吴文娟 李 勇

(黄河河口海岸科学研究所，山东 东营 257091)

黄河三角洲位于渤海西南部，北临渤海湾，东靠莱州湾，属于弱潮河控型三角洲，高输沙能力的河流注入弱潮动力环境海域形成了三角洲的淤积延伸。悬浮泥沙作为评价Ⅱ类水体水质的重要参数之一，其分布特征在一定程度上反映着污染物的迁移和循环，其分布也是黄河口湿地保护和生态治理效果的间接反映。研究黄河口近岸悬浮泥沙分布与扩散对海岸地貌演变、水体生态环境、水产养殖以及海岸工程等有重要意义[1]。传统的海上船只泥沙监测和分析方法主要为实地调查和采样分析，局限于对有限的、离散点的监测，易受人力、物力、气候和水文条件的限制，因而不能从更广阔的范围给出水质的空间和时间变化规律，且调查速度慢、周期长、效率低。由于悬浮泥沙在波长较长的红光及近红外波段对水体后向散射能力较强，使得应用遥感技术监测水体悬沙浓度成为可能。相比之下，采用遥感定量技术能迅速获得大面积水域的含沙量资料，其瞬间同步性好，重复获取数据的周期短，能有效地监测含沙量的分布和动态变化。

1.1 气候背景

研究海区属大陆性季风气候，波浪以本地风生浪为主，具有明显的季节性特征。该海域波浪风区短、波高，且周期短。来自中游黄土区的泥沙是渤海海域最主要的沉积物来源。黄河三角洲是由沉积物快速堆积入海形成的，沉积物相对松散，在连续落淤—悬浮—输运—沉积的过程中被筛分再分配[2-3]。

黄河三角洲地处暖温带偏北，受冷暖空气影响，冬季易出现寒潮(海冰)，夏季易出现台风强对流，春秋两季易出现温带气旋。地缘位置处在东北平原和渤海东北季风增强带的末端，海上易诱发大浪，在半封闭的渤海，风暴潮灾害严重。且黄河口位于黄河三角洲前端，地势平坦且向海突出，风浪局地较大。

黄河口海域的风暴潮分为台风风暴潮和温带风暴潮。一般说来，北上台风的次数较少，且衰减较快。但近年来大的台风潮灾呈现日益频繁的趋势。继1985年出现了大的台风潮灾后，1992年、1997年、2005年和2019年又出现了四次。在渤海出现的冷锋、温带气旋引起的灾害性大风，特别是高低气压配合的天气形势往往导致海面出现强风，造成大的风暴潮，如果再遇到天文高潮，会造成潮灾。

1.2 潮汐潮流特征

黄河入海口地处渤海湾与莱州湾的交汇处，黄河口地区的潮波为传入的大洋行进波与该区自由波叠加形成的驻波,M2分潮无潮点位于五号桩位置外13海里处。近岸海域潮汐特征复杂，渤海湾多为不规则全日潮，莱州湾多为不规则半日潮。渤海湾南侧神仙沟沟口外为M2分潮“无潮点”，潮差以“无潮点”区最低，向渤海湾和莱州湾两侧逐渐增高呈“马鞍”形。黄河入海口沿岸潮流为基本平行于岸线等深线的往复流[4]。

黄河口地区有两个强流区，分别位于清水沟废弃老河口外、神仙沟和刁口河一带10～15m水深海区内(即M2分潮无潮区)。入海口以南，流速减弱，直至莱州湾顶部为弱流区。

除上述潮流影响外，黄河口海区亦存在余流的影响，潮流受到黄河三角洲形成的沙嘴海岬地形阻隔，形成岬角余流。黄河口外尚存在切变锋，在切变锋附近悬沙大量淤积，剩余部分则随着潮流与余流等向外海运移。

2.1 遥感数据获取

为研究长时间序列黄河口附近海域悬沙浓度，选用Landsat卫星数据。Landsat卫星数据时间跨度大，获取方便。自1972年7月23日以来，美国NASA的陆地卫星已发射8颗。Landsat5于2013年6月退役，Landsat8于2013年2月11日发射升空。文中主要应用Landsat-5TM和Landsat-8OLI卫星影像，空间分辨率为30m。通过earthdata网站和地理空间数据云免费下载获取。Landsat卫星信息见表1。

表1 Landsat卫星信息

2.2 遥感数据预处理

对Landsat和高分一号数据的预处理包括辐射定标、大气校正、图像裁剪等。辐射定标和大气校正是进行定量遥感反演的重要环节，大气校正精度关系到遥感反演结果的准确性。

辐射定标即将传感器记录的数字量化DN值转换成绝对辐射亮度值。大气校正的目的是对从传感器中获得的总信号去除大气影响，获得含有水体信息的离水辐亮度。本文利用ENVI软件中的FLAASH大气校正模块对影像进行大气校正。

3.1 海上实测泥沙数据

为分析黄河口及邻近海域的悬沙分布特征，尽可能获得与遥感影像时间一致的悬沙浓度实测数据，探索适合黄河口及邻近海域泥沙特征的反演模型，在黄河口莱州湾海域开展多站位现场取样调查。站位设置充分考虑泥沙浓度梯度变化，研究河口区高悬沙浓度区域与非河口区低悬沙浓度区域，尽可能采集较多的外业实测数据，为不同浓度区域的模型反演提供数据支持。根据《海洋调查规范第2部分：海洋水文观测》(GB/T 12763.2—2007)规定，取站点表层水样，用1000mL有机玻璃采水器在水深20cm处采集水样1000mL，共采集83个调查站位水样。

