閩江竹岐至淮安河段岸灘形態(tài)演變及整治建筑物影響分析

閩江竹岐至淮安河段岸灘形態(tài)演變及整治建筑物影響分析

海岸的變化和海岸海灘的穩(wěn)定性是港口運(yùn)河工程、河床開發(fā)分析和海岸資源配置的重要課題。近年來,國內(nèi)外采用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對(duì)海岸沖淤動(dòng)態(tài)的研究已步入實(shí)用性階段,Blodget等利用美國地球資源多光譜掃描圖像對(duì)岸線進(jìn)行判別,于永海等利用3S技術(shù)研究海岸線測(cè)量與管理。本次研究以閩江竹岐至淮安河段為例,研究利用遙感技術(shù)獲取岸線數(shù)據(jù)的精度,并在地理信息系統(tǒng)技術(shù)支持下,結(jié)合多年實(shí)測(cè)地形資料、地質(zhì)地貌、水文泥沙、整治工程等信息,對(duì)該河段進(jìn)行岸灘演變分析,預(yù)測(cè)岸灘演變規(guī)律和趨勢(shì),分析整治工程效果。1竹簡(jiǎn)介中粗沙型竹岐至淮安河段長約14km,為丘陵與平原相間的地貌,河床寬窄不一,多洲灘及河汊,河床由中粗沙組成,岸灘多粘土和沙土,抗沖性差,易崩塌。竹岐為雙側(cè)節(jié)點(diǎn),白頭處左岸為單側(cè)節(jié),侯官處右岸為單側(cè)節(jié)點(diǎn)。竹岐至侯官在中枯水期已形成了兩個(gè)彎道,第一個(gè)彎道在竹岐至白頭之間,第二個(gè)彎道在白頭至侯官之間,侯官以下河道順直,至淮安頭上流分為兩汊(見圖1)。2.1資料來源與研究方法目前,適用于岸線遙感的衛(wèi)星影像種類很多,但是,將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際必須考慮性能/價(jià)格比,從研究目的、用途及精度等角度綜合選擇衛(wèi)星遙感資料。就長河段河流岸灘演變分析而言,以往方法主要依靠大范圍的實(shí)測(cè)地形資料,然而大范圍測(cè)量費(fèi)用高,難于取得歷年的資料;既使是進(jìn)行全河段測(cè)量,對(duì)于較長河段而言,所測(cè)資料也不是同一時(shí)間。河流的演變是連續(xù)的、發(fā)展的,對(duì)于游蕩型河流而言,所測(cè)資料時(shí)間上的不一致,給分析研究帶來了不準(zhǔn)確性。陸地衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)在有效面積、波譜范圍、信息量、地學(xué)綜合信息提取能力、分類精度、幾何精度等方面具有較為明顯的優(yōu)勢(shì),能大范圍瞬時(shí)獲取河流信息,能從宏觀上和整體上把握河流演變的趨勢(shì),又因陸地衛(wèi)星資料系列長,便于開展歷史演變分析或者說長時(shí)段演變分析。綜合國內(nèi)外在該研究方面的經(jīng)驗(yàn),考慮到地面分辨率、覆蓋頻率、資料來源、費(fèi)用與效益比等因素后,本次岸灘變化遙感研究選用美國陸地衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)。為了歷史地分析岸灘變化,本次研究收集了竹岐至淮安河段1996～1999年TM影像資料和1990～2002年部分實(shí)測(cè)水下地形資料。表1為閩江所選時(shí)相圖幅成像時(shí)刻水位。2.2圖像構(gòu)建和成像處理為了識(shí)別岸線沖淤變化特征,必須選擇有針對(duì)性的TM波段,以及設(shè)計(jì)合理的圖像處理方案,從而達(dá)到改善視覺判讀效果的目的。