基于遙感的黃河下游九堡至大張莊河段河勢演變分析

張向 李軍華 江恩慧 張向萍 許琳娟

摘 要：黃河下游九堡至大張莊河段畸形河勢嚴(yán)重威脅灘區(qū)安全。基于Landsat-8衛(wèi)星遙感影像，采用修正歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）對該河段近10 a河勢進(jìn)行提取并分析，結(jié)果表明：該方法可對水體進(jìn)行自動化、智能化提取，實(shí)現(xiàn)對河勢變化的實(shí)時(shí)追蹤;經(jīng)過10 a的自然調(diào)整，九堡至大張莊河段Ω形河勢在汛期洪水的作用下已得到明顯改善，河勢基本歸順，工程間迎送流關(guān)系總體良好，但大張莊工程靠河尚不穩(wěn)定，仍需密切關(guān)注其河勢變化。同時(shí)也印證了有利的水沙過程可有效改善不利河勢，為黃河下游畸形河勢的治理提供了參考。

關(guān)鍵詞：河勢提取;畸形河勢;遙感影像;黃河下游

中圖分類號：TV853;TV882.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.02.012

引用格式：張向，李軍華，江恩慧，等.基于遙感的黃河下游九堡至大張莊河段河勢演變分析 [J].人民黃河，2022，44（2）：55-57.

Abstract： The abnormal river regime in Jiubao-Dazhangzhuang reach of the lower Yellow River seriously threatens the safety of the beach area. Based on Landsat-8 satellite remote sensing images and using modified normalized difference water index （MNDWI）， the river regime of this reach in recent 10 years was extracted and analyzed. The results show that this method can automatically and intelligently extract water body and realize real-time tracking of river regime change. After ten years of natural adjustment， the "Ω" river regime in Jiubao-Dazhangzhuang reach has been improved obviously under the action of flood. The river regime is basically normal and the relationship between upstream and downstream of the project is generally good. However， the river regime of Dazhangzhuang project is still unstable， so it is necessary to pay close attention to the river regime change. At the same time， it has proved that the favorable water and sediment processes can effectively improve the unfavorable river regime， which provides a reference for the abnormal river regime training in the lower Yellow River.

Key words： river regime extraction;abnormal river regime;remote sensing image;lower Yellow River

黃河孟津至高村河段是典型的游蕩型河道，河床斷面寬淺、洲灘密布、汊道交織，如水流散亂、主槽遷徙無常，給兩岸防洪及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來極大威脅。九堡斷面上距孟津約195 km，九堡至大張莊25 km的河段是游蕩型河段河勢相對最不穩(wěn)定的一個(gè)河段。韋灘控導(dǎo)工程上迎三官廟控導(dǎo)工程來溜，下送溜至大張莊控導(dǎo)工程。近些年，在小浪底水庫的調(diào)節(jié)作用下，黃河下游來水大部分時(shí)間為1 000 m3/s左右的小水過程，韋灘工程附近河道整治工程對小流量過程不太適應(yīng)，對水流的控導(dǎo)效果減弱。主流游蕩擺動頻繁，小水游蕩沖擊灘地，出現(xiàn)畸形河勢，嚴(yán)重影響灘區(qū)居民生產(chǎn)生活安全。毋甜等[1]分析了該河段2013年之前的河勢變化情況和河勢發(fā)展趨勢，進(jìn)一步分析該河段畸形河勢的成因，提出了整治方案。萬強(qiáng)等[2]通過模型試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，該河段畸形河勢在中常洪水下發(fā)生自然裁彎的概率較小，建議采用河道整治與挖河疏浚、泥沙資源利用有機(jī)結(jié)合的方式理順河勢。胡一三[3]較全面地描述了黃河下游游蕩型河段及過渡型河段在進(jìn)行河道整治之前及河道整治過程中曾經(jīng)出現(xiàn)過的畸形河灣，為確定河道整治工程布置方案提供參考資料，同時(shí)通過實(shí)地查勘發(fā)現(xiàn)水量豐有利于改善不利河勢，一些畸形河勢在汛期過后已不存在?？紤]到2018—2020年黃河水量明顯偏豐，汛期多次出現(xiàn)編號洪水，能否借助汛期有利的水沙條件自然調(diào)整該河段畸形河勢，仍需進(jìn)一步觀察。

