窦 明，乔若辉，郑 钊，李 涛，霍光杰，李桂秋
（1. 郑州大学水利科学与工程学院，河南 郑州 450001；
2. 郑州大学生态与环境学院，河南 郑州 450001；
3. 河南黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450000；
4. 河南省自然资源监测和国土整治院，河南 郑州 450016）
黄河水少沙多，中游水土流失引发大量泥沙向下游堆积给下游造成严重威胁，尤其下游河南段以游荡型河段为主，冲刷淤积力度大，主槽摆动频繁，“二级悬河”发育显著［1］。随着20世纪50 年代以来，黄土高原地区开展各项水土保持工作，有效阻控了泥沙进入黄河也使得黄河下游来水来沙状况发生了显著的变化［2］，如花园口水文站年均径流量由20 世纪70 年代的449.81 亿m3，减少至本世纪的267.55 亿m3，减少幅度达到40.6%，而同期年均输沙量由11.95 亿t 减至0.98 亿t，减少幅度高达91.2%。由于水沙变化对河道冲淤、河床变形等具有强烈影响，因此许多学者对黄河下游河道演变从诸多方面进行了研究，夏军强等［3］提出利用遥感影像、实测断面资料等方法来定量计算黄河下游河床横向摆动宽度及强度；
闫超德等［4］基于卫星影像提取郑州段多时相水体信息，对河流水面面积及长度变化、河流摆动以及河流重叠度变化等进行了分析；
王彦君等［5］基于黄河下游水沙和沿程实测大断面数据等资料，统计分析了小浪底水库运行前后下游主槽断面形态参数的调整过程。以上学者的研究集中于对游荡段整体摆动情况参数的分析或仅对游荡段其中一小部分进行分析，对根据游荡段各区域不同特点进行分区域系统详细研究较少。基于此，本文采用Landsat卫星影像，并基于MNDVI水体指数对黄河游荡段30 a水体的河道边界信息进行提取，通过划分不同河段和区域计算不同时期河道主槽形态参数、河道摆动面积、摆动方向、迁移距离等指标，分析游荡段河道摆动的变化特征。
黄河下游游荡型河段位于黄河河南段孟津小浪底水文站至高村，处于半湿润季风气候区，地势自西向东，海拔逐渐降低，分为山地、丘陵、平原等三大类型。该河段长约300 km，两岸堤距约为5～15 km，最宽处约20 km，河槽宽约为1～3.5 km。其中小浪底水文站至京广铁桥段河长约100 km，左右岸分别有沁河伊洛河汇入，水流多有高岸峡谷约束。京广铁桥至东坝头河段河长130 km，两岸大堤密布河槽宽浅，河势散乱是下游河流摆动以及防洪的重点河段。东坝头至高村河段河长约70 km，该河段两岸滩唇高，河床抬高是“二级悬河”典型发育河段。
1.1 数据获取
通过中国科学院“地理空间数据云”（www.gscloud.cn）获得美国陆地资源卫星Landsat 5 TM（1986，1989，1992，1995，1998，2001，2004，2006，2010 年）和Landsat 8 OLI（2013，2017，2019年）12 期多光谱遥感影像为数据源，空间分辨率为30 m（见表1）。河道影像为当年汛期结束后10-12 月的影像，此时河流形态较稳定便于识别主河道，要求云量均小于30%，确保了研究结果的准确性。同时根据1986-2019 年小浪底、花园口、高村3个水文站日径流量、输沙量的连续时间序列数据，计算游荡段径流量和输沙量。
表1 黄河游荡段遥感影像参数Tab.1 Remote sensing image parameters of wandering section of the Yellow River
表2 游荡段各区域河段主槽摆动面积 km2Tab.2 Characteristics of runoff and sediment transport in the Henan reaches of the Yellow River
原始的遥感影像拍摄时会受到大气、水汽、辐射等各种影响，为消减影响首先通过ENVI 5.3 对遥感影像进行数据预处理工作，其步骤依次为几何校正，辐射校正，大气校正。由于游荡河段位于不同图幅，因此预处理过后的遥感影像还需进行裁剪及拼接得到完整的游荡型河段。
利用波段运算的水体提取方法基本可以分为单波段阈值法、多波段谱间关系法、水体指数法，其中水体指数法由于能够减弱遥感影像中的非水体信息并对水体进行提亮。水体指数法中常用的有NDVI、NDWI、MNDVI 等，通过对比MNDVI 在提取河道时效果最佳。MNDVI指数计算公式为:
式中:Green为绿光波段；