為此,我們選用了TM1,TM3、TM4和TM5波段。遙感圖像增強(qiáng)處理重點(diǎn)是空間特征的增強(qiáng)處理,使其盡可能地突出水陸邊界信息。合成的圖像,其色調(diào)與自然色頗為接近,便于圖像的判讀。TM5波段對(duì)水體反射率低,水陸邊界清晰,適于陸地水域判別,地形區(qū)分,描繪水體輪廓。利用TM5波段對(duì)水的光譜衰減最大的特點(diǎn),進(jìn)行水體和非水體二值變換處理,將TM5波段圖像變?yōu)槎祱D,即令水域部分的像元亮度全部變換為零,相應(yīng)陸域的像元全部變?yōu)?,將此二值圖作為水、陸劃分的圖像掩膜。然后將已劃分成水、陸域的兩幅圖像分別進(jìn)行亮度擴(kuò)展,獲得最大可能的動(dòng)態(tài)范圍的反差增強(qiáng)。3遙感方法對(duì)岸線精度的影響利用遙感影像提取岸線能否反映岸灘的實(shí)際變遷,關(guān)鍵在于遙感所得結(jié)果與實(shí)際之間的誤差大小。用GIS軟件分析處理遙感影像,遙感影像地理校正精度可控制在0.3個(gè)像元左右。對(duì)于TM遙感影像上線性地物的提取,其精度可達(dá)1/4像元。但是,利用遙感影像提取岸線的精度不僅受遙感影像校正精度的影響,還受到圖像增強(qiáng)方法及岸線提取方法等諸多因素的影響。遙感方法所獲取的岸線誤差有多大,迄今為止沒有詳細(xì)報(bào)道。由于1998年實(shí)測(cè)岸線成圖水位與遙感成像水位基本相當(dāng)(僅差0.01m,在水深測(cè)量規(guī)范范圍內(nèi)),因此,本次研究利用1998實(shí)測(cè)資料,對(duì)遙感方法獲取的岸線進(jìn)行平面位移誤差分析,選取固定斷面,量算誤差大小。圖1為遙感岸線與實(shí)測(cè)岸線的對(duì)比情況,圖2為固定斷面遙感水邊點(diǎn)與實(shí)測(cè)水邊點(diǎn)的對(duì)比。圖1顯示,1998年遙感岸線與實(shí)測(cè)岸線基本吻合。圖1中斷面1、2、10和11之間形成的小塊區(qū)域是挖沙區(qū)域。取具有一定代表性的20個(gè)固定斷面進(jìn)行量算,得整個(gè)河段岸線位置平均誤差在6m左右,圖2中斷面4左岸遙感水邊點(diǎn)較實(shí)測(cè)左移了5m,右岸基本吻合。斷面7左右岸遙感獲取的水邊點(diǎn)與實(shí)測(cè)點(diǎn)吻合。4開發(fā)與修復(fù)項(xiàng)目的研究4.1實(shí)際岸灘變化為了實(shí)現(xiàn)多種信息的比較,對(duì)岸線遙感信息解譯時(shí)間的有效性和空間有效性,以及遙感信息和非遙感信息復(fù)合的同一化進(jìn)行數(shù)據(jù)可比性處理。為此,對(duì)各時(shí)相遙感解譯圖用ARC/INFO軟件進(jìn)行編輯,轉(zhuǎn)入MAPINFO,建立1996～1999年遙感岸線圖形數(shù)據(jù)庫。為了便于遙感信息與非遙感信息復(fù)合,利用MAPINFO對(duì)實(shí)測(cè)地形圖進(jìn)行數(shù)字化,經(jīng)分幅掃描、矢量化、賦值、編輯、圖幅拼接,建立1990～2002年閩江竹岐至淮安河段實(shí)測(cè)水深數(shù)據(jù)庫。航道水深圖形數(shù)據(jù)和岸線變化圖形數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一投影和座標(biāo)系,以利于圖形配準(zhǔn)、系統(tǒng)集成和綜合比較。