基于DEM技術(shù)的黃河口攔門沙分析

左婧 高源 徐叢亮

摘 要：為了解近年來黃河口攔門沙發(fā)育情況，利用2017—2019年該區(qū)域水下地形數(shù)據(jù)，通過GIS建立DEM模型，分析區(qū)域淤積變化情況，發(fā)現(xiàn)黃河口攔門沙向西北和東北方向逐年發(fā)育，近口門處水下地形變化劇烈，來水來沙是形成攔門沙的主要因素。

關(guān)鍵詞：黃河口攔門沙；淤積分析；DEM

中圖分類號：TV148；TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.007

引用格式：左婧，高源，徐叢亮.基于DEM技術(shù)的黃河口攔門沙分析[J].人民黃河，2022，44（1）：33-36.

AnalysisofSandbaratYellowRiverEstuaryBasedonDEMTechnology

ZUOJing1，GAOYuan1，XUCongliang2

（1.ShandongHydrologyandWaterResourcesBureau，YRCC，Jinan250100，China；

2.InstituteoftheYellowRiverEstuaryandCoastScience，Dongying257000，China）

Abstract：InordertounderstandthedevelopmentofthesandbarattheYellowRiverestuaryinrecentyears，thispaperusedtheunderwater topographicdataoftheareafrom2017to2019tobuildDEMmodelandanalyzetheregionalsedimentationchangesthroughGIS.Itisfound thatthesandbarattheYellowRivermouthdevelopsyearbyyeartothenorthwestandnortheast，theunderwatertopographyneartheentrance changessharplyandtheincomingwaterandsedimentarethemainfactorsforformingthesandbarattheYellowRiverestuary.

Keywords：sandbaratYellowRiverestuary；siltationanalysis；DEM

黃河口攔門沙是橫亙于黃河入海處的泥沙堆積體[1]，它的變化對黃河口的演變具有較大影響，同時對黃河口附近海區(qū)及下游河道的沖淤演變有一定影響。黃河口攔門沙形成機制和演變情況復(fù)雜，研究發(fā)現(xiàn)，其主要受河道來水來沙、海洋動力作用、鹽水楔、滯留點和滯留區(qū)等因素影響[2-7]。以往研究通過數(shù)字模型對河口地貌形態(tài)演變進行模擬，分析攔門沙對尾閭河道的影響[8-9]，在研究過程中攔門沙區(qū)域分析基本停留在斷面層次，基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)不完備，圖形過于簡單，不夠立體直觀，無法了解確切的攔門沙發(fā)育區(qū)，無法具體量化。

筆者利用基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)，通過GIS建立黃河口攔門沙區(qū)域DEM模型，將點轉(zhuǎn)化成面，分析2017—2019年黃河口攔門沙區(qū)域的沖淤量、等深線、水下地形的變化等，并對其淤積特性及演變趨勢進行分析，使得分析更為直觀立體，以期為研究黃河河口演變和黃河下游河道演變提供技術(shù)支撐。

1 黃河口攔門沙基本特征

黃河屬于典型的水少沙多、來水來沙量集中的河流[10]。黃河河口是多汊河口，是黃河沖積而成的淤泥質(zhì)海岸，岸線穩(wěn)定性較差，受黃河來水來沙、河口流路變化及海洋動力等因素影響較大，具有典型的、獨特的沉積動力。同時黃河河口潮汐較弱，其感潮河段的潮流界較短，而且隨黃河河口徑流量的大小變化而變動，根據(jù)實測資料分析，現(xiàn)黃河口的感潮河段長度為10～17km。

黃河來沙以懸沙為主，自2002年調(diào)水調(diào)沙以來，大量的泥沙被輸送到河口，水流開始大面積擴散，潮汐頂托下泄水流，造成流速減慢，懸移質(zhì)泥沙沉積，推移質(zhì)泥沙停止前進[4]。泥沙由近到遠(yuǎn)、由粗到細(xì)逐漸淤積延伸，經(jīng)多次洪峰過程發(fā)育，口門攔門沙充分發(fā)育，范圍不斷增大，變化強度不斷加強。

