基于遥感的黄河郑州段河流形态变化分析

闫超德 袁观杰 李紫薇 刘晓 叶勇超

摘要：黄河郑州段在中下游黄河中具有代表性，研究郑州段黄河河流形态的变化可以为中下游河床的治理以及小浪底水库调水排沙效果评价提供科学依据。基于Landsat 8卫星影像提取桃花峪至花园口段多时相的水体信息，研究2013-2017年河流水面面积及长度变化、河流摆动以及河流重叠度变化，并对该河段的河流形态变化原因进行了分析。结果表明：在研究年限内，该河段的水面面积在年内变化范围较大，但在年际间维持动态稳定;河流长度变化很小，基本保持不变;主流摆幅逐渐缩小，游荡性逐年减弱，河型趋于稳定，表明小浪底水库的调控作用日趋显著。

关键词：河流形态;河流测度;重叠度;遥感;黄河中下游

中图分类号：TV62;TV882.1

文献标志码：A

doi：10.3969/j .issn.1000- 1379.2020.01. 005

黄河进入中下游平原地区后河道变宽导致流速减慢，流速的减慢加速了泥沙沉积，进而导致黄河河床的抬升。小浪底水库建成投入使用后，黄河中下游河床高度及河流形态主要受到洪峰以及小浪底水库排沙泄洪的影响[1-2]。过去数十年里，水利科技工作者们对黄河的河道变迁、河型转变、水沙变化等进行了大量的研究，王婷等[2]根据2000-2016年水文实测资料，详细分析了小浪底水库来水来沙及排沙特点，对比了不同运用阶段的排沙情况;王卫红等[3]通过对多年河势资料的统计整理，分析了主流线的调整规律，发现主流线弯曲系数与汛期水量和洪水径流量成反比，与汛期平均含沙量关系不大，但与年径流量有关;陆中臣等[4]认为，小浪底水库清水下泄期间，不会导致河型的彻底转化，河道整治工程虽然能够限制主流的摆动幅度、弱化河道的游荡强度，对河势的影响较大，但是不可能根本改变河道平面形态的长期演变趋势;徐国宾等[5]基于实测水文数据对调水调沙进行了评估，发现调水调沙不仅能够减少河道淤积，而且能够有效增大主槽的过流能力，改善下游河道排沙条件。传统的人工水体监测方法难度大、成本高，很难实时有效地获取水体信息。近年来，随着大量卫星的成功发射，基于卫星遥感的地表探测和研究取得了飞速进展，利用卫星对地拍摄的遥感影像，可以快速、准确地进行地表水体信息提取，为河流的实时同步观测创造了可能[6]。基于卫星遥感技术，选取黄河郑州段作为典型研究区域，采集2013-2017年Landsat 8 0L1卫星影像数据，综合运用GIS空间分析方法，通过测度河流几何形态、河流摆动变化和重叠度，研究黄河河流形态特征的变化并分析其原因，不仅可以为黄河中下游河道的治理提供科学依据，而且对小浪底水库排沙泄洪效果的评估、黄河滩涂生态湿地的规划等都具有积极的意义[7-8]。

1 黄河郑州段河流形态概述

本文选择黄河桃花峪一花园口河段作为研究对象（见图1），全长约为24 km，平均水面面积约为12km2。该河段属于游荡型河段，其河流形态在年内、年际间变化十分频繁，在黄河下游具有代表性[9]。该段黄河的河流形态主要特点有：①河身宽浅，沙洲棋布;②河流散乱呈辫状，分成多股汊流，其中有一股属于相对主流，且主流多变，摆动频繁;③河身较为顺直，弯曲系数较小。

通过对比分析研究年限内的遥感影像可以发现，该区域水体最主要的变化就是河心洲的变化，包括河心洲的移位、分裂、合并、消失、生成等。因此，根据河心洲的变化特点可以将研究河段划分为3段，如图1所示。

