1986—2018 年黄河下游游荡段洲滩演变特点

李 洁，褚明浩，张 翼，朱呈浩

（1.扬州大学 水利科学与工程学院，江苏 扬州 225009； 2.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225009； 3.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003）

洲滩是河流地貌结构与格局的重要组成部分，其演变特点对河流系统的完整性、复杂性和生态服务功能具有重要意义［1-2］。 黄河下游游荡段洲滩密布、汊道交织，河道横向摆动频繁，洲滩变化较为剧烈。 因此，研究近期黄河下游游荡段的洲滩演变特点，不仅有助于充分认识近期黄河下游的河床演变规律，而且可为河道整治及规划等提供相关参数。 卫星遥感影像能够快速直观地反映河道内洲滩的变迁情况，且具有时间和空间的连续性优势，成为学者们研究洲滩演变的重要信息源之一［3-5］。 例如，陈辅萍等［6］基于遥感影像研究了黄河源区达日河段洲滩形态变化，并提出了洲滩的稳定性参数；赵世雄等［7］基于遥感影像分析了1985—2019 年淮河入洪泽湖段洲滩的变化趋势，并分析了自然因素及人类活动的影响作用；李溢汶等［8］以遥感影像为基础，研究了三峡水库运行后沙市段典型洲滩面积的变化过程及其影响因素。 然而，目前关于黄河下游游荡段河床演变的研究，主要侧重于河床冲淤［9-10］、断面形态变化［11-14］、河道主槽摆动［15-16］等方面，关于黄河下游游荡段洲滩演变特点的研究较少。

本文以黄河下游游荡段为研究对象，基于1986—2018 年遥感影像资料，定量研究河段内洲滩的数目、面积及形态指数等参数的变化过程，对比分析小浪底水库运行前后洲滩的时空演变特点，以期为游荡段河道整治提供参考依据。

1 研究河段概况

1.1 黄河下游游荡段概况

黄河下游起始桃花峪终至利津，河道形态多变，且具有宽阔的滩地，河床演变规律极其复杂，一直是黄河治理的重点与难点［17］。 根据河床演变特点的不同，黄河下游可分为游荡型河段、过渡型河段和弯曲型河段［18］。 其中，高村以上河段为典型的游荡型河段，该河段全长275 km，滩槽高差相对较小，河道比较顺直，曲折系数平均约为1.15。 该河段的典型特征是冲淤幅度大，断面宽浅，洲滩密布，流路散乱；河岸土质易被侵蚀，极易发生崩岸，因此河道横向摆动十分频繁，给防洪带来了诸多不利影响［15-16］。 游荡段设有花园口、夹河滩和高村3 个水文站，如图1 所示。 小浪底水利枢纽修建于黄河中游最后一段峡谷的出口处，控制流域面积69.4 万km2，占黄河流域面积的92.3%。 小浪底水库1999 年10 月开始运行，既可较好地控制黄河下游洪水，又可将绝大多数中、粗泥沙拦在水库里，从而减少黄河下游河道的泥沙淤积。

图1 黄河下游河道平面示意

1.2 水沙过程及河床冲淤概况

图2 点绘了1986—2018 年花园口水文站水量、沙量的逐年变化过程。 将研究时段分为小浪底水库运行前（1986—1999 年）和小浪底水库运行后（2000—2018年）。 在来水量方面（见图2（a）），小浪底水库运行前，花园口多年平均来水量约为276.5 亿m3，汛期来水量约占全年的47%；小浪底水库运用后，多年平均来水量减少为257.5 亿m3，汛期来水量占全年来水量的39%，这说明小浪底水库运行后，进入黄河下游的水量略有减少，汛期水量占全年的比重有减少趋势。在来沙量方面（见图2（b）），小浪底水库运行前，花园口多年平均来沙量约为6.8 亿t；2000—2018 年，大部分泥沙淤积在水库中，进入黄河下游的沙量明显减少，该时期的年均沙量约为1.0 亿t，汛期来沙量占全年的75%。 2018 年是小浪底水库运行后花园口来水量和来沙量最大的年份，其来水量和来沙量分别为447.8亿m3和3.4亿t。

