基于遥感影像的黄河下游游荡段河势演变分析

张晓雷，朱 裕，崔振华

（1. 华北水利水电大学，河南 郑州 450046； 2. 黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003）

0 引 言

黄河下游河道游荡段一般特指河南孟津至山东东明高村河段，该河段具有河槽断面宽浅、水流散乱、主流迁徙不定等典型特征［1，2］。20 世纪80 年代以来，受气候和人类活动的双重影响，黄河下游河道的来水来沙条件发生了明显变化。特别是小浪底水库运行之后，黄河下游的来流量大部分时间维持在1 000 m3/s 左右，在中小流量作用下河道摆动［3］，威胁滩区居民的生命财产安全。

对于黄河下游游荡段的这种不稳定的河势，诸多专家学者进行了大量研究。例如，张林忠等［4］分析了黄河下游河道畸形河势的形成条件、发展过程、持续时间及易发河段的演化规律，并提出了相应的整治措施；刘月兰［5］分析了黄河下游游荡段整治前后的冲淤特性，结果表明：整治工程可减少主槽的摆动幅度，压缩或者消除河槽中的嫩滩；戈向阳等［6］通过分析黄河下游游荡段非均匀悬沙输移特点，认为该河段水流含沙量大，河床调整迅速，并对河道发展趋势进行了预测；潘明强等［7］对黄河下游九堡至韦滩河段2008-2012 年的河势变化进行了分析，并基于此提出了相应的河道整治工程建设方案；李云驹等［8］基于RS与GIS技术解析黄河下游遥感资料，并结合水文资料，分析了主流线、心滩、中水河槽水面宽度等河道特征指标，认为黄河下游游荡段长度缩短，主流线摆动幅度变小，主流线长度增加、曲率增大，主槽的面积大幅度减小。

上述学者对黄河下游游荡段的河势进行了较为充分的研究，但大多数学者主要是采用模型试验的方法，而李云驹等采用RS与GIS技术解析Landsat卫星遥感影像资料的方法。Landsat 系列卫星自1972 年7 月23 日发射以来，已经获得数以百万计的高分辨率影像，为研究全球的地理环境变化提供了依据［9］。与传统的人工查河方式相比，高分辨率卫星图片具有精度高、定位准、跟踪迅速等技术优势［10］。李云驹等虽然利用了卫星遥感影像但其只研究了中水河槽的水面宽度，并没有研究汛期洪水河槽的水面宽度。考虑到近年来黄河水量较丰，有必要对该河段的河势变化及演变趋势进一步研究。

1 研究区域概况

1.1 基本概况

黄河下游游荡型河段全长299 km，纵比降0.172‰～0.265‰，滩槽高差较小，河道泥沙淤积严重，主槽变化频繁，主槽宽一般在1.5～3.5 km 之间，水流散乱多汊，一般在1～3股［11，12］。花园口、夹河滩、高村3个断面的河道床沙中值粒径d50在小浪底水库运行后多年平均分别为0.213、0.125、0.098 mm，岸滩土体绝大部分是黏性土体［13］。该河段河势演变剧烈，既受上游来水来沙条件的影响，又受人类活动的影响。为解决河势稳定和防洪安全等问题，近年来开展了相关河道整治工程上延下续工作，提升了中小流量情况下对河势的控导能力。黄河下游河段及本次研究河段见图1。

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

1.2 水文泥沙概况

黄河下游游荡段的河势演变主要受河段来水来沙条件、支流汇入、河流边界条件的影响，其中水沙条件是最为关键的影响因素。小浪底水库控制流域面积占整个黄河流域面积的92.4%，对进入黄河下游河段的水沙量具有较强的调节作用。以小浪底、黑石关、武陟3 站之和的来水量及来沙量为代表，小浪底水库运行前（1986-1999 年），黄河下游年均水量为278 亿m3，水库运行后（1999-2015 年）年均水量为256 亿m3，减少了7.9%；其运行前后年均输沙量分别为7.6 和0.88 亿t，减少了88.4%。在河道冲淤方面，小浪底水库运行前下游河道持续淤积，对下游河势十分不利；运行之后，由于水库对泥沙的拦截作用，黄河下游河道持续冲刷，小浪底水库对下游河道的塑造起了关键作用［14，15］。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

在地理空间数据云（www.gscloud.cn）上，根据黄河下游游荡段所处的条带号、行列号获取其2001-2020 年Lansat 卫星遥感影像资料（Landsat-TM/ETM/OLI 影像），同时为了提高图片中地物的清晰度，控制选取图片的云量不超过5%。

