基于多時相遙感影像的北江下游河網(wǎng)演變研究

基于多時相遙感影像的北江下游河網(wǎng)演變研究

0遙感技術(shù)在北江下游河道變遷中的應(yīng)用河流環(huán)境往往在自然因素和人為干預(yù)下發(fā)生變化。通過傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，很難對其進(jìn)行宏觀、動態(tài)和全面的研究?？臻g技術(shù)具有快速、宏觀、跨時期、系統(tǒng)的研究和監(jiān)測的優(yōu)勢。因此，它在河流的變化規(guī)律研究中發(fā)揮了特殊的作用。自20世紀(jì)30年代以來，北江下游海岸的變化非常明顯，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的變化導(dǎo)致河流環(huán)境的巨大變化。很難用傳統(tǒng)方法來控制其變化規(guī)律。結(jié)果表明，在宏觀、動態(tài)和系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，可以研究河流發(fā)展的特點。本文以河流發(fā)育為例，用遙感技術(shù)方法進(jìn)行了研究。1研究領(lǐng)域的基本概況和遙感數(shù)據(jù)1.1區(qū)域概況及研究區(qū)域北江是珠江流域的第二大支流,整個流域呈扇形,地勢北高南低,發(fā)源于江西省信豐縣石碣大茅山,除部分跨入湘、贛兩省外,92%的流域面積均在廣東境內(nèi),位于廣東省中部偏北,在東經(jīng)111°55′～114°50′,北緯23°10′～25°31′之間,自北向南流經(jīng)韶關(guān)市、英德市(縣)、清遠(yuǎn)市、三水市,在三水市思賢窯與西江連通,然后進(jìn)入佛山、廣州,流入南海.干流全長468km,流域面積46710km2,占珠江流域面積的10.3%.本研究區(qū)域為飛來峽出口至北江支流潭洲水道入口如圖1所示,全長98km,為北江下游河段,河道平緩,左岸為平原,右岸為丘陵,以紅色沙巖、礫巖和頁巖為主,水面開闊,河槽中多灘地、江心洲,河汊等較為發(fā)育,有諸如丁壩、堤防等許多水工建筑物,此段河道在廣東地區(qū)的水利、航運、環(huán)境保護(hù)及供水等方面都起著非常重要的作用,進(jìn)行河道岸灘演變分析研究可為下游河段附近的水利建設(shè)、航道整治等方面的綜合利用提供科學(xué)依據(jù),在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和理論研究上都具有實際意義.1.2遙感解譯影像的資料與方法選擇遙感數(shù)據(jù)的選擇必須綜合考慮地面目標(biāo)與影像分辨率的關(guān)系,不同分辨率表達(dá)不同地物目標(biāo)分布情況,利用分辨率差異進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇的基本依據(jù)是:像素的大小足以反映所研究地物的地面特征,而又不會過于細(xì)致造成相同地物內(nèi)部細(xì)節(jié)變化過大,或過于綜合目標(biāo)地物得不到反映.本次研究要求數(shù)據(jù)長時間序列,從研究的目的、用途、及精度等角度綜合比較,考慮到TM數(shù)據(jù)具有存檔數(shù)據(jù)較多、覆蓋較廣、易于收集、較之其它遙感數(shù)據(jù)更加經(jīng)濟(jì)實用(性能價格比優(yōu))等優(yōu)勢,且與MSS遙感數(shù)據(jù)相近,利于做較長時期,系統(tǒng)誤差較小的多時相對比分析研究,所以本研究收集了北江下游河段的1975～2001年TM和MSS影像資料.