基于地理國情普查的河流形態特征變化分析

黃小川

摘 要：本文基于2014年東莞市第一次全國地理國情普查遙感影像和地表覆蓋數據，以及2005年、2008年SPOT衛星影像和2011年1∶5000航攝影像，結合2009—2014年土地變更調查數據，通過影像解譯獲取地表覆蓋數據，從水域面積、河流形態、河川徑流三個角度對東莞市水鄉片區河流形態特征變化開展監測與分析。結果表明，（1）2009—2013年間，水鄉河流狀態主要水道位置、流向和寬度等特征總體上基本沒有變化；（2）僅有三處人類活動明顯改變了水系特征，分別是新建的虎門港麻涌港區、洪梅鎮沙頭村的圍堰、望牛墩鎮石排村的填河造地；（3）新建港口會對獅子洋水質造成負面影響，在潮汐作用下，將間接影響到水鄉片區水道的水質狀態。圍堰及填河造地限制了水流的自由流通，影響水質自凈過程。

關鍵詞：地理國情普查 河流形態特征 生態變化

中圖分類號：P208 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（a）-0099-04

河網水系是地球上最為重要的地域性景觀，城市水系更是人類活動與自然過程交互作用最為強烈的地帶之一。[1]改革開放以來，隨著經濟的快速發展，我國東南沿海尤其是珠三角地區逐漸由傳統的農業區發展為高速城市化地區，城市的快速擴張和土地的高強度利用導致城市水系形態發生巨大變化，而對這一變化開展監測和分析，可以為區域土地利用、水環境保護和工程建設等提供參考和依據，具有重要意義。

城市河流形態是地表形態的重要組成部分，城市河流演化進程及其影響因素研究當前重要的科學前沿之一[2]。目前對于我國東部人類活動影響下的平原河網地區水系結構的研究主要集中于河網密布的太湖流域、長江三角洲以及珠江三角洲地區[1]：陳曉宏等采用珠江三角洲河區數十年來的人類活動和水文特征資料，通過分析人類活動的水文響應特征，發現該地區近10年多來水文情勢發生了顯著異變[3]；陳德超等利用多期航空影像和水質監測數據，分析上海近年城市化進程中河網水系的演變與土地利用變化之間的稱合關系，得出河網水系消失得主要原因[4]；周洪建等在地形圖、河道普查數據、遙感影像等多源數據支持下，分析了深圳近30年河網的時空變化規律及其與城市化水平的關系[5]。上述研究多從地理科學和水文學的領域展開，在數據來源方面，多采用1∶5萬、1∶10萬等中比例尺地形圖和Landsat系列等中低分辨率遙感影像，缺乏高精度數據支持；在研究領域方面，多集中在大范圍、長時間跨度的河網水系整體變化趨勢及其演變成因，對局部區域、相對細微的變化則缺乏相關研究。

我國2013年3月啟動了第一次全國地理國情普查工作，對陸地國土范圍內的地表自然和人文地理要素的現狀和空間分布情況進行摸底調查，獲取較高精度的地表覆蓋等數據和高分辨率的遙感影像數據，并通過與已有測繪成果和檔案資料進行比對分析，形成了一批地理國情專題監測成果，在國土資源、環境保護、防災救災、城市規劃等領域發揮了重要作用。本文選取東莞市水鄉片區作為研究區域，在充分了解片區基本情況的基礎上，利用地理國情監測信息、歷史資料調查，對片區的河流形態特征、來水量特征等要素進行定量化分析和統計，并依據分析結果，提出有效的保護措施與意見。