黃河泥沙入海后，受兩道切變鋒連續(xù)、強烈的“捕捉”，使得大部分泥沙被留存在12m水深節(jié)點線以內(nèi)近岸區(qū)域[11]。經(jīng)過多年泥沙堆積，河口外延，逐漸形成陸地或新的口門，改變了河口及臨海區(qū)域水下地貌，同時對潮汐、海流等水文要素的變化也有重大影響[1]。

2 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

2.1 近年來河口河勢演變情況

1996—2003年是黃河河道及河口的穩(wěn)定期，其特點是主流在原有河道內(nèi)運動，口門擺動不大，并且隨著上游水沙的變化具有淤積延伸和蝕退的特點。2004年以后為擺動期，其變化特點是先向右逐漸擺動，再向左較大范圍擺動，擺動頂點在口門以上4km處逐漸上移，直到2007年汛期口門向左改道，擺動的頂點在口門以上12km左右，上距汊3斷面1km。從其變化情況看，基本遵循了口門河道“順直—彎曲—口門擺動—出汊—改道”的規(guī)律，其每一階段時間的長短由上游來水來沙和口門附近海域的海洋動力條件的相互關(guān)系決定，上游來水來沙為主要因素。

2.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

（1）水下地形數(shù)據(jù)分布。分析數(shù)據(jù)為黃河口攔門沙區(qū)域2017年8—9月、2018年10—11月、2019年9—10月水下地形測繪資料，研究范圍是河口兩側(cè)各10 km范圍內(nèi)的淺海區(qū)，自海岸向外延伸15～35km，測繪面積約400km2，在測區(qū)內(nèi)垂直海岸線每250m布設(shè)一條測線，共81個監(jiān)測斷面，測點間距250m，前緣急坡變化劇烈處適當(dāng)加密測點。

黃河口攔門沙測驗采用1954北京坐標(biāo)系，測驗點分布如圖1所示，3個年份數(shù)據(jù)測驗范圍基本一致，圖1中每個點號代表一個監(jiān)測點，測驗范圍x坐標(biāo)范圍為4180000～4200000，y坐標(biāo)范圍為20680000～20715000。

（2）測驗期間利津水沙情況。利津水文站是黃河水沙入海的控制水文站，根據(jù)該站水沙資料統(tǒng)計，2017年來水89.58億m3，輸沙總量0.077億t，輸沙率為244kg/s；2018年來水333.80億m3，輸沙總量2.970億t，輸沙率為9417kg/s；2019年來水312.20億m3，輸沙總量2.710億t，輸沙率為8593kg/s。按照泥沙干容重1400kg/m3計算，2017—2019年來沙量分別為0.055億、2.121億、1.936億m3。3個年份中最大流量出現(xiàn)于2019年，達(dá)到4060m3/s。

2.3 測驗數(shù)據(jù)整理

通過測深儀和信標(biāo)機聯(lián)合進行數(shù)據(jù)采集，得到原始數(shù)據(jù)。2017年攔門沙測區(qū)采集數(shù)據(jù)點6915個，2018年采集數(shù)據(jù)點7558個，2019年采集數(shù)據(jù)點6748個。信標(biāo)機采集數(shù)據(jù)坐標(biāo)系統(tǒng)為1954北京坐標(biāo)系，測深儀采集得到瞬時水深值，結(jié)合測驗期間的潮位值進行水深改正，得到1956年黃?；鶞?zhǔn)面起算的水深值。

得到相應(yīng)坐標(biāo)下的水深后，即可進行攔門沙測區(qū)DEM模型的建立。

3 攔門沙測區(qū)DEM模型的建立

通過2017—2019年的攔門沙測區(qū)水下地形測繪成果，利用數(shù)字高程模型DEM進行各年份的模型建設(shè)，建設(shè)模型范圍為口外濱海區(qū)，口門向河內(nèi)一側(cè)不在本研究區(qū)域之內(nèi)。