SWIR为短红外波段，对应Landsat 5 TM的2、5波段，以及 Landsat 8 OLI的3、6波段。
1.2 河道主槽断面处理
将结合游荡段河道地形特征及水文站所处位置，将研究区划分为4个区域:R1（小浪底—京广铁路）、R2（京广铁路—黑岗口）、R3（黑岗口—东坝头）、R4（东坝头—高村）。其中，R1区域由于紧靠小浪底下游，两岸多有高崖进行约束，水流在前半段经峡谷流动较为湍急，后半段出峡谷后水流变缓，河势散乱；
R2区域两岸均有黄河大堤进行约束，河床宽浅，是下游防洪的重点河段；
R3 区域河床宽浅，主流摆动频繁，槽高、滩低是护岸工程发挥作用的重点河段；
R4 区域低滩多，是由1855 年铜瓦厢决口后由西向东北改道形成的河道，是二级悬河发育的重点河段。同时为更加细致显著研究每个区域的变化，将游荡段河道主槽等距离划分为S1～S20共20个河段（见图1）。
图1 黄河下游游荡段断面示意图Fig.1 Section diagram of Yellow River wandering section
1.3 河道主槽参数计算
河道主槽摆动面积为主槽横向移动变化的面积，将提取的河道水体导入ArcGIS 10.6 中，仅保留通过MNDVI 提取水体的主槽区域，提取河道主槽边界，等距离进行主槽划分，进行计算操 作 得 到1986-1989，1989-1992，1992-1995，1995-1998，1998-2001，2001-2003，2003-2006，2006-2010，2010-2013，2013-2017，2017-2019，1986-2019各河段河道主槽的摆动面积Si，以及各个区域的平均主槽摆动面积和最大主槽摆动面积（其中由于2009 年和2016 年数据缺少，采用相邻年份2010 年和2017年进行代替，下同），具体公式如下所示［6］:
式中:Si为各河段河道主槽的摆动面积为各个区域的平均主槽摆动面积；
Smax为各个区域的最大主槽摆动面积。
河道主槽摆动方向是通过计算各区域主槽向左岸摆动面积SL和向右岸摆动面积SR。河道主槽迁移距离是利用ArcGIS将1986 年和2019 年各河段转化为质点，将质心点之间的方向和距离即为河道主槽迁移的方向距离，质心点向左岸迁移为正，向右岸迁移为负，具体公式如下所示:
式中:Sil为各河段质心点向左岸迁移的距离；
Sir为各河段质心点向右岸迁移的距离为各个区域的质心点向左岸迁移的平均距离为各个区域的质心点向左岸迁移的平均距离。
河道弯曲系数是指河段的实际距离与直线距离的比值。用河道弯曲系数能表示河流整体的弯曲状态，同时也是河弯变化的重要指标［7］，具体公式如下所示:
式中:Ka为河段弯曲系数，该系数值越大，河道越弯曲。河道弯曲系数一般以1.3 为分界线，在小于1.3 时，该河流通常是游荡型河流；
L为河段的实际长度；
I为河段的直线长度。
2.1 河道主槽水面形态参数的时空变化特征
游荡型河段水域面积是其几何形态重要的表现之一，根据遥感影像提取1986-2019 年各区域水面面积变化图如图2 所示。整段来看，游荡段主槽水域面积呈现明显的减少趋势，从1989年最高的347 km2下降到2001年最低的107 km2，之后震荡呈一定的上升趋势，整个时间段减少了7.73%。4 个河段水域面积的变化趋势与整体变化趋势基本一致，均在1989 年达到峰值。
图2 黄河游荡段水域面积变化图Fig.2 Variation of water area in the wandering section of the Yellow River
具体分析不同时期水面面积的变化情况，将其变化划分为两个阶段:①在1986-2001年阶段，游荡段主槽水面面积先增大后减少，增加的原因是下游径流1986 年径流量仅为291.9 亿m3处于枯水年，而1989 年径流量为425.6 亿m3处于丰水年，使得主槽水域增加并在在1989年达到峰值，通过该段时间遥感影像可知，1986-1989 时期R1 和R2 出现大量河心洲的消失，导致水域面积增加，从图2 中也可以明显看出R1 和R2 水域面积增加最为显著，从55 km2和36 km2增长到120 km2和108 km2。随着90 年代以来，上游来沙量增大，导致河道淤积，主槽逐渐萎缩，使得水域在2001 年达到波谷。同时在1989-2001 时间段内R1和R2 均有大量江心洲出现并且伴随着主槽严重萎缩，R3 和R4则主要是主河槽萎缩。②在2001-2019 年阶段，随着小浪底水库的建成拦蓄泥沙以及调水调沙的进行，冲刷下游主河槽，使得水域面积逐渐增加，其中水域面积变化最为显著的是R1，大量江心洲消失，水域面积从38 km2增长到56 km2，增长了73.7%，远超整个游荡段主槽面积44.9%的增加。
