基于DEM技术的黄河口拦门沙分析

左婧 高源 徐丛亮

摘 要：为了解近年来黄河口拦门沙发育情况，利用2017—2019年该区域水下地形数据，通过GIS建立DEM模型，分析区域淤积变化情况，发现黄河口拦门沙向西北和东北方向逐年发育，近口门处水下地形变化剧烈，来水来沙是形成拦门沙的主要因素。

关键词：黄河口拦门沙；淤积分析；DEM

中图分类号：TV148；TV882.1 文獻标志码：A doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2022.01.007

引用格式：左婧，高源，徐丛亮.基于DEM技术的黄河口拦门沙分析[J].人民黄河，2022，44（1）：33-36.

AnalysisofSandbaratYellowRiverEstuaryBasedonDEMTechnology

ZUOJing1，GAOYuan1，XUCongliang2

（1.ShandongHydrologyandWaterResourcesBureau，YRCC，Jinan250100，China；

2.InstituteoftheYellowRiverEstuaryandCoastScience，Dongying257000，China）

Abstract：InordertounderstandthedevelopmentofthesandbarattheYellowRiverestuaryinrecentyears，thispaperusedtheunderwater topographicdataoftheareafrom2017to2019tobuildDEMmodelandanalyzetheregionalsedimentationchangesthroughGIS.Itisfound thatthesandbarattheYellowRivermouthdevelopsyearbyyeartothenorthwestandnortheast，theunderwatertopographyneartheentrance changessharplyandtheincomingwaterandsedimentarethemainfactorsforformingthesandbarattheYellowRiverestuary.

Keywords：sandbaratYellowRiverestuary；siltationanalysis；DEM

黄河口拦门沙是横亘于黄河入海处的泥沙堆积体[1]，它的变化对黄河口的演变具有较大影响，同时对黄河口附近海区及下游河道的冲淤演变有一定影响。黄河口拦门沙形成机制和演变情况复杂，研究发现，其主要受河道来水来沙、海洋动力作用、盐水楔、滞留点和滞留区等因素影响[2-7]。以往研究通过数字模型对河口地貌形态演变进行模拟，分析拦门沙对尾闾河道的影响[8-9]，在研究过程中拦门沙区域分析基本停留在断面层次，基础地形数据不完备，图形过于简单，不够立体直观，无法了解确切的拦门沙发育区，无法具体量化。

笔者利用基础地形数据，通过GIS建立黄河口拦门沙区域DEM模型，将点转化成面，分析2017—2019年黄河口拦门沙区域的冲淤量、等深线、水下地形的变化等，并对其淤积特性及演变趋势进行分析，使得分析更为直观立体，以期为研究黄河河口演变和黄河下游河道演变提供技术支撑。

1 黄河口拦门沙基本特征

黄河属于典型的水少沙多、来水来沙量集中的河流[10]。黄河河口是多汊河口，是黄河冲积而成的淤泥质海岸，岸线稳定性较差，受黄河来水来沙、河口流路变化及海洋动力等因素影响较大，具有典型的、独特的沉积动力。同时黄河河口潮汐较弱，其感潮河段的潮流界较短，而且随黄河河口径流量的大小变化而变动，根据实测资料分析，现黄河口的感潮河段长度为10～17km。

黄河来沙以悬沙为主，自2002年调水调沙以来，大量的泥沙被输送到河口，水流开始大面积扩散，潮汐顶托下泄水流，造成流速减慢，悬移质泥沙沉积，推移质泥沙停止前进[4]。泥沙由近到远、由粗到细逐渐淤积延伸，经多次洪峰过程发育，口门拦门沙充分发育，范围不断增大，变化强度不断加强。

黄河泥沙入海后，受两道切变锋连续、强烈的“捕捉”，使得大部分泥沙被留存在12m水深节点线以内近岸区域[11]。经过多年泥沙堆积，河口外延，逐渐形成陆地或新的口门，改变了河口及临海区域水下地貌，同时对潮汐、海流等水文要素的变化也有重大影响[1]。

2 研究区域与数据来源

2.1 近年来河口河势演变情况

1996—2003年是黄河河道及河口的稳定期，其特点是主流在原有河道内运动，口门摆动不大，并且随着上游水沙的变化具有淤积延伸和蚀退的特点。2004年以后为摆动期，其变化特点是先向右逐渐摆动，再向左较大范围摆动，摆动顶点在口门以上4km处逐渐上移，直到2007年汛期口门向左改道，摆动的顶点在口门以上12km左右，上距汊3断面1km。从其变化情况看，基本遵循了口门河道“顺直—弯曲—口门摆动—出汊—改道”的规律，其每一阶段时间的长短由上游来水来沙和口门附近海域的海洋动力条件的相互关系决定，上游来水来沙为主要因素。

