基于遙感影像的黃河下游游蕩段河勢演變分析

張曉雷，朱 裕，崔振華

（1. 華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046； 2. 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引 言

黃河下游河道游蕩段一般特指河南孟津至山東東明高村河段，該河段具有河槽斷面寬淺、水流散亂、主流遷徙不定等典型特征［1，2］。20 世紀(jì)80 年代以來，受氣候和人類活動(dòng)的雙重影響，黃河下游河道的來水來沙條件發(fā)生了明顯變化。特別是小浪底水庫運(yùn)行之后，黃河下游的來流量大部分時(shí)間維持在1 000 m3/s 左右，在中小流量作用下河道擺動(dòng)［3］，威脅灘區(qū)居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。

對于黃河下游游蕩段的這種不穩(wěn)定的河勢，諸多專家學(xué)者進(jìn)行了大量研究。例如，張林忠等［4］分析了黃河下游河道畸形河勢的形成條件、發(fā)展過程、持續(xù)時(shí)間及易發(fā)河段的演化規(guī)律，并提出了相應(yīng)的整治措施；劉月蘭［5］分析了黃河下游游蕩段整治前后的沖淤特性，結(jié)果表明：整治工程可減少主槽的擺動(dòng)幅度，壓縮或者消除河槽中的嫩灘；戈向陽等［6］通過分析黃河下游游蕩段非均勻懸沙輸移特點(diǎn)，認(rèn)為該河段水流含沙量大，河床調(diào)整迅速，并對河道發(fā)展趨勢進(jìn)行了預(yù)測；潘明強(qiáng)等［7］對黃河下游九堡至韋灘河段2008-2012 年的河勢變化進(jìn)行了分析，并基于此提出了相應(yīng)的河道整治工程建設(shè)方案；李云駒等［8］基于RS與GIS技術(shù)解析黃河下游遙感資料，并結(jié)合水文資料，分析了主流線、心灘、中水河槽水面寬度等河道特征指標(biāo)，認(rèn)為黃河下游游蕩段長度縮短，主流線擺動(dòng)幅度變小，主流線長度增加、曲率增大，主槽的面積大幅度減小。

上述學(xué)者對黃河下游游蕩段的河勢進(jìn)行了較為充分的研究，但大多數(shù)學(xué)者主要是采用模型試驗(yàn)的方法，而李云駒等采用RS與GIS技術(shù)解析Landsat衛(wèi)星遙感影像資料的方法。Landsat 系列衛(wèi)星自1972 年7 月23 日發(fā)射以來，已經(jīng)獲得數(shù)以百萬計(jì)的高分辨率影像，為研究全球的地理環(huán)境變化提供了依據(jù)［9］。與傳統(tǒng)的人工查河方式相比，高分辨率衛(wèi)星圖片具有精度高、定位準(zhǔn)、跟蹤迅速等技術(shù)優(yōu)勢［10］。李云駒等雖然利用了衛(wèi)星遙感影像但其只研究了中水河槽的水面寬度，并沒有研究汛期洪水河槽的水面寬度?？紤]到近年來黃河水量較豐，有必要對該河段的河勢變化及演變趨勢進(jìn)一步研究。

1 研究區(qū)域概況

1.1 基本概況

黃河下游游蕩型河段全長299 km，縱比降0.172‰～0.265‰，灘槽高差較小，河道泥沙淤積嚴(yán)重，主槽變化頻繁，主槽寬一般在1.5～3.5 km 之間，水流散亂多汊，一般在1～3股［11，12］。花園口、夾河灘、高村3個(gè)斷面的河道床沙中值粒徑d50在小浪底水庫運(yùn)行后多年平均分別為0.213、0.125、0.098 mm，岸灘土體絕大部分是黏性土體［13］。該河段河勢演變劇烈，既受上游來水來沙條件的影響，又受人類活動(dòng)的影響。為解決河勢穩(wěn)定和防洪安全等問題，近年來開展了相關(guān)河道整治工程上延下續(xù)工作，提升了中小流量情況下對河勢的控導(dǎo)能力。黃河下游河段及本次研究河段見圖1。

