閆超德 袁觀(guān)杰 李紫薇 劉曉 葉勇超

摘要：黃河鄭州段在中下游黃河中具有代表性，研究鄭州段黃河河流形態(tài)的變化可以為中下游河床的治理以及小浪底水庫(kù)調(diào)水排沙效果評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)?；贚andsat 8衛(wèi)星影像提取桃花峪至花園口段多時(shí)相的水體信息，研究2013-2017年河流水面面積及長(zhǎng)度變化、河流擺動(dòng)以及河流重疊度變化，并對(duì)該河段的河流形態(tài)變化原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在研究年限內(nèi)，該河段的水面面積在年內(nèi)變化范圍較大，但在年際間維持動(dòng)態(tài)穩(wěn)定;河流長(zhǎng)度變化很小，基本保持不變;主流擺幅逐漸縮小，游蕩性逐年減弱，河型趨于穩(wěn)定，表明小浪底水庫(kù)的調(diào)控作用日趨顯著。

關(guān)鍵詞：河流形態(tài);河流測(cè)度;重疊度;遙感;黃河中下游

中圖分類(lèi)號(hào)：TV62;TV882.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01. 005

黃河進(jìn)入中下游平原地區(qū)后河道變寬導(dǎo)致流速減慢，流速的減慢加速了泥沙沉積，進(jìn)而導(dǎo)致黃河河床的抬升。小浪底水庫(kù)建成投入使用后，黃河中下游河床高度及河流形態(tài)主要受到洪峰以及小浪底水庫(kù)排沙泄洪的影響[1-2]。過(guò)去數(shù)十年里，水利科技工作者們對(duì)黃河的河道變遷、河型轉(zhuǎn)變、水沙變化等進(jìn)行了大量的研究，王婷等[2]根據(jù)2000-2016年水文實(shí)測(cè)資料，詳細(xì)分析了小浪底水庫(kù)來(lái)水來(lái)沙及排沙特點(diǎn)，對(duì)比了不同運(yùn)用階段的排沙情況;王衛(wèi)紅等[3]通過(guò)對(duì)多年河勢(shì)資料的統(tǒng)計(jì)整理，分析了主流線(xiàn)的調(diào)整規(guī)律，發(fā)現(xiàn)主流線(xiàn)彎曲系數(shù)與汛期水量和洪水徑流量成反比，與汛期平均含沙量關(guān)系不大，但與年徑流量有關(guān);陸中臣等[4]認(rèn)為，小浪底水庫(kù)清水下泄期間，不會(huì)導(dǎo)致河型的徹底轉(zhuǎn)化，河道整治工程雖然能夠限制主流的擺動(dòng)幅度、弱化河道的游蕩強(qiáng)度，對(duì)河勢(shì)的影響較大，但是不可能根本改變河道平面形態(tài)的長(zhǎng)期演變趨勢(shì);徐國(guó)賓等[5]基于實(shí)測(cè)水文數(shù)據(jù)對(duì)調(diào)水調(diào)沙進(jìn)行了評(píng)估，發(fā)現(xiàn)調(diào)水調(diào)沙不僅能夠減少河道淤積，而且能夠有效增大主槽的過(guò)流能力，改善下游河道排沙條件。傳統(tǒng)的人工水體監(jiān)測(cè)方法難度大、成本高，很難實(shí)時(shí)有效地獲取水體信息。近年來(lái)，隨著大量衛(wèi)星的成功發(fā)射，基于衛(wèi)星遙感的地表探測(cè)和研究取得了飛速進(jìn)展，利用衛(wèi)星對(duì)地拍攝的遙感影像，可以快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行地表水體信息提取，為河流的實(shí)時(shí)同步觀(guān)測(cè)創(chuàng)造了可能[6]。基于衛(wèi)星遙感技術(shù)，選取黃河鄭州段作為典型研究區(qū)域，采集2013-2017年Landsat 8 0L1衛(wèi)星影像數(shù)據(jù)，綜合運(yùn)用GIS空間分析方法，通過(guò)測(cè)度河流幾何形態(tài)、河流擺動(dòng)變化和重疊度，研究黃河河流形態(tài)特征的變化并分析其原因，不僅可以為黃河中下游河道的治理提供科學(xué)依據(jù)，而且對(duì)小浪底水庫(kù)排沙泄洪效果的評(píng)估、黃河灘涂生態(tài)濕地的規(guī)劃等都具有積極的意義[7-8]。