1 研究區概況

東莞市水鄉特色發展經濟區位于東莞市域西北部，地處珠三角中心腹地，屬東莞市西北部東江北干流、南支流與獅子洋（珠江口）包圍的區域，包括中堂鎮、望牛墩鎮、麻涌鎮、洪梅鎮、道滘鎮，石龍鎮、萬江街道、石碣鎮、高埗鎮、沙田鎮10個鎮街和虎門港1個港區，區域總面積510km2，占全市總面積的21%。東莞水鄉片地貌類型的一大特點便是河網密度非常大。其水域面積為珠三角之最，河網密度也居于前列。現狀河網水域面積約63.7km2，占水鄉片總面積24%，占全市水域面積18%；干流及一級支流總長度238km，寬10m以上的河流長度505km。河網總密度約1.9km/km2（見圖1）。

2 數據處理

本文在2014年東莞市第一次全國地理國情普查遙感影像（優于1m分辨率）和地表覆蓋數據的基礎上，采用2005年、2008年SPOT衛片影像（2.5m分辨率）、2011年1∶5000航攝影像（0.2m分辨率），結合2009年至2014年土地變更調查數據，通過影像解譯獲取地表覆蓋數據。

2.1 數據預處理

2.1.1 源數據坐標轉換

水鄉片區主要水系水質變化監測是以地理國情普查為基礎，最終的矢量分析成果需統一至2000國家大地坐標系。由于采用的分析源數據資料屬于歷年的數據資料，部分數據采用的是1980西安坐標系，需要對數據進行坐標轉換。1980西安坐標系至2000國家大地坐標系，采用東莞市七參數模型進行坐標轉換。

2.1.2 影像配準

所采用的影像數據成果，都經過正射校正處理，消除了遙感影像成像時因材料變形、物鏡畸變、大氣折光、地球曲率、地球自轉和地形起伏等因素導致的幾何畸變。但是由于歷史影像分辨率較低或者控制點精度較低等的原因，影像經過坐標投影轉換后，可能出現與2014年影像不完全套合的情況。

如影像存在不套合，則需進行影像配準。采用二次多項式進行二次糾正，原始圖像坐標（x，y）與參考坐標（X，Y）之間的數學表達式為：

利用多項式模型進行幾何校正時，需對影像進行重采樣。針對本項目對影像質量要求高而且數據量比較大的特點，采用雙線性插值法進行重采樣，進行亮度值的插值運算。

利用已經過正射校正處理的2014年地理國情普查成果影像為基準對其他影像進行幾何配準，每100km2選取4個同名點，控制點分布須均勻，影像的邊緣也要有控制點分布。校正精度控制在0.5個像素之內。

2.1.3 影像增強

影像增強的主要目的是處理影像、提高影像的視覺效果。通常來說，影像增強就是將原本不清晰的影像變得清晰或者強調某些感興趣的專題特征，加大影像中不同物體之間的特征差異，達到提高影像質量、豐富影像信息量，滿足信息提取的需要。

針對本文所使用影像，選取線性對比度拉伸方法進行影像增強，使經過增強處理影像對比度更高、清晰度更高、紋理也更清楚，便于達到目視解譯的需求。

2.2 內業遙感影像解譯與信息提取

以遙感正射影像為基礎底圖，利用收集的參考數據，采用人工解譯的方式，參考基礎地理信息、土地利用、水利普查等資料，按照《地理國情普查內容與指標》的要求，開展內業判讀與解譯，并進行地表覆蓋分類，分別按照要求形成相應的數據層，均以面狀形式存在。

2.2.1 影像判讀訓練

在進行影像內業判讀時，基礎地理信息數據和專業部門提供資料將是判讀的重要依據。針對變化明顯的區域，為了保證內業圖斑分類提取的精度與速度，判讀人員需根據建立起來的解譯標志樣本，進行判讀訓練，使得作業人員盡可能在影像特征明顯的情況下能較準確的判讀。

2.2.2 地表覆蓋層提取

地表覆蓋層提取按照已有資料的現勢性、豐富性和準確性不同，采用全人工提取。

地表覆蓋層提取利用地理國情普查預驗收已完成的2014年成果，逐年疊加往年的遙感影像。對于數據與影像不匹配的范圍，對比當期與2014年遙感影像，確定其是否發生變化。對變化的區域，按照普查的各項技術規定依據標準時點核準數字正射影像，對地表覆蓋層數據進行更新。