河勢信息獲取可以為河勢演變研究提供重要支撐。傳統(tǒng)人工查河的方式難度大、成本高，所得河灣、岸線和串溝、心灘等關(guān)鍵河勢信息精度有限，且洪水期間因行船安全問題無法測量，很難實(shí)時(shí)獲取河勢信息。近幾年，隨著大量高分辨率遙感衛(wèi)星的成功發(fā)射，在空間分辨率和光譜特性等方面均有很大提升，基于衛(wèi)星遙感的地表探測和研究飛速發(fā)展。利用衛(wèi)星對地拍攝的高分辨率遙感影像，可以快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行地表水體信息提取，實(shí)時(shí)同步觀測河道的演變情況[4]。本文基于Landsat-8衛(wèi)星遙感影像，利用水體指數(shù)法對黃河下游游蕩型河道進(jìn)行河勢提取，并分析了九堡至大張莊河段近10 a河勢變化。

1 數(shù)據(jù)來源和研究方法

本文采用美國航空航天局（NASA）2013年2月11日發(fā)射的Landsat-8衛(wèi)星遙感影像，下載于美國地質(zhì)勘探局網(wǎng)站（USGS，https：//earthexplorer.usgs.gov/）。

通過提取河道內(nèi)不同時(shí)期的水體信息可以直觀地看到河勢在一段時(shí)間內(nèi)的動態(tài)演變過程。目前利用遙感技術(shù)自動提取水體信息的方法主要有光譜分類法、單波段閾值法、多波段譜間關(guān)系法和水體指數(shù)法等。對比不同類型水體提取方法發(fā)現(xiàn)，水體指數(shù)法提取效果優(yōu)于其他提取方法，且操作簡便[5-6]。水體指數(shù)法利用水體及其他地物在不同波段的光譜差異的特征，通過構(gòu)建特征指數(shù)從而達(dá)到水體提取的目的。常規(guī)的水體信息提取指數(shù)包括歸一化差異水體指數(shù)（Normalized Difference Water Index，NDWI）、修正歸一化差異水體指數(shù)（Modified Normalized Difference Water Index，MNDWI）等。NDWI利用水體特有的在綠波段的反射率高于近紅外波段的特性，將這兩個(gè)波段進(jìn)行歸一化差值處理，以此來突出水體信息，把水體信息與其背景地物更好地區(qū)分開來，表達(dá)式為NDWI=（ρGreen-ρNIR）/（ρGreen+ρNIR）。該方法簡單易操作，但容易將土壤或建筑物與水體混淆[7]。MNDWI利用水體在短波紅外波段與綠波段光譜信息的差異，可有效解決部分建筑區(qū)被誤分為水體的問題，并消除部分陰影對水體的影響等，表達(dá)式為MNDWI=（ρGreen-ρSWIR）/（ρGreen+ρSWIR）[8]。本文利用MNDWI對黃河下游游蕩型河道進(jìn)行水體提取。

從局部河段MNDWI計(jì)算和水體提取結(jié)果可以看出，水體與其他物體顏色分明，邊界清晰，細(xì)節(jié)較完整，心灘顯示準(zhǔn)確。對比發(fā)現(xiàn)，人工查河方式獲取的河勢信息實(shí)時(shí)性和精度有限，依據(jù)MNDWI進(jìn)行河勢提取實(shí)現(xiàn)了對遙感影像信息的自動化、智能化提取，極大地提高了工作效率和精度。通過提取衛(wèi)星過境周期內(nèi)的河勢信息，在ArcMap中不同時(shí)期河勢設(shè)置為不同圖層進(jìn)行疊置（見圖1）分析，可實(shí)時(shí)追蹤黃河下游游蕩型河道河勢演變，系統(tǒng)支撐河勢演變研究，為防洪決策提供重要依據(jù)。

2 近10 a河勢演變分析

自2010年汛后以來，受北岸三官廟工程前灘地阻水導(dǎo)流影響，主流出九堡下延后南移，在韋灘控導(dǎo)工程上首形成倒Ω形，主流經(jīng)三官廟下首頂沖仁村堤護(hù)灘，三官廟工程和韋灘工程均處于脫河狀態(tài)。2010—2013年該河段出現(xiàn)與規(guī)劃流路相反的河勢，主流失去控制，且三官廟工程至韋灘工程之間主流擺動仍處于自由狀態(tài)[1]。