1 黃河鄭州段河流形態(tài)概述

本文選擇黃河桃花峪一花園口河段作為研究對(duì)象（見(jiàn)圖1），全長(zhǎng)約為24 km，平均水面面積約為12km2。該河段屬于游蕩型河段，其河流形態(tài)在年內(nèi)、年際間變化十分頻繁，在黃河下游具有代表性[9]。該段黃河的河流形態(tài)主要特點(diǎn)有：①河身寬淺，沙洲棋布;②河流散亂呈辮狀，分成多股汊流，其中有一股屬于相對(duì)主流，且主流多變，擺動(dòng)頻繁;③河身較為順直，彎曲系數(shù)較小。

通過(guò)對(duì)比分析研究年限內(nèi)的遙感影像可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域水體最主要的變化就是河心洲的變化，包括河心洲的移位、分裂、合并、消失、生成等。因此，根據(jù)河心洲的變化特點(diǎn)可以將研究河段劃分為3段，如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)與方法

本文所采用的數(shù)據(jù)源是Landsat 8 OL1遙感影像（下載于美國(guó)地質(zhì)勘探局USGS，https：∥earthexplorer.usgs.gov/）?？紤]到Landsat 8衛(wèi)星2013年2月發(fā)射，本文的研究年限選為2013年10月至2017年12月。在夏秋季，水量充沛，河流形態(tài)變化迅速，每季選擇兩個(gè)時(shí)相作為研究數(shù)據(jù);在春冬季，水量較少，河流形態(tài)變化相對(duì)較慢，每季只選擇一個(gè)時(shí)相作為研究數(shù)據(jù)，總共24個(gè)時(shí)相（見(jiàn)表1）。在時(shí)相的選擇上盡量遵從平均的原則，如遇云層較厚，研究區(qū)域被遮擋，則選擇相鄰時(shí)相云量少、水路清晰的影像作為替代。

遙感數(shù)據(jù)的處理工作包括：首先在ENVI 5.3和ArcGIS 10.3軟件支持下，對(duì)24期的遙感影像進(jìn)行輻射定標(biāo)、大氣校正、批量裁剪等預(yù)處理;然后對(duì)研究區(qū)河流進(jìn)行信息提取;最終得到2013-2017年不同時(shí)期內(nèi)的鄭州段黃河河流形態(tài)分布圖。

常用的河流水體提取方法有單波段閾值法、多波段譜間關(guān)系法、指數(shù)模型法和遙感影像分類(lèi)提取法等[10-12]。本文對(duì)上述方法進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)指數(shù)模型法提取效果優(yōu)于其他提取方法，且步驟簡(jiǎn)便，于是通過(guò)計(jì)算歸一化差異水體指數(shù)對(duì)黃河鄭州段河道進(jìn)行提取。但提取結(jié)果中混入了一些其他地物（見(jiàn)圖2），因此在相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[13-15]，采用人機(jī)交互的方法對(duì)研究區(qū)河流進(jìn)行提取。具體方法是：先在ENVI軟件中計(jì)算歸一化差異水體指數(shù)，然后將結(jié)果導(dǎo)入ArcMap中進(jìn)行柵格轉(zhuǎn)要素與人工目視解譯修整，最后提取水體（見(jiàn)圖3），可見(jiàn)提取出的水體邊界清晰，細(xì)節(jié)完整.支流和河心洲顯示正確。

