基于Landsat的黃河口近海懸沙年際分布規(guī)律研究

吳文娟 李 勇

(黃河河口海岸科學(xué)研究所，山東 東營 257091)

黃河三角洲位于渤海西南部，北臨渤海灣，東靠萊州灣，屬于弱潮河控型三角洲，高輸沙能力的河流注入弱潮動(dòng)力環(huán)境海域形成了三角洲的淤積延伸。懸浮泥沙作為評(píng)價(jià)Ⅱ類水體水質(zhì)的重要參數(shù)之一，其分布特征在一定程度上反映著污染物的遷移和循環(huán)，其分布也是黃河口濕地保護(hù)和生態(tài)治理效果的間接反映。研究黃河口近岸懸浮泥沙分布與擴(kuò)散對(duì)海岸地貌演變、水體生態(tài)環(huán)境、水產(chǎn)養(yǎng)殖以及海岸工程等有重要意義[1]。傳統(tǒng)的海上船只泥沙監(jiān)測(cè)和分析方法主要為實(shí)地調(diào)查和采樣分析，局限于對(duì)有限的、離散點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，易受人力、物力、氣候和水文條件的限制，因而不能從更廣闊的范圍給出水質(zhì)的空間和時(shí)間變化規(guī)律，且調(diào)查速度慢、周期長、效率低。由于懸浮泥沙在波長較長的紅光及近紅外波段對(duì)水體后向散射能力較強(qiáng)，使得應(yīng)用遙感技術(shù)監(jiān)測(cè)水體懸沙濃度成為可能。相比之下，采用遙感定量技術(shù)能迅速獲得大面積水域的含沙量資料，其瞬間同步性好，重復(fù)獲取數(shù)據(jù)的周期短，能有效地監(jiān)測(cè)含沙量的分布和動(dòng)態(tài)變化。

1 研究區(qū)概況

1.1 氣候背景

研究海區(qū)屬大陸性季風(fēng)氣候，波浪以本地風(fēng)生浪為主，具有明顯的季節(jié)性特征。該海域波浪風(fēng)區(qū)短、波高，且周期短。來自中游黃土區(qū)的泥沙是渤海海域最主要的沉積物來源。黃河三角洲是由沉積物快速堆積入海形成的，沉積物相對(duì)松散，在連續(xù)落淤—懸浮—輸運(yùn)—沉積的過程中被篩分再分配[2-3]。

黃河三角洲地處暖溫帶偏北，受冷暖空氣影響，冬季易出現(xiàn)寒潮(海冰)，夏季易出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)對(duì)流，春秋兩季易出現(xiàn)溫帶氣旋。地緣位置處在東北平原和渤海東北季風(fēng)增強(qiáng)帶的末端，海上易誘發(fā)大浪，在半封閉的渤海，風(fēng)暴潮災(zāi)害嚴(yán)重。且黃河口位于黃河三角洲前端，地勢(shì)平坦且向海突出，風(fēng)浪局地較大。

黃河口海域的風(fēng)暴潮分為臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮和溫帶風(fēng)暴潮。一般說來，北上臺(tái)風(fēng)的次數(shù)較少，且衰減較快。但近年來大的臺(tái)風(fēng)潮災(zāi)呈現(xiàn)日益頻繁的趨勢(shì)。繼1985年出現(xiàn)了大的臺(tái)風(fēng)潮災(zāi)后，1992年、1997年、2005年和2019年又出現(xiàn)了四次。在渤海出現(xiàn)的冷鋒、溫帶氣旋引起的災(zāi)害性大風(fēng)，特別是高低氣壓配合的天氣形勢(shì)往往導(dǎo)致海面出現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)，造成大的風(fēng)暴潮，如果再遇到天文高潮，會(huì)造成潮災(zāi)。

1.2 潮汐潮流特征

黃河入?？诘靥幉澈撑c萊州灣的交匯處，黃河口地區(qū)的潮波為傳入的大洋行進(jìn)波與該區(qū)自由波疊加形成的駐波,M2分潮無潮點(diǎn)位于五號(hào)樁位置外13海里處。近岸海域潮汐特征復(fù)雜，渤海灣多為不規(guī)則全日潮，萊州灣多為不規(guī)則半日潮。渤海灣南側(cè)神仙溝溝口外為M2分潮“無潮點(diǎn)”，潮差以“無潮點(diǎn)”區(qū)最低，向渤海灣和萊州灣兩側(cè)逐漸增高呈“馬鞍”形。黃河入?？谘匕冻绷鳛榛酒叫杏诎毒€等深線的往復(fù)流[4]。