（1）DEM數(shù)字高程模型。數(shù)字高程模型DEM是指通過有限地形高程數(shù)據(jù)對地形進行數(shù)字化模擬。通過DEM提取的信息包括地形、地貌和水文信息[12]。通常該模型有不規(guī)則三角高程格網(wǎng)模型（TIN）、規(guī)則格網(wǎng)模型和等值線模型3種表達(dá)方式[13]，前者是后兩者模型的基礎(chǔ)。TIN模型保留每個原始數(shù)據(jù)點，適用于密度均勻且規(guī)則排列的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，避免了內(nèi)插精度損失，能夠更好地描述地貌特征點、線，在表達(dá)復(fù)雜地形方面更為精確；規(guī)則格網(wǎng)模型的每個格網(wǎng)點處只存儲高程數(shù)據(jù)，適用于淤積量計算、深泓線提取等；等值線模型則是將一系列已知高程點形成的等高線進行集合而構(gòu)成的一種地面高程模型。

（2）黃河口攔門沙區(qū)域DEM模型的建立?；谝阎獙崪y水下地形數(shù)據(jù)，利用Delaunay構(gòu)建不規(guī)則三角高程網(wǎng)格模型，利用設(shè)定閾值處理邊界方法對網(wǎng)格進行處理[14]，刪除不合理的三角形，形成與實際相符的網(wǎng)格邊界，生成TIN模型。利用TIN模型分別進行黃河口攔門沙區(qū)域柵格DEM轉(zhuǎn)換和等深線生成，形成不同年份的數(shù)字模型。通過計算不同年份之間體積變化，得到攔門沙區(qū)域沖淤數(shù)據(jù)。其中2019年黃河口攔門沙DEM模型如圖2所示。

4 攔門沙變化分析

4.1 攔門沙范圍、泥沙淤積量及厚度分析

圖3是經(jīng)過計算處理后得到的2017—2018年、2018—2019年和2017—2019年攔門沙發(fā)育情況，當(dāng)相鄰兩年某處泥沙淤積厚度超過2m時，將其考慮到攔門沙發(fā)育區(qū)域當(dāng)中。從圖3可以看出，2017—2018年黃河口攔門沙在現(xiàn)河口發(fā)展為兩個區(qū)域，分別是西北向主流入?？陂T處和東北向分汊入?？陂T處，2019年主流入?？陂T處較2018年攔門沙范圍繼續(xù)擴大，分汊入海處攔門沙向西北方向發(fā)展，與主汊口攔門沙逐漸靠近連接。

經(jīng)過計算，與2017年相比，2018年黃河入?？谥髁鲄^(qū)攔門沙范圍為10.8km2、淤積體積為0.42億m3，分汊入海處攔門沙范圍為4.1km2、淤積體積為0.14億m3，攔門沙總范圍為14.9km2，共淤積0.56億m3，淤積厚度最大為9.17m。

與2018年相比，2019年入海口主流區(qū)攔門沙范圍為8.2km2、淤積體積為0.28億m3，分汊入海處攔門沙范圍為3.4km2、淤積體積為0.12億m3，中間連接區(qū)域攔門沙范圍為0.4km2、淤積體積為0.01億m3，攔門沙總范圍為12.0km2，共淤積0.41億m3，淤積厚度最大為6.84m。

經(jīng)過兩年發(fā)育，兩岔口攔門沙區(qū)域逐漸形成連接，發(fā)育總范圍約40km2，淤積泥沙共1.73億m3，淤積厚度最大處達(dá)到10.37m。主流路攔門沙區(qū)域向西北方向延伸擴張，分汊入海處攔門沙區(qū)域向東北方向延伸擴張。

4.2 攔門沙測區(qū)濱海地形變化

2018年和2019年入海水沙相對豐沛，行水河口附近岸段受來水來沙影響，攔門沙逐漸淤積延伸，黃河口入?？谔幍壬罹€變化較為明顯。

主流入?？谔?，與2017年相比，2018年3m等深線向西北方向延伸1793m，6m等深線向西北方向延伸1702m；與2018年相比，2019年3m等深線向西北方向延伸1245m，6m等深線繼續(xù)向西北方向延伸1209m。

汊流入?？谔?，與2017年相比，2018年3m等深線向西北方向延伸1565m，6m等深線向西北方向延伸1052m；與2018年相比，2019年3m等深線向西北方向延伸813m，6m等深線繼續(xù)向西北方向延伸589m。3m等深線套繪如圖4所示。而遠(yuǎn)離入?？诘纳詈^(qū)如12m、16m等深線受黃河水沙影響較小，在黃河水沙與海水潮汐的共同影響下，呈現(xiàn)小幅度波動狀態(tài)。

