基于Landsat的黃河口近海懸沙年際分布規律研究

吳文娟 李 勇

(黃河河口海岸科學研究所，山東 東營 257091)

黃河三角洲位于渤海西南部，北臨渤海灣，東靠萊州灣，屬于弱潮河控型三角洲，高輸沙能力的河流注入弱潮動力環境海域形成了三角洲的淤積延伸。懸浮泥沙作為評價Ⅱ類水體水質的重要參數之一，其分布特征在一定程度上反映著污染物的遷移和循環，其分布也是黃河口濕地保護和生態治理效果的間接反映。研究黃河口近岸懸浮泥沙分布與擴散對海岸地貌演變、水體生態環境、水產養殖以及海岸工程等有重要意義[1]。傳統的海上船只泥沙監測和分析方法主要為實地調查和采樣分析，局限于對有限的、離散點的監測，易受人力、物力、氣候和水文條件的限制，因而不能從更廣闊的范圍給出水質的空間和時間變化規律，且調查速度慢、周期長、效率低。由于懸浮泥沙在波長較長的紅光及近紅外波段對水體后向散射能力較強，使得應用遙感技術監測水體懸沙濃度成為可能。相比之下，采用遙感定量技術能迅速獲得大面積水域的含沙量資料，其瞬間同步性好，重復獲取數據的周期短，能有效地監測含沙量的分布和動態變化。

1 研究區概況

1.1 氣候背景

研究海區屬大陸性季風氣候，波浪以本地風生浪為主，具有明顯的季節性特征。該海域波浪風區短、波高，且周期短。來自中游黃土區的泥沙是渤海海域最主要的沉積物來源。黃河三角洲是由沉積物快速堆積入海形成的，沉積物相對松散，在連續落淤—懸浮—輸運—沉積的過程中被篩分再分配[2-3]。

黃河三角洲地處暖溫帶偏北，受冷暖空氣影響，冬季易出現寒潮(海冰)，夏季易出現臺風強對流，春秋兩季易出現溫帶氣旋。地緣位置處在東北平原和渤海東北季風增強帶的末端，海上易誘發大浪，在半封閉的渤海，風暴潮災害嚴重。且黃河口位于黃河三角洲前端，地勢平坦且向海突出，風浪局地較大。

黃河口海域的風暴潮分為臺風風暴潮和溫帶風暴潮。一般說來，北上臺風的次數較少，且衰減較快。但近年來大的臺風潮災呈現日益頻繁的趨勢。繼1985年出現了大的臺風潮災后，1992年、1997年、2005年和2019年又出現了四次。在渤海出現的冷鋒、溫帶氣旋引起的災害性大風，特別是高低氣壓配合的天氣形勢往往導致海面出現強風，造成大的風暴潮，如果再遇到天文高潮，會造成潮災。

1.2 潮汐潮流特征

黃河入海口地處渤海灣與萊州灣的交匯處，黃河口地區的潮波為傳入的大洋行進波與該區自由波疊加形成的駐波,M2分潮無潮點位于五號樁位置外13海里處。近岸海域潮汐特征復雜，渤海灣多為不規則全日潮，萊州灣多為不規則半日潮。渤海灣南側神仙溝溝口外為M2分潮“無潮點”，潮差以“無潮點”區最低，向渤海灣和萊州灣兩側逐漸增高呈“馬鞍”形。黃河入海口沿岸潮流為基本平行于岸線等深線的往復流[4]。

黃河口地區有兩個強流區，分別位于清水溝廢棄老河口外、神仙溝和刁口河一帶10～15m水深海區內(即M2分潮無潮區)。入海口以南，流速減弱，直至萊州灣頂部為弱流區。

除上述潮流影響外，黃河口海區亦存在余流的影響，潮流受到黃河三角洲形成的沙嘴海岬地形阻隔，形成岬角余流。黃河口外尚存在切變鋒，在切變鋒附近懸沙大量淤積，剩余部分則隨著潮流與余流等向外海運移。

