張曉雷，朱 裕，崔振華

（1. 華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450046； 2. 黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003）

0 引 言

黃河下游河道游蕩段一般特指河南孟津至山東東明高村河段，該河段具有河槽斷面寬淺、水流散亂、主流遷徙不定等典型特征［1，2］。20 世紀80 年代以來，受氣候和人類活動的雙重影響，黃河下游河道的來水來沙條件發(fā)生了明顯變化。特別是小浪底水庫運行之后，黃河下游的來流量大部分時間維持在1 000 m3/s 左右，在中小流量作用下河道擺動［3］，威脅灘區(qū)居民的生命財產(chǎn)安全。

對于黃河下游游蕩段的這種不穩(wěn)定的河勢，諸多專家學(xué)者進行了大量研究。例如，張林忠等［4］分析了黃河下游河道畸形河勢的形成條件、發(fā)展過程、持續(xù)時間及易發(fā)河段的演化規(guī)律，并提出了相應(yīng)的整治措施；劉月蘭［5］分析了黃河下游游蕩段整治前后的沖淤特性，結(jié)果表明：整治工程可減少主槽的擺動幅度，壓縮或者消除河槽中的嫩灘；戈向陽等［6］通過分析黃河下游游蕩段非均勻懸沙輸移特點，認為該河段水流含沙量大，河床調(diào)整迅速，并對河道發(fā)展趨勢進行了預(yù)測；潘明強等［7］對黃河下游九堡至韋灘河段2008-2012 年的河勢變化進行了分析，并基于此提出了相應(yīng)的河道整治工程建設(shè)方案；李云駒等［8］基于RS與GIS技術(shù)解析黃河下游遙感資料，并結(jié)合水文資料，分析了主流線、心灘、中水河槽水面寬度等河道特征指標，認為黃河下游游蕩段長度縮短，主流線擺動幅度變小，主流線長度增加、曲率增大，主槽的面積大幅度減小。

上述學(xué)者對黃河下游游蕩段的河勢進行了較為充分的研究，但大多數(shù)學(xué)者主要是采用模型試驗的方法，而李云駒等采用RS與GIS技術(shù)解析Landsat衛(wèi)星遙感影像資料的方法。Landsat 系列衛(wèi)星自1972 年7 月23 日發(fā)射以來，已經(jīng)獲得數(shù)以百萬計的高分辨率影像，為研究全球的地理環(huán)境變化提供了依據(jù)［9］。與傳統(tǒng)的人工查河方式相比，高分辨率衛(wèi)星圖片具有精度高、定位準、跟蹤迅速等技術(shù)優(yōu)勢［10］。李云駒等雖然利用了衛(wèi)星遙感影像但其只研究了中水河槽的水面寬度，并沒有研究汛期洪水河槽的水面寬度?？紤]到近年來黃河水量較豐，有必要對該河段的河勢變化及演變趨勢進一步研究。

1 研究區(qū)域概況

1.1 基本概況

黃河下游游蕩型河段全長299 km，縱比降0.172‰～0.265‰，灘槽高差較小，河道泥沙淤積嚴重，主槽變化頻繁，主槽寬一般在1.5～3.5 km 之間，水流散亂多汊，一般在1～3股［11，12］?；▓@口、夾河灘、高村3個斷面的河道床沙中值粒徑d50在小浪底水庫運行后多年平均分別為0.213、0.125、0.098 mm，岸灘土體絕大部分是黏性土體［13］。該河段河勢演變劇烈，既受上游來水來沙條件的影響，又受人類活動的影響。為解決河勢穩(wěn)定和防洪安全等問題，近年來開展了相關(guān)河道整治工程上延下續(xù)工作，提升了中小流量情況下對河勢的控導(dǎo)能力。黃河下游河段及本次研究河段見圖1。

