基于RS的辽河下游牛轭湖50年演变研究*

王丹桂 马鹏飞 高 婕 胡 克①

(1. 中国地质大学(北京)海洋学院 北京 100083; 2. 中国地质大学(北京)地球科学与资源环境学院 北京 100083)

牛轭湖是弯曲河流发展中被抛弃的一段河床,与壮年期泛滥平原相伴生, 地质地理成因上属于河成湖中的一类(杜恒俭等, 1981; 沈吉等, 2010)。自20世纪50年代以来, 河曲、牛轭湖的形成机理、演变特征、受控因素及形态逐渐成为国内外学者研究的热点问题。冲积平原河曲及牛轭湖的形成与演变主要受区域地质地貌、河床物质组成、河流水文条件以及区域内人文因素的影响(林承坤等, 1959, 1965; 洪笑天等, 1987; 邹尚辉, 1981)。牛轭湖3个不同演变阶段(初期、中期和晚期)的形态是Ω型、U型和月牙形(李志威等, 2012)。

对河曲、牛轭湖研究的方法有很多种。传统的研究方法有基于史记资料、数字地图、沉积物分析等方法, 新型研究方法有数学模型应用、遥感影像分析等方法, 特别是遥感技术, 具有快速、宏观、跨时段、可系统地进行大尺度调查与监测的优势, 在河曲、牛轭湖的形成与演变的研究工作中得到广泛应用。林承坤等(1965)通过根据荆江的沉积物和水文、泥沙特性,结合历史记载资料, 分析了荆江在2500年内(春秋战国时期至20世纪60年代)河床的演变过程, 认为沙层之上复有粘土的二元结构, 是荆江河曲的形成与发展的重要条件。颜辉武等(2001)根据不同历史时期的下荆江河道图形建立了供分析用的数字地图, 同时结合地质、地貌及其它因素对下荆江河道的演变进行了分析。Constantine等(2010)通过检测加利福尼亚萨克拉门托河中牛轭湖的沉积物, 发现沉积物砾石的体积与现有河道和被废弃河道之间的转向角呈负相关, 认为转向夹角大的河道加积速度快, 造成牛轭湖的快速分离, 牛轭湖中以体积小的粗粒沉积物为主,转向夹角小的河道则相反。李志威等(2012)通过运用一维水流泥沙数学模型描述裁弯后原河道进口段的悬移质淤积过程, 认为牛轭湖形成速率主要取决于原河道进口断面悬移质浓度和沙栓长度。Constantine等(2008)运用Google Earth卫星图像计算了30条弯曲河流牛轭湖及河湾的形态特征, 确定了河曲裁弯取直后牛轭湖形成与演变的控制因素, 建立了牛轭湖生成速率与河道长度、弯曲度的关系式。

前人的研究侧重于分析河曲和牛轭湖形成演化的自然受控因素, 如水文、泥沙条件、地质、地貌条件, 沉积、岩性条件, 对人为受控因素的分析相对较少。辽河下游平原河曲和牛轭湖发育, 同时地理区位特殊, 研究区境内的盘锦市是依托石油和天然气资源而兴起的城市(贾晓晴等, 2011)。河道的演变一方面受到自然因素的影响, 另一方面, 近几十年来由于油田的开采, 工农业及城市的发展, 人为因素对河道演变的影响越来越大。目前, 前人对辽河下游河曲及牛轭湖的相关研究较少, 多侧重于湿地景观变化和生态系统方面(王宪礼等, 1996; 黄桂林等, 2011; 段亮等, 2014), 缺少对牛轭湖形成演变方面的研究。本文基于不同时相的遥感影像, 在ENVI软件的操作平台上, 以遥感解译为依托, 揭示辽河下游牛轭湖的演变过程, 分析了牛轭湖自然演变以及人为因素对牛轭湖形成演变的影响, 为未来该区牛轭湖的演变研究等提供科学依据。

