基于长时间序列遥感影像的黄河清水沟流路变化监测

2023-12-27邱泽灏

海岸工程 2023年4期

邱泽灏，卢霞

（1. 江苏海洋大学海洋技术与测绘学院, 江苏连云港 222005；2. 苏州科技大学地理科学与测绘工程学院, 江苏苏州 215009）

黄河由于其水少沙多、水沙关系不协调等特点，下游冲淤演变剧烈，导致入海流路改道频繁。自1855 年黄河在铜瓦厢决口、夺大清河由山东利津注入渤海，至如今改道清水沟北汊流路期间，共发生了12 次较大的改道事件。黄河入海流路的变动直接影响着三角洲的冲淤演变过程（陈雄波等，2019），因此研究清水沟流路变化对黄河三角洲治理具有重要的参考价值。黄河入海流路与三角洲的演变也是众多学者关注的热点问题，周静（2005）根据河势图、水沙资料、断面资料，分析了20世纪70 年代至2002 年黄河下游河床冲淤演变的基本规律。张诗媛（2019）建立了数学模型，结合水沙资料和实测地形数据等研究了黄河下游河道河床演变过程。刘晓芳等（2020）对河道淤积总量、断面冲淤过程、水沙变化、流路变化进行相关性分析，探究了影响河口冲淤演变的主要因素。然而，现有对于清水沟流路变化的研究大多是基于分析水沙条件、平面河势、河口河段纵剖面、横断面等变化，少有通过长时间序列遥感数据进行的研究。

传统研究中的数据多来源于黄河水文站的资料数据，以及历史研究文献中记载的实测数据。这些数据的收集或获取较为困难，其连续性难以保证，且分析计算方法较为复杂。此外，由于这些数据本身性质的局限性，它们无法简单明了地展现出流路的整体变化。卫星遥感技术因其具有长期连续、全球覆盖及时效性强等特点，成为人类进行长期对地监测研究的最为有效工具之一，它为各类研究提供了长时间序列遥感数据，发挥了不可替代的作用。近年来，卫星遥感影像在环境污染监测（杨一鹏等, 2011）灾害预测（胡德勇等, 2007）、土地利用动态变化（史培军等, 2000）等诸多方面得到了广泛应用。利用长时间序列的遥感影像，可从图像角度更为直观地呈现出清水沟流路的演变规律。

本文利用1976 年至2019 年间的Landsat MSS/TM/ETM+/OLI 影像作为数据源，采用改进的归一化差异水体指数MNDWI（Modified Normalized Difference Water Index）与最大类间方差法Otsu 相结合的算法，提取现代黄河三角洲范围内清水沟流路的河道信息，并基于空间叠加分析其演变规律，从而为黄河三角洲区域的科学治理提供依据。

1 研究区概况

现代黄河三角洲是指1934 年至今黄河分流点下移，开始形成的以渔洼为顶点的三角洲，北起挑河湾，南至宋春荣沟口（陈建等, 2011）。本文关注的是黄河1976 年改道后的清水沟流路，位于现代黄河三角洲东部，东营市境内，目前已行水40 余年（图1）。清水沟流路是原神仙沟流路汊河故道与原甜水沟流路故道之间的洼地（赵连军, 2005）。1976 年黄河截堵刁口河，改道清水沟流路，泥沙在入海口淤积，使得河口不断淤进，并于1996 年改道至现行河道，行水至今。

图1 黄河清水沟流路Fig. 1 The Qingshuigou channel of the Yellow River

2 数据来源及处理

2.1 数据来源

遥感影像来源于美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS），通过GEE（Google Earth Engine）平台（https://code.earthengine.google.com/）获取了1976 年至2019 年期间的Landsat 卫星遥感数据，共40 期影像。其中，1976 年至1984 年选用区域含云量小于5%的Landsat 2-5 MSS 卫星影像，1984 年至2019 年则选用经过了辐射校正、几何校正、大气校正和图像裁剪等预处理的Landsat 5 TM、 Landsat 7 ETM+、Landsat 8 OLI 表面反射率数据（表1），影像分辨率均为30 m，时间分辨率为16 d。为避免Landsat 7 卫星的条带干扰，尽量选择同时间段Landsat 5、8 卫星影像数据进行替代，对于Landsat 5、8 缺失的年份（2012 年至2013 年）运用焦点统计方法填补Landsat 7 条带。利用Landsat 质量评估波段(The Quality Assessment Band)对影像进行去云处理，筛选云量小于5%的影像，得到年际影像。考虑到遥感影像获取的时间间隔影响，影像选择尽量集中在2 月至5 月、8 月至11 月，以保证研究严谨性。