圖1 黃河下游分段示意Fig.1 Schematic of the lower reaches of the Yellow River

1.2 水文泥沙概況

黃河下游游蕩段的河勢演變主要受河段來水來沙條件、支流匯入、河流邊界條件的影響，其中水沙條件是最為關(guān)鍵的影響因素。小浪底水庫控制流域面積占整個黃河流域面積的92.4%，對進入黃河下游河段的水沙量具有較強的調(diào)節(jié)作用。以小浪底、黑石關(guān)、武陟3 站之和的來水量及來沙量為代表，小浪底水庫運行前（1986-1999 年），黃河下游年均水量為278 億m3，水庫運行后（1999-2015 年）年均水量為256 億m3，減少了7.9%；其運行前后年均輸沙量分別為7.6 和0.88 億t，減少了88.4%。在河道沖淤方面，小浪底水庫運行前下游河道持續(xù)淤積，對下游河勢十分不利；運行之后，由于水庫對泥沙的攔截作用，黃河下游河道持續(xù)沖刷，小浪底水庫對下游河道的塑造起了關(guān)鍵作用［14，15］。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

在地理空間數(shù)據(jù)云（www.gscloud.cn）上，根據(jù)黃河下游游蕩段所處的條帶號、行列號獲取其2001-2020 年Lansat 衛(wèi)星遙感影像資料（Landsat-TM/ETM/OLI 影像），同時為了提高圖片中地物的清晰度，控制選取圖片的云量不超過5%。

2.2 研究方法

基于下載完成的Landsat-TM/ETM/OLI 影像，利用ENVI 軟件提取河道水邊線和水體信息。水體是十分重要的地理信息，有效提取水體信息對于黃河下游游蕩段河勢分析有重要意義。目前遙感成像提取水體的方法有閾值分割法［16］、光譜分類法［17］、水體指數(shù)法［18］。閾值分割法原理是通過設(shè)定不同的特征閾值，把圖像像素點分為若干類。光譜分類法包括監(jiān)督分類與非監(jiān)督分類，最常運用于水體提取的方法是監(jiān)督分類中的最大似然分類法，但容易將河灘錯分為水體。一般水體指數(shù)法是指歸一化水體指數(shù)法［19，20］，方程式為NDWI=（ρGreen-ρNIR）/（ρGreen+ρNIR）。該方法是用遙感影像的特定波段進行歸一化插值處理，原理是水體在綠波段的反射率大于近紅波段［21，22］，利用此特性提取水體信息效果好。但是NDWI 法也有局限性：在水體周圍有很多建筑物時，容易將水體和建筑物混淆［23，24］。徐涵秋［25］在NDWI法的基礎(chǔ)上，對構(gòu)成該指數(shù)的組合波長進行修改，提出了修正歸一化水體指數(shù)（MNDWI）法，方程式為MNDWI=（ρGreen-ρSWIR）/（ρGreen+ρSWIR）。該方法不僅能夠有效防止將建筑用地誤認為水體，導(dǎo)致水體面積擴大的問題［26］；還解決了水體提取中陰影難以消除的問題。本文采用MNDWI 法對研究河段進行水體提取，采用邊緣提取算法對水邊線進行提取。

圖2 給出了采用MNDWI 法提取的2019 年孟津—高村河段的局部河段水體與原地形在Arcgis 中疊置的圖像，可以清楚的看出水體與陸地的邊界線。根據(jù)不同年份提取的水體，均可以在Arcgis 的原地形圖中上疊置，這樣可以對比分析黃河下游近20 a 的河勢變化。同時在單波段的衛(wèi)星遙感影像中，可以清晰地提取心灘所在位置（圖3）。

圖3 單波段衛(wèi)星遙感影像Fig.3 Single-band satellite remote sensing image

3 近20年研究河段河勢演變分析

3.1 汛期河道水面寬度變化

為了便于分析，沿程確定南開儀、神堤、秦廠2、破車莊、孫莊、黑石1、三義寨、雷集、馬廠和高村等10 個河道斷面，具體位置見圖4。鑒于相鄰年份汛期水面寬度變化不明顯，為了便于分析，圖5僅給出了2001、2007、2014和2020年研究河段的汛期主流水邊線。由于選取的4 個年份中，汛期只有8 月份的衛(wèi)星遙感影像云量低于5 %，因此汛期河道水面寬度僅研究了8 月份該河段具有衛(wèi)星遙感影像的日期。表1給出了各分析斷面相應(yīng)年份的汛期水面寬度。