2 遙感數據獲取與預處理

2.1 遙感數據獲取

為研究長時間序列黃河口附近海域懸沙濃度，選用Landsat衛星數據。Landsat衛星數據時間跨度大，獲取方便。自1972年7月23日以來，美國NASA的陸地衛星已發射8顆。Landsat5于2013年6月退役，Landsat8于2013年2月11日發射升空。文中主要應用Landsat-5TM和Landsat-8OLI衛星影像，空間分辨率為30m。通過earthdata網站和地理空間數據云免費下載獲取。Landsat衛星信息見表1。

表1 Landsat衛星信息

2.2 遙感數據預處理

對Landsat和高分一號數據的預處理包括輻射定標、大氣校正、圖像裁剪等。輻射定標和大氣校正是進行定量遙感反演的重要環節，大氣校正精度關系到遙感反演結果的準確性。

輻射定標即將傳感器記錄的數字量化DN值轉換成絕對輻射亮度值。大氣校正的目的是對從傳感器中獲得的總信號去除大氣影響，獲得含有水體信息的離水輻亮度。本文利用ENVI軟件中的FLAASH大氣校正模塊對影像進行大氣校正。

3 懸浮泥沙定量反演模型建立

3.1 海上實測泥沙數據

為分析黃河口及鄰近海域的懸沙分布特征，盡可能獲得與遙感影像時間一致的懸沙濃度實測數據，探索適合黃河口及鄰近海域泥沙特征的反演模型，在黃河口萊州灣海域開展多站位現場取樣調查。站位設置充分考慮泥沙濃度梯度變化，研究河口區高懸沙濃度區域與非河口區低懸沙濃度區域，盡可能采集較多的外業實測數據，為不同濃度區域的模型反演提供數據支持。根據《海洋調查規范第2部分：海洋水文觀測》(GB/T 12763.2—2007)規定，取站點表層水樣，用1000mL有機玻璃采水器在水深20cm處采集水樣1000mL，共采集83個調查站位水樣。

實驗室內采用抽濾法處理水樣，得到83個水樣的泥沙濃度。為更直觀地查看懸沙空間分布情況，將懸沙濃度取對數按比例展繪到遙感影像底圖上，取樣點懸沙濃度展繪見圖1。從圖1中清晰地看到，觀測周期內，高懸沙水體均分布在口門區域，越靠近岸線的水體懸沙濃度越高，越往外海延伸懸沙濃度越低。相同量級的懸沙濃度沿萊州灣西海岸帶呈弧形分布，這與沿岸往復流方向存在密切關系。

圖1 取樣點懸沙濃度展繪

以2020年7月20日高分遙感影像為底圖，套匯2020年濱海區實測水下地形圖(見圖2)，發現河口西側2m等深線以內已淤積出明顯的新灘地，使徑流方向向東北方向偏移。大于1000mg/L的高懸沙水體集中存在于5m和10m等深線之間，口門方向10m和15m等深線間懸沙濃度達到100mg/L以上，15m等深線以外懸沙濃度迅速減少至10～20mg/L之間。

圖2 取樣點懸沙濃度等深線套匯

淡水入海后，入海泥沙遭遇上層徑流與底層海流作用下的第一道切邊鋒，流速不斷減小，攜沙能力減弱，失去徑流動能的入海泥沙由近到遠、由粗到細快速落淤，使大部分泥沙在近口門區落淤，河口不斷延伸推進。入海水流中大部分泥沙落淤在10m水深節點近岸一側。

3.2 懸浮泥沙反演模型選取

估算水體中懸浮泥沙的關鍵問題是建立遙感光譜數據與懸浮泥沙含量之間的函數關系式。目前的懸浮泥沙遙感定量反演一般采用經驗方法，即通過野外獲取實際現場數據，與衛星接收的遙感反射率建立比值關系。

SSC=f(Rrs)

(1)

式中：SSC為泥沙濃度；Rrs為水體光譜反射率。

2018年，周媛等[5]基于2011年6—7月和11—12月共計89組現場實測懸沙濃度和光譜數據，分析了黃河口及其附近海域不同懸沙濃度的水體光譜特征。嘗試利用多種波段組合建立懸沙濃度遙感反演算法，并驗證了865nm波段與波段比655nm/560nm組合形式算法反演結果最優，算法相關系數R2為0.95，平均相對誤差為25.65%。

lgSPM=0.6817+23.9803Rrs865+0.9287Rrs655/Rrs560

(2)

