基于地理国情普查的河流形态特征变化分析

黄小川

摘 要：本文基于2014年东莞市第一次全国地理国情普查遥感影像和地表覆盖数据，以及2005年、2008年SPOT卫星影像和2011年1∶5000航摄影像，结合2009—2014年土地变更调查数据，通过影像解译获取地表覆盖数据，从水域面积、河流形态、河川径流三个角度对东莞市水乡片区河流形态特征变化开展监测与分析。结果表明，（1）2009—2013年间，水乡河流状态主要水道位置、流向和宽度等特征总体上基本没有变化；（2）仅有三处人类活动明显改变了水系特征，分别是新建的虎门港麻涌港区、洪梅镇沙头村的围堰、望牛墩镇石排村的填河造地；（3）新建港口会对狮子洋水质造成负面影响，在潮汐作用下，将间接影响到水乡片区水道的水质状态。围堰及填河造地限制了水流的自由流通，影响水质自净过程。

关键词：地理国情普查 河流形态特征 生态变化

中图分类号：P208 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（a）-0099-04

河网水系是地球上最为重要的地域性景观，城市水系更是人类活动与自然过程交互作用最为强烈的地带之一。[1]改革开放以来，随着经济的快速发展，我国东南沿海尤其是珠三角地区逐渐由传统的农业区发展为高速城市化地区，城市的快速扩张和土地的高强度利用导致城市水系形态发生巨大变化，而对这一变化开展监测和分析，可以为区域土地利用、水环境保护和工程建设等提供参考和依据，具有重要意义。

城市河流形态是地表形态的重要组成部分，城市河流演化进程及其影响因素研究当前重要的科学前沿之一[2]。目前对于我国东部人类活动影响下的平原河网地区水系结构的研究主要集中于河网密布的太湖流域、长江三角洲以及珠江三角洲地区[1]：陈晓宏等采用珠江三角洲河区数十年来的人类活动和水文特征资料，通过分析人类活动的水文响应特征，发现该地区近10年多来水文情势发生了显著异变[3]；陈德超等利用多期航空影像和水质监测数据，分析上海近年城市化进程中河网水系的演变与土地利用变化之间的稱合关系，得出河网水系消失得主要原因[4]；周洪建等在地形图、河道普查数据、遥感影像等多源数据支持下，分析了深圳近30年河网的时空变化规律及其与城市化水平的关系[5]。上述研究多从地理科学和水文学的领域展开，在数据来源方面，多采用1∶5万、1∶10万等中比例尺地形图和Landsat系列等中低分辨率遥感影像，缺乏高精度数据支持；在研究领域方面，多集中在大范围、长时间跨度的河网水系整体变化趋势及其演变成因，对局部区域、相对细微的变化则缺乏相关研究。

我国2013年3月启动了第一次全国地理国情普查工作，对陆地国土范围内的地表自然和人文地理要素的现状和空间分布情况进行摸底调查，获取较高精度的地表覆盖等数据和高分辨率的遥感影像数据，并通过与已有测绘成果和档案资料进行比对分析，形成了一批地理国情专题监测成果，在国土资源、环境保护、防灾救灾、城市规划等领域发挥了重要作用。本文选取东莞市水乡片区作为研究区域，在充分了解片区基本情况的基础上，利用地理国情监测信息、历史资料调查，对片区的河流形态特征、来水量特征等要素进行定量化分析和统计，并依据分析结果，提出有效的保护措施与意见。

1 研究区概况

东莞市水乡特色发展经济区位于东莞市域西北部，地处珠三角中心腹地，属东莞市西北部东江北干流、南支流与狮子洋（珠江口）包围的区域，包括中堂镇、望牛墩镇、麻涌镇、洪梅镇、道滘镇，石龙镇、万江街道、石碣镇、高埗镇、沙田镇10个镇街和虎门港1个港区，区域总面积510km2，占全市总面积的21%。东莞水乡片地貌类型的一大特点便是河网密度非常大。其水域面积为珠三角之最，河网密度也居于前列。现状河网水域面积约63.7km2，占水乡片总面积24%，占全市水域面积18%；干流及一级支流總长度238km，宽10m以上的河流长度505km。河网总密度约1.9km/km2（见图1）。

2 数据处理

本文在2014年东莞市第一次全国地理国情普查遥感影像（优于1m分辨率）和地表覆盖数据的基础上，采用2005年、2008年SPOT卫片影像（2.5m分辨率）、2011年1∶5000航摄影像（0.2m分辨率），结合2009年至2014年土地变更调查数据，通过影像解译获取地表覆盖数据。

2.1 数据预处理

2.1.1 源数据坐标转换

水乡片区主要水系水质变化监测是以地理国情普查为基础，最终的矢量分析成果需统一至2000国家大地坐标系。由于采用的分析源数据资料属于历年的数据资料，部分数据采用的是1980西安坐标系，需要对数据进行坐标转换。1980西安坐标系至2000国家大地坐标系，采用东莞市七参数模型进行坐标转换。