圖4 研究河段典型斷面Fig.4 Study typical sections of the river section

圖5 汛期主流水邊線Fig.5 Mainstream waterline during flood season

由圖5 和表1 分析可知：①2001 年南開儀斷面水面寬度為295 m，三義寨斷面水面寬度為217 m，中間斷面水面寬度均值為212 m，夾河灘以上河段水面寬度基本處于穩(wěn)定；主流流經(jīng)雷集斷面后，河道迅速縮窄，水面寬度由雷集斷面的405 m降到高村斷面的167 m。②2007 年較2001 年全河段河道處于展寬狀態(tài)，三義寨斷面水面寬度更是由217 m 增長到610 m，漲幅181%，原因在于2007 年汛期降雨量大，夾河灘附近流量突破4 000 m3/s，且持續(xù)了15 d，在大流量洪水的持續(xù)側(cè)沖下，河岸崩塌，河道展寬。③2014 年汛期洪水流量較2007 年減小，流量均值為2 310 m3/s，河道展寬，但漲幅不大；孫莊斷面具有特殊性，2014 年的水面寬度較2007 年減小，原因在于2014 年該斷面南岸的邊灘與河岸連為一體，導(dǎo)致水面寬度減小。④2020年分析斷面河道水面寬度漲幅較大，孫莊斷面更是由427 m 增加到1 253 m，增加了193 %，原因在于2020 從6 月底開始持續(xù)降雨，小浪底水庫出庫流量峰值達到5 880 m3/s，花園口、夾河灘和高村水文站測出流量均不低于5 000 m3/s。⑤總體來看，2001-2020 河道逐漸展寬，并且隨著水量同增同減，孟津—夾河灘河段河道展寬明顯，夾河灘—高村河段河道寬度變化較為穩(wěn)定；在同一個年份，南開儀斷面至三義寨斷面水面寬度趨近穩(wěn)定，流經(jīng)雷集斷面后水面寬度迅速縮窄。

3.2 汛后主流位置變化

自小浪底水庫運行后，黃河下游的來水來沙量在2001-2020 年總體呈顯著減小趨勢，年徑流量趨于穩(wěn)定，其對于穩(wěn)定黃河下游河槽發(fā)揮了重要作用。但是分析近20 年的衛(wèi)星遙感影像發(fā)現(xiàn)黃河下游游蕩段的主流位置還是會發(fā)生變化。圖6給出了2001、2004、2006、2010、2013、2018、2019 和2020 年提取水體與原地形疊置的圖像。分析可知：

圖6 黃河下游游蕩段河勢變化Fig.6 Changes in river potential in the wandering section of the lower reaches of the Yellow River

（1）汛后河勢2004 年與2001 年相比，主流在金溝控導(dǎo)處北移1.6 km（局部放大圖見圖7），在駕部控導(dǎo)處東移1.2 km 使駕部控導(dǎo)脫河；桃花峪-黑崗口段河勢基本穩(wěn)定，柳園口附近主流南移1 km，徐莊村附近下挫1.2 km；主流流經(jīng)夾河灘附近主流位置開始來回擺動，先是北移使夾河灘護灘工程逐漸脫河，后南移貼近東壩頭控導(dǎo)工程，東壩頭-高村段河勢趨于穩(wěn)定。

圖7 金溝控導(dǎo)處河勢變化局部放大圖Fig.7 Local magnification of the change of the river regime at the control guide of the gold gully

（2）汛后河勢2006 年與2010 年相比，孟津—桃花峪河段河勢相對穩(wěn)定，河流流經(jīng)花園口位置開始發(fā)生擺動，先是南移1 km使保合寨險工逐漸靠河，后北移1.5 km使花園口險工逐漸脫河；在趙口險工處南移1.6 km；流至九堡下延附近時，由于慣性，主流在彎曲處持續(xù)沖刷凹岸一側(cè)的河岸，使得凹岸向陸地方向“后退”，凸岸不斷向河流一側(cè)凸出，導(dǎo)致河流的彎曲程度越來越大，進而形成了牛軛湖；在開封黃河大橋的西側(cè)，原來的牛軛湖逐漸消失；開封黃河大橋-高村段趨于穩(wěn)定。