利用上述河勢提取方法對該河段2013—2020年河勢進(jìn)行提取，如圖2所示，將水面顏色透明度設(shè)為50%，不同顏色疊置便于查看不同時(shí)期河勢的動態(tài)變化過程。圖2（a）中遙感影像為2013年汛前影像，綠色和藍(lán)色分別代表2013年和2014年汛后河勢?？梢钥闯觯?jīng)過2013年和2014年汛期的調(diào)整，九堡下延工程送流能力逐年增強(qiáng)，三官廟工程逐漸靠河，三官廟至大張莊之間主流下挫，但仍呈現(xiàn)出與規(guī)劃流路相反的Ω形河勢，韋灘下首因持續(xù)沖刷而造成灘地坍塌，主流右移。圖2（b）中遙感影像為2015年汛前影像，綠色和藍(lán)色分別代表2015年和2016年汛后河勢?？梢钥闯?，三官廟工程靠河長度進(jìn)一步增加，三官廟至大張莊之間河勢變化不大，韋灘下首主流進(jìn)一步右移。圖2（c）中遙感影像為2017年汛前影像，綠色和藍(lán)色分別代表2017年和2018年汛后河勢?？梢钥闯?，2017年該河段河勢變化不大，2018年較2017年三官廟靠河長度進(jìn)一步增加，三官廟與韋灘之間主流下挫，韋灘下首主流右移約1 km，淹沒了大面積農(nóng)田。圖2（d）中遙感影像為2019年汛前影像，綠色和藍(lán)色分別代表2019年和2020年汛后河勢?？梢钥闯觯?jīng)過汛期調(diào)整，2019年汛后三官廟工程已基本靠河，畸形河勢逐步改善，但韋灘工程下首灘地進(jìn)一步坍塌。圖2 九堡至大張莊河段2013—2020年河勢變化

2020年汛期，黃委組織開展防御大洪水實(shí)戰(zhàn)演練，現(xiàn)場查勘結(jié)果如圖3所示，為防止灘地進(jìn)一步坍塌，當(dāng)?shù)睾觿?wù)部門組織緊急搶修了仁村堤下延搶護(hù)工程和韋灘搶護(hù)工程。在汛期較大流量造床作用下，主流下挫，韋灘工程靠河長度進(jìn)一步增加，送流能力不斷增強(qiáng)，汛后主流歸順，大張莊工程靠河情況有所改善，韋灘工程下首畸形河勢的發(fā)展得到控制。整體來看，該河段河勢已基本歸順，工程間迎送流關(guān)系總體良好。但大張莊工程靠河尚不穩(wěn)定，仍存在主流頻繁擺動的可能，下一步應(yīng)密切關(guān)注該河段河勢變化。

對近10 a河勢進(jìn)行系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)，在汛期洪水作用下，不利畸形河勢逐步改善，尤其是近3 a黃河水量明顯偏豐的情況下，該河段河勢明顯改善，印證了有利的水沙過程可有效改善不利河勢，為黃河下游畸形河勢的治理提供了參考。

3 結(jié) 語

（1）近些年，九堡至大張莊河段河道整治工程對小流量過程不太適應(yīng)，對水流的控導(dǎo)效果減弱。在長期小水作用下，產(chǎn)生畸形河勢，威脅灘區(qū)安全。

（2）基于Landsat-8衛(wèi)星遙感影像，利用MNDWI對黃河下游游蕩型河道進(jìn)行河勢提取，可以克服自然條件、硬件設(shè)備等多種因素的限制，實(shí)時(shí)追蹤河勢變化，為河勢演變研究提供系統(tǒng)科學(xué)支撐。

（3）經(jīng)過10 a的調(diào)整，九堡至大張莊河段畸形河勢逐年改善，目前河勢已基本歸順，工程間迎送流關(guān)系總體良好，印證了有利的水沙過程可有效改善不利河勢，為黃河下游畸形河勢的治理提供了參考。

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