同样，通过遥感影像提取1986-2019 年游荡段及各区域弯曲度变化如图3 所示。由图3 中可见，游荡段整体弯曲度呈现增长的趋势，从1986 年1.35 下降到1989 年的1.31，随之上升在2001 达到峰值1.49，并在此之后呈现震荡趋势，整个时间段增长了11.03%。4个河段弯曲度的变化中R1和R4趋势与整体变化趋势基本一致，在2001 年达到峰值后开始在一定范围内震荡，而R2 和R3 在2006 年前与其他段变化保持一致，而在之后震荡上升分别在2017年和2019年达到峰值。
图3 黄河游荡段弯曲度变化图Fig.3 Curves of the wandering section of the Yellow River
具体分析不同时期弯曲度的变化情况，将其变化划分为1986-2001 和2001-2019 两个阶段:①在1986-2001 年阶段，游荡段主槽弯曲度先减少后增大，与水面面积的变化呈现出相反的特性，减少的原因是水域增加时，河道变得顺着，其弯曲度也随之减少。随着90年代以来，上游来水量减少，大流量降低，根据河湾半径大小与流量大小呈正比的关系［8］可知，当流量减少时河湾半径减少，从而致使河道弯曲度增加。从弯曲度的变化可知，该时间段内大部分区域的弯曲度均大于1.3，表明了随着流量减少，游荡河段向弯曲河段演变。②在2001-2019年阶段，随着调水调沙的进行，水流冲刷下游主河槽，流量增加，使得R1和R4 弯曲逐渐下降后震荡，而R2 弯曲度缓慢上升，R3 以及整个河段弯曲度则持续震荡。从弯曲度的变化可以看出，虽然流量有所增加，但对于整个河段主槽弯曲度的影响较为有限。
2.2 河道主槽摆动的时空变化特征
通过遥感影像提取1986-2019年游荡段及各区域最大摆动面积及平均摆动面积，其年际变化如图4 所示。由图4 可以看出，主槽最大摆动面积和平均摆动面积趋势基本相同，均呈现先下降再震荡的趋势；
与1986-1989 年相比，2017-2019 年R1～R4 区域主槽最大摆动面积分别下降65.5%，73.84%，75.56%，79.44%，主槽平均摆动面积分别下降53.37%，70.21%，70.93%，64.59%。
图4 游荡段各区域主槽不同时期最大摆动面积及平均摆动面积变化图Fig.4 Variation of the maximum and average swing area of the main trough in different periods in each region of the wandering section
从各区域对比来看，各区域的最大摆动面积能反映该区域摆动极值，在最大摆动面积的11 个时间段中R2 区域是最大摆动面积的次数出现了7 次，占据首位，其余R1、R3、R4 区域是最大摆动面积的次数分别出现了2 次、1 次、0 次。各区域的平均摆动面积能反映该区域整体摆动状态，在平均摆动面积的11个时间段中R2 是平均摆动面积最大的次数出现了8 次，占据首位，其余R1、R3、R4 是最大摆动面积的次数分别出现了1 次、1次、0 次。区域的最大摆动面积与平均摆动面积具有很强的关联性，基本其最大摆动面积大的区域其平均摆动面积也大。
具体分析一些时间段区域的摆动变化，在1986-1992 年的时段中，由上文可知1989 年水面面积最大，因此在1986-1989年时间段R1、R2、R4 的变化基本就是在1986 年原有河道面积基础上扩展，河道摆动根据遥感影像图发现其只在R3 区域内出现较为明显的改道，而同样的在1989-1992 时段中R3、R4 段的变化大部分是在1989 年原有河道主槽面积基础上缩窄，在R1、R2 出现较为明显的改道迹象；
在1998-2001 年的时段处于小浪底建设期间，1997 年年底开始截流，到2001 年底建设完成，因此相比于1998 年，2001 年R1、R2 区域出现了极度的河道主槽萎缩同时伴随着大量河心洲的出现致使河道主槽摆动面积的变化十分微弱，而R3、R4区域在河道向北变道处出现明显的改道，致使其摆动面积加剧。在2001-2019年时间段中，2002年小浪底水库开始进行调水调沙，冲刷下游主河槽，水流的冲刷致使R1、R2、R3区域内主槽面积摆动增大，而R4区域的摆动较微弱。