（3）汛后河勢2013 年與2018 年相比，孟津-九堡下延段河勢基本穩(wěn)定，九堡下延-徐莊護灘段主流位置變化不大，但汛期水面寬度明顯變窄；黑崗口和柳園口附近主流分別向東偏移1 km 和1.1 km；主流流經(jīng)歐坦控導(dǎo)工程時下挫，使歐坦控導(dǎo)工程靠河，流經(jīng)夾河灘護灘工程時向北出溜0.6 km；夾河灘-高村段較為穩(wěn)定，但在山東魏寨村向東偏移0.7 km。

（4）2019 和2020 是大水年份，河勢變化較為明顯。汛后河勢2019 年與2020 年相比，主流流至裴峪控導(dǎo)時下挫0.8 km 使工程靠河，在東安控導(dǎo)處主流縮窄；流至花園口上游6 km 分成兩股于花園口匯聚，流經(jīng)馬渡險工時主流下挫0.9 km；在經(jīng)過武莊控導(dǎo)工程時，主流又分成兩股，但由于工程的導(dǎo)流作用，向下游出溜時又匯聚成一股；主流在三官廟控導(dǎo)工程位置處東移0.4 km，使三官廟控導(dǎo)工程靠河；韋灘控導(dǎo)工程在2019 年處于完全脫河狀態(tài)，但在2020 年主流下挫3 km 使工程重新靠河；在經(jīng)過大張莊控導(dǎo)時，主流北移1.3 km；在夾河灘護灘工程下挫0.6 km 后河勢趨于穩(wěn)定?？傮w來說，孟津—夾河灘段河勢變化復(fù)雜，夾河灘—高村段河勢歸于穩(wěn)定。

3.3 汛后心灘數(shù)量變化

黃河下游河道主槽內(nèi)存在大小不一的心灘。圖8給出了采用單波段影像得到的2001-2020 年研究河段汛后的心灘數(shù)量。分析可知：①小浪底水庫運行后，心灘數(shù)量由2001 年的75 個銳減到2007 年的13 個，2007-2015 年數(shù)量逐步增加，2015 年之后水量頗豐，該河段水位增高，心灘數(shù)量又逐步減小。心灘數(shù)量的減少不僅因為水位的增高，導(dǎo)致淹沒，還因為水流的持續(xù)沖刷，導(dǎo)致心灘完全消失?？傮w來看，整個河段的心灘數(shù)量在河道穩(wěn)定的基礎(chǔ)上呈先減少后增加再減少的趨勢。②孟津—夾河灘河段河勢變化復(fù)雜，心灘數(shù)量的變化趨勢與整個河段變化趨勢相一致，也呈先減后增再減的趨勢；夾河灘—高村河段河勢穩(wěn)定，汛后心灘數(shù)量也基本穩(wěn)定，維持在4～16 之間；但在2015年心灘數(shù)量陡增至29個，原因在于2015年汛期流量較小，屬于小水年份，高村水文站測得日均流量僅為2 000 m3/s。

圖8 黃河下游游蕩段心灘數(shù)量變化Fig.8 Changes in the number of mid-channel beaches in the wandering section of Lower Yellow River

同時通過單波段衛(wèi)星影像還可清楚的看出心灘數(shù)量在主流曲率過大或者在主流方向改變的位置發(fā)生變化。圖9 給出了2013 和2019 年夾河灘附近灰度圖。分析可知：2013 年曹崗控導(dǎo)工程和夾河灘護灘工程附近存在個別心灘，由于主流方向發(fā)生改變，這兩處附近的心灘在2019 年消失；在禪房控導(dǎo)工程處，主流流經(jīng)此處曲率過大，2019 年較2013 年衍生出新的心灘。

圖9 夾河灘附近灰度圖Fig.9 Grayscale map near the river beach

4 影響因素分析

4.1 河床組成變化

小浪底水庫運行之后，河床泥沙粒徑發(fā)生了變化，小浪底水庫運行前花園口、夾河灘、高村3個斷面處的河床泥沙中值粒徑d50均在0.095 mm 以下，但其運行后中值粒徑d50均超過0.095 mm，尤其是花園口斷面處達到了0.213 mm，泥沙粗化明顯。