黃河口地區(qū)有兩個(gè)強(qiáng)流區(qū)，分別位于清水溝廢棄老河口外、神仙溝和刁口河一帶10～15m水深海區(qū)內(nèi)(即M2分潮無潮區(qū))。入?？谝阅?，流速減弱，直至萊州灣頂部為弱流區(qū)。

除上述潮流影響外，黃河口海區(qū)亦存在余流的影響，潮流受到黃河三角洲形成的沙嘴海岬地形阻隔，形成岬角余流。黃河口外尚存在切變鋒，在切變鋒附近懸沙大量淤積，剩余部分則隨著潮流與余流等向外海運(yùn)移。

2 遙感數(shù)據(jù)獲取與預(yù)處理

2.1 遙感數(shù)據(jù)獲取

為研究長時(shí)間序列黃河口附近海域懸沙濃度，選用Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)。Landsat衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)間跨度大，獲取方便。自1972年7月23日以來，美國NASA的陸地衛(wèi)星已發(fā)射8顆。Landsat5于2013年6月退役，Landsat8于2013年2月11日發(fā)射升空。文中主要應(yīng)用Landsat-5TM和Landsat-8OLI衛(wèi)星影像，空間分辨率為30m。通過earthdata網(wǎng)站和地理空間數(shù)據(jù)云免費(fèi)下載獲取。Landsat衛(wèi)星信息見表1。

表1 Landsat衛(wèi)星信息

2.2 遙感數(shù)據(jù)預(yù)處理

對(duì)Landsat和高分一號(hào)數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括輻射定標(biāo)、大氣校正、圖像裁剪等。輻射定標(biāo)和大氣校正是進(jìn)行定量遙感反演的重要環(huán)節(jié)，大氣校正精度關(guān)系到遙感反演結(jié)果的準(zhǔn)確性。

輻射定標(biāo)即將傳感器記錄的數(shù)字量化DN值轉(zhuǎn)換成絕對(duì)輻射亮度值。大氣校正的目的是對(duì)從傳感器中獲得的總信號(hào)去除大氣影響，獲得含有水體信息的離水輻亮度。本文利用ENVI軟件中的FLAASH大氣校正模塊對(duì)影像進(jìn)行大氣校正。

3 懸浮泥沙定量反演模型建立

3.1 海上實(shí)測(cè)泥沙數(shù)據(jù)

為分析黃河口及鄰近海域的懸沙分布特征，盡可能獲得與遙感影像時(shí)間一致的懸沙濃度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，探索適合黃河口及鄰近海域泥沙特征的反演模型，在黃河口萊州灣海域開展多站位現(xiàn)場(chǎng)取樣調(diào)查。站位設(shè)置充分考慮泥沙濃度梯度變化，研究河口區(qū)高懸沙濃度區(qū)域與非河口區(qū)低懸沙濃度區(qū)域，盡可能采集較多的外業(yè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，為不同濃度區(qū)域的模型反演提供數(shù)據(jù)支持。根據(jù)《海洋調(diào)查規(guī)范第2部分：海洋水文觀測(cè)》(GB/T 12763.2—2007)規(guī)定，取站點(diǎn)表層水樣，用1000mL有機(jī)玻璃采水器在水深20cm處采集水樣1000mL，共采集83個(gè)調(diào)查站位水樣。

實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用抽濾法處理水樣，得到83個(gè)水樣的泥沙濃度。為更直觀地查看懸沙空間分布情況，將懸沙濃度取對(duì)數(shù)按比例展繪到遙感影像底圖上，取樣點(diǎn)懸沙濃度展繪見圖1。從圖1中清晰地看到，觀測(cè)周期內(nèi)，高懸沙水體均分布在口門區(qū)域，越靠近岸線的水體懸沙濃度越高，越往外海延伸懸沙濃度越低。相同量級(jí)的懸沙濃度沿萊州灣西海岸帶呈弧形分布，這與沿岸往復(fù)流方向存在密切關(guān)系。