游荡型河段1986-2019年各区域整体向左岸和右岸摆动的总面积见表1。向左岸摆动的总面积为59.9 km2，向右岸摆动的总面积为53.3 km2，可以看出，R1 和R4 段向左岸右岸摆动的面积大致相等，而R2 段主要向左岸摆动，R3 段主要向右岸摆动，游荡段整体有略微向左岸摆动的趋势。
图5 显示了各河段迁移的距离，河段主槽迁移距离与主槽摆动方向面积具有很强的关联性，其中正值代表向左岸迁移，即在R1、R2、R3 区域代表向北迁移，在R4 区域代表向西迁移；
负值代表向右岸迁移，即在R1、R2、R3 区域代表向南迁移，在R4 区域代表向东迁移。具体分析不同区域的迁移方向与距离得到:R1 区域3 个河段向北迁移，3 个河段向南迁移，向北平均迁移距离784 m，向南平均迁移距离823 m，整体略微向南迁移；
R2 区域7 个河段均向北迁移，整体向北迁移显著；
R3 区域2 个河段向北迁移，3 个河段向南迁移，整体向南迁移；
R4 区域2 个河段向西迁移，2个河段向东迁移，向西平均迁移距离456 m，向东平均迁移距离446 m，整体略微向西迁移［9］。R1、R3 和R4 区域之所以南北迁移距离变化不大，是由于其河道两岸大部分地区为平原耕地，对水流迁移的限制不大，而R2 区域之所以向北迁移，是由于该河段南靠邙山山脉，由于地形影响，该区域主槽往南基本不偏移，水流主要向北方迁移。
图5 1986-2019年黄河游荡段主槽迁移距离Fig.5 Migration distance of the main channel in the wandering section of the Yellow River from 1986 to 2019
2.3 河道主槽摆动的沿程分布特征
根据遥感影像图近30 年游荡段各区域沿程河道摆动面积变化特征见图6，1986-2019 年河段摆动主要集中在R1、R2、R3区域，R4区域整体摆动幅度较小。在R1中，摆动最为明显的是S3 和S6 河段，出现明显的河道迁移改道，而在其余河段出现了略微河道迁移，同时河道分叉减弱，河心洲基本消失；
R2 中，该区域河道整体摆动显著，S9 和S12 河道整体向北迁移，同时伴随着河道弯曲增大，河心洲消失与前文R2 弯曲度的变化相一致；
R3中，该区域河道整体弯曲变化显著，河道整体出现了明显的向南迁移，1986 年河道较为顺直，而2019 年S12 和S13 以1986 年为中线向南北摆动，区域后半段S14、S15 和S16 前半段的大部分区域向南迁移，河道出现明显改道；
R4中，位于中间河段的S18、S19 以及S16 后半段变化不明显，而S17 和S20 变化则较为剧烈，河段由于原先的顺着转为弯曲。因此根据1986-2019 遥感影像图可知，在游荡段河道的剧烈摆动主要发生在R1区域的S3、S6、R2区域后半段S9、S10、S11河段、R3整个区域以及R4的S17河段，也是河道稳定护岸工程发挥作用的重点地区，同时随着时间变化河道分叉减弱，河心洲基本消失，河道由顺直向弯曲转变。
图6 1986-2019年黄河游荡段河道遥感影像图Fig.6 Remote sensing images of the wandering section of the Yellow River from 1986 to 2019
1999年后小浪底水库建成，根据遥感影像图河道的摆动呈现向稳定状态发展，在此仅分析2017-2019 年河道摆动情况。根据图7 可知，与前文1986-2019 整体遥感图相比，2017-2019年河道摆动明显小很多；
在R1 中，河道整体摆动变化不大，每段仅有部分区域发生了摆动；
R2 中，该区域摆动较为显著的是后半区域，S11 和S12 前半段河道整体向右迁移；
R3 中，该区域河道整体变化也很微弱，仅S15 河段整体出现了微弱的向北迁移，其余河段几乎无变化；
R4 区域整体几乎无变化。因此说明目前游荡段河道整体目前保持着较为稳定的状态，仅S11 和S12 前半段河道出现较为明显的迁移。因此自从1999 年后小浪底水库建成，伴随着人类活动对河道摆动的控制，游荡段河道摆动已逐步向稳定状态发展，最接近现在的2017-2019 年游荡段的河道摆动已经处于较为稳定的状态，也可以预测到未来游荡段的河道摆动将持续处于较稳定的状态。
