1986—2018 年黃河下游游蕩段洲灘演變特點(diǎn)

李 潔，褚明浩，張 翼，朱呈浩

（1.揚(yáng)州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009； 2.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009； 3.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

洲灘是河流地貌結(jié)構(gòu)與格局的重要組成部分，其演變特點(diǎn)對河流系統(tǒng)的完整性、復(fù)雜性和生態(tài)服務(wù)功能具有重要意義［1-2］。 黃河下游游蕩段洲灘密布、汊道交織，河道橫向擺動頻繁，洲灘變化較為劇烈。 因此，研究近期黃河下游游蕩段的洲灘演變特點(diǎn)，不僅有助于充分認(rèn)識近期黃河下游的河床演變規(guī)律，而且可為河道整治及規(guī)劃等提供相關(guān)參數(shù)。 衛(wèi)星遙感影像能夠快速直觀地反映河道內(nèi)洲灘的變遷情況，且具有時間和空間的連續(xù)性優(yōu)勢，成為學(xué)者們研究洲灘演變的重要信息源之一［3-5］。 例如，陳輔萍等［6］基于遙感影像研究了黃河源區(qū)達(dá)日河段洲灘形態(tài)變化，并提出了洲灘的穩(wěn)定性參數(shù)；趙世雄等［7］基于遙感影像分析了1985—2019 年淮河入洪澤湖段洲灘的變化趨勢，并分析了自然因素及人類活動的影響作用；李溢汶等［8］以遙感影像為基礎(chǔ)，研究了三峽水庫運(yùn)行后沙市段典型洲灘面積的變化過程及其影響因素。 然而，目前關(guān)于黃河下游游蕩段河床演變的研究，主要側(cè)重于河床沖淤［9-10］、斷面形態(tài)變化［11-14］、河道主槽擺動［15-16］等方面，關(guān)于黃河下游游蕩段洲灘演變特點(diǎn)的研究較少。

本文以黃河下游游蕩段為研究對象，基于1986—2018 年遙感影像資料，定量研究河段內(nèi)洲灘的數(shù)目、面積及形態(tài)指數(shù)等參數(shù)的變化過程，對比分析小浪底水庫運(yùn)行前后洲灘的時空演變特點(diǎn)，以期為游蕩段河道整治提供參考依據(jù)。

1 研究河段概況

1.1 黃河下游游蕩段概況

黃河下游起始桃花峪終至利津，河道形態(tài)多變，且具有寬闊的灘地，河床演變規(guī)律極其復(fù)雜，一直是黃河治理的重點(diǎn)與難點(diǎn)［17］。 根據(jù)河床演變特點(diǎn)的不同，黃河下游可分為游蕩型河段、過渡型河段和彎曲型河段［18］。 其中，高村以上河段為典型的游蕩型河段，該河段全長275 km，灘槽高差相對較小，河道比較順直，曲折系數(shù)平均約為1.15。 該河段的典型特征是沖淤幅度大，斷面寬淺，洲灘密布，流路散亂；河岸土質(zhì)易被侵蝕，極易發(fā)生崩岸，因此河道橫向擺動十分頻繁，給防洪帶來了諸多不利影響［15-16］。 游蕩段設(shè)有花園口、夾河灘和高村3 個水文站，如圖1 所示。 小浪底水利樞紐修建于黃河中游最后一段峽谷的出口處，控制流域面積69.4 萬km2，占黃河流域面積的92.3%。 小浪底水庫1999 年10 月開始運(yùn)行，既可較好地控制黃河下游洪水，又可將絕大多數(shù)中、粗泥沙攔在水庫里，從而減少黃河下游河道的泥沙淤積。