作業流程如圖2。

3 水鄉片區河流形態特征變化分析

根據項目分析目標，以東莞市水鄉片區遙感影像數據為基礎進行地理國情要素解譯，結合國土局提供的土地利用現狀圖，參考《土地利用現狀分類》（GB/T 21010-2007），對該水鄉片區10種土地利用類型進行分析統計，分別為耕地（水田、旱地、水澆地）、園地（果園、其他園地）、林地（灌木林地、其他林地、有林地）、草地（其他草地、人工牧草地）、房屋建筑區（城市、村莊、建制鎮）、道路（公路用地、農村道路、鐵路用地）、構筑物（港口碼頭用地、水工建筑用地）、人工堆掘地（采礦用地）、荒漠與裸露地表（裸地）、水域（內陸灘涂、溝渠、河流水面、坑塘水面）。

利用ArcGIS的統計工具集，可對各年土地利用類型進行面積統計，從而進行對比分析，分析2005年、2008年、2011年和2014年水鄉片區土地利用變化情況，查找出期間的水域面積變化，結合水鄉片區水系概化圖，分析河流形態變化包括主要水道的位置、流向和寬度等特征。

3.1 水域面積變化分析

2005年以來，水鄉片區水域面積變化不大，如圖3所示。隨著城市化發展，耕地或林地等土地類型在轉化成人工構筑物的同時，形成人工湖、人工河道等人工水域，另一方面，自然河道被房屋和道路建設取代，因此，水域面積變化在數據表現上并不明顯，但在空間表現上，可識別出被房屋建筑取代的自然河道區域。

其中，虎門港區所在的水域面積在2008年至2011年間減少最明顯，如圖4所示，主要由于獅子洋岸邊水工建筑物和港口的修建增多所致。中堂鎮和麻涌鎮的林地密集區由于城市化建設，部分水面被房屋建筑物代替。

中堂鎮的橫涌和倒運海水道沿岸的坑塘水面被房屋建筑物替代，而麻涌鎮的麻涌水道旁的的坑塘、水澆地被用作耕地，水域面積有所減少。沙田鎮在過去幾年中，由于道路建設發展快、房屋住宅區增多和耕地擴張，坑塘水面面積減少，河道中鏈接物增多。在鞋底沙河道中尤為明顯。洪梅鎮淡水河因增加了岸邊園林種植面積，使得河道變窄，水域面積減少。

整體而言，2005—2014年期間，水鄉片區中游和下游是近幾年開發利用的主要地區，水域面積、形態變化較多。隨著《〈廣東東莞水鄉特色發展經濟區發展總體規劃（2013—2030年）〉實施方案》的印發，水鄉片區水域將會有更大的改變。位于洪梅鎮和望牛墩鎮之間的洪望樞紐的建設將會使水域面積減少，同時沿倒運海水道、赤滘水道、東莞水道流域形成的四片生態開發區也將使河道發生變化。水鄉片區中下游地區今后仍將是主要的水域變化地區。

3.2 河流形態變化分析

根據水鄉片區水系概化圖。發現近10年水鄉片區河流系統變化很小，主要水道的位置、流向和寬度等特征幾乎沒有變化。對比2005年和2014年的水系圖，可以發現三處較明顯的水系變化，如圖5所示。

3.2.1 新建虎門港麻涌港區

虎門港是珠江灣新興港口，國家一類口岸和廣東省重要港口，也是東莞市龍頭園區之一，首批對臺直航港口之一。麻涌港區是虎門港重要組成部分，重點發展港口運輸、倉儲、臨港工業、房地產，具體包括糧食、煤炭以及建材等散雜貨運輸，麻涌糧油倉儲加工、臨港工業及生態景觀區等。