另外,由于作者使用的影像數(shù)據(jù)時間跨度26年,各時相遙感數(shù)據(jù)成像日期不同,相應(yīng)的水位也不相同,水位變化會影響水邊線的位置,起伏較大時會造成解譯結(jié)果具有不可對比性,所以本次選擇的影像資料要求不同水平年水文條件近似、河道灘槽分明,所選衛(wèi)星影像成像當(dāng)日的徑流、水位如表1,可見水位起伏不大,相對于圖像分辨率的限制所引起的誤差,影響可以忽略不計.2提取河流信息2.1加工影像的幾何精校正幾何校正關(guān)系到后期圖像解譯分析,位置配準(zhǔn)等,特別是我們的工作內(nèi)容具有明顯的動態(tài)特征,具有年際變化,不同時相的影像疊加時,若位置不準(zhǔn),對定量解譯成果精度有嚴(yán)重影響,所以必須做幾何精校正工作.具體做法是:利用ERDAS的有關(guān)功能,對于2001年影像,采用1∶50000地形圖選取同名地物點,采用二次多項式方法進(jìn)行糾正,對比資料的幾何配準(zhǔn),以2001年遙感影像的幾何精確校正為基礎(chǔ),對歷史資料按像元間點點對應(yīng)進(jìn)行配準(zhǔn)(誤差控制在0.5個像元之內(nèi)),由于MSS原始影像是膠片掃描而來,局部存在變形,但總體上誤差控制在1個像元內(nèi),這樣才能保證對比信息的幾何可比性.2.2表現(xiàn)河道特征遙感專題信息的提取,主要考慮到不同地物的反射光譜特性差異,本次研究對象為水系河道,研究目的是分析水系河道及其產(chǎn)匯流區(qū)二十幾年來的綜合變化,所以對該區(qū)域選取TM4、TM3、TM2作假彩色合成以突出反映河道沿線及河道內(nèi)信息,對MSS影像則采用MSS5、MSS4、MSS7來突出河流、灘涂.在遙感圖像上提取河道歷史和現(xiàn)狀信息包括堤防位置走向、閘壩位置、橋梁、支流入口、河流走向、彎率、水流流向、取水口、洲灘形態(tài)及位置等,這些是河道演變分析的基本信息.本次研究的解譯工作利用ArcInfo軟件完成,生成Coverage矢量文件,在ArcView里對各個Polygon進(jìn)行歸類,最后導(dǎo)出Excel文件,統(tǒng)計各類別面積,作為后續(xù)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).3河道圖像解譯針對北江下游河道枯水季節(jié)7個時相的遙感資料,通過統(tǒng)計分析,衛(wèi)星成像時刻河道部分特征數(shù)據(jù)如表2所示.圖像解譯的內(nèi)容包括水邊線、全部的江心洲,以及邊界清晰向河道內(nèi)側(cè)發(fā)展的邊灘,為了使多個時相的解譯結(jié)果具有可比性,要求解譯的邊灘一一對應(yīng).3.1不同時代北江下游干流河道屈曲分析曲折系數(shù)是指河道長度與相同河道直線距離之比.曲折系數(shù)大小,可以判斷河型,分析河流近期變化.此次共對比了7個時相的曲折系數(shù)變化,由表2可知北江下游干流河道20世紀(jì)70到80年代曲折系數(shù)在1.12～1.14間擺幅不定,河道表現(xiàn)為游蕩性,進(jìn)入90年代的1993年曲折系數(shù)變?yōu)?.14,之后無變化,河道穩(wěn)定.總體來說,從20世紀(jì)70年代至90年代,河型變彎曲萎縮,但整體變幅不大,90年代后河勢穩(wěn)定.3.2色灘面積分析河床演變過程是錯綜復(fù)雜、多種多樣的,在同一條河流上不同的河段其河床形態(tài)和演變規(guī)律往往各異,因此,可以把天然河流劃分成若干段,分別研究各段河道演變規(guī)律.各分段洲灘面積變化如圖2所示.白廟至飛水口河段從飛來峽口由東往西流,至濱江河口轉(zhuǎn)向南,該段河流為彎曲分汊河道,河床質(zhì)主要以河砂為主,并有少量卵石.河道內(nèi)洲灘發(fā)育,上段倫洲相對較為穩(wěn)定,而中段沙洲沙灘密布,枯季此段河道中段水流散亂,洲灘演變劇烈如圖2.這主要是由于飛來峽峽口以下為擴(kuò)散河段,上游來水來沙出峽口后由于水流流速變緩,有大量推移質(zhì)在該河段淤積,同時由于航道整治,河流主航道左右擺動,從1975～1998年河道中段主流一直走左汊,至2001年主航道變?yōu)橛毅?走向順直,水流穩(wěn)定.