在此基礎(chǔ)上,利用GIS豐富的數(shù)據(jù)分析功能,尤其是對(duì)地理數(shù)據(jù)的空間分析功能,進(jìn)行岸線動(dòng)態(tài)變遷和岸灘演變分析。從1990～1992年岸線和洲灘變化看,經(jīng)過1992年大水大沙年(洪峰流量30300m3/s,年平均含沙量0.15kg/m3)沖刷,繪圖水位時(shí)的河道變化大,白頭以上岸線淤長,白頭以下至侯官灘槽變遷幅度大,岸線左淤右沖,侯官以下左岸淤長右岸穩(wěn)定。1992～1996年繪圖水位時(shí)河道岸線展寬,白頭至侯官河段形成了明顯的分汊河型,說明水口電站蓄水減少了上游來沙以及1996年小水少沙年竹岐至淮安河段全線發(fā)生了沖刷。必須考慮水位變動(dòng)的影響。1996年9月實(shí)測(cè)水下地形圖的繪圖水位是5.75m,1998年12月17日遙感成像水位是5.74m,兩個(gè)年份水位相差很小,在水深測(cè)量誤差控制標(biāo)準(zhǔn)內(nèi),因此,兩個(gè)年份水邊線對(duì)比基本能反映實(shí)際岸灘變化情況。圖4為竹岐至淮安河段1996至1998年岸灘變化情況。圖4顯示,受1998年特大洪水(洪峰流量33800m3/s)的影響,竹岐至淮安河段,白頭以上河段河彎調(diào)整,彎頂上移,白頭處沖出了支溝,白頭以下心灘沖刷合并,河段岸灘調(diào)整幅度大,具有游蕩性特點(diǎn),但是,該河段竹岐、白頭、侯官三節(jié)點(diǎn)和淮安分流基本穩(wěn)定。1999～2002年,竹岐至河官河段白頭以上左岸河段修建了防洪大堤,白頭以下(心灘上游)左岸修建了兩座丁壩,相應(yīng)地右岸也布置了一系列工程措施。整治以后,白頭以上枯水河槽展寬,左邊灘沖刷,右岸河彎凸岸邊灘下移;白頭以下至侯官河段心灘向左岸移動(dòng),并逐步形成左岸邊灘,右岸河彎曲率調(diào)整,初步形成了微彎河型;侯官以下岸線穩(wěn)定,見圖5。這說明整治后,枯水河槽向有利的方向發(fā)展,整治工程初見成效。4.2遙感岸線圖譜從1996、1997、1998、1999年遙感圖像上可以清楚地判別出丁壩所在的位置以及壩田的沖淤情況。圖6為1998年12月17日(特大洪水后)與1997年11月12日遙感岸線圖譜,從圖6可以看出左岸丁壩位置兩個(gè)年份基本吻合,右岸S4號(hào)丁壩壩田淤積,邊灘淤長,S5、S6、S7、S8丁壩壩田沖刷。S9丁壩兩個(gè)年份基本吻合。該河段侯官節(jié)點(diǎn)基本穩(wěn)定,心灘和邊灘沖淤變化顯著,說明1998年大洪水對(duì)河床及岸灘的造作用很大。圖7為大洪水后1998年12月17日與1999年9月23日遙感岸線圖譜對(duì)比,去除水位影響,可以發(fā)現(xiàn),大洪水后岸灘變化小,丁壩位置基本吻合。上述分析表明,只要選擇適當(dāng)?shù)乃粫r(shí)期,用遙感影像可以確定丁壩所在的位置,分析壩田沖淤積狀態(tài),判斷丁壩發(fā)揮作用的情況。7岸灘變遷分析遙感和地理信息系統(tǒng)技術(shù)是開展內(nèi)河岸灘動(dòng)態(tài)分析和整治工程分析的有效手段。利用多時(shí)相陸地衛(wèi)星TM數(shù)據(jù)提取岸線數(shù)據(jù)的平均精度在6m左右,由遙感方法獲取的岸線能宏觀、綜合、快速、直觀地反映出岸灘變遷情況,據(jù)此預(yù)測(cè)岸灘演變趨勢(shì)和進(jìn)行沖淤變化分析具有一定的可靠性。利用遙感和地理信息技術(shù)分析閩江竹岐至淮安河段岸