3 黃河鄭州段河流測(cè)度與分析

3.1 河流幾何形態(tài)變化

黃河河流的面積和長(zhǎng)度要素是其幾何形態(tài)最重要的表現(xiàn)形式。首先在ArcMap中，將提取出的各個(gè)時(shí)相的整體水體面狀要素和分段后的各段面狀要素分別進(jìn)行面積計(jì)算，得到研究河段對(duì)應(yīng)時(shí)相的河流總面積和各段單獨(dú)的面積，在此基礎(chǔ)上繪制出面積隨時(shí)間變化的折線(xiàn)圖，見(jiàn)圖4。

整體來(lái)看，研究區(qū)水面總面積的變化幅度為7.29km2，平均面積為12.00 km2。3個(gè)河段的水面面積變化與研究區(qū)域河流總的水面面積變化趨勢(shì)大致相同，均呈現(xiàn)出季節(jié)性和周期性變化規(guī)律。除2016年外，每年的4月和5月水面面積到達(dá)峰值，而其余月份水面面積變化較為和緩;第三段水面面積變化范圍大于其他兩段，變幅達(dá)到3.00 km2。

具體分析研究區(qū)每個(gè)時(shí)期水面面積的變化情況，可以看出水面面積的變化可以分為以下4個(gè)階段。

2013年10月至2015年8月，研究區(qū)水面面積呈現(xiàn)出明顯的周期性變化規(guī)律，每年的4月和5月水面面積處于峰值，7月至次年1月處于波谷。2015年5月25日出水面面積最大值，達(dá)到15.36 km2。觀(guān)察該時(shí)相及鄰近時(shí)相的遙感影像可知，該時(shí)期的3個(gè)河段均出現(xiàn)了大片河心洲的消失與縮小，從而導(dǎo)致水面面積增加。2015年7月以后，大量的河心洲重新涌現(xiàn)與擴(kuò)大，水面面積出現(xiàn)急劇下降，減少了6 km2左右。

2015年8月至2016年9月，研究區(qū)水面面積出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)期的低谷，并且2016年9月16日水面面積出現(xiàn)最小值（8.07 km2）。結(jié)合同期遙感影像進(jìn)行分析，該時(shí)期各段河心洲的面積達(dá)到最大值，這是導(dǎo)致水面面積達(dá)到最小值的主要原因。同時(shí)3個(gè)河段的支流均出現(xiàn)了不同程度的斷流、減流現(xiàn)象，在遙感影像上表現(xiàn)為支流細(xì)窄，斷斷續(xù)續(xù)，甚至消失，這也是導(dǎo)致水面面積減小的重要原因。

2016年9月至2017年1月，水面面積出現(xiàn)小的波峰，但仍小于第一個(gè)階段的波谷值。這個(gè)時(shí)期研究區(qū)在遙感影像上河流的整體形態(tài)較為穩(wěn)定，彎道位移的距離很小，河心洲的變化也不是很大。

2017年3月至2017年12月，研究區(qū)水面面積始終處于高值，平均值為13.12 km2。遙感影像上該時(shí)期一些破碎分布的小型河心洲在擴(kuò)大、縮小或移位。

從河流長(zhǎng)度的變化（見(jiàn)圖5）中可以看出.3段河流長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)與整個(gè)研究區(qū)河流的變化趨勢(shì)基本相同，其中：第三段河流最長(zhǎng)，第一段河流最短。研究區(qū)河流各時(shí)期的長(zhǎng)度平均值為24.18 km，長(zhǎng)度變化不超過(guò)2 km，整體上保持穩(wěn)定狀態(tài)。但在2013年10月-2014年5月和2017年3月-2017年12月這兩個(gè)時(shí)段出現(xiàn)了微小的波動(dòng)，河流長(zhǎng)度小于平均值，這主要受到來(lái)水和來(lái)沙條件的影響。