2.2 研究方法

基于下载完成的Landsat-TM/ETM/OLI 影像，利用ENVI 软件提取河道水边线和水体信息。水体是十分重要的地理信息，有效提取水体信息对于黄河下游游荡段河势分析有重要意义。目前遥感成像提取水体的方法有阈值分割法［16］、光谱分类法［17］、水体指数法［18］。阈值分割法原理是通过设定不同的特征阈值，把图像像素点分为若干类。光谱分类法包括监督分类与非监督分类，最常运用于水体提取的方法是监督分类中的最大似然分类法，但容易将河滩错分为水体。一般水体指数法是指归一化水体指数法［19，20］，方程式为NDWI=（ρGreen-ρNIR）/（ρGreen+ρNIR）。该方法是用遥感影像的特定波段进行归一化插值处理，原理是水体在绿波段的反射率大于近红波段［21，22］，利用此特性提取水体信息效果好。但是NDWI 法也有局限性：在水体周围有很多建筑物时，容易将水体和建筑物混淆［23，24］。徐涵秋［25］在NDWI法的基础上，对构成该指数的组合波长进行修改，提出了修正归一化水体指数（MNDWI）法，方程式为MNDWI=（ρGreen-ρSWIR）/（ρGreen+ρSWIR）。该方法不仅能够有效防止将建筑用地误认为水体，导致水体面积扩大的问题［26］；还解决了水体提取中阴影难以消除的问题。本文采用MNDWI 法对研究河段进行水体提取，采用边缘提取算法对水边线进行提取。

图2 给出了采用MNDWI 法提取的2019 年孟津—高村河段的局部河段水体与原地形在Arcgis 中叠置的图像，可以清楚的看出水体与陆地的边界线。根据不同年份提取的水体，均可以在Arcgis 的原地形图中上叠置，这样可以对比分析黄河下游近20 a 的河势变化。同时在单波段的卫星遥感影像中，可以清晰地提取心滩所在位置（图3）。

图3 单波段卫星遥感影像Fig.3 Single-band satellite remote sensing image

3 近20年研究河段河势演变分析

3.1 汛期河道水面宽度变化

为了便于分析，沿程确定南开仪、神堤、秦厂2、破车庄、孙庄、黑石1、三义寨、雷集、马厂和高村等10 个河道断面，具体位置见图4。鉴于相邻年份汛期水面宽度变化不明显，为了便于分析，图5仅给出了2001、2007、2014和2020年研究河段的汛期主流水边线。由于选取的4 个年份中，汛期只有8 月份的卫星遥感影像云量低于5 %，因此汛期河道水面宽度仅研究了8 月份该河段具有卫星遥感影像的日期。表1给出了各分析断面相应年份的汛期水面宽度。

图4 研究河段典型断面Fig.4 Study typical sections of the river section

图5 汛期主流水边线Fig.5 Mainstream waterline during flood season

由图5 和表1 分析可知：①2001 年南开仪断面水面宽度为295 m，三义寨断面水面宽度为217 m，中间断面水面宽度均值为212 m，夹河滩以上河段水面宽度基本处于稳定；主流流经雷集断面后，河道迅速缩窄，水面宽度由雷集断面的405 m降到高村断面的167 m。②2007 年较2001 年全河段河道处于展宽状态，三义寨断面水面宽度更是由217 m 增长到610 m，涨幅181%，原因在于2007 年汛期降雨量大，夹河滩附近流量突破4 000 m3/s，且持续了15 d，在大流量洪水的持续侧冲下，河岸崩塌，河道展宽。③2014 年汛期洪水流量较2007 年减小，流量均值为2 310 m3/s，河道展宽，但涨幅不大；孙庄断面具有特殊性，2014 年的水面宽度较2007 年减小，原因在于2014 年该断面南岸的边滩与河岸连为一体，导致水面宽度减小。④2020年分析断面河道水面宽度涨幅较大，孙庄断面更是由427 m 增加到1 253 m，增加了193 %，原因在于2020 从6 月底开始持续降雨，小浪底水库出库流量峰值达到5 880 m3/s，花园口、夹河滩和高村水文站测出流量均不低于5 000 m3/s。⑤总体来看，2001-2020 河道逐渐展宽，并且随着水量同增同减，孟津—夹河滩河段河道展宽明显，夹河滩—高村河段河道宽度变化较为稳定；在同一个年份，南开仪断面至三义寨断面水面宽度趋近稳定，流经雷集断面后水面宽度迅速缩窄。