圖1 黃河下游河道平面示意

1.2 水沙過程及河床沖淤概況

圖2 點(diǎn)繪了1986—2018 年花園口水文站水量、沙量的逐年變化過程。 將研究時段分為小浪底水庫運(yùn)行前（1986—1999 年）和小浪底水庫運(yùn)行后（2000—2018年）。 在來水量方面（見圖2（a）），小浪底水庫運(yùn)行前，花園口多年平均來水量約為276.5 億m3，汛期來水量約占全年的47%；小浪底水庫運(yùn)用后，多年平均來水量減少為257.5 億m3，汛期來水量占全年來水量的39%，這說明小浪底水庫運(yùn)行后，進(jìn)入黃河下游的水量略有減少，汛期水量占全年的比重有減少趨勢。在來沙量方面（見圖2（b）），小浪底水庫運(yùn)行前，花園口多年平均來沙量約為6.8 億t；2000—2018 年，大部分泥沙淤積在水庫中，進(jìn)入黃河下游的沙量明顯減少，該時期的年均沙量約為1.0 億t，汛期來沙量占全年的75%。 2018 年是小浪底水庫運(yùn)行后花園口來水量和來沙量最大的年份，其來水量和來沙量分別為447.8億m3和3.4億t。

圖2 1986—2018 年黃河下游的來水來沙條件

黃河下游沿程沖淤過程一般表現(xiàn)為游蕩段沖淤幅度大、過渡段與彎曲段沖淤幅度相對較小的特點(diǎn)。 圖3 點(diǎn)繪了1950—2018 年黃河下游及游蕩段的累計沖淤量變化過程。 1950—1999 年，黃河下游發(fā)生了先淤積、短暫的沖刷后再持續(xù)淤積的過程，至1999 年黃河下游累計淤積量達(dá)55.8 億m3，其中游蕩段累計淤積量為33.5 億m3，約占整個下游總淤積量的60%。 下游河道的持續(xù)淤積導(dǎo)致主槽發(fā)生強(qiáng)烈萎縮，河道的過流能力被大大削弱［19］。 小浪底水庫運(yùn)行后，黃河下游河道經(jīng)歷了持續(xù)沖刷過程。 據(jù)統(tǒng)計，2000—2018 年黃河下游河道累計沖刷量達(dá)20.2 億m3，其中游蕩段的沖刷量最大，累計沖刷量達(dá)14.1 億m3，約占下游總沖刷量的70%。 游蕩段主槽發(fā)生展寬，平灘河寬由1999年的943 m 增加到2018 年的1 246 m，同時河床累計下切深度達(dá)3 m，主槽過流能力大大提高［10］。

圖3 1950—2018 年黃河下游及游蕩段累計沖淤量變化情況

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 遙感數(shù)據(jù)來源

遙感數(shù)據(jù)的選擇必須綜合考慮研究目標(biāo)與影像分辨率之間的關(guān)系，本文收集了黃河下游游蕩段1986—2018 年分辨率為30 m 的TM、ETM 和OLI 影像資料（下 載 于 美 國 地 質(zhì) 調(diào) 查 局 網(wǎng) 站https：／／glovis.usgs.gov／），其中包括Landsat-5／TM（1986—2011 年）、Landsat-7／ETM（2012 年）和Landsat-8／OLI（2013—2018 年），影像數(shù)據(jù)的地理坐標(biāo)范圍為北緯33°42′—35°30′、東經(jīng)112°13′—116°11′。 游蕩段在大流量高水位時，往往表現(xiàn)為單一河道，在小流量低水位時，洲灘顯露、汊道交織，更有利于研究河道內(nèi)洲灘的變化。 為了研究1986—2018 年游蕩段洲灘的演變特點(diǎn)，需要選取水位或流量基本相同時的遙感影像進(jìn)行研究，然而小浪底水庫運(yùn)行后，黃河下游游蕩段發(fā)生了劇烈沖刷，在小流量下，2018 年花園口站水位比1999 年降低了約3.3 m（見圖4），難以確定一個特定水位來確保研究時段內(nèi)的影像資料水位基本相同。 因此，本文采用流量基本相同的遙感影像資料進(jìn)行研究，以每年花園口流量在500 m3／s 左右為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行遙感影像篩選，1986—2018 年共選用66 幅遙感影像，且選取影像清晰、無云、質(zhì)量良好，經(jīng)對比，所選遙感影像中游蕩段的水面范圍變化不大。