2.1.2 影像配准

所采用的影像数据成果，都经过正射校正处理，消除了遥感影像成像时因材料变形、物镜畸变、大气折光、地球曲率、地球自转和地形起伏等因素导致的几何畸变。但是由于历史影像分辨率较低或者控制点精度较低等的原因，影像经过坐标投影转换后，可能出现与2014年影像不完全套合的情况。

如影像存在不套合，则需进行影像配准。采用二次多项式进行二次纠正，原始图像坐标（x，y）与参考坐标（X，Y）之间的数学表达式为：

利用多项式模型进行几何校正时，需对影像进行重采样。针对本项目对影像质量要求高而且数据量比较大的特点，采用双线性插值法进行重采样，进行亮度值的插值运算。

利用已经过正射校正处理的2014年地理国情普查成果影像为基准对其他影像进行几何配准，每100km2选取4个同名点，控制点分布须均匀，影像的边缘也要有控制点分布。校正精度控制在0.5个像素之内。

2.1.3 影像增强

影像增强的主要目的是处理影像、提高影像的视觉效果。通常来说，影像增强就是将原本不清晰的影像变得清晰或者强调某些感兴趣的专题特征，加大影像中不同物体之间的特征差异，达到提高影像质量、丰富影像信息量，满足信息提取的需要。

针对本文所使用影像，选取线性对比度拉伸方法进行影像增强，使经过增强处理影像对比度更高、清晰度更高、纹理也更清楚，便于达到目视解译的需求。

2.2 内业遥感影像解译与信息提取

以遥感正射影像为基础底图，利用收集的参考数据，采用人工解译的方式，参考基础地理信息、土地利用、水利普查等资料，按照《地理国情普查内容与指标》的要求，开展内业判读与解译，并进行地表覆盖分类，分别按照要求形成相应的数据层，均以面状形式存在。

2.2.1 影像判读训练

在进行影像内业判读时，基础地理信息数据和专业部门提供资料将是判读的重要依据。针对变化明显的区域，为了保证内业图斑分类提取的精度与速度，判读人员需根据建立起来的解译标志样本，进行判读训练，使得作业人员尽可能在影像特征明显的情况下能较准确的判读。

2.2.2 地表覆盖层提取

地表覆盖层提取按照已有资料的现势性、丰富性和准确性不同，采用全人工提取。

地表覆盖层提取利用地理国情普查预验收已完成的2014年成果，逐年叠加往年的遥感影像。对于数据与影像不匹配的范围，对比当期与2014年遥感影像，确定其是否发生变化。对变化的区域，按照普查的各项技术规定依据标准时点核准数字正射影像，对地表覆盖层数据进行更新。

作业流程如图2。

3 水乡片区河流形态特征变化分析

根据项目分析目标，以东莞市水乡片区遥感影像数据为基础进行地理国情要素解译，结合国土局提供的土地利用现状图，参考《土地利用现状分类》（GB/T 21010-2007），对该水乡片区10种土地利用类型进行分析统计，分别为耕地（水田、旱地、水浇地）、园地（果园、其他园地）、林地（灌木林地、其他林地、有林地）、草地（其他草地、人工牧草地）、房屋建筑区（城市、村庄、建制镇）、道路（公路用地、农村道路、铁路用地）、构筑物（港口码头用地、水工建筑用地）、人工堆掘地（采矿用地）、荒漠与裸露地表（裸地）、水域（内陆滩涂、沟渠、河流水面、坑塘水面）。

利用ArcGIS的统计工具集，可对各年土地利用类型进行面积统计，从而进行对比分析，分析2005年、2008年、2011年和2014年水乡片区土地利用变化情况，查找出期间的水域面积变化，结合水乡片区水系概化图，分析河流形态变化包括主要水道的位置、流向和宽度等特征。

3.1 水域面积变化分析

2005年以来，水乡片区水域面积变化不大，如图3所示。随着城市化发展，耕地或林地等土地类型在转化成人工构筑物的同时，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设取代，因此，水域面积变化在数据表现上并不明显，但在空间表现上，可识别出被房屋建筑取代的自然河道区域。

其中，虎门港区所在的水域面积在2008年至2011年间减少最明显，如图4所示，主要由于狮子洋岸边水工建筑物和港口的修建增多所致。中堂镇和麻涌镇的林地密集区由于城市化建设，部分水面被房屋建筑物代替。

中堂镇的横涌和倒运海水道沿岸的坑塘水面被房屋建筑物替代，而麻涌镇的麻涌水道旁的的坑塘、水浇地被用作耕地，水域面积有所减少。沙田镇在过去几年中，由于道路建设发展快、房屋住宅区增多和耕地扩张，坑塘水面面积减少，河道中链接物增多。在鞋底沙河道中尤为明显。洪梅镇淡水河因增加了岸边园林种植面积，使得河道变窄，水域面积减少。