圖1 取樣點(diǎn)懸沙濃度展繪

以2020年7月20日高分遙感影像為底圖，套匯2020年濱海區(qū)實(shí)測(cè)水下地形圖(見圖2)，發(fā)現(xiàn)河口西側(cè)2m等深線以內(nèi)已淤積出明顯的新灘地，使徑流方向向東北方向偏移。大于1000mg/L的高懸沙水體集中存在于5m和10m等深線之間，口門方向10m和15m等深線間懸沙濃度達(dá)到100mg/L以上，15m等深線以外懸沙濃度迅速減少至10～20mg/L之間。

圖2 取樣點(diǎn)懸沙濃度等深線套匯

淡水入海后，入海泥沙遭遇上層徑流與底層海流作用下的第一道切邊鋒，流速不斷減小，攜沙能力減弱，失去徑流動(dòng)能的入海泥沙由近到遠(yuǎn)、由粗到細(xì)快速落淤，使大部分泥沙在近口門區(qū)落淤，河口不斷延伸推進(jìn)。入海水流中大部分泥沙落淤在10m水深節(jié)點(diǎn)近岸一側(cè)。

3.2 懸浮泥沙反演模型選取

估算水體中懸浮泥沙的關(guān)鍵問題是建立遙感光譜數(shù)據(jù)與懸浮泥沙含量之間的函數(shù)關(guān)系式。目前的懸浮泥沙遙感定量反演一般采用經(jīng)驗(yàn)方法，即通過野外獲取實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，與衛(wèi)星接收的遙感反射率建立比值關(guān)系。

SSC=f(Rrs)

(1)

式中：SSC為泥沙濃度；Rrs為水體光譜反射率。

2018年，周媛等[5]基于2011年6—7月和11—12月共計(jì)89組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)懸沙濃度和光譜數(shù)據(jù)，分析了黃河口及其附近海域不同懸沙濃度的水體光譜特征。嘗試?yán)枚喾N波段組合建立懸沙濃度遙感反演算法，并驗(yàn)證了865nm波段與波段比655nm/560nm組合形式算法反演結(jié)果最優(yōu)，算法相關(guān)系數(shù)R2為0.95，平均相對(duì)誤差為25.65%。

lgSPM=0.6817+23.9803Rrs865+0.9287Rrs655/Rrs560

(2)

算法通過多名專家學(xué)者實(shí)測(cè)評(píng)估，并用于反演近岸海域懸浮泥沙濃度。同時(shí)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(shí)間上可移植性，在Landsat-8OLI傳感器上的表現(xiàn)要優(yōu)于其他模型。

利用該模型對(duì)2020年6月2日獲取的Landsat8遙感影像做懸沙濃度反演，并與實(shí)測(cè)懸沙濃度數(shù)據(jù)比對(duì)，進(jìn)一步驗(yàn)證該算法的有效性。實(shí)測(cè)與反演懸沙濃度比較見圖3。

圖3 實(shí)測(cè)與反演懸沙濃度比較

6月2日實(shí)測(cè)的12個(gè)水樣站點(diǎn)中，在遙感影像范圍內(nèi)的有效數(shù)據(jù)有7個(gè)。比較7組實(shí)測(cè)與反演懸沙濃度值，最大相對(duì)誤差為0.33，最小相對(duì)誤差為0.03，平均相對(duì)誤差為0.18。由圖3可看出，7個(gè)點(diǎn)的誤差在等值線兩側(cè)正負(fù)均勻分布。最大誤差值在5號(hào)點(diǎn)，該點(diǎn)距離口門較近，受徑流和潮流作用影響大，且該點(diǎn)取樣時(shí)間與遙感影像成像時(shí)間有3h的時(shí)差，故誤差稍大，但仍在可接受范圍內(nèi)。故選取該反演算法進(jìn)行黃河口附近海域懸沙反演分析。