圖1 黃河下游分段示意Fig.1 Schematic of the lower reaches of the Yellow River

1.2 水文泥沙概況

黃河下游游蕩段的河勢演變主要受河段來水來沙條件、支流匯入、河流邊界條件的影響，其中水沙條件是最為關(guān)鍵的影響因素。小浪底水庫控制流域面積占整個(gè)黃河流域面積的92.4%，對進(jìn)入黃河下游河段的水沙量具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)作用。以小浪底、黑石關(guān)、武陟3 站之和的來水量及來沙量為代表，小浪底水庫運(yùn)行前（1986-1999 年），黃河下游年均水量為278 億m3，水庫運(yùn)行后（1999-2015 年）年均水量為256 億m3，減少了7.9%；其運(yùn)行前后年均輸沙量分別為7.6 和0.88 億t，減少了88.4%。在河道沖淤方面，小浪底水庫運(yùn)行前下游河道持續(xù)淤積，對下游河勢十分不利；運(yùn)行之后，由于水庫對泥沙的攔截作用，黃河下游河道持續(xù)沖刷，小浪底水庫對下游河道的塑造起了關(guān)鍵作用［14，15］。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

在地理空間數(shù)據(jù)云（www.gscloud.cn）上，根據(jù)黃河下游游蕩段所處的條帶號(hào)、行列號(hào)獲取其2001-2020 年Lansat 衛(wèi)星遙感影像資料（Landsat-TM/ETM/OLI 影像），同時(shí)為了提高圖片中地物的清晰度，控制選取圖片的云量不超過5%。

2.2 研究方法

基于下載完成的Landsat-TM/ETM/OLI 影像，利用ENVI 軟件提取河道水邊線和水體信息。水體是十分重要的地理信息，有效提取水體信息對于黃河下游游蕩段河勢分析有重要意義。目前遙感成像提取水體的方法有閾值分割法［16］、光譜分類法［17］、水體指數(shù)法［18］。閾值分割法原理是通過設(shè)定不同的特征閾值，把圖像像素點(diǎn)分為若干類。光譜分類法包括監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類，最常運(yùn)用于水體提取的方法是監(jiān)督分類中的最大似然分類法，但容易將河灘錯(cuò)分為水體。一般水體指數(shù)法是指歸一化水體指數(shù)法［19，20］，方程式為NDWI=（ρGreen-ρNIR）/（ρGreen+ρNIR）。該方法是用遙感影像的特定波段進(jìn)行歸一化插值處理，原理是水體在綠波段的反射率大于近紅波段［21，22］，利用此特性提取水體信息效果好。但是NDWI 法也有局限性：在水體周圍有很多建筑物時(shí)，容易將水體和建筑物混淆［23，24］。徐涵秋［25］在NDWI法的基礎(chǔ)上，對構(gòu)成該指數(shù)的組合波長進(jìn)行修改，提出了修正歸一化水體指數(shù)（MNDWI）法，方程式為MNDWI=（ρGreen-ρSWIR）/（ρGreen+ρSWIR）。該方法不僅能夠有效防止將建筑用地誤認(rèn)為水體，導(dǎo)致水體面積擴(kuò)大的問題［26］；還解決了水體提取中陰影難以消除的問題。本文采用MNDWI 法對研究河段進(jìn)行水體提取，采用邊緣提取算法對水邊線進(jìn)行提取。

圖2 給出了采用MNDWI 法提取的2019 年孟津—高村河段的局部河段水體與原地形在Arcgis 中疊置的圖像，可以清楚的看出水體與陸地的邊界線。根據(jù)不同年份提取的水體，均可以在Arcgis 的原地形圖中上疊置，這樣可以對比分析黃河下游近20 a 的河勢變化。同時(shí)在單波段的衛(wèi)星遙感影像中，可以清晰地提取心灘所在位置（圖3）。

圖3 單波段衛(wèi)星遙感影像Fig.3 Single-band satellite remote sensing image

3 近20年研究河段河勢演變分析

3.1 汛期河道水面寬度變化

為了便于分析，沿程確定南開儀、神堤、秦廠2、破車莊、孫莊、黑石1、三義寨、雷集、馬廠和高村等10 個(gè)河道斷面，具體位置見圖4。鑒于相鄰年份汛期水面寬度變化不明顯，為了便于分析，圖5僅給出了2001、2007、2014和2020年研究河段的汛期主流水邊線。由于選取的4 個(gè)年份中，汛期只有8 月份的衛(wèi)星遙感影像云量低于5 %，因此汛期河道水面寬度僅研究了8 月份該河段具有衛(wèi)星遙感影像的日期。表1給出了各分析斷面相應(yīng)年份的汛期水面寬度。