黃河入?？诟浇碌匦巫畲罂v比降2017年為0.5%；2018年最大縱比降為1.11%，位置隨著攔門沙發(fā)育向西北方向延伸；2019年最大縱比降為0.91%，位置向攔門沙發(fā)育方向延伸。發(fā)育過程中，水下形成門檻，且門檻坡度逐漸增大，同時對入海泥沙形成阻隔，減緩泥沙推移，門檻最大坡度處于減緩的狀態(tài)。2017—2019年測區(qū)水下地形縱比降如圖5所示。

4.3 攔門沙變化的主要影響因素分析

攔門沙的發(fā)育和消長是來水來沙和海洋要素共同作用的結(jié)果，當(dāng)海洋條件不發(fā)生突然變化時，來水來沙就是影響攔門沙變化的主要因素。

因黃河入海分兩股岔道（主流、分汊），經(jīng)過2018年、2019年相對豐沛的水沙入海過程，大量泥沙堆積，在主、汊口處分別形成了攔門沙區(qū)域，并逐漸發(fā)育，2019年兩處攔門沙逐漸連接。

根據(jù)利津來水來沙量統(tǒng)計可知，2017年水沙總量較小，2018年、2019年水沙總量大幅度增加。最大流量逐年增大，2019年最大流量達(dá)4060m3/s，大流量水流可將泥沙輸送到距離口門更遠(yuǎn)處，致使主流區(qū)攔門沙區(qū)域總體一直向西北方向擴張延伸，汊流區(qū)攔門沙區(qū)域總體向東北方向擴張延伸。但2019年輸沙總量小于2018年，因此2018—2019年形成新的攔門沙范圍和淤積沙量比2017—2018年形成的攔門沙范圍和淤積沙量小，說明攔門沙的位置和范圍是在不斷變化的，當(dāng)來水來沙量較大時，攔門沙就會向外淤積延伸，范圍相應(yīng)擴大，反之?dāng)r門沙發(fā)育減緩。

口門攔門沙的發(fā)育，致使入海口處相同等深線逐年向外大幅推移，近口門處地形變化劇烈，遠(yuǎn)海區(qū)地形變化較小。口門附近水下地形坡度最大值區(qū)域隨攔門沙發(fā)育也逐漸向外推移，其中2017年最小，2018年達(dá)到最大值，此刻發(fā)育的攔門沙形成門檻，導(dǎo)致口門流水不暢，對輸水輸沙造成阻礙，流路延長，水沙推移減緩，在大流速水流的沖擊下，2019年雖然攔門沙向外擴展延伸，但形成坡度的最大值稍有減小。

攔門沙發(fā)育與口門擺動互相制約，當(dāng)攔門沙充分發(fā)育，改變口門附近水下地形，造成口門流水不暢、流路延長，形成較大坡度時，會阻礙甚至改變來水來沙的路徑，對尾閭河道產(chǎn)生影響。

5 結(jié) 論

（1）來水來沙量是黃河口攔門沙發(fā)育的主要因素。2017—2019年黃河河口在西北向主流入?？诤蜄|北向分汊入海口分別形成攔門沙并逐漸連接。兩年間攔門沙發(fā)育范圍40km2，泥沙淤積體積1.73億m3，攔門沙淤積厚度最大為10.37m。

（2）攔門沙的位置和范圍是在不斷變化的，當(dāng)來水來沙量較大時，攔門沙就會向外淤積延伸，范圍相應(yīng)擴大，反之?dāng)r門沙發(fā)育減緩。

（3）近口門處地形變化劇烈，遠(yuǎn)海區(qū)域地形變化較小。

（4）攔門沙發(fā)育與口門擺動互相制約，當(dāng)攔門沙充分發(fā)育，改變口門附近水下地形，造成口門流水不暢、流路延長，形成較大坡度時，會阻礙甚至改變來水來沙的路徑，對尾閭河道產(chǎn)生影響。

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【責(zé)任編輯 張 帥】