4 基于長時(shí)間序列Landsat影像的懸沙濃度反演

4.1 Landsat遙感影像選取與反演

下載的Landsat遙感影像覆蓋時(shí)間范圍為1992—2020年共29年。為更有針對(duì)性地研究黃河口海域泥沙運(yùn)移規(guī)律，結(jié)合泥沙運(yùn)輸影響因素，選擇其中泥沙運(yùn)輸條件發(fā)生重大變化的年份，反演懸沙濃度，并分析懸沙運(yùn)移年際變化規(guī)律。分析影像共計(jì)14景，對(duì)應(yīng)信息見表2。

表2 Landsat遙感影像參數(shù)

選取1992—2020年間的14景Landsat衛(wèi)星遙感影像，利用ENVI軟件對(duì)影像預(yù)處理后，將式(2)應(yīng)用于LandsatTM5和Landsat 8 OLI影像數(shù)據(jù)，反演計(jì)算黃河口及其附近海域懸浮泥沙濃度，并分析時(shí)空分布規(guī)律[6]。

由1992—2020年多時(shí)相遙感影像懸沙反演濃度結(jié)果發(fā)現(xiàn)，近幾年黃河口濱海區(qū)懸沙濃度比1992年明顯減少，這與入海水沙的變化有很大關(guān)系?？傮w上來看，高懸沙濃度水體主要集中在黃河入海新老河口近岸、萊州灣西側(cè)近岸、萊州灣中部等海域。豐水期，以現(xiàn)河口沙嘴前方海域懸沙濃度最高，且懸沙呈現(xiàn)沿口門方向向外海擴(kuò)散趨勢(shì)?？菟?，沙嘴突出的河口、萊州灣西側(cè)附近海域懸沙濃度最高。懸沙分布范圍隨口門位置變化發(fā)生變化。

為更直觀地查看黃河口近海懸沙濃度年際變化特點(diǎn)，將14景遙感影像反演，得到的懸沙濃度范圍統(tǒng)計(jì)見圖4。

圖4 不同時(shí)相遙感影像懸沙濃度反演范圍統(tǒng)計(jì)

由圖4發(fā)現(xiàn)，反演結(jié)果以2000年為界，2000年之前的懸沙濃度普遍偏高，尤其以1992年汛期最為顯著。2000年之后除特殊狀況外，懸沙濃度最大值均小于6000mg/L。14景影像中，懸沙濃度反演最高值出現(xiàn)在1992年8月24日，最高濃度達(dá)19988mg/L；懸沙濃度反演最低值出現(xiàn)在2001年7月16日，最低值為966mg/L。

4.2 黃河口附近海域懸沙年際分布規(guī)律

由利津水文站的統(tǒng)計(jì)黃河上游來水來沙資料中，1992—2020年黃河入海水沙年際變化較大。調(diào)水調(diào)沙實(shí)施前，1992—2002年間河口平均入海徑流量105.2億m3/a、入海輸沙量2.97億t/a。調(diào)水調(diào)沙實(shí)施以來，2003—2017年間河口平均入海徑流量173.0億m3/a、入海輸沙量1.30億t/a。2018年后春季生態(tài)補(bǔ)水實(shí)施以來，時(shí)段內(nèi)入海水沙明顯回升，2018—2020年間河口平均入海徑流量335.2億m3/a、入海輸沙量2.94億t/a。1992—2020年間黃河入河徑流量與輸沙量見圖5。

圖5 1992—2020年間黃河入海徑流量與輸沙量

懸沙濃度年際變化主要與黃河徑流、風(fēng)浪、流場(chǎng)等水動(dòng)力因素發(fā)生變化有關(guān)。

a.從不同時(shí)期懸沙濃度遙感反演影像中可以看出，黃河徑流對(duì)渤海懸沙濃度分布影響僅局限于行水河口沙嘴前方海域，徑流大小、水沙比及泥沙粒徑變化都會(huì)對(duì)泥沙落淤和懸沙輸移擴(kuò)散范圍產(chǎn)生作用。

1992—2000年間，黃河上游來沙量多，入海水沙比普遍較小，入海徑流符合“小水帶大沙”特點(diǎn)，行水口門沙嘴前方懸沙濃度高。2000年，小浪底水庫投入使用，調(diào)水調(diào)沙初期，上游下泄泥沙量大，加上人造洪峰沖刷河道，造成入海沙量增大，行水口門沙嘴前方形成高含沙量濃度水體。隨著下游河道河床泥沙粗化，河床沖刷效率降低，調(diào)水調(diào)沙期入海徑流“大水帶小沙”，口門沙嘴前方懸沙濃度明顯減小。