1 研究区域概况

辽河位于中国东北地区南部, 是中国7大江河之一(谌艳珍等, 2010)。辽河发源于河北省平泉县, 流经河北、内蒙古、吉林和辽宁4个省区, 全长1430公里, 流域面积为22.9万平方公里, 流域地势大体自北向南、自东西两侧向中间倾斜, 中下游形成辽河冲海积平原, 地势平坦。辽河下游平原区水系密布, 河流众多, 水流较缓, 河曲发育(图1), 河道变迁频繁, 平原上遗留很多废河道和牛轭湖。选取三个典型牛轭湖研究区进行分析: A研究区位于河流交汇处, 河流流向由西北转向西南, 河曲发育完整; B研究区水田、旱地发育, 水利设施众多; C研究区城镇、耕地密集,人口众多。

图1 研究区地理位置Fig.1 Location of study area

辽河下游平原属于暖温带半湿润大陆性季风气候, 春季风大干燥, 夏季高温多雨, 冬季寒冷少雪,雨热同期, 四季分明。境内自然资源丰富, 有世界闻名的盘锦苇田, 总面积达77922.93公顷; 滨海的盘锦地区是辽宁省重要商品粮基地和优质大米出口基地;矿产资源丰富, 有全国第四大油田“辽河油田”。

2 研究材料与方法

2.1 研究材料

本文研究中采用1期锁眼卫星系列和6期Landsat卫星系列不同时相的遥感影像(详见表1)。锁眼卫星系列的影像购于北京揽宇方圆信息技术有限公司, Landsat系列影像下载于美国USGS网站。遥感影像年份的选取主要是依据牛轭湖不同演变阶段的特征, 同时结合盘锦市农田开发、水利建设等相关政策的实施时间; 由于影像解译中涉及水田、旱地等植被以及滩地信息的提取, 结合研究区农作物的轮作时间, 选取的遥感数据都在5—11月之间。

表1 研究所用的遥感影像Tab.1 Images used in this study

2.2 数据处理

由于遥感影像数据中2013年OLI-TIRS数据分辨率及图像质量最好, 所以在研究过程中先对该图像进行几何精校正, 利用ENVI 4.8中数字图像几何校正模块中地图对影像的校正功能, 以研究区1︰250000矢量地质图(MAPGIS格式)为参照, 在地质图和遥感影像上选取同名地物点, 采用二次多项式采样方式对其进行纠正; 其它6期影像分别以校正后的2013年数据为基准, 在ENVI平台下进行图对图校正,校正误差控制在一个像元以内。之后对校正后的影像进行镶嵌并从镶嵌图中裁剪出相应的研究区域影像部分。

2.3 河道专题信息提取

对于牛轭湖演变的监测, 主要是在河道及滩地信息提取的基础上分析其演变规律。河道及滩地信息的遥感调查侧重于水陆边界的提取, 考虑不同地物的反射光谱特性差异, 应选择影像中对水、陆地、植被反射突出的波段(钟凯文, 2005; 郑明福等, 2007;毛锋等, 2009)。综合陆地卫星各波段特征以及不同波段之间的组合对比特征, 对MSS影像做MSS7、MSS6、MSS5假彩色合成, 对TM、ETM、OLI-TIRS影像做模拟真彩色合成, 其中TM和ETM影像选择5、4、3波段组合, OLI-TIRS影像选择6、5、4波段组合。然后运用色度空间理论的数据融合技术与地物DN值曲线的波段比值及其它运算对图像进行增强处理, 提高图像的目视质量, 以增大用于可视化解译的信息量。最后通过人机交互解译方法, 基于GIS 软件平台, 根据已提取的研究区不同时期的河道信息, 生成相关专题图(图2)。

