基于遥感技术的洞庭湖区河道洲滩扩张研究

贺秋华，余姝辰，李长安，余德清

（1. 中国地质大学（武汉），湖北 武汉 430074；2. 湖南省遥感中心，湖南 长沙 410007；3. 湖南省地质科学院，湖南 长沙 410007）

0 引 言

洞庭湖地跨湖南、湖北两省，是我国第二大淡水湖、长江重要的分洪沉沙调蓄湖泊和全球200个重要国际湿地之一（中国共7个）。洞庭湖为吞吐型过水湖泊，与长江荆江段水力联系紧密，是长江中游流域最主要的集水蓄水湖泊。洞庭湖生态经济区的南、西部有湘江、资水、沅水、澧水“四水”汇注；北部有长江淞滋口、太平口、藕池口及调弦口（已于1958年堵口）“四口”分流入湖，并形成由北向南多叉多支、支流交互的辫状水系；东部有汨罗江、新墙河等小河流汇入。江河水流经洞庭湖调蓄后，经东北部唯一出口（城陵矶）泄入长江。纵观洞庭湖生态经济区水系发育态势，为以洞庭湖湖泊为中心，南、西面水系发育，东侧水系相对不发育的不对称型向心水系，其流域总面积259 430 km2，属于河湖交汇，蓄、滞、泄兼行的区域。

河道洲滩的扩张演变反映了上游来水来沙和河道沿程周边环境的变化，是水利领域研究的重点，对河道航行、河势调整、河床演变、水沙移动等方面都具有重要的影响。郭庆云利用水槽物理模型探讨了无洲滩河道、江心洲河道等不同类型的河道洲滩对河道水流紊动特性[1]。陈肃利按照因地制宜、区别对待的原则，在确保防洪安全的前提下，考虑长江中下游干流河道不同区段防洪形势和水文情势的差异，对中下游的洲滩利用提出了分段控制和分类管理的思路[2]。同时对河道洲滩的研究也有利于对河道型钉螺孳生地的研究[3]。对于河道洲滩的开发存在乱开乱占的现象，洲滩资源开发利用率低，相关职能部门明确管理主体，加强河道洲滩资源监管，对洲滩开发利用实施行政许可[4]。刘万侠对比1975～2001年7个时相的遥感影像上北江下游河道岸滩的形态及位置变化，开展横向和纵向演变分析[5]。陈曦立足于地方志资料，对宋元明清时期荆江河段洲滩与河道关系的演变进行了细致的探讨，结果表明，宋代以来，荆江河道中的洲滩数量呈增长趋势，尤以清代更为明显。其中，江心洲较多地分布于上荆江河道中，下荆江则以边滩为多，今天荆江河道的洲滩分布仍呈现这一规律[6]。段光磊等根据大量水文泥沙原型观测资料, 以关洲、三八滩和乌龟洲等3个典型洲滩为例, 总结了典型洲滩演变特征, 对3个典型洲滩演变机理和演变趋势进行了初步探讨[7]。江天平等结合长江安徽段河道、江洲滩现状和血吸虫病流行的状况调查，分析论证了河道冲淤变化，结果显示三峡水库运行后，安徽段河道一直处于淤积势态,支流淤塞,滩地面积可能会有所增加[8]。李洪灵基于RS和GIS技术建立“长江遥感监测系统”，准确提取水边线和洲滩植被信息，实现对长江江段的长期、快速地动态变化监测[9]。赵吉祥根据河道地形实测资料建立河道数字地形模型，在此基础上开展河道洲滩演变定量分析[10]。张世清在洲滩现状和新生洲滩调查及参阅有关水沙关系研究结果的基础上，分析了洲滩变迁及其与洪水的关系[11]。周建春对于长江安徽段境内干流两岸江堤之间生长着大量的江心洲、外滩圩的利用和管理进行了探讨[12]。目前的文献对于长江干流荆江段、安微段洲滩演变的研究多是从水利学、地质学的角度，利用遥感技术手段的较少。洞庭湖区的洲滩包括湖泊洲滩和河道洲滩两种类型，利用遥感技术开展洞庭湖湖泊洲滩演变较为成熟，但是对于洞庭湖周边的“三口四水”的河道洲滩演变及其地表覆盖研究较少，利用多期历史遥感影像研究洞庭湖区河道及河道洲滩变迁的研究更少。本文基于多时相卫星影像，研究洞庭湖区河道洲滩演变及其地表覆盖变化情况，分析其变化特点，对查明三峡水库运行后新的江湖平衡关系具有重要意义。

1 数据源

按照水利部门划分惯例，将每年按12～2月为枯水期、3～4月为平水期、5～9月为丰水期、10～11月又为平水期进行划分。以终止洞庭湖区围湖造田后的湖岸堤坝基本稳定的1978年为起点，利用1978年、1987年、1994年、1998年、1999年、2002年、2007年以及2014年共8期枯水季节相近水位下的卫星遥感影像见表1，开展近36年间洲滩扩张演变、洲滩地表覆盖变化监测。