图7 2017-2019年黄河游荡段河道遥感影像图Fig.7 Remote sensing images of the wandering section of the Yellow River from 2017 to 2019
河道主槽演变是通过含沙水流与河床直接接触相互作用，在这个过程中来水来沙和河床构成以及控导工程对主槽摆动起着主要作用。
根据1986-2019 年小浪底水文站日径流量、输沙量的连续时间序列数据，计算小浪底运行前后游荡段径流量和输沙量变化［10］。图8 为1986-2019 年小浪底水沙的逐年变化，也是进入游荡段的来水来沙。从图8 可知，1999 年小浪底水库运用后，进入游荡段水量与水库运用前相比变化几乎可以忽略不计，多年平均来水量为250 亿m3/a，其中汛期水量占全年总水量的52%。从来沙量来看小浪底水库运用后，进入游荡段的沙量大幅减小，该时期多年平均来沙量仅为1.02 亿t，相比小浪底水库运用前减小约86%并且还是由于2018开始加大了输沙了力度，这一时期汛期来沙量占全年的99.8%，游荡段泥沙主要集中在汛期输送。
图8 1986-2019年黄河小浪底站水沙变化Fig.8 Variation of water and sediment at Xiaolangdi Station of the Yellow River from 1986 to 2019
汛期水流属于相对较高含沙水流，其对河道的滩槽冲淤量和强度影响较大，根据上文计算得到了黄河游荡段河道摆动面积与同年的汛期平均流量关系探究摆动面积与来水的关系，如图9。由图9 中可见，径流量与摆动面积无明显直接的关系，除1989 年摆动面积达229 km2，其余年份随着径流量增加，游荡段摆动面积变化不明显。输沙量自1999年小浪底建成后，处于一个极低水平，与摆动面积的关系更小。游荡段的滩岸是通过河道摆动、大水漫滩淤积后形成的，基本属于黏性土体，但其滩岸物质组成较粗，黏性颗粒的含量比较少，因此缺乏抗冲性，也是导致该河段的稳定性较差的原因。在小浪底水库开始进行蓄水拦沙运用阶段的6年间，游荡段冲刷泥沙约6 亿m³，而其中有近一半来自滩岸崩塌。因此黄河下游游荡段河道主槽变化与水流对滩岸土体的冲刷和洪水后的崩坍有关［11］。
图9 黄河游荡段河道摆动面积与汛期平均流量关系Fig.9 Relationship between channel swing area of the wandering section of the Yellow River and average discharge in flood season
此外，为了防止黄河水患，过去几十年间在下游游荡型河段修建了许多控导工程，目的是在防洪、控制主流、控制主槽河势变化、保护滩区村落等发挥重要作用［12］，同样这些控导工程正在分批建设，这里仅根据2019年资料分析河道整治工程对摆动的一个影响作用。从前文可知2017-2019年间河道摆动面积变化不大，仅部分河段出现摆动。根据其分布位置，控导工程多出现在河道的凹凸处或村庄周围，对河流的约束作用明显。2017-2019 年间在控导工程主要分布在R1、R2、R4 区域，河流流向得到了很好的控制，而在其缺乏控导工程的R3 区域中的部分河段S11、S12，河道主槽摆动剧烈。
本文利用1986-2019 年期间共12 期Landsat 卫星影像，并基于mndvi 水体指数对黄河游荡段30a 水体的河道边界信息进行提取，通过计算不同时期河道主槽形态参数、河道摆动面积、最大摆动面积、摆动方向、迁移距离等指标，分析河道摆动的变化特征。得出以下结论:
（1）河道主槽形态参数中游荡段在2001年前主槽水域面积呈现明显的减少趋势、弯曲度呈现增长的趋势，2001 年后主槽水域面积和弯曲度呈震荡态势，河流向弯曲河流转变。
（2）R2区域在同一时间段是出现摆动面积及平均摆动面积最大的区域次数，分别达到7 次和8 次。游荡段区域的最大摆动面积与平均摆动面积具有很强的关联性，基本其最大摆动面积大的区域其平均摆动面积也大。
（3）1986-2019 年左岸摆动的总面积为59.9 km2，向右岸摆动的总面积为53.3 km2，R1和R4段向左岸右岸摆动的面积大致相等，而R2 段主要向左岸摆动，R3 段主要向右岸摆动，游荡段整体有略微向左岸摆动的趋势。
（4）1986-2019 年R1 区域整体略微向南迁移；
R2 区域整体向北迁移显著；
R3 区域整体向南迁移；
R4 区域整体略微向西迁移。