算法通過多名專家學者實測評估，并用于反演近岸海域懸浮泥沙濃度。同時包含可見光波段和近紅外波段，且采用非線性形式的模型，具有較好的魯棒性，在同一片水域具有時間上可移植性，在Landsat-8OLI傳感器上的表現要優于其他模型。

利用該模型對2020年6月2日獲取的Landsat8遙感影像做懸沙濃度反演，并與實測懸沙濃度數據比對，進一步驗證該算法的有效性。實測與反演懸沙濃度比較見圖3。

圖3 實測與反演懸沙濃度比較

6月2日實測的12個水樣站點中，在遙感影像范圍內的有效數據有7個。比較7組實測與反演懸沙濃度值，最大相對誤差為0.33，最小相對誤差為0.03，平均相對誤差為0.18。由圖3可看出，7個點的誤差在等值線兩側正負均勻分布。最大誤差值在5號點，該點距離口門較近，受徑流和潮流作用影響大，且該點取樣時間與遙感影像成像時間有3h的時差，故誤差稍大，但仍在可接受范圍內。故選取該反演算法進行黃河口附近海域懸沙反演分析。

4 基于長時間序列Landsat影像的懸沙濃度反演

4.1 Landsat遙感影像選取與反演

下載的Landsat遙感影像覆蓋時間范圍為1992—2020年共29年。為更有針對性地研究黃河口海域泥沙運移規律，結合泥沙運輸影響因素，選擇其中泥沙運輸條件發生重大變化的年份，反演懸沙濃度，并分析懸沙運移年際變化規律。分析影像共計14景，對應信息見表2。

表2 Landsat遙感影像參數

選取1992—2020年間的14景Landsat衛星遙感影像，利用ENVI軟件對影像預處理后，將式(2)應用于LandsatTM5和Landsat 8 OLI影像數據，反演計算黃河口及其附近海域懸浮泥沙濃度，并分析時空分布規律[6]。

由1992—2020年多時相遙感影像懸沙反演濃度結果發現，近幾年黃河口濱海區懸沙濃度比1992年明顯減少，這與入海水沙的變化有很大關系。總體上來看，高懸沙濃度水體主要集中在黃河入海新老河口近岸、萊州灣西側近岸、萊州灣中部等海域。豐水期，以現河口沙嘴前方海域懸沙濃度最高，且懸沙呈現沿口門方向向外海擴散趨勢。枯水期，沙嘴突出的河口、萊州灣西側附近海域懸沙濃度最高。懸沙分布范圍隨口門位置變化發生變化。

為更直觀地查看黃河口近海懸沙濃度年際變化特點，將14景遙感影像反演，得到的懸沙濃度范圍統計見圖4。

圖4 不同時相遙感影像懸沙濃度反演范圍統計

由圖4發現，反演結果以2000年為界，2000年之前的懸沙濃度普遍偏高，尤其以1992年汛期最為顯著。2000年之后除特殊狀況外，懸沙濃度最大值均小于6000mg/L。14景影像中，懸沙濃度反演最高值出現在1992年8月24日，最高濃度達19988mg/L；懸沙濃度反演最低值出現在2001年7月16日，最低值為966mg/L。

4.2 黃河口附近海域懸沙年際分布規律

由利津水文站的統計黃河上游來水來沙資料中，1992—2020年黃河入海水沙年際變化較大。調水調沙實施前，1992—2002年間河口平均入海徑流量105.2億m3/a、入海輸沙量2.97億t/a。調水調沙實施以來，2003—2017年間河口平均入海徑流量173.0億m3/a、入海輸沙量1.30億t/a。2018年后春季生態補水實施以來，時段內入海水沙明顯回升，2018—2020年間河口平均入海徑流量335.2億m3/a、入海輸沙量2.94億t/a。1992—2020年間黃河入河徑流量與輸沙量見圖5。