圖4 典型年份花園口站水位流量關(guān)系

2.2 遙感影像處理與洲灘信息提取

為了提高河道洲灘解譯的精度，需要進(jìn)行遙感影像預(yù)處理，首先在ENVI5.31 和ArcGIS10.2 軟件支持下，對所有的遙感影像進(jìn)行幾何校正、輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像增強(qiáng)、批量裁剪等預(yù)處理，處理后的遙感影像坐標(biāo)系統(tǒng)一為WGS84 投影坐標(biāo)系。 河道洲灘信息提取過程中，結(jié)合各衛(wèi)星數(shù)據(jù)波段設(shè)置的特點(diǎn)，TM 和ETM 數(shù)據(jù)影像選擇NIR（近紅外）／SWIR（短波紅外）／R（紅）波段進(jìn)行組合，OLI 數(shù)據(jù)影像選擇SWIR／LWIR（熱紅外）／NIR 波段進(jìn)行組合。 為有效區(qū)分洲灘與水體的邊界，本文采用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)［20］提取水體信息，其計算公式如下：

MNDWI＝（Green-MIR）／（Green＋MIR） （1）

式中：Green和MIR分別為綠波段、中紅波段反射率。

在ArcGIS 軟件運(yùn)行中，采用自動與手動相結(jié)合的方式進(jìn)行洲灘提取和參數(shù)確定，逐年確定出1986—2018 年黃河下游游蕩段洲灘的數(shù)目（N）、每個洲灘面積（Ai）、每個洲灘長度（Li），其中洲灘長度為洲灘頭部與尾部之間的最長距離。 同時，引入一個無量綱的形態(tài)指數(shù)（SI）來反映每個洲灘形狀，其表達(dá)式如下：

SI越大表明洲灘形狀越趨向于細(xì)長，SI越小表明洲灘形狀越趨向于寬短。

3 游蕩段洲灘演變特點(diǎn)

基于1986—2018 年遙感影像資料統(tǒng)計出黃河下游游蕩段洲灘參數(shù)，分別從洲灘數(shù)目變化、洲灘面積變化及洲灘形狀變化三個方面探究近33 a 游蕩段洲灘演變的特點(diǎn)，并探討小浪底水庫運(yùn)行對洲灘演變的影響。

3.1 洲灘數(shù)目的變化特點(diǎn)

洲灘數(shù)目可以反映洲灘的產(chǎn)生與消亡，是研究洲灘演變特點(diǎn)的重要參數(shù)。 圖5 給出了1986—2018 年黃河下游游蕩段洲灘數(shù)目的變化過程。 由圖5 可見，1986—1999 年游蕩段洲灘數(shù)目總體上呈減小的趨勢，多年平均洲灘數(shù)目約為105 個，其中洲灘數(shù)目最多的年份為1986 年，洲灘數(shù)目達(dá)到了168 個，洲灘數(shù)目最少的年份為1992 年，洲灘數(shù)目為69 個。 小浪底水庫運(yùn)行后，2000—2003 年游蕩段洲灘數(shù)目持續(xù)增加，由2000 年的132 個增加到2003 年的195 個。 2004 年和2005 年游蕩段洲灘數(shù)目大大減小，分別為68 個和91個，2006—2018 年游蕩段洲灘數(shù)目總體在112 ～189 之間波動。 總體來看，2000—2018 年游蕩段多年平均洲灘數(shù)目約為140 個，多于小浪底水庫運(yùn)行前的洲灘數(shù)目。 將游蕩段進(jìn)一步分為花園口以上河段、花園口—夾河灘河段和夾河灘—高村河段，圖5 給出了這3 個分河段洲灘數(shù)目的變化過程。 據(jù)統(tǒng)計，1986—1999 年3 個分河段多年平均洲灘數(shù)目分別為63 個、31 個和11 個，2000—2018 年3 個分河段多年平均洲灘數(shù)目分別為73 個、44 個和23 個。 總體來看，花園口以上河段在研究時段內(nèi)洲灘數(shù)目最多，花園口—夾河灘河段次之，夾河灘—高村河段最少，3 個分河段洲灘數(shù)目的變化趨勢與整個游蕩段基本相同，小浪底水庫運(yùn)行后3 個分河段的洲灘數(shù)目都有所增加。