图2 1986—2018 年黄河下游的来水来沙条件

黄河下游沿程冲淤过程一般表现为游荡段冲淤幅度大、过渡段与弯曲段冲淤幅度相对较小的特点。 图3 点绘了1950—2018 年黄河下游及游荡段的累计冲淤量变化过程。 1950—1999 年，黄河下游发生了先淤积、短暂的冲刷后再持续淤积的过程，至1999 年黄河下游累计淤积量达55.8 亿m3，其中游荡段累计淤积量为33.5 亿m3，约占整个下游总淤积量的60%。 下游河道的持续淤积导致主槽发生强烈萎缩，河道的过流能力被大大削弱［19］。 小浪底水库运行后，黄河下游河道经历了持续冲刷过程。 据统计，2000—2018 年黄河下游河道累计冲刷量达20.2 亿m3，其中游荡段的冲刷量最大，累计冲刷量达14.1 亿m3，约占下游总冲刷量的70%。 游荡段主槽发生展宽，平滩河宽由1999年的943 m 增加到2018 年的1 246 m，同时河床累计下切深度达3 m，主槽过流能力大大提高［10］。

图3 1950—2018 年黄河下游及游荡段累计冲淤量变化情况

2 数据来源及研究方法

2.1 遥感数据来源

遥感数据的选择必须综合考虑研究目标与影像分辨率之间的关系，本文收集了黄河下游游荡段1986—2018 年分辨率为30 m 的TM、ETM 和OLI 影像资料（下 载 于 美 国 地 质 调 查 局 网 站https：／／glovis.usgs.gov／），其中包括Landsat-5／TM（1986—2011 年）、Landsat-7／ETM（2012 年）和Landsat-8／OLI（2013—2018 年），影像数据的地理坐标范围为北纬33°42′—35°30′、东经112°13′—116°11′。 游荡段在大流量高水位时，往往表现为单一河道，在小流量低水位时，洲滩显露、汊道交织，更有利于研究河道内洲滩的变化。 为了研究1986—2018 年游荡段洲滩的演变特点，需要选取水位或流量基本相同时的遥感影像进行研究，然而小浪底水库运行后，黄河下游游荡段发生了剧烈冲刷，在小流量下，2018 年花园口站水位比1999 年降低了约3.3 m（见图4），难以确定一个特定水位来确保研究时段内的影像资料水位基本相同。 因此，本文采用流量基本相同的遥感影像资料进行研究，以每年花园口流量在500 m3／s 左右为标准进行遥感影像筛选，1986—2018 年共选用66 幅遥感影像，且选取影像清晰、无云、质量良好，经对比，所选遥感影像中游荡段的水面范围变化不大。

图4 典型年份花园口站水位流量关系

2.2 遥感影像处理与洲滩信息提取

为了提高河道洲滩解译的精度，需要进行遥感影像预处理，首先在ENVI5.31 和ArcGIS10.2 软件支持下，对所有的遥感影像进行几何校正、辐射定标、大气校正、图像增强、批量裁剪等预处理，处理后的遥感影像坐标系统一为WGS84 投影坐标系。 河道洲滩信息提取过程中，结合各卫星数据波段设置的特点，TM 和ETM 数据影像选择NIR（近红外）／SWIR（短波红外）／R（红）波段进行组合，OLI 数据影像选择SWIR／LWIR（热红外）／NIR 波段进行组合。 为有效区分洲滩与水体的边界，本文采用改进的归一化差异水体指数［20］提取水体信息，其计算公式如下：

MNDWI＝（Green-MIR）／（Green＋MIR） （1）

式中：Green和MIR分别为绿波段、中红波段反射率。

在ArcGIS 软件运行中，采用自动与手动相结合的方式进行洲滩提取和参数确定，逐年确定出1986—2018 年黄河下游游荡段洲滩的数目（N）、每个洲滩面积（Ai）、每个洲滩长度（Li），其中洲滩长度为洲滩头部与尾部之间的最长距离。 同时，引入一个无量纲的形态指数（SI）来反映每个洲滩形状，其表达式如下：