2 数据与方法

本文所采用的数据源是Landsat 8 OL1遥感影像（下載于美国地质勘探局USGS，https：∥earthexplorer.usgs.gov/）。考虑到Landsat 8卫星2013年2月发射，本文的研究年限选为2013年10月至2017年12月。在夏秋季，水量充沛，河流形态变化迅速，每季选择两个时相作为研究数据;在春冬季，水量较少，河流形态变化相对较慢，每季只选择一个时相作为研究数据，总共24个时相（见表1）。在时相的选择上尽量遵从平均的原则，如遇云层较厚，研究区域被遮挡，则选择相邻时相云量少、水路清晰的影像作为替代。

遥感数据的处理工作包括：首先在ENVI 5.3和ArcGIS 10.3软件支持下，对24期的遥感影像进行辐射定标、大气校正、批量裁剪等预处理;然后对研究区河流进行信息提取;最终得到2013-2017年不同时期内的郑州段黄河河流形态分布图。

常用的河流水体提取方法有单波段阈值法、多波段谱间关系法、指数模型法和遥感影像分类提取法等[10-12]。本文对上述方法进行了多次实验，对比发现指数模型法提取效果优于其他提取方法，且步骤简便，于是通过计算归一化差异水体指数对黄河郑州段河道进行提取。但提取结果中混入了一些其他地物（见图2），因此在相关研究的基础上[13-15]，采用人机交互的方法对研究区河流进行提取。具体方法是：先在ENVI软件中计算归一化差异水体指数，然后将结果导入ArcMap中进行栅格转要素与人工目视解译修整，最后提取水体（见图3），可见提取出的水体边界清晰，细节完整.支流和河心洲显示正确。

3 黄河郑州段河流测度与分析

3.1 河流几何形态变化

黄河河流的面积和长度要素是其几何形态最重要的表现形式。首先在ArcMap中，将提取出的各个时相的整体水体面状要素和分段后的各段面状要素分别进行面积计算，得到研究河段对应时相的河流总面积和各段单独的面积，在此基础上绘制出面积随时间变化的折线图，见图4。

整体来看，研究区水面总面积的变化幅度为7.29km2，平均面积为12.00 km2。3个河段的水面面积变化与研究区域河流总的水面面积变化趋势大致相同，均呈现出季节性和周期性变化规律。除2016年外，每年的4月和5月水面面积到达峰值，而其余月份水面面积变化较为和缓;第三段水面面积变化范围大于其他两段，变幅达到3.00 km2。

具体分析研究区每个时期水面面积的变化情况，可以看出水面面积的变化可以分为以下4个阶段。

2013年10月至2015年8月，研究区水面面积呈现出明显的周期性变化规律，每年的4月和5月水面面积处于峰值，7月至次年1月处于波谷。2015年5月25日出水面面积最大值，达到15.36 km2。观察该时相及邻近时相的遥感影像可知，该时期的3个河段均出现了大片河心洲的消失与缩小，从而导致水面面积增加。2015年7月以后，大量的河心洲重新涌现与扩大，水面面积出现急剧下降，减少了6 km2左右。

2015年8月至2016年9月，研究区水面面积出现长时期的低谷，并且2016年9月16日水面面积出现最小值（8.07 km2）。结合同期遥感影像进行分析，该时期各段河心洲的面积达到最大值，这是导致水面面积达到最小值的主要原因。同时3个河段的支流均出现了不同程度的断流、减流现象，在遥感影像上表现为支流细窄，断断续续，甚至消失，这也是导致水面面积减小的重要原因。

2016年9月至2017年1月，水面面积出现小的波峰，但仍小于第一个阶段的波谷值。这个时期研究区在遥感影像上河流的整体形态较为稳定，弯道位移的距离很小，河心洲的变化也不是很大。

2017年3月至2017年12月，研究区水面面积始终处于高值，平均值为13.12 km2。遥感影像上该时期一些破碎分布的小型河心洲在扩大、缩小或移位。

从河流长度的变化（见图5）中可以看出.3段河流长度的变化趋势与整个研究区河流的变化趋势基本相同，其中：第三段河流最长，第一段河流最短。研究区河流各時期的长度平均值为24.18 km，长度变化不超过2 km，整体上保持稳定状态。但在2013年10月-2014年5月和2017年3月-2017年12月这两个时段出现了微小的波动，河流长度小于平均值，这主要受到来水和来沙条件的影响。