圖5 1986—2018 年游蕩段及各分河段洲灘數(shù)目變化過程

游蕩段各洲灘大小變化較大，為探究不同大小洲灘數(shù)目的變化情況，根據(jù)洲灘面積將所有洲灘分為小、中、大和超大4 種類型，分別用T1、T2、T3 和T4 表示。其中T1 型為面積小于0.25 km2的洲灘，面積在0.25～0.55 km2之間的為T2 型洲灘，面積在0.55 ～2.00 km2之間的為T3 型洲灘，T4 型則為面積大于2.00 km2的洲灘。 統(tǒng)計小浪底水庫運(yùn)行前后不同類型洲灘所占百分比，見表1。 小浪底水庫運(yùn)行后，小型洲灘的占比由46%提高到58%，中型洲灘所占比重略有下降，大型和超大型洲灘所占比重各下降了5%。 由此可見，小浪底水庫運(yùn)行后，游蕩段小型洲灘數(shù)目大大增加，這主要受同流量水位迅速降低影響，同時游蕩段河床發(fā)生劇烈沖刷，大型和超大型洲灘也因劇烈沖刷而有所減少。

表1 黃河下游游蕩段不同類型洲灘占比

3.2 洲灘面積的變化特點(diǎn)

洲灘面積可以直觀反映洲灘的大小，是研究洲灘演變特點(diǎn)的重要指標(biāo)之一。 圖6 給出了1986—2018年游蕩段及各分河段洲灘總面積的變化過程。 小浪底水庫運(yùn)行前，1986—1990 年游蕩段洲灘總面積較大，均在100 km2以上，其中1986 年洲灘總面積最大，約為209 km2；1991—1999 年游蕩段洲灘總面積總體變化不大，在36～53 km2范圍內(nèi)波動。 小浪底水庫運(yùn)行后，2000—2003 年游蕩段洲灘總面積持續(xù)增加到72 km2，2004 年和2005 年游蕩段洲灘總面積減少為16 km2和24 km2，之后又有所增加，2006—2018 年洲灘總面積總體變化不大，在57～81 km2范圍內(nèi)波動。 據(jù)統(tǒng)計，小浪底水庫運(yùn)行前游蕩段多年平均洲灘總面積為81 km2，而小浪底水庫運(yùn)行后多年平均洲灘總面積減小到62 km2。 從3 個分河段來看，各河段洲灘總面積的變化趨勢與游蕩段基本一致，其中花園口以上河段多年平均洲灘總面積最大，花園口—夾河灘河段次之，夾河灘—高村河段最小。

圖6 1986—2018 年游蕩段及各分河段洲灘總面積變化過程

根據(jù)洲灘大小的分類，分別統(tǒng)計1986—2018 年游蕩段小、中、大和超大型洲灘的面積，并計算小浪底水庫運(yùn)行前和運(yùn)行后4 種類型洲灘的多年平均洲灘面積。 圖7 對比了不同時期T1、T2、T3 和T4 型洲灘面積的變化，從圖中可以看出，小浪底水庫運(yùn)行后小型洲灘多年平均洲灘面積有所增加，由5.6 km2增加到8.0 km2。 對于中型和大型洲灘，水庫運(yùn)行后多年平均洲灘面積變化不大，分別在9 km2和24 km2左右。 對于超大型洲灘，小浪底水庫運(yùn)行后其多年平均洲灘面積大大減小，由43 km2減小到19 km2。 由此可見，小浪底水庫的運(yùn)行對小型洲灘和超大型洲灘面積的影響最大，造成小型洲灘面積增加和超大型洲灘面積減小，這說明游蕩段洲灘總面積減小的主要原因是超大型洲灘面積的減小。

圖7 小浪底水庫運(yùn)行前后各類型洲灘面積

3.3 洲灘形狀的變化特點(diǎn)