山塘至石角河段微彎順直河道,是北江下游著名的淺灘河段,本河段河岸主要為沙質(zhì)及粘性土河岸,在枯水期的中低水位時河槽寬淺,水流動力軸線容易擺動,淺灘常在航道內(nèi)出現(xiàn),航槽不穩(wěn)定,是航道部門歷來整治的重點河段,由上段的中間洲、學(xué)堂洲、大洲和下段的湯屋洲、爛柴洲等洲灘組成,由圖2可知,山塘至石角河段1975～2001年洲灘總體面積成增幅趨勢,在1998年此段洲灘面積達(dá)到最大4.8km2,下段爛柴洲段較穩(wěn)定,上段學(xué)堂洲段1975～1998年主航道一直走中汊,1998年河道已嚴(yán)重礙航,為此航道部門選擇位于河勢凹岸的右汊作為航道進(jìn)行整治,左汊丁壩密布,至2001年此段河道水流散亂的現(xiàn)象得到了整治,大洲左側(cè)和學(xué)堂洲右側(cè)受到?jīng)_刷,主航道此時走右汊,淺灘出露減少,水流穩(wěn)定.石角至大塘河段為彎曲分汊河道,有2段灘群,上段由神洲、迥歧洲、界牌洲組成,其中迥歧洲尾和界牌洲首側(cè)有淺灘出沒,河面寬闊,邊灘低矮,水流分散是形成淺灘的主要原因,下段主要由烏柏洲、鄧塘洲組成.該河段1975～2001年洲灘總體變化如圖2所示,1975～1984年洲灘面積呈增長趨勢,增幅較大,上下段洲灘都有淤長,岸線內(nèi)縮,河道整體寬度束窄;到了1988年出現(xiàn)一個低點,洲灘面積減小,界牌洲右側(cè)和迥歧洲下端受到?jīng)_刷,河道水面寬闊;而從1993～2001年洲灘面積呈增幅趨勢,中部的界牌洲不斷向河道內(nèi)側(cè)淤長,而迥歧洲已經(jīng)和左側(cè)邊灘連成一體,河道中丁壩密布,主流走右汊,下端的鄧塘洲航道整治走左汊,由于右側(cè)丁壩的堵塞作用2001年右汊已經(jīng)斷流,鄧塘洲向右側(cè)淤長,此時整段洲灘面積達(dá)到最高值9km2.蘆苞至黃塘河段為順直微彎河型,有2段灘群,上段由四姓洲、牛洲和蘆苞洲組成,該段原主航道走中汊,有悖于河勢,洪枯水流動力不一致使該段經(jīng)常出淺;下段主要由太監(jiān)洲、豐洲組成,相較于上段較穩(wěn)定,只有太監(jiān)洲與蘆苞洲之間的過渡段枯季有時會有淺灘出現(xiàn).據(jù)圖2可知,從1975～1984年該河段總體洲灘面積呈增長趨勢,增幅較大,洲灘向河道內(nèi)側(cè)淤積,1984年該河段太監(jiān)洲右側(cè)有許多淺灘出露,洲灘整體面積達(dá)到最大12.99km2;之后經(jīng)1988至1993年,洲灘面積大幅減小,尤以前段時間變化劇烈,河道走向順暢,淺灘出露減少;至1998年洲灘面積又有增加而且幅度較大,主要是由于蘆苞淺灘段的航道整治在1994年竣工,主航道由原來的中汊變?yōu)樽筱?右汊在鎖壩實施后,致使大量泥沙淤積,此時四姓洲與牛洲已經(jīng)相連;至2001年此段洲灘面積有所減少,河流走向順暢,航道整治已見成效.綏江口至獅山河段長約屬于彎曲河流,在思賢滘與西江相通,洲灘主要由上段的金沙洲、老鴉洲和下段的新沙洲組成.在1998年以前下段的新沙洲左汊河道比右汊寬,1998年兩汊水域?qū)挾认喈?dāng),至2001年右汊寬于左汊尤其在洲首位置.由圖1可知,與其它河段一樣,從1975～1984年馬房至三水河段總體洲灘面積呈增長趨勢,增幅較大,河道整體束窄,相較于前兩個時相1984年金沙洲上部多出一個沙洲,金沙洲向下游方向淤積,與相鄰小洲相連,而且金沙洲左汊河道有邊灘淤積,使得河流走向變曲折,此時整體洲灘面積達(dá)到最大6.02km2;20世紀(jì)80年代中期以后至2001年此段河道洲灘面積一直呈下降趨勢,整體洲灘面積減少,此段河道中、枯水河寬更為統(tǒng)一和平順,水流更為順暢.3.3北江下游河道縱向變形分析河道變化從表現(xiàn)形式可分為縱向變形與橫向變形兩類.縱向變形是指河道沿流程縱深方向發(fā)生的變形,即河床縱剖面的沖淤變化,主要表現(xiàn)為河床下切.橫向變形也稱平面變形,即河床沿著水流垂直的水平方向發(fā)生變形,曲折系數(shù)變化從宏觀上反映河道的總體橫向變形,而洲灘演變則從細(xì)節(jié)上體現(xiàn)了河道的橫向變形情況,在天然河流中,這兩種變形錯綜復(fù)雜地交織在一起.北江下游北江大堤段1975～1999年縱向變形情況如表3所示.