麻涌港區的建設改變了原有的濱海岸線，并對水下地形結構造成影響。輪船貨運過程、工業企業和房地產開發項目都會對獅子洋水質造成負面影響，在潮汐作用下，將間接影響到水鄉片區水道的水質狀態。

3.2.2 圍堰

在對比2008年和2014年的水系圖和地理國情要素圖，發現在洪梅鎮沙頭村新增一處圍堰。通過圍堤和水閘將外河圈為水塘，限制了水流的自由流通。

3.2.3 填河造地

望牛墩鎮石排村一處河流水域在2014年已成為一片陸地。

3.3 河川徑流變化分析

50年代，東江流域尚未開發，流域處于天然狀態，徑流的補給主要是降雨。流域降雨年內分配不均勻，其中4～9月汛期雨量占年雨量的80%，枯季雨量僅占20%。徑流的年內變化很大，枯季月平均流量一般在100～300m3/s之間，正常年份咸潮上溯至南支流的赤嶺河段，北干流的西洲河段（咸潮界以含氯度0.5‰計）。1955年是東江三角洲的特旱年，咸水線上溯到莞城和增城的紫坭、新塘附近。

60～80年代，流域綜合治理的各項水利工程相繼投入使用，新豐江、楓樹壩、白盆珠三大水庫分別于1959年、1973年、1985年投入運行。三大水庫控制集雨面積占博羅站控制面積的46.4%，其建成對調節東江中下游的洪枯流量發揮了極其重要的作用。通過調蓄發電，調節了年際和年內的徑流分配，枯水流量增加，中水時間延長，有利于頂潮壓咸。50年代末開始聯圍筑閘，集中了下泄流量。多種因素使咸潮界逐年下移，退至南洲、板樟一線。

80年代中后期至90年代，三角洲網河區特別是南、北支流進行了大規模的清礁疏浚，人工挖沙，使得河底高程及河床縱比降發生了很大的變化。河床下切，使水深增大，低潮位水面落差減小，削弱漲潮流上溯的阻力，潮汐進退順暢，三角洲網河區的潮汐運動增強。

4 結論與建議

本文基于地理國情普查等數據，采用定量與定性的方法分析水鄉片區的水質形態變化特征，取得較好效果。根據變化分析結果，結合該區的社會經濟發展進程與規律。

（1）2009—2013年間，水鄉河流狀態主要水道位置、流向和寬度等特征總體上基本沒有變化。

（2）僅有三處人類活動明顯改變了水系特征，分別是新建的虎門港麻涌港區、洪梅鎮沙頭村的圍堰、望牛墩鎮石排村的填河造地。

（3）新建港口會對獅子洋水質造成負面影響，在潮汐作用下，將間接影響到水鄉片區水道的水質狀態。圍堰及填河造地限制了水流的自由流通，影響水質自凈過程。

根據以上分析結果，提出具有實效性、針對性的水環境保護建議：

（1）在城鎮化發展過程中，應增強水資源保護意識，統一規劃，專項整治，減少設施減少對河網水系的侵占，著力保護現有生態，修復水源地。

（2）可進一步將地理國情普查成果與珠三角地區已有基礎地理數據、專題數據等結合，建立完善的動態監測體系，發揮地理信息成果在國民生活中的重要作用，推進經濟社會環境協調發展。

參考文獻

[1] 蔡娟.太湖流域腹部城市化對水系結構變化及其調蓄能力的影響研究——以武澄錫虞區為例[D].南京大學，2012.

[2] 尹小玲，李貴才，劉堃，等.城市河流形態及穩定性演變研究進展[J].地理科學進展，2012，31（7）：837-845.

[3] 陳曉宏，陳永勤.珠江三角洲河網區水文與地貌特征編譯及其成因[J].地理學報，2002，57（4）：429-436.

[4] 陳德超.浦東城市化進程中的河網體系變遷與水環境演化研究[D].華東師范大學，2003.