3.2 河流摆动测度与分析

将绘制的各年主流线导入ArcMap中，分段进行叠置分析，见图6。

由图6可知，第一段河流的后半部分变化很小，主流线摆动幅度在240 m左右;而前半部分的变化幅度较大，2013年至2016年主流线向北移位了约540 m，到了2017年主流线又向南移回142 m。第二段河流的两端较为稳定，基本没有什么变化;中间部分则由2013年的近乎顺直型逐渐演变成了2017年的W形，其中左半边的主流线向西南方向凹陷了约455 m，右半边的主流线向西南方向凹陷了约354 m。第三段河流的两端同样较为稳定，中间部分变化较大，2013年到2017年左半边的主流线向东北方向移位了约740m，由原本向南凹的弯曲型变为了近乎顺直型，弯曲系数变小;右半边的主流线受到该处河心洲移位、扩大、破碎等变化的影响，向西北方向偏移了约300 m，但主流线形状没有太大变化。

3.3 河流重叠度测度与分析

利用ArcMap计算并绘制出每段河流各年度的重叠度年度变化图（图7）.并将结果统计成柱状图（图8），定量分析每段河流的空间分布规律。

从图7可以看出，研究区在各时期的重叠区主要集中在主流线附近，并随主流线的变化而呈现阶段性演变规律。图7（a）、（b）所示的两个时期，河流重叠区的分布情况和研究区图（图1）具有较好的空间耦合性，表明这个时期河流较为稳定。图7（c）、（d）所示的两个时期河流空间分布状况较研究区图发生了显著的变化：第一段河流中向东北方向突出的河流消失，第二段河流中向西南方向突出的河流消失，第三段河流中东北方向突出的河流重叠区有所增加。这些变化说明了2015-2017年研究区河流形态发生了较大改变。

对河流重叠度进行统计可以定量分析其演变规律。从图8中可以看出，整体上3段河流各年度的重叠度都呈现出上升的趋势，说明研究河段的河流形态变化程度在逐年减弱，河势逐渐趋于稳定。

具体分析每段河流的重叠度发现，第一段河流2013-2015年重叠度逐年上升.2016年后开始下降，但是下一年又出现大幅回升，达到最大值（72%）。观察影像数据可以发现.2013-2015年河道逐渐变宽，河心洲逐年扩大，因此河流的重叠度也逐年上升。但是到了2016年，有两片较大面积的河心洲出现了合并，河心洲中间的河流消失，下半部分有一块大型河心洲出现了破碎、移位，并且该段有一条支流出现了断流现象，这些共同导致了河流重叠度出现一定范围的下降。2017年河流重叠度大幅增大的主要原因是：相比于上一年，河道形态没有太大的变化，但是大型河心洲出现了破碎、缩小甚至消失的情况，导致水面面积大幅增加，进而导致了重叠度的增大。

第二段河流的重叠度在2013年到2016年期间持续增大，到了2017年出现一个小幅度的下降。究其原因，该段河流的河心洲2013-2016年呈现出不断增长的趋势，河心洲面积逐渐扩大，但是到了2017年，河心洲突然出现收缩，降至2013年的水平，从而导致了重叠度的下降。

第三段河流的重叠度逐年递增，由2013-2014年度的42%逐渐增大到2016-2017年度的61%，平均重叠度为48.5%.说明年际接近于一半的河流形态维持不变。结合遥感影像图发现，该段河流这几年的河道形态变化很小，没有出现大型河心洲生成与消失的情况，也没有出现支流断流的现象，河道南北位移量在150 m以下，主要的变化为下半部分河心洲的扩大、增多与移动，由2013年的16个增加到2017年的30个左右。