表1 研究区遥感数据源及卫星传感器特性Tab.1 Remote sensing data sources and satellite senser features in the study area

2 技术方法

2.1 遥感影像处理

因研究中使用的卫星数据均为中低分辨率MSS/TM/ETM/CBERS数据，且洞庭湖地区的地表起伏小，因此影像制作中以2004年航摄的正射影像作为基准影像，未使用DEM资料。各时相卫星影像重采样后的空间分辨率统一为15.00 m，几何配准精度控制在1个像元以内。处理后的遥感影像的数学基础为1980西安坐标系、高斯-克吕格投影6°分带；高程基准采用1985国家高程基准。基于8期不同时相的遥感影像开展洲滩及其地表覆盖解译,其解译精度主要受影像处理精度的影响。由于不同时相的遥感影像都被重采样至相同的分辨率，且几何误差控制在1个像素之内，因此不同时相的影像的解译结果之间的误差很少，对整个结论的影响可以忽略不计。

2.2 河道洲滩边界提取

2.2.1 河流与河流洲滩

从地理要素实体的角度，河流是指天然形成的陆地表面宣泄水流的通道，是溪、川、江、河等的总称。有堤防的河道，包括两岸堤防之间的水域、沙洲、滩地（包括可耕地）、行洪区，两岸堤防及护堤地；无堤防的河道，包括常年雨季形成的高水位岸线，即高水界之间的范围。洞庭湖区的河渠一般都有堤防工程。河流洲滩是指河流常水位至洪水位间的滩地，当水位达到洪水位时，洲滩常被淹没；当水位低于洪水位时，洲滩出露地表，并被植被等覆盖。

2.2.2 河道洲滩岸线的提取

由于河流洲滩的外围边界为稳定的河流防洪大堤与自然岸线，且不因水位的变化而改变，而洲滩的内沿边界不仅呈现犬牙交错特点，且随水位的改变而发生巨大的变化，因此，洲滩的边界提取，主要是提取洲滩与河水紧邻的水涯线。

在防洪大堤与自然岸线围限的河流范围内，只有洲滩和水面两种地类。洲滩的地表覆盖有芦苇、湖草、杨树、白泥洲等，它们在遥感影像上呈现的纹理、色调等变化多样，但水面的色调单一，易于提取。如果提取了水面信息，则洲滩面积即为河道面积与水面面积之差。基于这一认识，研究中采用计算机自动分类方法先提取水面信息，在此基础上获取洲滩信息。

2.2.3 洲滩植被地表覆盖信息提取

洲滩的地表覆盖物主要有杨（柳）树、灌丛、芦苇、芦杂草、湖草、白泥洲以及耕作用地、房屋构筑物等。其分布具有较为明显的分带性特征，一般来说从低处（近水面）到高处（近堤坝）依次分布白泥洲、湖草地、芦杂草地、芦苇地、杨柳树林地（也可近水分布）、耕作利用地、房屋建筑地，而鱼池、沟渠以及坑塘则分布于上述类型中间，如图1所示。洲滩的遥感解译标志比较典型，容易判别。一般来说，洲滩有明显的几何形状、面积较大。色调随土壤、湿度、植被种类及生长季节不同而变化，一般湿度大的色调较暗，干燥的较浅；生长着植被的较暗，成熟的较浅。各地类解译标志见表2。

图1 洲滩地表覆盖分类分带示意图Fig.1 Classif i cation and zoning of bottomland coverage

表2 湿地地表覆盖解译标志Tab.2 Interpretation symbols of wetland surface cover

3 河道洲滩监测结果与分析

3.1 河道洲滩扩张监测

1978～2014年洞庭湖区主要河道洲滩扩张监测结果见表3和图2所示。

表3 洞庭湖区主要河道洲滩扩张监测结果表 （单位：km2）Tab.3 Monitoring results of main river bottomland expansion in Dongting Lake area （Unit: km2）

图2 1978～2014年洞庭湖区河道洲滩变化空间分布图Fig.2 Spatial distribution of river bottomland changes in Dongting Lake area from 1978 to 2014

1978～2014年洞庭湖区的河道洲滩扩张具有如下特点：

1）洞庭湖区河道洲滩总体处于扩张趋势，其总面积从1978年的346.26 km2增加到2014年的441.33 km2，36年间增加了95.07 km2，年均增加约2.64 km2。

2）图3是1978年以来河道洲滩的扩张曲线。从图上可以将扩张速率分3个阶段：1978～1987年是河道洲滩的快速扩张期，9年间洲滩面积增加了81.39 km2，年均扩张9.04 km2；1987～2007年为缓慢扩张期，20年间洲滩面积增加了24.41 km2，年均扩张1.22 km2；2007～2014年为逐渐萎缩期，7年间洲滩面积减少了0.91 km2，年均萎缩0.13 km2。

3）湘、资、沅、澧“四水”的洲滩演化曲线如图4所示。

图3 1978～2014年洞庭湖区河道洲滩演变曲线图Fig.3 Evolution curve of river bottomland in Dongting Lake area from 1978 to 2014