圖4 研究河段典型斷面Fig.4 Study typical sections of the river section

圖5 汛期主流水邊線Fig.5 Mainstream waterline during flood season

由圖5 和表1 分析可知：①2001 年南開儀斷面水面寬度為295 m，三義寨斷面水面寬度為217 m，中間斷面水面寬度均值為212 m，夾河灘以上河段水面寬度基本處于穩(wěn)定；主流流經(jīng)雷集斷面后，河道迅速縮窄，水面寬度由雷集斷面的405 m降到高村斷面的167 m。②2007 年較2001 年全河段河道處于展寬狀態(tài)，三義寨斷面水面寬度更是由217 m 增長到610 m，漲幅181%，原因在于2007 年汛期降雨量大，夾河灘附近流量突破4 000 m3/s，且持續(xù)了15 d，在大流量洪水的持續(xù)側(cè)沖下，河岸崩塌，河道展寬。③2014 年汛期洪水流量較2007 年減小，流量均值為2 310 m3/s，河道展寬，但漲幅不大；孫莊斷面具有特殊性，2014 年的水面寬度較2007 年減小，原因在于2014 年該斷面南岸的邊灘與河岸連為一體，導(dǎo)致水面寬度減小。④2020年分析斷面河道水面寬度漲幅較大，孫莊斷面更是由427 m 增加到1 253 m，增加了193 %，原因在于2020 從6 月底開始持續(xù)降雨，小浪底水庫出庫流量峰值達(dá)到5 880 m3/s，花園口、夾河灘和高村水文站測出流量均不低于5 000 m3/s。⑤總體來看，2001-2020 河道逐漸展寬，并且隨著水量同增同減，孟津—夾河灘河段河道展寬明顯，夾河灘—高村河段河道寬度變化較為穩(wěn)定；在同一個(gè)年份，南開儀斷面至三義寨斷面水面寬度趨近穩(wěn)定，流經(jīng)雷集斷面后水面寬度迅速縮窄。

3.2 汛后主流位置變化

自小浪底水庫運(yùn)行后，黃河下游的來水來沙量在2001-2020 年總體呈顯著減小趨勢，年徑流量趨于穩(wěn)定，其對于穩(wěn)定黃河下游河槽發(fā)揮了重要作用。但是分析近20 年的衛(wèi)星遙感影像發(fā)現(xiàn)黃河下游游蕩段的主流位置還是會(huì)發(fā)生變化。圖6給出了2001、2004、2006、2010、2013、2018、2019 和2020 年提取水體與原地形疊置的圖像。分析可知：

圖6 黃河下游游蕩段河勢變化Fig.6 Changes in river potential in the wandering section of the lower reaches of the Yellow River

（1）汛后河勢2004 年與2001 年相比，主流在金溝控導(dǎo)處北移1.6 km（局部放大圖見圖7），在駕部控導(dǎo)處東移1.2 km 使駕部控導(dǎo)脫河；桃花峪-黑崗口段河勢基本穩(wěn)定，柳園口附近主流南移1 km，徐莊村附近下挫1.2 km；主流流經(jīng)夾河灘附近主流位置開始來回?cái)[動(dòng)，先是北移使夾河灘護(hù)灘工程逐漸脫河，后南移貼近東壩頭控導(dǎo)工程，東壩頭-高村段河勢趨于穩(wěn)定。

圖7 金溝控導(dǎo)處河勢變化局部放大圖Fig.7 Local magnification of the change of the river regime at the control guide of the gold gully

（2）汛后河勢2006 年與2010 年相比，孟津—桃花峪河段河勢相對穩(wěn)定，河流流經(jīng)花園口位置開始發(fā)生擺動(dòng)，先是南移1 km使保合寨險(xiǎn)工逐漸靠河，后北移1.5 km使花園口險(xiǎn)工逐漸脫河；在趙口險(xiǎn)工處南移1.6 km；流至九堡下延附近時(shí)，由于慣性，主流在彎曲處持續(xù)沖刷凹岸一側(cè)的河岸，使得凹岸向陸地方向“后退”，凸岸不斷向河流一側(cè)凸出，導(dǎo)致河流的彎曲程度越來越大，進(jìn)而形成了牛軛湖；在開封黃河大橋的西側(cè)，原來的牛軛湖逐漸消失；開封黃河大橋-高村段趨于穩(wěn)定。