2.2 基础数据来源

（1）水下地形数据分布。分析数据为黄河口拦门沙区域2017年8—9月、2018年10—11月、2019年9—10月水下地形测绘资料，研究范围是河口两侧各10 km范围内的浅海区，自海岸向外延伸15～35km，测绘面积约400km2，在测区内垂直海岸线每250m布设一条测线，共81个监测断面，测点间距250m，前缘急坡变化剧烈处适当加密测点。

黄河口拦门沙测验采用1954北京坐标系，测验点分布如图1所示，3个年份数据测验范围基本一致，图1中每个点号代表一个监测点，测验范围x坐标范围为4180000～4200000，y坐标范围为20680000～20715000。

（2）测验期间利津水沙情况。利津水文站是黄河水沙入海的控制水文站，根据该站水沙资料统计，2017年来水89.58亿m3，输沙总量0.077亿t，输沙率为244kg/s；2018年来水333.80亿m3，输沙总量2.970亿t，输沙率为9417kg/s；2019年来水312.20亿m3，输沙总量2.710亿t，输沙率为8593kg/s。按照泥沙干容重1400kg/m3计算，2017—2019年来沙量分别为0.055亿、2.121亿、1.936亿m3。3个年份中最大流量出现于2019年，达到4060m3/s。

2.3 测验数据整理

通过测深仪和信标机联合进行数据采集，得到原始数据。2017年拦门沙测区采集数据点6915个，2018年采集数据点7558个，2019年采集数据点6748个。信标机采集数据坐标系统为1954北京坐标系，测深仪采集得到瞬时水深值，结合测验期间的潮位值进行水深改正，得到1956年黄海基准面起算的水深值。

得到相应坐标下的水深后，即可进行拦门沙测区DEM模型的建立。

3 拦门沙测区DEM模型的建立

通过2017—2019年的拦门沙测區水下地形测绘成果，利用数字高程模型DEM进行各年份的模型建设，建设模型范围为口外滨海区，口门向河内一侧不在本研究区域之内。

（1）DEM数字高程模型。数字高程模型DEM是指通过有限地形高程数据对地形进行数字化模拟。通过DEM提取的信息包括地形、地貌和水文信息[12]。通常该模型有不规则三角高程格网模型（TIN）、规则格网模型和等值线模型3种表达方式[13]，前者是后两者模型的基础。TIN模型保留每个原始数据点，适用于密度均匀且规则排列的坐标数据，避免了内插精度损失，能够更好地描述地貌特征点、线，在表达复杂地形方面更为精确；规则格网模型的每个格网点处只存储高程数据，适用于淤积量计算、深泓线提取等；等值线模型则是将一系列已知高程点形成的等高线进行集合而构成的一种地面高程模型。

（2）黄河口拦门沙区域DEM模型的建立。基于已知实测水下地形数据，利用Delaunay构建不规则三角高程网格模型，利用设定阈值处理边界方法对网格进行处理[14]，删除不合理的三角形，形成与实际相符的网格边界，生成TIN模型。利用TIN模型分别进行黄河口拦门沙区域栅格DEM转换和等深线生成，形成不同年份的数字模型。通过计算不同年份之间体积变化，得到拦门沙区域冲淤数据。其中2019年黄河口拦门沙DEM模型如图2所示。

4 拦门沙变化分析

4.1 拦门沙范围、泥沙淤积量及厚度分析

图3是经过计算处理后得到的2017—2018年、2018—2019年和2017—2019年拦门沙发育情况，当相邻两年某处泥沙淤积厚度超过2m时，将其考虑到拦门沙发育区域当中。从图3可以看出，2017—2018年黄河口拦门沙在现河口发展为两个区域，分别是西北向主流入海口门处和东北向分汊入海口门处，2019年主流入海口门处较2018年拦门沙范围继续扩大，分汊入海处拦门沙向西北方向发展，与主汊口拦门沙逐渐靠近连接。

经过计算，与2017年相比，2018年黄河入海口主流区拦门沙范围为10.8km2、淤积体积为0.42亿m3，分汊入海处拦门沙范围为4.1km2、淤积体积为0.14亿m3，拦门沙总范围为14.9km2，共淤积0.56亿m3，淤积厚度最大为9.17m。

与2018年相比，2019年入海口主流区拦门沙范围为8.2km2、淤积体积为0.28亿m3，分汊入海处拦门沙范围为3.4km2、淤积体积为0.12亿m3，中间连接区域拦门沙范围为0.4km2、淤积体积为0.01亿m3，拦门沙总范围为12.0km2，共淤积0.41亿m3，淤积厚度最大为6.84m。