3.2 河流擺動(dòng)測(cè)度與分析

將繪制的各年主流線(xiàn)導(dǎo)入ArcMap中，分段進(jìn)行疊置分析，見(jiàn)圖6。

由圖6可知，第一段河流的后半部分變化很小，主流線(xiàn)擺動(dòng)幅度在240 m左右;而前半部分的變化幅度較大，2013年至2016年主流線(xiàn)向北移位了約540 m，到了2017年主流線(xiàn)又向南移回142 m。第二段河流的兩端較為穩(wěn)定，基本沒(méi)有什么變化;中間部分則由2013年的近乎順直型逐漸演變成了2017年的W形，其中左半邊的主流線(xiàn)向西南方向凹陷了約455 m，右半邊的主流線(xiàn)向西南方向凹陷了約354 m。第三段河流的兩端同樣較為穩(wěn)定，中間部分變化較大，2013年到2017年左半邊的主流線(xiàn)向東北方向移位了約740m，由原本向南凹的彎曲型變?yōu)榱私蹴樦毙?，彎曲系?shù)變小;右半邊的主流線(xiàn)受到該處河心洲移位、擴(kuò)大、破碎等變化的影響，向西北方向偏移了約300 m，但主流線(xiàn)形狀沒(méi)有太大變化。

3.3 河流重疊度測(cè)度與分析

利用ArcMap計(jì)算并繪制出每段河流各年度的重疊度年度變化圖（圖7）.并將結(jié)果統(tǒng)計(jì)成柱狀圖（圖8），定量分析每段河流的空間分布規(guī)律。

從圖7可以看出，研究區(qū)在各時(shí)期的重疊區(qū)主要集中在主流線(xiàn)附近，并隨主流線(xiàn)的變化而呈現(xiàn)階段性演變規(guī)律。圖7（a）、（b）所示的兩個(gè)時(shí)期，河流重疊區(qū)的分布情況和研究區(qū)圖（圖1）具有較好的空間耦合性，表明這個(gè)時(shí)期河流較為穩(wěn)定。圖7（c）、（d）所示的兩個(gè)時(shí)期河流空間分布狀況較研究區(qū)圖發(fā)生了顯著的變化：第一段河流中向東北方向突出的河流消失，第二段河流中向西南方向突出的河流消失，第三段河流中東北方向突出的河流重疊區(qū)有所增加。這些變化說(shuō)明了2015-2017年研究區(qū)河流形態(tài)發(fā)生了較大改變。

對(duì)河流重疊度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)可以定量分析其演變規(guī)律。從圖8中可以看出，整體上3段河流各年度的重疊度都呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，說(shuō)明研究河段的河流形態(tài)變化程度在逐年減弱，河勢(shì)逐漸趨于穩(wěn)定。

具體分析每段河流的重疊度發(fā)現(xiàn)，第一段河流2013-2015年重疊度逐年上升.2016年后開(kāi)始下降，但是下一年又出現(xiàn)大幅回升，達(dá)到最大值（72%）。觀(guān)察影像數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn).2013-2015年河道逐漸變寬，河心洲逐年擴(kuò)大，因此河流的重疊度也逐年上升。但是到了2016年，有兩片較大面積的河心洲出現(xiàn)了合并，河心洲中間的河流消失，下半部分有一塊大型河心洲出現(xiàn)了破碎、移位，并且該段有一條支流出現(xiàn)了斷流現(xiàn)象，這些共同導(dǎo)致了河流重疊度出現(xiàn)一定范圍的下降。2017年河流重疊度大幅增大的主要原因是：相比于上一年，河道形態(tài)沒(méi)有太大的變化，但是大型河心洲出現(xiàn)了破碎、縮小甚至消失的情況，導(dǎo)致水面面積大幅增加，進(jìn)而導(dǎo)致了重疊度的增大。

第二段河流的重疊度在2013年到2016年期間持續(xù)增大，到了2017年出現(xiàn)一個(gè)小幅度的下降。究其原因，該段河流的河心洲2013-2016年呈現(xiàn)出不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)，河心洲面積逐漸擴(kuò)大，但是到了2017年，河心洲突然出現(xiàn)收縮，降至2013年的水平，從而導(dǎo)致了重疊度的下降。