表1 研究所用遥感数据列表Table 1 List of remote sensing data required for the study

2.2 数据处理

阈值分割法是常见的水体提取方法。基于以往研究发现，在多波段增强图阈值法中改进后的归一化水体指数MNDWI 对提取黄河河道水体信息的效果最优（刘玉斌, 2017）。故本研究采用MNDWI指数提取清水沟河道信息，其计算式为：

式中：RGreen为绿光波段的反射率；RMIR为中红外波段（Middle Infra-Red, MIR）的反射率（徐涵秋,2005）。

确定水体指数阈值对于精确提取河道水体信息至关重要，通过直方图确定最佳阈值的方法对于长时间序列研究较为复杂也不易操作。基于GEE 平台编程的便利性，本文采用最大类间方差法确定水体阈值并对图像进行二值化处理，从而提取水体。

最大类间方差法是由日本学者Otsu 于1979 年提出的一种最优阈值自动选择方法，简称Otsu 法（Otsu, 1979）。它通过对影像的0～255 所有灰度值进行遍历，以每个灰度值为界限，将原始影像分为背景、目标两部分，求出这两部分的方差最大值所对应的灰度值，即为影像的分割阈值。多次实验表明：对于本研究区域，应用Otsu 算法明显优于一般水体阈值提取方法，故采用Otsu 算法确定水体阈值。

3 1976 年以来黄河清水沟流路信息提取和演变规律分析

3.1 1976 年以来黄河清水沟流路信息提取

本研究将MNDWI 指数和Otsu 算法相结合解译影像中的水体，得到1988 年至2019 年黄河清水沟流路逐年流路信息。1976 年至1987 年则采用目视解译法对遥感影像进行分析。以1989 年3 月9日的Landsat 5 TM 遥感影像为例，利用MNDWI 指数和Otsu 法相结合的算法，提取的水体信息细节丰富，准确度高（图2）。

图2 遥感影像处理Fig. 2 Processing of the remote sensing images

图3 为基于上述算法提取得到的1988 年至2019 年清水沟流路信息，并补充了部分黄河水利委员会布设的固定观测断面。黄河水利委员会在清水沟流路布设了19 个固定观测断面，于每年10 月份进行观测以获取地质资料。由图3 可以看出，1988 年以来清水沟流路演变大致可分为3 股：1996年改道以前行水河道、1996 年至2007 年期间河道和2007 年以后河道。1988 年至1996 年期间，清10 断面以上河道无较大变化，清10 以下河道摆动频繁。1996 年至2019 年期间，汊3 以上河道无较大变化，汊3 以下河道摆动频繁。改道点附近河弯自然发育，入海口附近流路变化呈扇形分布，整体呈淤进状态。

图3 1988 年以来清水沟流路变迁Fig. 3 Changes of the Qingshuigou channel since 1988

3.2 1976 年以来黄河清水沟流路演变阶段划分

根据基于上述算法提取得到的流路信息（图3）以及遥感影像的目视解译结果（图4），综合考虑人为干预事件、流路发育特征等因素，可以将黄河清水沟流路演变过程划分为5 个阶段（表2 和图5）。

表2 1976 年至2019 年黄河清水沟流路演变阶段划分Table 2 Divisions of evolution stages of the Qingshuigou channel of the Yellow River from 1976 to 2019

图4 1976 年至1988 年清水沟流路变迁卫星影像Fig. 4 Satellite images of the changes of the Qingshuigou channel from 1976 to 1988

图5 清水沟流路演变阶段Fig. 5 Evolution stages of the Qingshuigou channel

3.2.1 第1 阶段（1976 年至1988 年）

1976 年5 月27 日黄河经人工规划，在西河口引河改道至清水沟流路。清水沟流路发育初期水流散漫，本文选取的算法的提取结果难以展现出完整的流路信息，故采用目视解译方法进行分析（图4）。由图4 可见，改道初期，改道点以下漫流入海，水流散乱，没有形成明显的河道主槽。直至1979 年底河道主槽才逐渐显现，入海口附近仍呈漫流入海的形势，1981 年演变为几股水流入海的形势，直至1987 年底才形成单一的入海流路。河道在南北方向上剧烈摆动，河口最大摆动达28.8 km（赵连军, 2005）。河槽迅速向东淤进，平均每年延伸约4.44 km。