3.4 河流形态变化成因分析

影响该段河流形态变化的因素主要有内部因素（如水沙条件）和外部因素（如人类活动、河床边界条件、地形等）。

（1）来水条件对河流形态变化的影响。收集到2013-2016年小浪底水文控制站部分实测水沙数据，见表2。2013年汛期黄河中上游发生了多次暴雨，三门峡至小浪底区间西阳河桥头站出现了建站以来最大洪水，因此该年的年径流量大大超过多年平均值，水面面积也大于2013-2016年的平均值。2014年和2015年下游全年引水量分别为116.6亿、116.0亿m3.相差无几，而且汛期黄河流域均未出现大的洪水过程，年径流量只是在多年平均值上下小幅波动，因此这两年的平均水面面积也大致接近。2016年汛期，黄河流域部分支流出现了多年未见的较大洪水，干流部分河段出现了中小洪水，但小浪底站的年最大流量为2013-2016年的最小值，且年径流量较多年平均值下降了31%。该年份下游全年引水量109.4亿m3，较前两年下降了6%左右。由图4可知，2016年度的水面面积年内变化幅度并不是特别大，这与小浪底水库的调控作用有着直接的联系。小浪底水库的建成投入使用，不仅减少了下游河道淤积，而且有效增大了主槽的过流能力，改善了下游河道的排水排沙条件，因此河流形态呈现出稳定的趋势。

（2）来沙条件对河流形态变化的影响。查阅水文资料可知，下游河道总体表现为冲刷.2013-2016年总冲刷量为0.793亿m3.下游全年引沙量1 897万t。其中2014年10月和2016年10月与上年同时期相比，黄河下游河道均表现为冲刷，总冲刷量分别为0.913亿、0.507亿m3，下游全年引沙量分别为1 830万、1 001万t。而2015年黄河干流潼关、三门峡、小浪底、花园口等站均出现建站以来最小年输沙量，小浪底站首次出现实测输沙量为0。结合各年度水面面积变化图分析可知.2014年与2015年中下游河道的总冲刷量大、年引沙量多，河道淤积少，水面面积相对较大;而2016年中下游河道的总冲刷量和年引沙量都较小，河道淤积严重，水面面积相对变小。由表2可以看出，各年度的年输沙量和年均含沙量都远低于多年平均值，使得泥沙对河流形态的影响减小，不容易发生较大范围的河道变化，河势趋于稳定。

（3）人类活动对河流形态变化的影响。影响黄河水沙变化的人类活动主要为土地覆被变化、黄河引水和水利枢纽工程的兴建及调控。受黄河大堤与河槽的强胁迫，黄河下游滩地的范围、形态和面积受到极大制约，当河槽与大堤间距离很小时，会出现黄河下游滩地被分割成独立滩区的现象。研究区沿岸的滩地密布，使得对黄河滩地的开发利用正在逐步影响着河流形态的变化。以往研究表明，修建整治工程之后，河道的游荡程度降低，主槽摆动幅度减小。近年来黄河来水来沙进入偏枯序列，小浪底水库的运用使得进入游荡段的沙量剧减。据2015年统计，黄河下游游荡段28个淤积断面110处河道整治工程中，只有7处河道整治工程对主流有一定的归顺作用[16]，这说明大量河道整治工程的修建虽在一定程度上改变了河床边界条件，但很难完全改变河流的固有特性。

（4）其他条件的影响。其他因素诸如地形、气候等也会对河流形態的变化产生一定的影响。例如，研究河段南靠邙山山脉，因此在年内和年际间河道往南基本不偏移，主流主要向北方游荡;年内气温会影响到河流水面的蒸发量，使年内水量发生改变，进而影响到河流形态的变化。

4 结论

（1）研究河段水面面积的变化幅度为7.29 km2，平均面积为12.00 km2。河流长度平均值为24.18 km，变化幅度不超过2 km，整体上保持稳定状态。3段河流的面积和长度变化与研究区河流的变化趋势大致相同，呈现出季节性和周期性变化规律。

（2）将河流进行分段后研究，发现第一段和第三段的河流由弯曲逐渐变得顺直，主流摆动呈现出不断缩小的趋势，表明这两段的游荡程度在逐渐减弱;而第二段的河流由原来的较顺直开始变得弯曲，河流长度变长，主流摆幅增大，游荡程度略有增大。

