河三角洲近岸海域存在兩個高流速區(qū)，一個位于現(xiàn)行黃河口，另一個位于刁口河口附近（圖7a，圖7b）。刁口河口近岸的高流速區(qū)是泥沙輸沙率較大的重要因素。在考慮平均波高為0.5 m、周期為3 s的波浪過程后，刁口河口近岸泥沙濃度顯著增加，泥沙再懸浮過程顯著（圖7c，圖7d）。由波高平均分布統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)（圖6），黃河三角洲近岸波況季節(jié)性變化明顯，冬季刁口河口懸浮物濃度相對較大，夏季較小?？梢?，潮流輸沙和波浪掀沙的聯(lián)合作用是該區(qū)域高懸浮物濃度出現(xiàn)的重要因素。

圖7 黃河三角洲近岸大潮期間的數(shù)值模擬Fig. 7 Numerical simulation during spring in the Yellow River Delta

風暴潮也是影響泥沙再懸浮的重要因素。圖8是2018年8月16日Landsat-8 OLI反演的懸浮物濃度分布。該風暴潮從15日8:00開始到17日3:00結(jié)束，6～11級北風共持續(xù)了43 h。在風暴潮期間，懸沙濃度較常態(tài)8月的平均值顯著增加，進一步證明了在風浪條件的變化是影響懸浮物動態(tài)的重要因素。

圖8 風暴潮期間研究區(qū)懸浮物濃度分布（圖中灰色區(qū)域為云掩膜）Fig. 8 Suspended particulate matter distribution in the study area during a storm event (the gray area in the image is cloud mask)

4.3 丁壩對懸浮物濃度分布的影響

自20世紀80年代以來，為了保灘促淤并建造海上石油開采井，黃河三角洲沿岸修建了許多由陸到海的丁壩，且丁壩的數(shù)量和長度逐年增加（最大長度超過12 km），尤其是在三角洲的北部沿岸。丁壩（群）的存在會改變局部區(qū)域的水動力環(huán)境，對懸浮物的輸運產(chǎn)生影響[20]。

研究區(qū)內(nèi)多個丁壩包括東營港碼頭，是整個三角洲沿岸最密集的丁壩群。丁壩群共由4條丁壩組成（圖9）。圖9a中岸邊綠色框表示黃河三角洲沿岸的丁壩所在位置，圖9b中丁壩A1、A2、B和C離岸長度分別約為 7.2 km、11.9 km、4.1 km、5.5 km，分別于2006年、2015年、2016年和 2017年建成，其中丁壩A1、丁壩B以及丁壩C為“實心”丁壩，丁壩A2段為“空心”丁壩。在丁壩群區(qū)域設(shè)置了兩條橫斷線L1和L2，L1和L2分別是兩條平行且等長度的橫斷線（指向東南）。圖10展示了這兩條線上月均懸浮物濃度的變化，由此可見丁壩群的消浪和懸沙攔截作用在一定程度上改變了懸浮物的時空分布，降低了懸浮物濃度，減緩了海床沖刷的速度，起到了防浪攔沙的作用。同時，可以看到實心丁壩（A1）的攔沙效率比空心丁壩（A2）要高，而被實心丁壩包絡(luò)的區(qū)域（丁壩A1和丁壩B之間）在每個月都能保持較低濃度的懸浮物。

圖9 研究區(qū)內(nèi)的丁壩群在黃河三角洲海岸的位置（a）和丁壩A1、A2、B和C的分布（b）Fig. 9 Location of the spur dikes in the Yellow River Delta (a) and distribution of spur dikes A1, A2, B and C (b)

圖10 L1和L2橫斷線上月均懸浮物濃度Fig. 10 Average monthly suspended particulate matter concentration on the L1 and L2 transections

5 結(jié)論

黃河三角洲北部是強烈的海岸侵蝕區(qū)，研究和理解該區(qū)域懸浮物濃度變化特征和規(guī)律是揭示海岸侵蝕機制和防護工程安全維護的基礎(chǔ)。通過對相近時刻成像的Landsat 8和Sentinel-2衛(wèi)星影像反演懸浮顆粒物濃度的交叉比較，表明了兩種傳感器反演結(jié)果的一致性較高。從季節(jié)變化來看，研究區(qū)近岸海域懸浮物濃度季節(jié)變化明顯，春季和冬季懸浮物濃度較高，夏季較低，秋季是懸浮物濃度從低向高轉(zhuǎn)換的季節(jié)；從空間上來看，有水深越深懸浮物濃度越小的趨勢，丁壩附近海域懸浮物濃度明顯小于近岸的其他區(qū)域。從驅(qū)動因素來看，一是冬、春季該區(qū)域風浪較大，在波浪掀沙和潮流輸沙的聯(lián)合作用下，發(fā)生強烈底床泥沙再懸浮，是懸沙主要來源；二是丁壩（群）的修建在一定程度上改變了懸浮物的時空分布，起到了防浪攔沙的作用。