SI越大表明洲滩形状越趋向于细长，SI越小表明洲滩形状越趋向于宽短。

3 游荡段洲滩演变特点

基于1986—2018 年遥感影像资料统计出黄河下游游荡段洲滩参数，分别从洲滩数目变化、洲滩面积变化及洲滩形状变化三个方面探究近33 a 游荡段洲滩演变的特点，并探讨小浪底水库运行对洲滩演变的影响。

3.1 洲滩数目的变化特点

洲滩数目可以反映洲滩的产生与消亡，是研究洲滩演变特点的重要参数。 图5 给出了1986—2018 年黄河下游游荡段洲滩数目的变化过程。 由图5 可见，1986—1999 年游荡段洲滩数目总体上呈减小的趋势，多年平均洲滩数目约为105 个，其中洲滩数目最多的年份为1986 年，洲滩数目达到了168 个，洲滩数目最少的年份为1992 年，洲滩数目为69 个。 小浪底水库运行后，2000—2003 年游荡段洲滩数目持续增加，由2000 年的132 个增加到2003 年的195 个。 2004 年和2005 年游荡段洲滩数目大大减小，分别为68 个和91个，2006—2018 年游荡段洲滩数目总体在112 ～189 之间波动。 总体来看，2000—2018 年游荡段多年平均洲滩数目约为140 个，多于小浪底水库运行前的洲滩数目。 将游荡段进一步分为花园口以上河段、花园口—夹河滩河段和夹河滩—高村河段，图5 给出了这3 个分河段洲滩数目的变化过程。 据统计，1986—1999 年3 个分河段多年平均洲滩数目分别为63 个、31 个和11 个，2000—2018 年3 个分河段多年平均洲滩数目分别为73 个、44 个和23 个。 总体来看，花园口以上河段在研究时段内洲滩数目最多，花园口—夹河滩河段次之，夹河滩—高村河段最少，3 个分河段洲滩数目的变化趋势与整个游荡段基本相同，小浪底水库运行后3 个分河段的洲滩数目都有所增加。

图5 1986—2018 年游荡段及各分河段洲滩数目变化过程

游荡段各洲滩大小变化较大，为探究不同大小洲滩数目的变化情况，根据洲滩面积将所有洲滩分为小、中、大和超大4 种类型，分别用T1、T2、T3 和T4 表示。其中T1 型为面积小于0.25 km2的洲滩，面积在0.25～0.55 km2之间的为T2 型洲滩，面积在0.55 ～2.00 km2之间的为T3 型洲滩，T4 型则为面积大于2.00 km2的洲滩。 统计小浪底水库运行前后不同类型洲滩所占百分比，见表1。 小浪底水库运行后，小型洲滩的占比由46%提高到58%，中型洲滩所占比重略有下降，大型和超大型洲滩所占比重各下降了5%。 由此可见，小浪底水库运行后，游荡段小型洲滩数目大大增加，这主要受同流量水位迅速降低影响，同时游荡段河床发生剧烈冲刷，大型和超大型洲滩也因剧烈冲刷而有所减少。

表1 黄河下游游荡段不同类型洲滩占比

3.2 洲滩面积的变化特点

洲滩面积可以直观反映洲滩的大小，是研究洲滩演变特点的重要指标之一。 图6 给出了1986—2018年游荡段及各分河段洲滩总面积的变化过程。 小浪底水库运行前，1986—1990 年游荡段洲滩总面积较大，均在100 km2以上，其中1986 年洲滩总面积最大，约为209 km2；1991—1999 年游荡段洲滩总面积总体变化不大，在36～53 km2范围内波动。 小浪底水库运行后，2000—2003 年游荡段洲滩总面积持续增加到72 km2，2004 年和2005 年游荡段洲滩总面积减少为16 km2和24 km2，之后又有所增加，2006—2018 年洲滩总面积总体变化不大，在57～81 km2范围内波动。 据统计，小浪底水库运行前游荡段多年平均洲滩总面积为81 km2，而小浪底水库运行后多年平均洲滩总面积减小到62 km2。 从3 个分河段来看，各河段洲滩总面积的变化趋势与游荡段基本一致，其中花园口以上河段多年平均洲滩总面积最大，花园口—夹河滩河段次之，夹河滩—高村河段最小。

