1986—2018 年黃河下游游蕩段洲灘演變特點

李 潔，褚明浩，張 翼，朱呈浩

（1.揚州大學 水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009； 2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225009； 3.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

洲灘是河流地貌結構與格局的重要組成部分，其演變特點對河流系統的完整性、復雜性和生態服務功能具有重要意義［1-2］。 黃河下游游蕩段洲灘密布、汊道交織，河道橫向擺動頻繁，洲灘變化較為劇烈。 因此，研究近期黃河下游游蕩段的洲灘演變特點，不僅有助于充分認識近期黃河下游的河床演變規律，而且可為河道整治及規劃等提供相關參數。 衛星遙感影像能夠快速直觀地反映河道內洲灘的變遷情況，且具有時間和空間的連續性優勢，成為學者們研究洲灘演變的重要信息源之一［3-5］。 例如，陳輔萍等［6］基于遙感影像研究了黃河源區達日河段洲灘形態變化，并提出了洲灘的穩定性參數；趙世雄等［7］基于遙感影像分析了1985—2019 年淮河入洪澤湖段洲灘的變化趨勢，并分析了自然因素及人類活動的影響作用；李溢汶等［8］以遙感影像為基礎，研究了三峽水庫運行后沙市段典型洲灘面積的變化過程及其影響因素。 然而，目前關于黃河下游游蕩段河床演變的研究，主要側重于河床沖淤［9-10］、斷面形態變化［11-14］、河道主槽擺動［15-16］等方面，關于黃河下游游蕩段洲灘演變特點的研究較少。

本文以黃河下游游蕩段為研究對象，基于1986—2018 年遙感影像資料，定量研究河段內洲灘的數目、面積及形態指數等參數的變化過程，對比分析小浪底水庫運行前后洲灘的時空演變特點，以期為游蕩段河道整治提供參考依據。

1 研究河段概況

1.1 黃河下游游蕩段概況

黃河下游起始桃花峪終至利津，河道形態多變，且具有寬闊的灘地，河床演變規律極其復雜，一直是黃河治理的重點與難點［17］。 根據河床演變特點的不同，黃河下游可分為游蕩型河段、過渡型河段和彎曲型河段［18］。 其中，高村以上河段為典型的游蕩型河段，該河段全長275 km，灘槽高差相對較小，河道比較順直，曲折系數平均約為1.15。 該河段的典型特征是沖淤幅度大，斷面寬淺，洲灘密布，流路散亂；河岸土質易被侵蝕，極易發生崩岸，因此河道橫向擺動十分頻繁，給防洪帶來了諸多不利影響［15-16］。 游蕩段設有花園口、夾河灘和高村3 個水文站，如圖1 所示。 小浪底水利樞紐修建于黃河中游最后一段峽谷的出口處，控制流域面積69.4 萬km2，占黃河流域面積的92.3%。 小浪底水庫1999 年10 月開始運行，既可較好地控制黃河下游洪水，又可將絕大多數中、粗泥沙攔在水庫里，從而減少黃河下游河道的泥沙淤積。

圖1 黃河下游河道平面示意

1.2 水沙過程及河床沖淤概況

圖2 點繪了1986—2018 年花園口水文站水量、沙量的逐年變化過程。 將研究時段分為小浪底水庫運行前（1986—1999 年）和小浪底水庫運行后（2000—2018年）。 在來水量方面（見圖2（a）），小浪底水庫運行前，花園口多年平均來水量約為276.5 億m3，汛期來水量約占全年的47%；小浪底水庫運用后，多年平均來水量減少為257.5 億m3，汛期來水量占全年來水量的39%，這說明小浪底水庫運行后，進入黃河下游的水量略有減少，汛期水量占全年的比重有減少趨勢。在來沙量方面（見圖2（b）），小浪底水庫運行前，花園口多年平均來沙量約為6.8 億t；2000—2018 年，大部分泥沙淤積在水庫中，進入黃河下游的沙量明顯減少，該時期的年均沙量約為1.0 億t，汛期來沙量占全年的75%。 2018 年是小浪底水庫運行后花園口來水量和來沙量最大的年份，其來水量和來沙量分別為447.8億m3和3.4億t。