圖5 1992—2020年間黃河入海徑流量與輸沙量

懸沙濃度年際變化主要與黃河徑流、風浪、流場等水動力因素發生變化有關。

a.從不同時期懸沙濃度遙感反演影像中可以看出，黃河徑流對渤海懸沙濃度分布影響僅局限于行水河口沙嘴前方海域，徑流大小、水沙比及泥沙粒徑變化都會對泥沙落淤和懸沙輸移擴散范圍產生作用。

1992—2000年間，黃河上游來沙量多，入海水沙比普遍較小，入海徑流符合“小水帶大沙”特點，行水口門沙嘴前方懸沙濃度高。2000年，小浪底水庫投入使用，調水調沙初期，上游下泄泥沙量大，加上人造洪峰沖刷河道，造成入海沙量增大，行水口門沙嘴前方形成高含沙量濃度水體。隨著下游河道河床泥沙粗化，河床沖刷效率降低，調水調沙期入海徑流“大水帶小沙”，口門沙嘴前方懸沙濃度明顯減小。

在入海沙量相同的條件下，徑流量越大，口門沙嘴前方懸沙濃度越小，但在強徑流作用下，海洋動力作用相對較弱，更容易輸送至外海海域。

b.人工出汊和自然擺動出汊直接影響著懸沙的擴散運移方向。1992—2000年，黃河入海流路主要發生了四次出汊擺動，分別在1996年8月、2007年7月、2014年7月和2020年7月。

1996年，因油田生產需要，人工改至清8出汊。徑流入海懸沙由東南向萊州灣中部改為至東北渤海灣方向。徑流懸沙不再直接向萊州灣中部輸送，而更容易向北部外海運移和落淤。清8向北自然擺動、口門分汊及北口門向東出汊，現行入海流路三個口門同時行水，徑流入海懸沙隨口門位置變化保持在沙嘴正前方海域。

老清水溝流路和老清8河口因沒有徑流的泥沙輸入與補充，在海洋動力作用下形成沖刷，在廢河口附近海域形成高含沙量水體。廢河口沙嘴最初表現為快速蝕退，而后蝕退速度變緩，最后趨于穩定。沙嘴前端逐漸變得平直圓滑。

c.“波浪掀沙”是黃河口近海懸沙向外海擴散的主要原因。黃河三角洲近岸海域的波浪主要是風生浪，波浪大小隨風速變化而變化。波浪是海床沉積物起動的重要動力，波浪的強烈湍動，使泥沙落淤速度大大降低，更容易受潮流和余流作用進行長距離搬運。

從季節性極端事件來看，秋、冬、春三季黃河三角洲近岸海域常遭寒潮侵襲，海面常出現波高較大的波浪，且波向以偏北向為主。黃河入海泥沙具有“豐儲枯輸”的顯著特征：豐水期入海泥沙在河口近岸區域沉積，在枯水期較強水動力條件下，沉積物再懸浮并向外輸運。風暴潮是河口近海懸沙向外海擴散的重要動力。

d.“潮流輸沙”是黃河口近海懸沙運移的主要動力，濱海區潮流主要受渤海潮波系統和地形相互作用的影響。

黃河三角洲附近海域的潮流類型復雜，大部分海域屬于不規則半日潮流型。渤海灣和萊州灣中潮流為回轉流，近岸海域是往復式潮流，漲落潮流方向基本上與岸線平行，漲潮流流向萊州灣灣內方向，大體為東南向，落潮流大體為西北向。且突出沙嘴前方流速最大。

5 結 語

以受河口流路、入海水沙、海洋動力和人為干預共同影響的黃河口懸沙為研究對象，研究了近海水域懸沙分布的空間差異性、時間動態性及其動力機制。通過實測水下地形資料和懸沙濃度，分析了入海懸沙的主要分布范圍。基于1992—2020年多時相Landsat遙感影像，選取了合適的黃河口近海懸沙反演模型，并用實測泥沙濃度資料檢驗保證模型的可靠性。利用充分的黃河上游來水來沙、潮汐潮流和風力風向等資料，分析了黃河口懸沙分布及輸移規律，探討了不同水動力條件下泥沙分布輸運的差異性，為河口海岸地貌演變、水體水生態研究提供資料支撐。