4.2 來水來沙條件

受上中游水土保持減沙和小浪底水庫等控制性樞紐工程蓄水攔沙等因素的共同影響，近年來進入黃河下游游蕩段的泥沙急劇減少，河道沖刷明顯。以小浪底、黑石關(guān)、武陟3 站之和為代表，小浪底水庫運行前，進入黃河下游的年均水量為278億m3，年均來沙量約7.6 億t；其運行后，年均水量為256 億m3，年均來沙量為0.88 億t，年均來沙量顯著減少。由沖淤變化分析可知，小浪底水庫蓄水后，黃河下游游蕩段由持續(xù)淤積變成持續(xù)沖刷，在1999-2015 年，游蕩段沖刷量累計13.38 億m3，達整個下游沖刷量的73%，對游蕩段的河勢演變起關(guān)鍵作用。

同時大洪水對河床的塑造也有一定作用，主要是因為大洪水對河道的沖刷作用強。其對河道演變的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：①大洪水來臨會造成灘岸崩塌；②大洪水對河道的沖刷導(dǎo)致游蕩段河道下切，改變水流流路。

2018-2020 年雨水頗豐，以小浪底水文站的出庫流量為典型代表，2018 年最大出庫流量4 310 m3/s，2019 年最大出庫流量4 970 m3/s，2020 年最大出庫流量5 680 m3/s。這些大水的造床作用顯著，在一定程度上起到了加快近期河道沖刷下切的作用。

4.3 人類活動

黃河下游游蕩段河勢演變很大程度上受到人工修建護灘工程、控導(dǎo)工程的影響。如游蕩段北岸沿岸建有北裹頭護灘、徐莊護灘等護灘工程，南岸有夾河灘護灘等以控制水流流路，對岸線的穩(wěn)定起著重要作用。

另外，控導(dǎo)工程包括雙井控導(dǎo)、武莊控導(dǎo)、毛庵控導(dǎo)及金溝控導(dǎo)等，這些工程的修建使得主流擺幅減小。總之，人類活動對河勢的控制起到了一定積極作用，人工修建護灘工程、控導(dǎo)工程等工程使河勢的穩(wěn)定進一步增強。

5 結(jié) 論

（1）小浪底水庫運行以來，進入黃河下游的水量減小，在中小水作用下，河槽沖刷明顯。由衛(wèi)星遙感影像提取的黃河下游河道水邊線可以看出，在水量減小的情況下，水面寬度總體上卻是逐年增加的，原因在于小浪底水庫改變了進入下游的水沙過程，下游河道由持續(xù)淤積狀態(tài)轉(zhuǎn)而進入持續(xù)沖刷狀態(tài)，持續(xù)的沖刷不僅會導(dǎo)致河道的沖深下切，也會導(dǎo)致橫向展寬。雷集斷面的水面寬度更是從2001 年的405 m 增加到2020 年的1 309 m，增長了223%。主流流經(jīng)雷集斷面后，水面寬度迅速縮窄，這對黃河下游的岸灘治理具有指導(dǎo)作用。

（2）利用MNDWI 法對黃河下游游蕩段進行水體提取，可以有效分析近20 年的主流變化。主流的變化方向一般有3 種規(guī)律：①主流位置不變，原因很大程度上取決于其河底板塊較為穩(wěn)定，不會出現(xiàn)斷層；②主流位置向同一方向移動，岸邊建設(shè)的控導(dǎo)工程對河流的有控制導(dǎo)流的作用，攔河壩的建設(shè)也可限制河流的流向；③主流位置遷徙不定，該變化既受自然演變的影響，也與人類的生產(chǎn)活動有密切關(guān)系。

（3）通過Landsat-TM/ETM/OLI 遙感影像，可以準確看出黃河下游心灘位置，統(tǒng)計出心灘數(shù)量?？傮w上黃河下游游蕩段心灘數(shù)量，2001-2007 年逐年減小，2007-2015 年逐年增多，2015-2021 年逐年減小。2015 年之后，汛期降雨量增多，甚至出現(xiàn)編號洪水，黃河水位增高，心灘減少。在遙感影像上不難看出，在主流曲率過大或主流方向改變的地方，心灘的變化也比順直河道上的大，今后應(yīng)密切關(guān)注河型突變處的心灘變化。