（3）汛后河勢2013 年與2018 年相比，孟津-九堡下延段河勢基本穩(wěn)定，九堡下延-徐莊護(hù)灘段主流位置變化不大，但汛期水面寬度明顯變窄；黑崗口和柳園口附近主流分別向東偏移1 km 和1.1 km；主流流經(jīng)歐坦控導(dǎo)工程時(shí)下挫，使歐坦控導(dǎo)工程靠河，流經(jīng)夾河灘護(hù)灘工程時(shí)向北出溜0.6 km；夾河灘-高村段較為穩(wěn)定，但在山東魏寨村向東偏移0.7 km。

（4）2019 和2020 是大水年份，河勢變化較為明顯。汛后河勢2019 年與2020 年相比，主流流至裴峪控導(dǎo)時(shí)下挫0.8 km 使工程靠河，在東安控導(dǎo)處主流縮窄；流至花園口上游6 km 分成兩股于花園口匯聚，流經(jīng)馬渡險(xiǎn)工時(shí)主流下挫0.9 km；在經(jīng)過武莊控導(dǎo)工程時(shí)，主流又分成兩股，但由于工程的導(dǎo)流作用，向下游出溜時(shí)又匯聚成一股；主流在三官廟控導(dǎo)工程位置處東移0.4 km，使三官廟控導(dǎo)工程靠河；韋灘控導(dǎo)工程在2019 年處于完全脫河狀態(tài)，但在2020 年主流下挫3 km 使工程重新靠河；在經(jīng)過大張莊控導(dǎo)時(shí)，主流北移1.3 km；在夾河灘護(hù)灘工程下挫0.6 km 后河勢趨于穩(wěn)定?？傮w來說，孟津—夾河灘段河勢變化復(fù)雜，夾河灘—高村段河勢歸于穩(wěn)定。

3.3 汛后心灘數(shù)量變化

黃河下游河道主槽內(nèi)存在大小不一的心灘。圖8給出了采用單波段影像得到的2001-2020 年研究河段汛后的心灘數(shù)量。分析可知：①小浪底水庫運(yùn)行后，心灘數(shù)量由2001 年的75 個(gè)銳減到2007 年的13 個(gè)，2007-2015 年數(shù)量逐步增加，2015 年之后水量頗豐，該河段水位增高，心灘數(shù)量又逐步減小。心灘數(shù)量的減少不僅因?yàn)樗坏脑龈?，?dǎo)致淹沒，還因?yàn)樗鞯某掷m(xù)沖刷，導(dǎo)致心灘完全消失?？傮w來看，整個(gè)河段的心灘數(shù)量在河道穩(wěn)定的基礎(chǔ)上呈先減少后增加再減少的趨勢。②孟津—夾河灘河段河勢變化復(fù)雜，心灘數(shù)量的變化趨勢與整個(gè)河段變化趨勢相一致，也呈先減后增再減的趨勢；夾河灘—高村河段河勢穩(wěn)定，汛后心灘數(shù)量也基本穩(wěn)定，維持在4～16 之間；但在2015年心灘數(shù)量陡增至29個(gè)，原因在于2015年汛期流量較小，屬于小水年份，高村水文站測得日均流量僅為2 000 m3/s。

圖8 黃河下游游蕩段心灘數(shù)量變化Fig.8 Changes in the number of mid-channel beaches in the wandering section of Lower Yellow River

同時(shí)通過單波段衛(wèi)星影像還可清楚的看出心灘數(shù)量在主流曲率過大或者在主流方向改變的位置發(fā)生變化。圖9 給出了2013 和2019 年夾河灘附近灰度圖。分析可知：2013 年曹崗控導(dǎo)工程和夾河灘護(hù)灘工程附近存在個(gè)別心灘，由于主流方向發(fā)生改變，這兩處附近的心灘在2019 年消失；在禪房控導(dǎo)工程處，主流流經(jīng)此處曲率過大，2019 年較2013 年衍生出新的心灘。

圖9 夾河灘附近灰度圖Fig.9 Grayscale map near the river beach

4 影響因素分析

4.1 河床組成變化

小浪底水庫運(yùn)行之后，河床泥沙粒徑發(fā)生了變化，小浪底水庫運(yùn)行前花園口、夾河灘、高村3個(gè)斷面處的河床泥沙中值粒徑d50均在0.095 mm 以下，但其運(yùn)行后中值粒徑d50均超過0.095 mm，尤其是花園口斷面處達(dá)到了0.213 mm，泥沙粗化明顯。

