论水库运用前后河道时空变化范文

摘要:黄河小浪底水利工程投入运用后对黄河下游河道的影响程度如何是黄河治理者非常关心的问题基于多期LandsatTM/ETM等卫星影像数据解译提取了1985、1990、1995、2000、2005、2010、2015年等小浪底水库运用前后7个年份的黄河下游河道水域数据通过空间叠置分析、列表对比揭示黄河下游河道的时空变化特征结果显示小浪底水库运用前黄河下游河道宽水域变化大1985—2000年的15年间面积变化546.979km2小浪底水库运用后黄河下游河道变窄水域变化小2000—2015年的15年间面积变化46.759km2说明小浪底水库投入使用后有效控制了黄河下游的流量和流沙对稳定黄河下游河道起到了作用

关键词:小浪底水库;遥感;黄河河道;监督分类;叠置分析

黄河是世界上含沙量最大的河流水少沙多造成了黄河下游泥沙淤积使黄河成为世界著名的地上悬河历史上黄河河道曾经历了多次改道有“三年两决口百年一改道”之说[1]孟津到高村段河宽水散冲淤幅度大主流摆动频繁为典型的游荡性河段[2]为了治理和开发黄河上世纪末我国开工建设了黄河小浪底水利枢纽工程并于2001年底竣工投入使用至今已有16年了小浪底水库运用对黄河下游的河道影响程度如何一直是黄河治理者关心的问题刘燕[3]采用资料分析类比与物理模型试验方法定性分析了小浪底水库清水冲刷阶段下游游荡性河道的演变趋势端木礼明[4]利用黄河河床边界条件变化及水沙变化资料探索了小浪底水库运用后下游河势变化预测了铁谢至高村段的河势变化趋势黄河河道较长、边界变化复杂采用传统的资料分析方法获取河道信息存在工作量大、成本高、效率低的弊端[5￣9]目前卫星遥感技术发展很快其具有覆盖范围大、时间短、成本低等特点在研究黄河河道变化方面的优势明显本文选取小浪底水库建成前后30a(1985—2015年)为研究时间段基于卫星影像提取黄河下游河道的水域信息定量分析小浪底水库投入运行前后黄河下游河道的时空变化为黄河河道治理和决策提供技术支撑

1研究方法和遥感数据

1.1研究方法这里以黄河小浪底水库库区段(111°46′41″35°05′20″)~(112°31′37″34°53′30″)及其下游黄河河道(112°31′37″34°53′30″)~(119°19′53″37°47′31″)为研究区段获取小浪底水库工程建成前后7个年份(间隔5a)黄河下游区域的中高分卫星影像数据基于影像提取黄河河道水域范围利用ArcGIS软件得到黄河河道的矢量图对提取的黄河河道区域进行面积统计得到不同年份河道面积把不同年份黄河下游的河道图层叠加得出黄河下游河道的空间变化分析小浪底工程建成前后30a间黄河下游河道的变化信息探讨小浪底水利枢纽投入运用后对黄河下游河道变化的影响

1.2遥感数据黄河小浪底水库及其下游区域的LandsatTM/ETM影像数据时间分别为1985、1990、1995、2000、2005、2010和2015年(均间隔5a)月份为12月(黄河河道区域仅有12月的Landsat数据可以找全)坐标投影为GCS＿WGS＿1984空间分辨率为15m/像素影像进行几何校正和拼接处理

2数据处理

2.1河道提取因黄河水含沙量大在遥感影像中黄河水体与周边裸地、建筑物等要素区分度低提取难度较大[10￣16]主要利用监督分类的方法通过选取训练样本建立判别函数对影像进行分类分别采用极大似然法、最小距离法、马氏距离法对实验区Landsat影像数据做黄河水体提取实验结合目视解译的结果进行对比分析得出如下结论:对于马氏距离法来说细小水体基本提取出来但误将周边河滩裸地等非水体区域分为水体对于最小 距离法来说细小水体提取不充分且部分黄河干流水体被误分为其他类型河道边界不完整极大地影响了分类结果的准确度对于极大似然法来说细小水体基本提取出来只有极少部分河滩与水体混淆不清相对较好基于以上分析利用极大似然分类法初步提取出黄河河道经聚类、去小斑块、膨胀腐蚀处理得到基本河道边界再结合目视解译的方法对分类不准确的部分进行适当修改最终提取出1985—2015年7个年份的黄河河道水体结果如图1所示

2.2面积统计将提取出的黄河河道影像转换为矢量文件加载到ArcMap软件中选择ArcToolbox中的投影工具投影选择WGS1984UTMZone50Nꎮ以小浪底大坝为界分别统计影像中大坝以上的小浪底水库区域及大坝下游部分的水体面积选择相应区域的对应要素导出数据属性表计算出总面积

3数据分析

3.1河道叠置分析把基于遥感影像提取的7个年份黄河河道图进行图层叠置对比(见图1)ꎮ可以看出7a的黄河河道位置变化明显小浪底水库建成前的1985、1990和1995年黄河河道较宽河道变迁幅度大水库运用后的2005、2010和2015年黄河河道变窄变迁幅度小

3.2河道面积变化分析由基于影像提取的黄河河道面积数据可得小浪底库区及大坝下游面积变化情况如图2和图3所示小浪底主体工程于1994￣09开工2001￣12￣31全部竣工图2的面积变化曲线与实际情况吻合1985和1990年库区面积大约是20km21995—2001年面积逐渐增加2001—2005年水库开始蓄水由图3看出1985—2000年黄河小浪底大坝下游的面积逐年减少2000—2015年下游面积趋于稳定可以得出小浪底水库投入使用后通过调控流量稳定了黄河下游的水量通过相邻年份的面积值相减得到对应的黄河河道面积变化情况如图4和图5所示可以看出黄河下游水域面积在小浪底建成前1985—2000年的15年累计减少546.979km2建成后2000—2015年的15年累计增加46.759km2小浪底库区在2000—2005年面积增加最快原因是这一时期水库工程竣工开始蓄水尽管2010—2015年小浪底库区面积有明显增加但大坝下游水域面积相对稳定显示水库调控起了作用

4结论

根据黄河小浪底水库建成前后7个年份的LandsatTM/ETM影像数据对比分析了针对黄河水体的不同监督分类方法最终采用极大似然与目视解译相结合的方法提取了小浪底库区及黄河下游河道图和水域面积通过不同年份的河道图层叠置分析和水域面积变化分析得出如下结论:小浪底水库运用前黄河下游河道较宽水域变化幅度大1985—2000年面积减少546.979km2小浪底水库运用后黄河下游河道变窄水域变化幅度较小2000—2015年面积增加46.759km2说明小浪底水库建成投入使用后通过调控黄河下游的水量和流沙稳定了下游河道对黄河下游的开发与综合治理有重要意义

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作者：李爱民 夏光平 徐静璇 闫超德 单位：郑州大学 水利与环境学院