整体而言，2005—2014年期间，水乡片区中游和下游是近几年开发利用的主要地区，水域面积、形态变化较多。随着《〈广东东莞水乡特色发展经济区发展总体规划（2013—2030年）〉实施方案》的印发，水乡片区水域将会有更大的改变。位于洪梅镇和望牛墩镇之间的洪望枢纽的建设将会使水域面积减少，同时沿倒运海水道、赤滘水道、东莞水道流域形成的四片生態开发区也将使河道发生变化。水乡片区中下游地区今后仍将是主要的水域变化地区。

3.2 河流形态变化分析

根据水乡片区水系概化图。发现近10年水乡片区河流系统变化很小，主要水道的位置、流向和宽度等特征几乎没有变化。对比2005年和2014年的水系图，可以发现三处较明显的水系变化，如图5所示。

3.2.1 新建虎门港麻涌港区

虎门港是珠江湾新兴港口，国家一类口岸和广东省重要港口，也是东莞市龙头园区之一，首批对台直航港口之一。麻涌港区是虎门港重要组成部分，重点发展港口运输、仓储、临港工业、房地产，具体包括粮食、煤炭以及建材等散杂货运输，麻涌粮油仓储加工、临港工业及生态景观区等。

麻涌港区的建设改变了原有的滨海岸线，并对水下地形结构造成影响。轮船货运过程、工业企业和房地产开发项目都会对狮子洋水质造成负面影响，在潮汐作用下，将间接影响到水乡片区水道的水质状态。

3.2.2 围堰

在对比2008年和2014年的水系图和地理国情要素图，发现在洪梅镇沙头村新增一处围堰。通过围堤和水闸将外河圈为水塘，限制了水流的自由流通。

3.2.3 填河造地

望牛墩镇石排村一处河流水域在2014年已成为一片陆地。

3.3 河川径流变化分析

50年代，东江流域尚未开发，流域处于天然状态，径流的补给主要是降雨。流域降雨年内分配不均匀，其中4～9月汛期雨量占年雨量的80%，枯季雨量仅占20%。径流的年内变化很大，枯季月平均流量一般在100～300m3/s之间，正常年份咸潮上溯至南支流的赤岭河段，北干流的西洲河段（咸潮界以含氯度0.5‰计）。1955年是东江三角洲的特旱年，咸水线上溯到莞城和增城的紫坭、新塘附近。

60～80年代，流域综合治理的各项水利工程相继投入使用，新丰江、枫树坝、白盆珠三大水库分别于1959年、1973年、1985年投入运行。三大水库控制集雨面积占博罗站控制面积的46.4%，其建成对调节东江中下游的洪枯流量发挥了极其重要的作用。通过调蓄发电，调节了年际和年内的径流分配，枯水流量增加，中水时间延长，有利于顶潮压咸。50年代末开始联围筑闸，集中了下泄流量。多种因素使咸潮界逐年下移，退至南洲、板樟一线。

80年代中后期至90年代，三角洲网河区特别是南、北支流进行了大规模的清礁疏浚，人工挖沙，使得河底高程及河床纵比降发生了很大的变化。河床下切，使水深增大，低潮位水面落差减小，削弱涨潮流上溯的阻力，潮汐进退顺畅，三角洲网河区的潮汐运动增强。

4 结论与建议

本文基于地理国情普查等数据，采用定量与定性的方法分析水乡片区的水质形态变化特征，取得较好效果。根据变化分析结果，结合该区的社会经济发展进程与规律。

（1）2009—2013年间，水乡河流状态主要水道位置、流向和宽度等特征总体上基本没有变化。

（2）仅有三处人类活动明显改变了水系特征，分别是新建的虎门港麻涌港区、洪梅镇沙头村的围堰、望牛墩镇石排村的填河造地。

（3）新建港口会对狮子洋水质造成负面影响，在潮汐作用下，将间接影响到水乡片区水道的水质状态。围堰及填河造地限制了水流的自由流通，影响水质自净过程。

根据以上分析结果，提出具有实效性、针对性的水环境保护建议：

（1）在城镇化发展过程中，应增强水资源保护意识，统一规划，专项整治，减少设施减少对河网水系的侵占，着力保护现有生态，修复水源地。

（2）可进一步将地理国情普查成果与珠三角地区已有基础地理数据、专题数据等结合，建立完善的动态监测体系，发挥地理信息成果在国民生活中的重要作用，推进经济社会环境协调发展。

参考文献

[1] 蔡娟.太湖流域腹部城市化对水系结构变化及其调蓄能力的影响研究——以武澄锡虞区为例[D].南京大学，2012.

[2] 尹小玲，李贵才，刘堃，等.城市河流形态及稳定性演变研究进展[J].地理科学进展，2012，31（7）：837-845.

[3] 陈晓宏，陈永勤.珠江三角洲河网区水文与地貌特征编译及其成因[J].地理学报，2002，57（4）：429-436.

[4] 陈德超.浦东城市化进程中的河网体系变迁与水环境演化研究[D].华东师范大学，2003.