第三段河流的重疊度逐年遞增，由2013-2014年度的42%逐漸增大到2016-2017年度的61%，平均重疊度為48.5%.說(shuō)明年際接近于一半的河流形態(tài)維持不變。結(jié)合遙感影像圖發(fā)現(xiàn)，該段河流這幾年的河道形態(tài)變化很小，沒(méi)有出現(xiàn)大型河心洲生成與消失的情況，也沒(méi)有出現(xiàn)支流斷流的現(xiàn)象，河道南北位移量在150 m以下，主要的變化為下半部分河心洲的擴(kuò)大、增多與移動(dòng)，由2013年的16個(gè)增加到2017年的30個(gè)左右。

3.4 河流形態(tài)變化成因分析

影響該段河流形態(tài)變化的因素主要有內(nèi)部因素（如水沙條件）和外部因素（如人類(lèi)活動(dòng)、河床邊界條件、地形等）。

（1）來(lái)水條件對(duì)河流形態(tài)變化的影響。收集到2013-2016年小浪底水文控制站部分實(shí)測(cè)水沙數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。2013年汛期黃河中上游發(fā)生了多次暴雨，三門(mén)峽至小浪底區(qū)間西陽(yáng)河橋頭站出現(xiàn)了建站以來(lái)最大洪水，因此該年的年徑流量大大超過(guò)多年平均值，水面面積也大于2013-2016年的平均值。2014年和2015年下游全年引水量分別為116.6億、116.0億m3.相差無(wú)幾，而且汛期黃河流域均未出現(xiàn)大的洪水過(guò)程，年徑流量只是在多年平均值上下小幅波動(dòng)，因此這兩年的平均水面面積也大致接近。2016年汛期，黃河流域部分支流出現(xiàn)了多年未見(jiàn)的較大洪水，干流部分河段出現(xiàn)了中小洪水，但小浪底站的年最大流量為2013-2016年的最小值，且年徑流量較多年平均值下降了31%。該年份下游全年引水量109.4億m3，較前兩年下降了6%左右。由圖4可知，2016年度的水面面積年內(nèi)變化幅度并不是特別大，這與小浪底水庫(kù)的調(diào)控作用有著直接的聯(lián)系。小浪底水庫(kù)的建成投入使用，不僅減少了下游河道淤積，而且有效增大了主槽的過(guò)流能力，改善了下游河道的排水排沙條件，因此河流形態(tài)呈現(xiàn)出穩(wěn)定的趨勢(shì)。

（2）來(lái)沙條件對(duì)河流形態(tài)變化的影響。查閱水文資料可知，下游河道總體表現(xiàn)為沖刷.2013-2016年總沖刷量為0.793億m3.下游全年引沙量1 897萬(wàn)t。其中2014年10月和2016年10月與上年同時(shí)期相比，黃河下游河道均表現(xiàn)為沖刷，總沖刷量分別為0.913億、0.507億m3，下游全年引沙量分別為1 830萬(wàn)、1 001萬(wàn)t。而2015年黃河干流潼關(guān)、三門(mén)峽、小浪底、花園口等站均出現(xiàn)建站以來(lái)最小年輸沙量，小浪底站首次出現(xiàn)實(shí)測(cè)輸沙量為0。結(jié)合各年度水面面積變化圖分析可知.2014年與2015年中下游河道的總沖刷量大、年引沙量多，河道淤積少，水面面積相對(duì)較大;而2016年中下游河道的總沖刷量和年引沙量都較小，河道淤積嚴(yán)重，水面面積相對(duì)變小。由表2可以看出，各年度的年輸沙量和年均含沙量都遠(yuǎn)低于多年平均值，使得泥沙對(duì)河流形態(tài)的影響減小，不容易發(fā)生較大范圍的河道變化，河勢(shì)趨于穩(wěn)定。