圖2 1986—2018 年黃河下游的來水來沙條件

黃河下游沿程沖淤過程一般表現為游蕩段沖淤幅度大、過渡段與彎曲段沖淤幅度相對較小的特點。 圖3 點繪了1950—2018 年黃河下游及游蕩段的累計沖淤量變化過程。 1950—1999 年，黃河下游發生了先淤積、短暫的沖刷后再持續淤積的過程，至1999 年黃河下游累計淤積量達55.8 億m3，其中游蕩段累計淤積量為33.5 億m3，約占整個下游總淤積量的60%。 下游河道的持續淤積導致主槽發生強烈萎縮，河道的過流能力被大大削弱［19］。 小浪底水庫運行后，黃河下游河道經歷了持續沖刷過程。 據統計，2000—2018 年黃河下游河道累計沖刷量達20.2 億m3，其中游蕩段的沖刷量最大，累計沖刷量達14.1 億m3，約占下游總沖刷量的70%。 游蕩段主槽發生展寬，平灘河寬由1999年的943 m 增加到2018 年的1 246 m，同時河床累計下切深度達3 m，主槽過流能力大大提高［10］。

圖3 1950—2018 年黃河下游及游蕩段累計沖淤量變化情況

2 數據來源及研究方法

2.1 遙感數據來源

遙感數據的選擇必須綜合考慮研究目標與影像分辨率之間的關系，本文收集了黃河下游游蕩段1986—2018 年分辨率為30 m 的TM、ETM 和OLI 影像資料（下 載 于 美 國 地 質 調 查 局 網 站https：／／glovis.usgs.gov／），其中包括Landsat-5／TM（1986—2011 年）、Landsat-7／ETM（2012 年）和Landsat-8／OLI（2013—2018 年），影像數據的地理坐標范圍為北緯33°42′—35°30′、東經112°13′—116°11′。 游蕩段在大流量高水位時，往往表現為單一河道，在小流量低水位時，洲灘顯露、汊道交織，更有利于研究河道內洲灘的變化。 為了研究1986—2018 年游蕩段洲灘的演變特點，需要選取水位或流量基本相同時的遙感影像進行研究，然而小浪底水庫運行后，黃河下游游蕩段發生了劇烈沖刷，在小流量下，2018 年花園口站水位比1999 年降低了約3.3 m（見圖4），難以確定一個特定水位來確保研究時段內的影像資料水位基本相同。 因此，本文采用流量基本相同的遙感影像資料進行研究，以每年花園口流量在500 m3／s 左右為標準進行遙感影像篩選，1986—2018 年共選用66 幅遙感影像，且選取影像清晰、無云、質量良好，經對比，所選遙感影像中游蕩段的水面范圍變化不大。

圖4 典型年份花園口站水位流量關系

2.2 遙感影像處理與洲灘信息提取

為了提高河道洲灘解譯的精度，需要進行遙感影像預處理，首先在ENVI5.31 和ArcGIS10.2 軟件支持下，對所有的遙感影像進行幾何校正、輻射定標、大氣校正、圖像增強、批量裁剪等預處理，處理后的遙感影像坐標系統一為WGS84 投影坐標系。 河道洲灘信息提取過程中，結合各衛星數據波段設置的特點，TM 和ETM 數據影像選擇NIR（近紅外）／SWIR（短波紅外）／R（紅）波段進行組合，OLI 數據影像選擇SWIR／LWIR（熱紅外）／NIR 波段進行組合。 為有效區分洲灘與水體的邊界，本文采用改進的歸一化差異水體指數［20］提取水體信息，其計算公式如下：

MNDWI＝（Green-MIR）／（Green＋MIR） （1）

式中：Green和MIR分別為綠波段、中紅波段反射率。

在ArcGIS 軟件運行中，采用自動與手動相結合的方式進行洲灘提取和參數確定，逐年確定出1986—2018 年黃河下游游蕩段洲灘的數目（N）、每個洲灘面積（Ai）、每個洲灘長度（Li），其中洲灘長度為洲灘頭部與尾部之間的最長距離。 同時，引入一個無量綱的形態指數（SI）來反映每個洲灘形狀，其表達式如下：