经过两年发育，两岔口拦门沙区域逐渐形成连接，发育总范围约40km2，淤积泥沙共1.73亿m3，淤积厚度最大处达到10.37m。主流路拦门沙区域向西北方向延伸扩张，分汊入海处拦门沙区域向东北方向延伸扩张。

4.2 拦门沙测区滨海地形变化

2018年和2019年入海水沙相对丰沛，行水河口附近岸段受来水来沙影响，拦门沙逐渐淤积延伸，黄河口入海口处等深线变化较为明显。

主流入海口处，与2017年相比，2018年3m等深线向西北方向延伸1793m，6m等深线向西北方向延伸1702m；与2018年相比，2019年3m等深线向西北方向延伸1245m，6m等深线继续向西北方向延伸1209m。

汊流入海口处，与2017年相比，2018年3m等深线向西北方向延伸1565m，6m等深线向西北方向延伸1052m；与2018年相比，2019年3m等深线向西北方向延伸813m，6m等深线继续向西北方向延伸589m。3m等深线套绘如图4所示。而远离入海口的深海区如12m、16m等深线受黄河水沙影响较小，在黄河水沙与海水潮汐的共同影响下，呈现小幅度波动状态。

黄河入海口附近水下地形最大纵比降2017年为0.5%；2018年最大纵比降为1.11%，位置随着拦门沙发育向西北方向延伸；2019年最大纵比降为0.91%，位置向拦门沙发育方向延伸。发育过程中，水下形成门槛，且门槛坡度逐渐增大，同时对入海泥沙形成阻隔，减缓泥沙推移，门槛最大坡度处于减缓的状态。2017—2019年测区水下地形纵比降如图5所示。

4.3 拦门沙变化的主要影响因素分析

拦门沙的发育和消长是来水来沙和海洋要素共同作用的结果，当海洋条件不发生突然变化时，来水来沙就是影响拦门沙变化的主要因素。

因黄河入海分两股岔道（主流、分汊），经过2018年、2019年相对丰沛的水沙入海过程，大量泥沙堆积，在主、汊口处分别形成了拦门沙区域，并逐渐发育，2019年两处拦门沙逐渐连接。

根据利津来水来沙量统计可知，2017年水沙总量较小，2018年、2019年水沙总量大幅度增加。最大流量逐年增大，2019年最大流量达4060m3/s，大流量水流可将泥沙输送到距离口门更远处，致使主流区拦门沙区域总体一直向西北方向扩张延伸，汊流区拦门沙区域总体向东北方向扩张延伸。但2019年输沙总量小于2018年，因此2018—2019年形成新的拦门沙范围和淤积沙量比2017—2018年形成的拦门沙范围和淤积沙量小，说明拦门沙的位置和范围是在不断变化的，當来水来沙量较大时，拦门沙就会向外淤积延伸，范围相应扩大，反之拦门沙发育减缓。

口门拦门沙的发育，致使入海口处相同等深线逐年向外大幅推移，近口门处地形变化剧烈，远海区地形变化较小。口门附近水下地形坡度最大值区域随拦门沙发育也逐渐向外推移，其中2017年最小，2018年达到最大值，此刻发育的拦门沙形成门槛，导致口门流水不畅，对输水输沙造成阻碍，流路延长，水沙推移减缓，在大流速水流的冲击下，2019年虽然拦门沙向外扩展延伸，但形成坡度的最大值稍有减小。

拦门沙发育与口门摆动互相制约，当拦门沙充分发育，改变口门附近水下地形，造成口门流水不畅、流路延长，形成较大坡度时，会阻碍甚至改变来水来沙的路径，对尾闾河道产生影响。

5 结 论

（1）来水来沙量是黄河口拦门沙发育的主要因素。2017—2019年黄河河口在西北向主流入海口和东北向分汊入海口分别形成拦门沙并逐渐连接。两年间拦门沙发育范围40km2，泥沙淤积体积1.73亿m3，拦门沙淤积厚度最大为10.37m。

（2）拦门沙的位置和范围是在不断变化的，当来水来沙量较大时，拦门沙就会向外淤积延伸，范围相应扩大，反之拦门沙发育减缓。

（3）近口门处地形变化剧烈，远海区域地形变化较小。

（4）拦门沙发育与口门摆动互相制约，当拦门沙充分发育，改变口门附近水下地形，造成口门流水不畅、流路延长，形成较大坡度时，会阻碍甚至改变来水来沙的路径，对尾闾河道产生影响。

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【责任编辑 张 帅】