（3）人類(lèi)活動(dòng)對(duì)河流形態(tài)變化的影響。影響黃河水沙變化的人類(lèi)活動(dòng)主要為土地覆被變化、黃河引水和水利樞紐工程的興建及調(diào)控。受黃河大堤與河槽的強(qiáng)脅迫，黃河下游灘地的范圍、形態(tài)和面積受到極大制約，當(dāng)河槽與大堤間距離很小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)黃河下游灘地被分割成獨(dú)立灘區(qū)的現(xiàn)象。研究區(qū)沿岸的灘地密布，使得對(duì)黃河灘地的開(kāi)發(fā)利用正在逐步影響著河流形態(tài)的變化。以往研究表明，修建整治工程之后，河道的游蕩程度降低，主槽擺動(dòng)幅度減小。近年來(lái)黃河來(lái)水來(lái)沙進(jìn)入偏枯序列，小浪底水庫(kù)的運(yùn)用使得進(jìn)入游蕩段的沙量劇減。據(jù)2015年統(tǒng)計(jì)，黃河下游游蕩段28個(gè)淤積斷面110處河道整治工程中，只有7處河道整治工程對(duì)主流有一定的歸順作用[16]，這說(shuō)明大量河道整治工程的修建雖在一定程度上改變了河床邊界條件，但很難完全改變河流的固有特性。

（4）其他條件的影響。其他因素諸如地形、氣候等也會(huì)對(duì)河流形態(tài)的變化產(chǎn)生一定的影響。例如，研究河段南靠邙山山脈，因此在年內(nèi)和年際間河道往南基本不偏移，主流主要向北方游蕩;年內(nèi)氣溫會(huì)影響到河流水面的蒸發(fā)量，使年內(nèi)水量發(fā)生改變，進(jìn)而影響到河流形態(tài)的變化。

4 結(jié)論

（1）研究河段水面面積的變化幅度為7.29 km2，平均面積為12.00 km2。河流長(zhǎng)度平均值為24.18 km，變化幅度不超過(guò)2 km，整體上保持穩(wěn)定狀態(tài)。3段河流的面積和長(zhǎng)度變化與研究區(qū)河流的變化趨勢(shì)大致相同，呈現(xiàn)出季節(jié)性和周期性變化規(guī)律。

（2）將河流進(jìn)行分段后研究，發(fā)現(xiàn)第一段和第三段的河流由彎曲逐漸變得順直，主流擺動(dòng)呈現(xiàn)出不斷縮小的趨勢(shì)，表明這兩段的游蕩程度在逐漸減弱;而第二段的河流由原來(lái)的較順直開(kāi)始變得彎曲，河流長(zhǎng)度變長(zhǎng)，主流擺幅增大，游蕩程度略有增大。

（3）3段河流各年度的重疊度都呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，表明研究河段的河流形態(tài)趨于程度在逐年減弱，河勢(shì)逐漸趨于穩(wěn)定。

（4）河流形態(tài)的變化受到來(lái)水、來(lái)沙等條件的影響，在研究年限內(nèi)，河段的水面面積和長(zhǎng)度趨于穩(wěn)定，主流擺幅逐漸縮小，河勢(shì)越來(lái)越穩(wěn)定，這些都與小浪底水庫(kù)等工程的調(diào)水排沙作用密不可分。水沙條件的優(yōu)化調(diào)控加上河道整治工程的日益完善，能夠有效地促進(jìn)黃河中下游的游蕩型河道向更穩(wěn)定的河型轉(zhuǎn)變。

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（責(zé)任編輯 許立新）

收稿日期：2019- 01- 06

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（ 41671455）;河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（15A420007，16A420005）

作者簡(jiǎn)介：閆超德（1965-），男，河南孟州人，副教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事GIS空間分析以及地圖制圖研究工作

E-mail： ycd@ zzu.edu.cn