（3）3段河流各年度的重叠度都呈现出上升的趋势，表明研究河段的河流形态趋于程度在逐年减弱，河势逐渐趋于稳定。

（4）河流形态的变化受到来水、来沙等条件的影响，在研究年限内，河段的水面面积和长度趋于稳定，主流摆幅逐渐缩小，河势越来越稳定，这些都与小浪底水库等工程的调水排沙作用密不可分。水沙条件的优化调控加上河道整治工程的日益完善，能够有效地促进黄河中下游的游荡型河道向更稳定的河型转变。

参考文献：

[1] 陈建国，周文浩，陈强，小浪底水库运用十年黄河下游河道的再造床[J].水利学报，2012，43（2）：127-135.

[2]王婷，马怀宝，王远见，等.小浪底水库运用以来进出库泥沙分析[J].人民黄河，2019，41（1）：6-9.

[3]王卫红，李舒瑶，张晓华，黄河下游游荡性河段主流线调整与水沙关系研究[J].泥沙研究，2006，31（6）：37-43.

[4] 陆中臣，陈劭锋，陈浩，黄河下游游荡段河道平面形态与河势变化趋势预测[J].地理学报，2000，55（6）：729-736.

[5]徐国宾，张金良，练继建.黄河调水调沙对下游河道的影响分析[J].水科学进展，2005，16（4）：518-523.

[6]管伟瑾，曹泊，王晓艳，等.河流信息提取方法比较[J].人民黄河，2017，39（2）：51-55.

[7] 胡春宏，张晓明，论黄河水沙变化趋势预测研究的若干问题[J].水利学报，2018，49（9）：1028-1039.

[8] 解哲辉，黄河清，周园园，等，游荡性河流演变规律研究进展及其河型归属探讨[J].地理科学进展，2016，35（7）：898-909.

[9]夏军强，李洁，张诗媛，小浪底水库运用后黄河下游河床调整规律[J].人民黄河，2016，38（ 10）：49-55.

[10]江冲亚，李满春，刘永学，海岸带水体遥感信息全自动提取方法[J].测绘学报，2011，40（3）：332-337.

[11]GUDINA L F.HENRIK M， RASMUS F，et al.AutomatedWater Extraction Index： A New Technique for SurfaceWater Mapping Using Landsat Imagery[J].Remote Sensingof Environment. 2014. 140： 23-35.

[12] VIVEK Kumar Gautam， PIYUSH Kumar Gaurav， MRUR-GAN P，et al.Assessment of Surface Water DvnamicsinBangalore Using WRI， NDWI， MNDWI， Supervised Clas-sification and K-T Transformation[J].Aquatic Procedia，2015（4）：739-746.

[13] 裴亮，潘丽.基于Landsat 8卫星OLI影像的合肥市水体信息提取方法研究[J].测绘与空间地理信息，2018，41（9）：143-146.

[14] 李生生，王广军，梁四海，等，基于Landsat -8 011数据的青海湖水体边界自动提取[J].遥感技术与应用，2018，33（4）：666-675.

[15]LIU Z F，YAO Z J，WANG R.Assessing Methods of Iden-tifying Open Water Bodies Using Landsat 8 011 Imagery[J]. Environmental Earth Sciences， 2016， 75（ 10）：32-36.

[16]L1 J，XIA J，ZHOU M， et al.Variation in Reach-ScaleThalweg-Migration Intensity in a Braided Reach of theLower Yellow River in 1986 - 2015[J].Earth SurfaceProcesses and Landforms， 2017， 42： 1952- 1962.

（责任编辑 许立新）

收稿日期：2019- 01- 06

基金项目：国家自然科学基金资助项目（ 41671455）;河南省高等学校重点科研项目（15A420007，16A420005）

作者简介：闫超德（1965-），男，河南孟州人，副教授，博士，博士生导师，主要从事GIS空间分析以及地图制图研究工作

E-mail： ycd@ zzu.edu.cn