SI越大表明洲灘形狀越趨向于細長，SI越小表明洲灘形狀越趨向于寬短。

3 游蕩段洲灘演變特點

基于1986—2018 年遙感影像資料統計出黃河下游游蕩段洲灘參數，分別從洲灘數目變化、洲灘面積變化及洲灘形狀變化三個方面探究近33 a 游蕩段洲灘演變的特點，并探討小浪底水庫運行對洲灘演變的影響。

3.1 洲灘數目的變化特點

洲灘數目可以反映洲灘的產生與消亡，是研究洲灘演變特點的重要參數。 圖5 給出了1986—2018 年黃河下游游蕩段洲灘數目的變化過程。 由圖5 可見，1986—1999 年游蕩段洲灘數目總體上呈減小的趨勢，多年平均洲灘數目約為105 個，其中洲灘數目最多的年份為1986 年，洲灘數目達到了168 個，洲灘數目最少的年份為1992 年，洲灘數目為69 個。 小浪底水庫運行后，2000—2003 年游蕩段洲灘數目持續增加，由2000 年的132 個增加到2003 年的195 個。 2004 年和2005 年游蕩段洲灘數目大大減小，分別為68 個和91個，2006—2018 年游蕩段洲灘數目總體在112 ～189 之間波動。 總體來看，2000—2018 年游蕩段多年平均洲灘數目約為140 個，多于小浪底水庫運行前的洲灘數目。 將游蕩段進一步分為花園口以上河段、花園口—夾河灘河段和夾河灘—高村河段，圖5 給出了這3 個分河段洲灘數目的變化過程。 據統計，1986—1999 年3 個分河段多年平均洲灘數目分別為63 個、31 個和11 個，2000—2018 年3 個分河段多年平均洲灘數目分別為73 個、44 個和23 個。 總體來看，花園口以上河段在研究時段內洲灘數目最多，花園口—夾河灘河段次之，夾河灘—高村河段最少，3 個分河段洲灘數目的變化趨勢與整個游蕩段基本相同，小浪底水庫運行后3 個分河段的洲灘數目都有所增加。

圖5 1986—2018 年游蕩段及各分河段洲灘數目變化過程

游蕩段各洲灘大小變化較大，為探究不同大小洲灘數目的變化情況，根據洲灘面積將所有洲灘分為小、中、大和超大4 種類型，分別用T1、T2、T3 和T4 表示。其中T1 型為面積小于0.25 km2的洲灘，面積在0.25～0.55 km2之間的為T2 型洲灘，面積在0.55 ～2.00 km2之間的為T3 型洲灘，T4 型則為面積大于2.00 km2的洲灘。 統計小浪底水庫運行前后不同類型洲灘所占百分比，見表1。 小浪底水庫運行后，小型洲灘的占比由46%提高到58%，中型洲灘所占比重略有下降，大型和超大型洲灘所占比重各下降了5%。 由此可見，小浪底水庫運行后，游蕩段小型洲灘數目大大增加，這主要受同流量水位迅速降低影響，同時游蕩段河床發生劇烈沖刷，大型和超大型洲灘也因劇烈沖刷而有所減少。

表1 黃河下游游蕩段不同類型洲灘占比

3.2 洲灘面積的變化特點

洲灘面積可以直觀反映洲灘的大小，是研究洲灘演變特點的重要指標之一。 圖6 給出了1986—2018年游蕩段及各分河段洲灘總面積的變化過程。 小浪底水庫運行前，1986—1990 年游蕩段洲灘總面積較大，均在100 km2以上，其中1986 年洲灘總面積最大，約為209 km2；1991—1999 年游蕩段洲灘總面積總體變化不大，在36～53 km2范圍內波動。 小浪底水庫運行后，2000—2003 年游蕩段洲灘總面積持續增加到72 km2，2004 年和2005 年游蕩段洲灘總面積減少為16 km2和24 km2，之后又有所增加，2006—2018 年洲灘總面積總體變化不大，在57～81 km2范圍內波動。 據統計，小浪底水庫運行前游蕩段多年平均洲灘總面積為81 km2，而小浪底水庫運行后多年平均洲灘總面積減小到62 km2。 從3 個分河段來看，各河段洲灘總面積的變化趨勢與游蕩段基本一致，其中花園口以上河段多年平均洲灘總面積最大，花園口—夾河灘河段次之，夾河灘—高村河段最小。