為了探究近33 a 游蕩段洲灘形狀的變化特點(diǎn)，計算1986—2018 年游蕩段所有洲灘形態(tài)指數(shù)的平均值，如圖8 所示。 從圖8 可以看出，小浪底水庫運(yùn)行前，1991 年游蕩段洲灘形態(tài)指數(shù)最小，約為2.20，這說明該年洲灘形態(tài)總體最趨向于寬短；1998 年洲灘形態(tài)指數(shù)最大，約為2.56，說明該年洲灘形態(tài)總體最趨向于細(xì)長。 小浪底水庫運(yùn)行后，前4 a 的洲灘形態(tài)指數(shù)較大，其中2001 年最大，約為2.60，而后形態(tài)指數(shù)呈減小趨勢，2017 年洲灘形態(tài)指數(shù)為2.20，這說明小浪底水庫運(yùn)行后洲灘形態(tài)先趨向于細(xì)長，而后逐漸變得寬短。從兩個時期的多年平均形態(tài)指數(shù)來看，小浪底水庫運(yùn)行前多年平均形態(tài)指數(shù)約為2.31，而小浪底水庫運(yùn)行后多年平均形態(tài)指數(shù)約為2.38，水庫運(yùn)行后游蕩段洲灘形態(tài)更細(xì)長。

圖8 1986—2018 年游蕩段洲灘形態(tài)指數(shù)變化

表2 給出了小浪底水庫運(yùn)行前后3 個分河段形態(tài)指數(shù)的最大、最小和平均值。 對比兩個時期，花園口以上河段多年平均洲灘形態(tài)指數(shù)由小浪底水庫運(yùn)行前的2.25 減小到小浪底水庫運(yùn)行后的2.18，洲灘總體更趨向于寬短，而花園口—夾河灘和夾河灘—高村河段多年平均洲灘形態(tài)指數(shù)均略有增大，這兩個河段洲灘總體更趨向于細(xì)長。 從各分河段來看，不管是小浪底水庫運(yùn)行前還是運(yùn)行后，夾河灘—高村河段洲灘形態(tài)指數(shù)最大，花園口—夾河灘河段次之，花園口以上河段最小，這說明夾河灘—高村河段洲灘形態(tài)更趨向于細(xì)長，花園口以上河段洲灘形態(tài)更趨向于寬短。 而且，花園口以上河段在這兩個時期內(nèi)洲灘形態(tài)指數(shù)波動范圍最小，夾河灘—高村河段在這兩個時期內(nèi)洲灘形態(tài)指數(shù)波動范圍較大，最大形態(tài)指數(shù)都在3.70 及以上。

表2 小浪底水庫運(yùn)行前后3 個分河段形態(tài)指數(shù)

4 結(jié) 論

基于1986—2018 年遙感影像資料，統(tǒng)計了黃河下游游蕩段洲灘數(shù)目、面積和形態(tài)指數(shù)，分析了近33 a游蕩段洲灘的演變特點(diǎn)，得到的主要結(jié)論如下。

（1）游蕩段多年平均洲灘數(shù)目由小浪底水庫運(yùn)行前的105 個增加到水庫運(yùn)行后的140 個，其中小型洲灘數(shù)目增加最多，大型和超大型洲灘數(shù)目有所減少。游蕩段多年平均洲灘總面積由小浪底水庫運(yùn)行前的81 km2減小到小浪底水庫運(yùn)行后的62 km2，面積減小的主要原因是超大型洲灘面積的大幅減小。 近33 a洲灘形態(tài)總體變化不大，形態(tài)指數(shù)在2.20 ～2.60 之間變化，水庫運(yùn)行后游蕩段洲灘形態(tài)更細(xì)長。

（2）從各分河段來看，3 個河段洲灘數(shù)目和面積的變化趨勢與游蕩段基本一致，其中近33 a 花園口以上河段洲灘數(shù)目最多、面積最大，夾河灘—高村河段數(shù)目最少、面積最小。 花園口以上河段洲灘形態(tài)更趨向于寬短，夾河灘—高村河段洲灘形態(tài)更趨向于細(xì)長。