3 牛轭湖的演变趋势分析

牛轭湖是曲流发展中被抛弃的一段河床, 在沿海冲积平原区非常普遍(史维德, 1997)。在冲积平原区随着河流的迂回发展, 河流会越来越弯曲, 相邻的两个弯曲的河道会不断靠拢, 形成曲流; 曲流形成后,不断侧蚀, 河床弯曲越来越大, 形成狭窄的曲流颈;洪水时, 曲流颈可能被冲开, 河道截弯取直后, 弯曲河流被废弃, 逐渐被泥沙淤积堵塞, 不再有经常性水流, 从而被废弃的旧河演变成牛轭湖, 同时新河不断壮大形成主河道, 并开始下一周期的演变过程(曹跃华等, 1995; 杨景春等, 2009)。

辽河下游的牛轭湖在外界自然环境与人为因素的作用下, 原有河道逐渐演变退化, 最终转变成其他地类。图2是运用ENVI 4.8软件对遥感影像进行解译和信息提取后, 选取了位于辽宁省于盘锦市境内的一段河曲, 利用MAPGIS 6.7软件进行制图, 得出的1963、1975、1984、1988、1992、2002和2013年的辽河下游河道的演变图, 从图中可分辨出部分牛轭湖逐年演变的情况。

图2 不同时相下辽河下游的河道演变图Fig.2 River channel evolution of the lower reaches of Liaohe River in different time

3.1 牛轭湖50年整体演变趋势

1963—2013年, 辽河下游牛轭湖演变呈减缓趋势, 其中, 1963—1984年期间已形成的牛轭湖不断演变消亡, 新的牛轭湖快速发育; 1984—2002年期间已形成的牛轭湖逐渐消亡, 少有新的牛轭湖形成; 2002—2013年, 牛轭湖的演变近乎停滞(见图2)。

3.2 牛轭湖的自然演变

水流侵蚀凹岸的同时, 凸岸边滩要随着淤长是弯曲河道发育的一个重要特征。凸岸边滩不断地扩大才能使河道进一步弯曲, 故曲流的形成需要洪水和中、枯水流的交替作用, 洪水期挟沙水流淤积滩面,中枯水期时滩面露出水面, 淤积层得到密实; 同时,悬沙运动为主的河道泥沙颗粒较细, 有利于边滩的淤积(洪笑天等, 1987)。辽河流域处于温带季风气候区, 下游地区年径流存在洪水和中、枯水流交替的情况, 在近60年中, 1953—1957年、1963—1964年、1985—1987年、1994—1995年为丰水期, 1961—1962年、1988—1990年、1996—1997年、1999—2000年为中枯水期(刘权等, 2007), 满足河曲发育的基本条件。

辽河进入相对低平的辽河平原时, 河流坡度变缓, 流速减慢, 形成了蜿蜒的河道和广阔的冲积平原。辽河河曲发育, 随着流水对河道不断的冲刷与侵蚀, 下游曲率继续加大, 河水冲刷与侵蚀最弯曲的河岸, 导致河流自然截弯取直, 形成牛轭湖。图3显示了辽河下游研究区A(图2中A框位置)河曲从初期发育形成牛轭湖到后期牛轭湖消亡演化的各阶段。图3(a)到(d)红色虚线框处展示了1963年到1988年期间河流从河曲发育到牛轭湖①形成初期的演化过程,在水流的侧蚀作用过程中, 水流因惯性离心力冲向凹岸, 曲流河凹岸不断受侵蚀后退, 同时水流到达河流弯曲处搬运能力减弱, 凸岸边滩由于泥沙堆积不断生长延伸, 河曲的弯曲度逐年增大直至水流冲破曲流颈(见图3(d)), 逐渐演变形成牛轭湖。图3(d)到(f)红色线框处展示了1988年到2013年期间牛轭湖①形成后直至消亡的演化过程, 牛轭湖形成后, 水湾封闭,随着湖内泥沙淤积、水体蒸发和下渗等, 进出口段变浅和滨湖植被发育, 牛轭湖面积缩减, 随着面积的继续缩小, 牛轭湖进入衰亡阶段, 植被繁衍, 进一步覆盖最后的湖面, 牛轭湖最终彻底消失, 成为冲积平原的陆地部分(李志威等, 2012); 图3(d)中牛轭湖①形成初期水量丰富, 面积较大, 图3(e)中牛轭湖含水量和面积均变小, 图3(f)中牛轭湖行迹完全消失。同样的, 图3(a)到(c)绿色虚线框处展示了1963年到1984年期间牛轭湖②的形成过程, 图3(c)到(f)绿色虚线框处中展示了1984年至2013年期间牛轭湖②形成后面积逐渐减小直至消亡的演化过程。