圖6 1986—2018 年游蕩段及各分河段洲灘總面積變化過程

根據洲灘大小的分類，分別統計1986—2018 年游蕩段小、中、大和超大型洲灘的面積，并計算小浪底水庫運行前和運行后4 種類型洲灘的多年平均洲灘面積。 圖7 對比了不同時期T1、T2、T3 和T4 型洲灘面積的變化，從圖中可以看出，小浪底水庫運行后小型洲灘多年平均洲灘面積有所增加，由5.6 km2增加到8.0 km2。 對于中型和大型洲灘，水庫運行后多年平均洲灘面積變化不大，分別在9 km2和24 km2左右。 對于超大型洲灘，小浪底水庫運行后其多年平均洲灘面積大大減小，由43 km2減小到19 km2。 由此可見，小浪底水庫的運行對小型洲灘和超大型洲灘面積的影響最大，造成小型洲灘面積增加和超大型洲灘面積減小，這說明游蕩段洲灘總面積減小的主要原因是超大型洲灘面積的減小。

圖7 小浪底水庫運行前后各類型洲灘面積

3.3 洲灘形狀的變化特點

為了探究近33 a 游蕩段洲灘形狀的變化特點，計算1986—2018 年游蕩段所有洲灘形態指數的平均值，如圖8 所示。 從圖8 可以看出，小浪底水庫運行前，1991 年游蕩段洲灘形態指數最小，約為2.20，這說明該年洲灘形態總體最趨向于寬短；1998 年洲灘形態指數最大，約為2.56，說明該年洲灘形態總體最趨向于細長。 小浪底水庫運行后，前4 a 的洲灘形態指數較大，其中2001 年最大，約為2.60，而后形態指數呈減小趨勢，2017 年洲灘形態指數為2.20，這說明小浪底水庫運行后洲灘形態先趨向于細長，而后逐漸變得寬短。從兩個時期的多年平均形態指數來看，小浪底水庫運行前多年平均形態指數約為2.31，而小浪底水庫運行后多年平均形態指數約為2.38，水庫運行后游蕩段洲灘形態更細長。

圖8 1986—2018 年游蕩段洲灘形態指數變化

表2 給出了小浪底水庫運行前后3 個分河段形態指數的最大、最小和平均值。 對比兩個時期，花園口以上河段多年平均洲灘形態指數由小浪底水庫運行前的2.25 減小到小浪底水庫運行后的2.18，洲灘總體更趨向于寬短，而花園口—夾河灘和夾河灘—高村河段多年平均洲灘形態指數均略有增大，這兩個河段洲灘總體更趨向于細長。 從各分河段來看，不管是小浪底水庫運行前還是運行后，夾河灘—高村河段洲灘形態指數最大，花園口—夾河灘河段次之，花園口以上河段最小，這說明夾河灘—高村河段洲灘形態更趨向于細長，花園口以上河段洲灘形態更趨向于寬短。 而且，花園口以上河段在這兩個時期內洲灘形態指數波動范圍最小，夾河灘—高村河段在這兩個時期內洲灘形態指數波動范圍較大，最大形態指數都在3.70 及以上。

表2 小浪底水庫運行前后3 個分河段形態指數

4 結 論

基于1986—2018 年遙感影像資料，統計了黃河下游游蕩段洲灘數目、面積和形態指數，分析了近33 a游蕩段洲灘的演變特點，得到的主要結論如下。

（1）游蕩段多年平均洲灘數目由小浪底水庫運行前的105 個增加到水庫運行后的140 個，其中小型洲灘數目增加最多，大型和超大型洲灘數目有所減少。游蕩段多年平均洲灘總面積由小浪底水庫運行前的81 km2減小到小浪底水庫運行后的62 km2，面積減小的主要原因是超大型洲灘面積的大幅減小。 近33 a洲灘形態總體變化不大，形態指數在2.20 ～2.60 之間變化，水庫運行后游蕩段洲灘形態更細長。

（2）從各分河段來看，3 個河段洲灘數目和面積的變化趨勢與游蕩段基本一致，其中近33 a 花園口以上河段洲灘數目最多、面積最大，夾河灘—高村河段數目最少、面積最小。 花園口以上河段洲灘形態更趨向于寬短，夾河灘—高村河段洲灘形態更趨向于細長。