3.2.2 第2 阶段（1988 年至1996 年）

基于文中所述算法，提取得到1988 年至2019 年的流路信息。1988 年至1996 年期间流路变迁如图6 所示。可以看出，在此阶段河道单一顺直，呈单股入海的形势，清10 以上河道无明显摆动，清10 以下河道在NW—SE 向出汊摆动，入海口附近摆动幅度较大，最大摆动为4.9 km。河槽持续推进，此阶段河槽共延伸10.72 km，平均每年延伸约1.34 km，延伸速度较上阶段明显减缓，这与余欣等（2016）的研究基本一致。此外，在这一阶段东营市政府对于稳定清水沟流路的治理工程取得了显著成效，共计截堵支流汊沟80 多条，修建导流堤53 km，对流路发育产生了不可忽视的影响。

图6 1988 年至1996 年清水沟流路变迁Fig. 6 Changes of the Qingshuigou channel from 1988 to 1996

3.2.3 第3 阶段（1996 年至2007 年）

1996 年至2007 年期间的流路变迁如图7 所示，1996 年黄河在清8 断面以上1 050 m 处作引河人工出汊，将原清水沟河道改道至现今清8 汊河流路，入海流程缩短了16.6 km。汊河流路单一顺直，仅在河口口门附近存在2～3 条汊流，汊3 以上河道稳定，汊3 以下河道摆动幅度较小，长度无较大变化，整体呈淤进状态。这主要是由于清8 汊河经由人工规划拟用于淤海造陆，加之河口治理工程的实施，河道摆动受导流堤等影响，汊流也被限制发育，2004 年6 月调水调沙期间，河道在清8北3 以下自然向东摆动，约2.9 km，将此阶段流路分为2 个部分，遵循相同规律。

图7 1996 年至2007 年清水沟流路变迁Fig. 7 Changes of the Qingshuigou channel from 1996 to 2007

3.2.4 第4 阶段（2007 年至2011 年）

2007 年黄河在清8 北3 断面附近向西北方向自然出汊（图8），出汊位置较2004 年摆动位置上提了2.5 km，2008 年舍弃原主河道。河道长度无较大变化，最大变化不超过0.2 km。河道继而向东北方向弯曲约30°。2011 年黄河在清+8 与清8 北2 之间裁弯取直，河长缩短了约0.6 km。

图8 2007 年至2011 年清水沟流路变迁Fig. 8 Changes of the Qingshuigou channel from 2007 to 2011

3.2.5 第5 阶段（2011 年至2019 年）

如图9 所示，2011 年裁弯取直后，河道自由摆动幅度较小，在0.4 km 以内。河道淤进较缓，平均每年延伸约0.96 km。2013 年河道又向东北方向出汊，形成北、东两股入海。2 股河槽持续推进，北股延伸约4.29 km，南股延伸约3.39 km。

图9 2011 年至2019 年清水沟流路变迁Fig. 9 Changes of the Qingshuigou channel from 2011 to 2019

根据遥感影像解译结果显示，黄河清水沟流路经历了“游荡散乱—归股并汊—单一顺直—出汊—出汊点上移—重新改道”的周期性演变过程。1976 年至1988 年阶段是典型的“游荡散乱—归股并汊”时期，水流散漫，汊流极度发育，流路淤进速度很快，从漫流入海到多股入海，最终形成单一的入海流路。1988 年至1996 年河道单一顺直，流路淤进速度减缓，清10 以下流路摆动幅度较大，并于1996 年出汊改道至现行河道。然而，1996 年改道初期因人工引流，修筑导流堤等人为控制，河道并未经历“游荡散乱—归股并汊”的过程，此后河道单一顺直，汊3 以下流路摆动幅度较小。2004年和2007 年的出汊事件则是典型的出汊点上移情况，2007 年出汊位置较2004 年上移了2.5 km。于守兵等（2020）研究发现黄河自然出汊点上移至高潮线以上时易发生重大改道，这与本文的研究结果相一致，出汊点上移是周期性演变过程的一部分，必将导致新的改道事件。

清水沟流路自启用以来，开展了一系列治理工程。由图4、图6～图9 可以看出，清水沟流路第1、2 阶段处于治理前期，表现出很强的自然发育特征；而在第3、4、5 阶段，由于前期治理工程基本完工，后续治理工程持续进行，清8 汊河流路并未经历“游荡散乱—归股并汊”的过程，河道出汊摆动频率、幅度明显减小，预计行河年限增长，打破了以往“三年两决口，百年一改道”的历史规律。

由此看来，黄河清水沟流路演变的主要特征是以人为控制为主导并伴随着前沿河段自然摆动的演变过程。