图3 牛轭湖的形成与退化(a: 1963, b: 1975, c: 1984, d: 1988, e: 1992, f: 2002)Fig.3 Formation and degradation of oxbow lakes (a: 1963, b: 1975, c: 1984, d: 1988, e: 1992, f: 2002)

牛轭湖形成前, 河曲较宽, 形迹明显, 含水量丰富, 在63年的全色遥感图像图3(a)上表现为亮白色条带状; 在75年的多光谱遥感图像图3(b)上表现为纯净的蓝色条带状。随着河曲的自然演变, 牛轭湖形成后, 由于水源被截流, 牛轭湖水分含量随时间的推移而减少, 湖水慢慢干涸, 影像中的条带变窄, 颜色变浅, 湖中水分逐渐为外界环境所利用, 岸边部分区域的植被覆盖度加大; 随后加之人为因素的影响, 例如土地的整理与复垦, 使整片牛轭湖完全转变为其他地类, 河道行迹不易辨认, 但因土壤水分含量仍比周围较高, 所以植被覆盖度较高。另一种情况由图3(d)到(e)中可明显看出, 牛轭湖水面下降退化为滩涂后, 由于辽河冲海积平原土壤本身碱性大, 外加风化作用, 在无人为因素的作用下, 不能生长植被的地区,土壤水分流失后地类转变成为盐碱地, 在遥感影像中呈白色不规则斑块。

3.3 人为因素对牛轭湖演变的影响

3.3.1 水利工程对牛轭湖演变的影响 辽河下游平原属于沉积性退海平原, 地势低洼地下水位高, 过境河流多, 汛期降雨集中强度大, 洪水受海潮顶托极易形成洪涝灾害。1985年洪汛后辽宁省内以整治辽河为重点, 兼治其他中小河流, 进行筑堤、建闸等工程建设, 整修堤防89公里, 河道裁弯3处, 新建、改扩建穿堤建筑物, 动用改迁河滩地, 以提高辽河的防洪能力(杨广富等, 2000)。图4显示了工程建设对辽河下游研究区B(图1、2中B框位置)河曲演变的影响, 从图4(a)到(c)可以看出, 弯曲河段由于防洪堤的建设, 造成了河曲的人为裁弯。1995年, 辽河自建国以来第一位特大洪水过后, 双台子河闸改建扩建工程又开始启动, 接连不断的河流源头改造对辽河下游牛轭湖的形成及演变影响极其严重。河水流量变小,下游流水对河床的冲刷与侵蚀减弱, 河流曲率变化缓慢, 甚至不能造成河水的去弯取直, 从根本上遏止了牛轭湖的形成。

图4 工程建设与牛轭湖演变(a: 1984, b: 1992, c: 2002)Fig.4 Engineering construction and oxbow lakes evolution in the years of 1984(a)-1992(b)-2002(c)

3.3.2 农田改造对牛轭湖演变的影响 辽河平原地处辽河三角洲, 受河流与海洋交替影响, 地表土壤碱性大, 多为不同盐渍化程度的滨海草甸土, 少部分为滨海盐土, 土地生产力低下, 为农田治理的重中之重。建国后, 辽宁省以大力发展基本农田建设为方针,进行分区规划, 全面治理。1986年起, 盘锦市“大禹杯”农田基本建设实现扩大灌溉面积7333公顷, 完成干流堤防整修土方1975.74万立方米; 1988年的全国农业综合开发, 国家将辽河三角洲列为重点开发地区。辽宁省农田改造一度掀起建设高潮, 到1995年末, 辽河三角洲农田综合开发宜农荒地15366.70公顷, 其中大洼小三角洲开发荒地6933.30公顷。为适应农业的发展, 原有的辽河平原地类发生转变, 大量废弃的河道和牛轭湖被改造为基本农田。