图6 1986—2018 年游荡段及各分河段洲滩总面积变化过程

根据洲滩大小的分类，分别统计1986—2018 年游荡段小、中、大和超大型洲滩的面积，并计算小浪底水库运行前和运行后4 种类型洲滩的多年平均洲滩面积。 图7 对比了不同时期T1、T2、T3 和T4 型洲滩面积的变化，从图中可以看出，小浪底水库运行后小型洲滩多年平均洲滩面积有所增加，由5.6 km2增加到8.0 km2。 对于中型和大型洲滩，水库运行后多年平均洲滩面积变化不大，分别在9 km2和24 km2左右。 对于超大型洲滩，小浪底水库运行后其多年平均洲滩面积大大减小，由43 km2减小到19 km2。 由此可见，小浪底水库的运行对小型洲滩和超大型洲滩面积的影响最大，造成小型洲滩面积增加和超大型洲滩面积减小，这说明游荡段洲滩总面积减小的主要原因是超大型洲滩面积的减小。

图7 小浪底水库运行前后各类型洲滩面积

3.3 洲滩形状的变化特点

为了探究近33 a 游荡段洲滩形状的变化特点，计算1986—2018 年游荡段所有洲滩形态指数的平均值，如图8 所示。 从图8 可以看出，小浪底水库运行前，1991 年游荡段洲滩形态指数最小，约为2.20，这说明该年洲滩形态总体最趋向于宽短；1998 年洲滩形态指数最大，约为2.56，说明该年洲滩形态总体最趋向于细长。 小浪底水库运行后，前4 a 的洲滩形态指数较大，其中2001 年最大，约为2.60，而后形态指数呈减小趋势，2017 年洲滩形态指数为2.20，这说明小浪底水库运行后洲滩形态先趋向于细长，而后逐渐变得宽短。从两个时期的多年平均形态指数来看，小浪底水库运行前多年平均形态指数约为2.31，而小浪底水库运行后多年平均形态指数约为2.38，水库运行后游荡段洲滩形态更细长。

图8 1986—2018 年游荡段洲滩形态指数变化

表2 给出了小浪底水库运行前后3 个分河段形态指数的最大、最小和平均值。 对比两个时期，花园口以上河段多年平均洲滩形态指数由小浪底水库运行前的2.25 减小到小浪底水库运行后的2.18，洲滩总体更趋向于宽短，而花园口—夹河滩和夹河滩—高村河段多年平均洲滩形态指数均略有增大，这两个河段洲滩总体更趋向于细长。 从各分河段来看，不管是小浪底水库运行前还是运行后，夹河滩—高村河段洲滩形态指数最大，花园口—夹河滩河段次之，花园口以上河段最小，这说明夹河滩—高村河段洲滩形态更趋向于细长，花园口以上河段洲滩形态更趋向于宽短。 而且，花园口以上河段在这两个时期内洲滩形态指数波动范围最小，夹河滩—高村河段在这两个时期内洲滩形态指数波动范围较大，最大形态指数都在3.70 及以上。

表2 小浪底水库运行前后3 个分河段形态指数

4 结 论

基于1986—2018 年遥感影像资料，统计了黄河下游游荡段洲滩数目、面积和形态指数，分析了近33 a游荡段洲滩的演变特点，得到的主要结论如下。

（1）游荡段多年平均洲滩数目由小浪底水库运行前的105 个增加到水库运行后的140 个，其中小型洲滩数目增加最多，大型和超大型洲滩数目有所减少。游荡段多年平均洲滩总面积由小浪底水库运行前的81 km2减小到小浪底水库运行后的62 km2，面积减小的主要原因是超大型洲滩面积的大幅减小。 近33 a洲滩形态总体变化不大，形态指数在2.20 ～2.60 之间变化，水库运行后游荡段洲滩形态更细长。

（2）从各分河段来看，3 个河段洲滩数目和面积的变化趋势与游荡段基本一致，其中近33 a 花园口以上河段洲滩数目最多、面积最大，夹河滩—高村河段数目最少、面积最小。 花园口以上河段洲滩形态更趋向于宽短，夹河滩—高村河段洲滩形态更趋向于细长。