图4 1978～2014 年湘、资、沅、澧“四水”河道洲滩演变曲线图Fig.4 Evolution curve of "Four River" bottomland and area from 1978 to 2014

“四水”中沅江的洲滩面积最大，其次是湘江、澧水、资水；在洲滩面积变化程度上，也是沅水的增幅最大，36年来洲滩面积从87.81 km2扩大到107.99 km2，年均增加约0.58 km2，说明沅水流域的水土保持工作有待于进一步加强；湘江的洲滩面积自2002年之后处于持续减少趋势，近10年来河道清淤成效显著；资水与澧水始终处于冲淤平衡状态。

4）洞庭湖区的草尾、澧水、松虎三大洪道中，洲滩演变各异，如图5所示。

近36年中，澧水洪道的洲滩面积最大，草尾洪道的淤积速率最大，从18.28 km2扩大到34.56 km2；松虎洪道不仅洲滩面积最小，且淤积量也最小。2007年以来，三大洪道的洲滩面积基本无变化，说明三峡水库运行后洞庭湖区的洪道淤积量与冲刷量（清淤量）基本持平。

5）藕池、松滋、虎渡“三口”是长江入湖泥沙的主要河道，它们的洲滩演变曲线如图6所示。

图5 1978～2014年草尾、澧水、松虎三大洪道洲滩演变曲线图Fig.5 Evolution curve of Caowei/Li/Songhu river bottomland from 1978 to 2014

图6 1978～2014年长江“三口”洲滩演变曲线图Fig.6 Evolution curve of "Three outfall" bottomland from 1978 to 2014

1978年以来，虎渡河的洲滩扩张很小，松滋河呈缓慢持续扩张态势，藕池河以相对较快的速率扩张，从26.89 km2增加到55.88 km2，年均扩张0.81 km2。

3.2 河道洲滩地表覆盖变化监测

表4是1978～2014年洞庭湖区河道洲滩地表覆盖变化监测表。

表 4 洞庭湖区河道洲滩地表覆盖类型表 （单位：km2）Tab.4 Coverage types of river bottomland in Dongting Lake area （Unit: km2）

河道洲滩中的地表覆盖具有如下特点：

1）河道洲滩以杨树和芦苇为主，在2014年分别占河道洲滩总面积的57.89%和20.44%。就全湖区而言，河道中的杨树与芦苇也占有较大的比重，是洞庭湖区造纸业的主要贡献者之一。

2）河道洲滩中的耕作利用地与房屋建筑地较多，而白泥洲较少。

2014年河道洲滩中出露的白泥洲占河道洲滩总面积的3.22%，就白泥洲的利用程度看，若要进一步利用其潜力极其有限。

3）尽管洞庭湖区各河道处于相同的气候条件下，但受水文条件与人工利用等影响，各河道洲滩的地表覆盖类型不尽相同。湘江中洲滩地表覆盖以杨树、湖草、白泥洲为主，其次是鱼池和房屋建筑用地。其中杨树占50%以上，湖草和白泥洲占30%以上，其他覆盖物不到20%。资水的洲滩地表覆盖以杨树占绝对优势，在80%以上，其他地物分布极少，不到20%。沅江中洲滩地表覆盖类型多样，除以杨树为主体外，芦苇与耕作利用地也占了比较大的比重。另外，沅江中房屋建筑较多是其最大特点。澧水河道的洲滩地表覆盖主要是杨树和耕作利用地。草尾河洲滩地表覆盖以芦苇为主，杨树与耕作地次之。澧水洪道洲滩地表覆盖以芦苇和杨树为主，两者面积变化呈波状起伏，交替增减。芦杂草地和白泥地有一定分布，但两者面积均呈逐年减少的趋势。其他类型分布极少，变幅不大。

4 结束语

洞庭湖区河道洲滩从1978年的346.26 km2增加到2014年的441.33 km2，36年间增加了95.07 km2，年均增加2.64 km2。湘资沅澧“四水”中沅江的洲滩面积最大，扩张速度最快，36年来洲滩面积从87.81 km2扩大到107.99 km2，年均增加0.58 km2；草尾、澧水、松虎三大洪道中，澧水洪道的洲滩面积最大，草尾洪道的淤积速率最大，从18.28 km2扩大到34.56 km2；长江入湖的藕池、松滋、虎渡“三口”中，藕池河洲滩以相对较快的速率扩张，从1978年的26.89 km2增加到2014年55.88 km2，年均扩张0.81 km2。洞庭湖区河道洲滩地表覆盖物以杨树和芦苇地为主，是1978年以来变化最大的地表覆盖，两者呈此消彼长的增减状态。研究表明，基于河道洲滩在遥感影像上的影纹特征，利用相同季节相近水位的遥感影像开展河道洲滩变化监测是可行的。为保证监测成果质量，需保证不同时相的影像的处理精度。由于洞庭湖区的河道空间分布广泛，只能利用具有大幅宽的中低分辨率的遥感影像作为监测数据源。该监测技术方法可以推广到范围较小的河道洲滩的监测，只是在数据源的选择上可以采用覆盖范围较小而分辨率更高的影像。