选取位于盘锦市境内的典型地类转变处研究区C, 在对遥感影像进行相应拉伸处理后进行解译发现(见图5): 1984年图5(a)影像中弯曲条带状的牛轭湖清晰可见, 含水量丰富; 由于基本农田的改造, 1992年图5(b)影像中的牛轭湖水面面积缩小; 2013年图5(c)影像中的牛轭湖行迹已经消失殆尽, 原有河道消亡, 逐渐被周围有规则形状的人工地类所取代, 基本农田面积进一步扩张。由于原有牛轭湖地区土壤含水量依然较高, 所以后期人为开垦的牛轭湖转换类型主要为水田——遥感影像中表现为深色有规则的斑块,旱地——遥感影像中表现为浅色有规则的斑块, 并附有自然植被覆盖, 影像中表现为零散不规则的斑块。

3.3.3 其他人为因素对牛轭湖的影响 辽河下游牛轭湖的演变除了受到水利工程和农田建设的影响外, 还受到油田建设、交通及城镇建设等因素的影响。辽河油田成立于1970年, 到1995年末, 开采石油天然气生产和安排职工生活用地共占用盘锦市境内土地9368.03公顷, 同时兴修桥梁和道路等配套建设; 1978年改革开放后, 辽河三角洲工业快速发展,同时城镇化进程加快, 这些因素都直接或间接地影响着牛轭湖的演变。1992年图5(b)影像中开始出现分散小城镇, 呈零散不规则斑块状, 多沿道路两侧分布,2013年图5(c)影像中道路增多, 城镇面积扩大, 原有牛轭湖所在区域近乎完全被人工地类所取代。

图5 牛轭湖与其他地类的转变(a: 1984, b: 1992, c: 2013)Fig.5 The transition of the oxbow lakes and land form other classes (a: 1984, b: 1992, c: 2013)

4 结论

(1) 通过牛轭湖的遥感监测研究发现, 1963—2013年50年期间, 辽河下游沿程发生了重大变化,主要体现在河道形态和河漫滩土地利用上。河道形态上, 河道经历了河曲演变为牛轭湖, 以及牛轭湖发育、消亡的演变过程; 河漫滩土地利用上, 大量的工程建设和农田改造, 间接地影响了牛轭湖的形成演变。

(2) 近年来, 人为因素对牛轭湖演变的影响增大。20世纪60年代到20世纪80年代中期, 牛轭湖以自然演变为主; 20世纪80年代中期开始, 区域兴修水利设施, 发展农业, 进行基本农田改造, 工业、城镇建设用地增加, 牛轭湖演变中后期被人为地加以改造, 强行转变为其他地类, 牛轭湖演变受人为因素的影响增大。

(3) 基于遥感影像和历史资料分析, 近50年来,辽河下游牛轭湖的发育速度呈现变缓趋势。1963—1984年期间, 河道的演变主要受自然因素影响, 洪水频发, 输移大量泥沙, 河道泥沙淤积范围广, 河道变化频繁, 河曲快速发育并演变成牛轭湖; 1984—2002年期间, 由于防洪堤、水闸等水利工程的建设, 洪水频率逐渐降低, 河流含沙量减少 , 河曲变化减缓;2002—2013年期间, 防洪堤、水闸等水利工程建成后,河道基本趋于稳定, 河流径流量减少, 下游水流对河床的冲刷与侵蚀减弱, 河流甚至不能自然裁弯取直,少有新的牛轭湖形成, 牛轭湖的演变基本趋于停滞。

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