3.2 汛后主流位置变化

自小浪底水库运行后，黄河下游的来水来沙量在2001-2020 年总体呈显著减小趋势，年径流量趋于稳定，其对于稳定黄河下游河槽发挥了重要作用。但是分析近20 年的卫星遥感影像发现黄河下游游荡段的主流位置还是会发生变化。图6给出了2001、2004、2006、2010、2013、2018、2019 和2020 年提取水体与原地形叠置的图像。分析可知：

图6 黄河下游游荡段河势变化Fig.6 Changes in river potential in the wandering section of the lower reaches of the Yellow River

（1）汛后河势2004 年与2001 年相比，主流在金沟控导处北移1.6 km（局部放大图见图7），在驾部控导处东移1.2 km 使驾部控导脱河；桃花峪-黑岗口段河势基本稳定，柳园口附近主流南移1 km，徐庄村附近下挫1.2 km；主流流经夹河滩附近主流位置开始来回摆动，先是北移使夹河滩护滩工程逐渐脱河，后南移贴近东坝头控导工程，东坝头-高村段河势趋于稳定。

图7 金沟控导处河势变化局部放大图Fig.7 Local magnification of the change of the river regime at the control guide of the gold gully

（2）汛后河势2006 年与2010 年相比，孟津—桃花峪河段河势相对稳定，河流流经花园口位置开始发生摆动，先是南移1 km使保合寨险工逐渐靠河，后北移1.5 km使花园口险工逐渐脱河；在赵口险工处南移1.6 km；流至九堡下延附近时，由于惯性，主流在弯曲处持续冲刷凹岸一侧的河岸，使得凹岸向陆地方向“后退”，凸岸不断向河流一侧凸出，导致河流的弯曲程度越来越大，进而形成了牛轭湖；在开封黄河大桥的西侧，原来的牛轭湖逐渐消失；开封黄河大桥-高村段趋于稳定。

（3）汛后河势2013 年与2018 年相比，孟津-九堡下延段河势基本稳定，九堡下延-徐庄护滩段主流位置变化不大，但汛期水面宽度明显变窄；黑岗口和柳园口附近主流分别向东偏移1 km 和1.1 km；主流流经欧坦控导工程时下挫，使欧坦控导工程靠河，流经夹河滩护滩工程时向北出溜0.6 km；夹河滩-高村段较为稳定，但在山东魏寨村向东偏移0.7 km。

（4）2019 和2020 是大水年份，河势变化较为明显。汛后河势2019 年与2020 年相比，主流流至裴峪控导时下挫0.8 km 使工程靠河，在东安控导处主流缩窄；流至花园口上游6 km 分成两股于花园口汇聚，流经马渡险工时主流下挫0.9 km；在经过武庄控导工程时，主流又分成两股，但由于工程的导流作用，向下游出溜时又汇聚成一股；主流在三官庙控导工程位置处东移0.4 km，使三官庙控导工程靠河；韦滩控导工程在2019 年处于完全脱河状态，但在2020 年主流下挫3 km 使工程重新靠河；在经过大张庄控导时，主流北移1.3 km；在夹河滩护滩工程下挫0.6 km 后河势趋于稳定。总体来说，孟津—夹河滩段河势变化复杂，夹河滩—高村段河势归于稳定。

3.3 汛后心滩数量变化

黄河下游河道主槽内存在大小不一的心滩。图8给出了采用单波段影像得到的2001-2020 年研究河段汛后的心滩数量。分析可知：①小浪底水库运行后，心滩数量由2001 年的75 个锐减到2007 年的13 个，2007-2015 年数量逐步增加，2015 年之后水量颇丰，该河段水位增高，心滩数量又逐步减小。心滩数量的减少不仅因为水位的增高，导致淹没，还因为水流的持续冲刷，导致心滩完全消失。总体来看，整个河段的心滩数量在河道稳定的基础上呈先减少后增加再减少的趋势。②孟津—夹河滩河段河势变化复杂，心滩数量的变化趋势与整个河段变化趋势相一致，也呈先减后增再减的趋势；夹河滩—高村河段河势稳定，汛后心滩数量也基本稳定，维持在4～16 之间；但在2015年心滩数量陡增至29个，原因在于2015年汛期流量较小，属于小水年份，高村水文站测得日均流量仅为2 000 m3/s。

图8 黄河下游游荡段心滩数量变化Fig.8 Changes in the number of mid-channel beaches in the wandering section of Lower Yellow River