4.2 來水來沙條件

受上中游水土保持減沙和小浪底水庫等控制性樞紐工程蓄水?dāng)r沙等因素的共同影響，近年來進(jìn)入黃河下游游蕩段的泥沙急劇減少，河道沖刷明顯。以小浪底、黑石關(guān)、武陟3 站之和為代表，小浪底水庫運(yùn)行前，進(jìn)入黃河下游的年均水量為278億m3，年均來沙量約7.6 億t；其運(yùn)行后，年均水量為256 億m3，年均來沙量為0.88 億t，年均來沙量顯著減少。由沖淤變化分析可知，小浪底水庫蓄水后，黃河下游游蕩段由持續(xù)淤積變成持續(xù)沖刷，在1999-2015 年，游蕩段沖刷量累計(jì)13.38 億m3，達(dá)整個(gè)下游沖刷量的73%，對游蕩段的河勢演變起關(guān)鍵作用。

同時(shí)大洪水對河床的塑造也有一定作用，主要是因?yàn)榇蠛樗畬拥赖臎_刷作用強(qiáng)。其對河道演變的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：①大洪水來臨會(huì)造成灘岸崩塌；②大洪水對河道的沖刷導(dǎo)致游蕩段河道下切，改變水流流路。

2018-2020 年雨水頗豐，以小浪底水文站的出庫流量為典型代表，2018 年最大出庫流量4 310 m3/s，2019 年最大出庫流量4 970 m3/s，2020 年最大出庫流量5 680 m3/s。這些大水的造床作用顯著，在一定程度上起到了加快近期河道沖刷下切的作用。

4.3 人類活動(dòng)

黃河下游游蕩段河勢演變很大程度上受到人工修建護(hù)灘工程、控導(dǎo)工程的影響。如游蕩段北岸沿岸建有北裹頭護(hù)灘、徐莊護(hù)灘等護(hù)灘工程，南岸有夾河灘護(hù)灘等以控制水流流路，對岸線的穩(wěn)定起著重要作用。

另外，控導(dǎo)工程包括雙井控導(dǎo)、武莊控導(dǎo)、毛庵控導(dǎo)及金溝控導(dǎo)等，這些工程的修建使得主流擺幅減小?？傊?，人類活動(dòng)對河勢的控制起到了一定積極作用，人工修建護(hù)灘工程、控導(dǎo)工程等工程使河勢的穩(wěn)定進(jìn)一步增強(qiáng)。

5 結(jié) 論

（1）小浪底水庫運(yùn)行以來，進(jìn)入黃河下游的水量減小，在中小水作用下，河槽沖刷明顯。由衛(wèi)星遙感影像提取的黃河下游河道水邊線可以看出，在水量減小的情況下，水面寬度總體上卻是逐年增加的，原因在于小浪底水庫改變了進(jìn)入下游的水沙過程，下游河道由持續(xù)淤積狀態(tài)轉(zhuǎn)而進(jìn)入持續(xù)沖刷狀態(tài)，持續(xù)的沖刷不僅會(huì)導(dǎo)致河道的沖深下切，也會(huì)導(dǎo)致橫向展寬。雷集斷面的水面寬度更是從2001 年的405 m 增加到2020 年的1 309 m，增長了223%。主流流經(jīng)雷集斷面后，水面寬度迅速縮窄，這對黃河下游的岸灘治理具有指導(dǎo)作用。

（2）利用MNDWI 法對黃河下游游蕩段進(jìn)行水體提取，可以有效分析近20 年的主流變化。主流的變化方向一般有3 種規(guī)律：①主流位置不變，原因很大程度上取決于其河底板塊較為穩(wěn)定，不會(huì)出現(xiàn)斷層；②主流位置向同一方向移動(dòng)，岸邊建設(shè)的控導(dǎo)工程對河流的有控制導(dǎo)流的作用，攔河壩的建設(shè)也可限制河流的流向；③主流位置遷徙不定，該變化既受自然演變的影響，也與人類的生產(chǎn)活動(dòng)有密切關(guān)系。

（3）通過Landsat-TM/ETM/OLI 遙感影像，可以準(zhǔn)確看出黃河下游心灘位置，統(tǒng)計(jì)出心灘數(shù)量?？傮w上黃河下游游蕩段心灘數(shù)量，2001-2007 年逐年減小，2007-2015 年逐年增多，2015-2021 年逐年減小。2015 年之后，汛期降雨量增多，甚至出現(xiàn)編號(hào)洪水，黃河水位增高，心灘減少。在遙感影像上不難看出，在主流曲率過大或主流方向改變的地方，心灘的變化也比順直河道上的大，今后應(yīng)密切關(guān)注河型突變處的心灘變化。