在入海沙量相同的條件下，徑流量越大，口門沙嘴前方懸沙濃度越小，但在強(qiáng)徑流作用下，海洋動(dòng)力作用相對(duì)較弱，更容易輸送至外海海域。

b.人工出汊和自然擺動(dòng)出汊直接影響著懸沙的擴(kuò)散運(yùn)移方向。1992—2000年，黃河入海流路主要發(fā)生了四次出汊擺動(dòng)，分別在1996年8月、2007年7月、2014年7月和2020年7月。

1996年，因油田生產(chǎn)需要，人工改至清8出汊。徑流入海懸沙由東南向萊州灣中部改為至東北渤海灣方向。徑流懸沙不再直接向萊州灣中部輸送，而更容易向北部外海運(yùn)移和落淤。清8向北自然擺動(dòng)、口門分汊及北口門向東出汊，現(xiàn)行入海流路三個(gè)口門同時(shí)行水，徑流入海懸沙隨口門位置變化保持在沙嘴正前方海域。

老清水溝流路和老清8河口因沒有徑流的泥沙輸入與補(bǔ)充，在海洋動(dòng)力作用下形成沖刷，在廢河口附近海域形成高含沙量水體。廢河口沙嘴最初表現(xiàn)為快速蝕退，而后蝕退速度變緩，最后趨于穩(wěn)定。沙嘴前端逐漸變得平直圓滑。

c.“波浪掀沙”是黃河口近海懸沙向外海擴(kuò)散的主要原因。黃河三角洲近岸海域的波浪主要是風(fēng)生浪，波浪大小隨風(fēng)速變化而變化。波浪是海床沉積物起動(dòng)的重要?jiǎng)恿?，波浪的?qiáng)烈湍動(dòng)，使泥沙落淤速度大大降低，更容易受潮流和余流作用進(jìn)行長距離搬運(yùn)。

從季節(jié)性極端事件來看，秋、冬、春三季黃河三角洲近岸海域常遭寒潮侵襲，海面常出現(xiàn)波高較大的波浪，且波向以偏北向?yàn)橹?。黃河入海泥沙具有“豐儲(chǔ)枯輸”的顯著特征：豐水期入海泥沙在河口近岸區(qū)域沉積，在枯水期較強(qiáng)水動(dòng)力條件下，沉積物再懸浮并向外輸運(yùn)。風(fēng)暴潮是河口近海懸沙向外海擴(kuò)散的重要?jiǎng)恿Α?/p>

d.“潮流輸沙”是黃河口近海懸沙運(yùn)移的主要?jiǎng)恿Γ瑸I海區(qū)潮流主要受渤海潮波系統(tǒng)和地形相互作用的影響。

黃河三角洲附近海域的潮流類型復(fù)雜，大部分海域?qū)儆诓灰?guī)則半日潮流型。渤海灣和萊州灣中潮流為回轉(zhuǎn)流，近岸海域是往復(fù)式潮流，漲落潮流方向基本上與岸線平行，漲潮流流向萊州灣灣內(nèi)方向，大體為東南向，落潮流大體為西北向。且突出沙嘴前方流速最大。

5 結(jié) 語

以受河口流路、入海水沙、海洋動(dòng)力和人為干預(yù)共同影響的黃河口懸沙為研究對(duì)象，研究了近海水域懸沙分布的空間差異性、時(shí)間動(dòng)態(tài)性及其動(dòng)力機(jī)制。通過實(shí)測(cè)水下地形資料和懸沙濃度，分析了入海懸沙的主要分布范圍?；?992—2020年多時(shí)相Landsat遙感影像，選取了合適的黃河口近海懸沙反演模型，并用實(shí)測(cè)泥沙濃度資料檢驗(yàn)保證模型的可靠性。利用充分的黃河上游來水來沙、潮汐潮流和風(fēng)力風(fēng)向等資料，分析了黃河口懸沙分布及輸移規(guī)律，探討了不同水動(dòng)力條件下泥沙分布輸運(yùn)的差異性，為河口海岸地貌演變、水體水生態(tài)研究提供資料支撐。