同时通过单波段卫星影像还可清楚的看出心滩数量在主流曲率过大或者在主流方向改变的位置发生变化。图9 给出了2013 和2019 年夹河滩附近灰度图。分析可知：2013 年曹岗控导工程和夹河滩护滩工程附近存在个别心滩，由于主流方向发生改变，这两处附近的心滩在2019 年消失；在禅房控导工程处，主流流经此处曲率过大，2019 年较2013 年衍生出新的心滩。

图9 夹河滩附近灰度图Fig.9 Grayscale map near the river beach

4 影响因素分析

4.1 河床组成变化

小浪底水库运行之后，河床泥沙粒径发生了变化，小浪底水库运行前花园口、夹河滩、高村3个断面处的河床泥沙中值粒径d50均在0.095 mm 以下，但其运行后中值粒径d50均超过0.095 mm，尤其是花园口断面处达到了0.213 mm，泥沙粗化明显。

4.2 来水来沙条件

受上中游水土保持减沙和小浪底水库等控制性枢纽工程蓄水拦沙等因素的共同影响，近年来进入黄河下游游荡段的泥沙急剧减少，河道冲刷明显。以小浪底、黑石关、武陟3 站之和为代表，小浪底水库运行前，进入黄河下游的年均水量为278亿m3，年均来沙量约7.6 亿t；其运行后，年均水量为256 亿m3，年均来沙量为0.88 亿t，年均来沙量显著减少。由冲淤变化分析可知，小浪底水库蓄水后，黄河下游游荡段由持续淤积变成持续冲刷，在1999-2015 年，游荡段冲刷量累计13.38 亿m3，达整个下游冲刷量的73%，对游荡段的河势演变起关键作用。

同时大洪水对河床的塑造也有一定作用，主要是因为大洪水对河道的冲刷作用强。其对河道演变的影响主要体现在两个方面：①大洪水来临会造成滩岸崩塌；②大洪水对河道的冲刷导致游荡段河道下切，改变水流流路。

2018-2020 年雨水颇丰，以小浪底水文站的出库流量为典型代表，2018 年最大出库流量4 310 m3/s，2019 年最大出库流量4 970 m3/s，2020 年最大出库流量5 680 m3/s。这些大水的造床作用显著，在一定程度上起到了加快近期河道冲刷下切的作用。

4.3 人类活动

黄河下游游荡段河势演变很大程度上受到人工修建护滩工程、控导工程的影响。如游荡段北岸沿岸建有北裹头护滩、徐庄护滩等护滩工程，南岸有夹河滩护滩等以控制水流流路，对岸线的稳定起着重要作用。

另外，控导工程包括双井控导、武庄控导、毛庵控导及金沟控导等，这些工程的修建使得主流摆幅减小。总之，人类活动对河势的控制起到了一定积极作用，人工修建护滩工程、控导工程等工程使河势的稳定进一步增强。

5 结 论

（1）小浪底水库运行以来，进入黄河下游的水量减小，在中小水作用下，河槽冲刷明显。由卫星遥感影像提取的黄河下游河道水边线可以看出，在水量减小的情况下，水面宽度总体上却是逐年增加的，原因在于小浪底水库改变了进入下游的水沙过程，下游河道由持续淤积状态转而进入持续冲刷状态，持续的冲刷不仅会导致河道的冲深下切，也会导致横向展宽。雷集断面的水面宽度更是从2001 年的405 m 增加到2020 年的1 309 m，增长了223%。主流流经雷集断面后，水面宽度迅速缩窄，这对黄河下游的岸滩治理具有指导作用。

（2）利用MNDWI 法对黄河下游游荡段进行水体提取，可以有效分析近20 年的主流变化。主流的变化方向一般有3 种规律：①主流位置不变，原因很大程度上取决于其河底板块较为稳定，不会出现断层；②主流位置向同一方向移动，岸边建设的控导工程对河流的有控制导流的作用，拦河坝的建设也可限制河流的流向；③主流位置迁徙不定，该变化既受自然演变的影响，也与人类的生产活动有密切关系。

（3）通过Landsat-TM/ETM/OLI 遥感影像，可以准确看出黄河下游心滩位置，统计出心滩数量。总体上黄河下游游荡段心滩数量，2001-2007 年逐年减小，2007-2015 年逐年增多，2015-2021 年逐年减小。2015 年之后，汛期降雨量增多，甚至出现编号洪水，黄河水位增高，心滩减少。在遥感影像上不难看出，在主流曲率过大或主流方向改变的地方，心滩的变化也比顺直河道上的大，今后应密切关注河型突变处的心滩变化。