首先從宏觀上分析,由表3可知北江下游河道河床1975～1999年呈下切趨勢并且下切幅度大,對比該時段內(nèi)北江下游河道曲折系數(shù)變化稍有增長趨于穩(wěn)定如表2,曲折系數(shù)穩(wěn)定的時段與河道縱向變形劇烈的時段相對應(yīng),這說明河道縱深變化大時,橫向變形小河勢趨于穩(wěn)定.其次從洲灘演變角度分析兩者關(guān)系,北江下游河道洲灘總體面積變化在河道沖刷嚴(yán)重的20世紀(jì)80年代中期以后,雖然有起伏,但程度不大整體呈減小趨勢如表2,這是因為在河道縱深加大時,河道沿程過水橫斷面面積增大,水流挾砂能力增強(qiáng)而不斷攜帶河道中的泥砂,洲灘受到?jīng)_刷面積減小.總之,河道縱向變形影響橫向變形,兩者呈反比關(guān)系,河道縱向沖深時,河道橫向變形小,洲灘總體面積減小,岸線向著穩(wěn)定趨勢發(fā)展.但因河道的橫向變形即洲灘演變具有更大的復(fù)雜性和隨機(jī)性,受自然和人為因素的影響較敏感,所以局部河段并不遵循這一規(guī)律如山塘至石角河段、石角至大塘河段,這兩段是著名的淺灘段,變化較復(fù)雜.4北江下游河流發(fā)展原因4.1洪水對洲灘面積的影響北江河道有許多沙質(zhì)河漫灘、邊灘及江心洲構(gòu)成的低河岸,此類河岸極不穩(wěn)定,受水流沖刷崩塌速度快,為局部來沙提供大量的沙源,北江河床為沙質(zhì)河床,可沖性及可塑性都很強(qiáng),在水流作用下河道中容易形成大中型沙波及江心岸沙,北江有不少淺灘就是由于沙波形成的.另外北江下游河道地處平原段,洪水期水流比降平緩,而中、枯水期受邊灘、心灘影響,比降增大,洲灘有洪淤枯沖的演變特性,所以洪水發(fā)生頻次及程度,直接影響洲灘面積的改變,進(jìn)而影響河道的變形.從1993～1998年洲灘的面積變化來看,正好與1994年以來接連發(fā)生的4場大洪水時段相吻合,洪期水流含沙量高,這是造成洲灘面積增長的一個原因,而從1998～2001年洲灘面積變小,據(jù)查1999至2001年時段研究區(qū)內(nèi)未發(fā)生較大洪水,致使上游洪水帶來的泥沙減少,不足于補(bǔ)充下游河道泥沙的流失,致使河道受到?jīng)_刷,洲灘面積減小.4.2河道駁岸群形成原因首先人類活動影響主要是航道的整治,采用支汊控流,通過整治丁壩的修建,改變了河道原來自然中枯水位的河勢,致使橫斷面的流速分布改變,把河道泥沙沖淤的部位進(jìn)行重新調(diào)整,使中枯水位流量集中在整治的支流上,勢必造成被控支落淤,整治支被沖,一部分淤積于本河段的壩田區(qū)內(nèi),另一部分則被沖刷帶往下游河段淤積,另一部分則被沖刷帶往下游河段淤積,全河段總的泥沙沖淤量基本是平衡的,河床演變的動力仍是水流動力.其次,影響河道變形的重要因素是人為采砂,河道采砂泛濫、無序、超采引起坡降變陡,流速加快,加快了河床沖切速度.根據(jù)水利部門統(tǒng)計,北江干流的北江大堤河段1990～1997年采沙總量為3.1×107m3,平均每年采沙4.0×106m3.河道的大量采砂使北江下游河道河底高程大幅降低,據(jù)調(diào)查1988年以來老鴉洲河段下切達(dá)9m,大塘河段下切達(dá)6m,這必然造成河道內(nèi)洲灘面積的減小.總之,河道岸灘演變受自然因素和人為因素影響,這兩種因素都會造成岸灘的沖刷和淤積,而且這兩種因素往往同時作用于河道,但對于整段河道而言人為因素的影響主要是使河道沖刷,洲灘面積減小,而自然因素則使河道淤積,洲灘面積增加.從圖3可知,從20世紀(jì)70年代中期到20世紀(jì)80年代中期河道演變中自然因素占優(yōu)勢;而從20世紀(jì)80年代中期至20世紀(jì)90年代中期則主要是人為因素占優(yōu)勢,20世紀(jì)90年代中期至2001年則是交替影響,前段主要是自然因素影響(研究時段內(nèi)接連四場大洪水的發(fā)生),后段則是人為因素影響占優(yōu)勢.5內(nèi)載荷在因果報復(fù)中的應(yīng)用跟據(jù)北江下游河道1975～2001年共7個時相岸灘演變情況,可知岸線隨著洲灘的沖淤而變化,當(dāng)洲灘受到?jīng)_刷時岸線外擴(kuò),河道橫向變寬,而當(dāng)洲灘淤積時,岸線則內(nèi)縮,河道橫向變窄,岸線變