实验室内采用抽滤法处理水样，得到83个水样的泥沙浓度。为更直观地查看悬沙空间分布情况，将悬沙浓度取对数按比例展绘到遥感影像底图上，取样点悬沙浓度展绘见图1。从图1中清晰地看到，观测周期内，高悬沙水体均分布在口门区域，越靠近岸线的水体悬沙浓度越高，越往外海延伸悬沙浓度越低。相同量级的悬沙浓度沿莱州湾西海岸带呈弧形分布，这与沿岸往复流方向存在密切关系。

图1 取样点悬沙浓度展绘

以2020年7月20日高分遥感影像为底图，套汇2020年滨海区实测水下地形图(见图2)，发现河口西侧2m等深线以内已淤积出明显的新滩地，使径流方向向东北方向偏移。大于1000mg/L的高悬沙水体集中存在于5m和10m等深线之间，口门方向10m和15m等深线间悬沙浓度达到100mg/L以上，15m等深线以外悬沙浓度迅速减少至10～20mg/L之间。

图2 取样点悬沙浓度等深线套汇

淡水入海后，入海泥沙遭遇上层径流与底层海流作用下的第一道切边锋，流速不断减小，携沙能力减弱，失去径流动能的入海泥沙由近到远、由粗到细快速落淤，使大部分泥沙在近口门区落淤，河口不断延伸推进。入海水流中大部分泥沙落淤在10m水深节点近岸一侧。

3.2 悬浮泥沙反演模型选取

估算水体中悬浮泥沙的关键问题是建立遥感光谱数据与悬浮泥沙含量之间的函数关系式。目前的悬浮泥沙遥感定量反演一般采用经验方法，即通过野外获取实际现场数据，与卫星接收的遥感反射率建立比值关系。

SSC=f(Rrs)

(1)

式中：SSC为泥沙浓度；
Rrs为水体光谱反射率。

2018年，周媛等[5]基于2011年6—7月和11—12月共计89组现场实测悬沙浓度和光谱数据，分析了黄河口及其附近海域不同悬沙浓度的水体光谱特征。尝试利用多种波段组合建立悬沙浓度遥感反演算法，并验证了865nm波段与波段比655nm/560nm组合形式算法反演结果最优，算法相关系数R2为0.95，平均相对误差为25.65%。

lgSPM=0.6817+23.9803Rrs865+0.9287Rrs655/Rrs560

(2)

算法通过多名专家学者实测评估，并用于反演近岸海域悬浮泥沙浓度。同时包含可见光波段和近红外波段，且采用非线性形式的模型，具有较好的鲁棒性，在同一片水域具有时间上可移植性，在Landsat-8OLI传感器上的表现要优于其他模型。

利用该模型对2020年6月2日获取的Landsat8遥感影像做悬沙浓度反演，并与实测悬沙浓度数据比对，进一步验证该算法的有效性。实测与反演悬沙浓度比较见图3。

图3 实测与反演悬沙浓度比较

6月2日实测的12个水样站点中，在遥感影像范围内的有效数据有7个。比较7组实测与反演悬沙浓度值，最大相对误差为0.33，最小相对误差为0.03，平均相对误差为0.18。由图3可看出，7个点的误差在等值线两侧正负均匀分布。最大误差值在5号点，该点距离口门较近，受径流和潮流作用影响大，且该点取样时间与遥感影像成像时间有3h的时差，故误差稍大，但仍在可接受范围内。故选取该反演算法进行黄河口附近海域悬沙反演分析。

4.1 Landsat遥感影像选取与反演

下载的Landsat遥感影像覆盖时间范围为1992—2020年共29年。为更有针对性地研究黄河口海域泥沙运移规律，结合泥沙运输影响因素，选择其中泥沙运输条件发生重大变化的年份，反演悬沙浓度，并分析悬沙运移年际变化规律。分析影像共计14景，对应信息见表2。

表2 Landsat遥感影像参数

选取1992—2020年间的14景Landsat卫星遥感影像，利用ENVI软件对影像预处理后，将式(2)应用于LandsatTM5和Landsat 8 OLI影像数据，反演计算黄河口及其附近海域悬浮泥沙浓度，并分析时空分布规律[6]。

由1992—2020年多时相遥感影像悬沙反演浓度结果发现，近几年黄河口滨海区悬沙浓度比1992年明显减少，这与入海水沙的变化有很大关系。总体上来看，高悬沙浓度水体主要集中在黄河入海新老河口近岸、莱州湾西侧近岸、莱州湾中部等海域。丰水期，以现河口沙嘴前方海域悬沙浓度最高，且悬沙呈现沿口门方向向外海扩散趋势。枯水期，沙嘴突出的河口、莱州湾西侧附近海域悬沙浓度最高。悬沙分布范围随口门位置变化发生变化。

为更直观地查看黄河口近海悬沙浓度年际变化特点，将14景遥感影像反演，得到的悬沙浓度范围统计见图4。

图4 不同时相遥感影像悬沙浓度反演范围统计

由图4发现，反演结果以2000年为界，2000年之前的悬沙浓度普遍偏高，尤其以1992年汛期最为显著。2000年之后除特殊状况外，悬沙浓度最大值均小于6000mg/L。14景影像中，悬沙浓度反演最高值出现在1992年8月24日，最高浓度达19988mg/L；
悬沙浓度反演最低值出现在2001年7月16日，最低值为966mg/L。

4.2 黄河口附近海域悬沙年际分布规律

由利津水文站的统计黄河上游来水来沙资料中，1992—2020年黄河入海水沙年际变化较大。调水调沙实施前，1992—2002年间河口平均入海径流量105.2亿m3/a、入海输沙量2.97亿t/a。调水调沙实施以来，2003—2017年间河口平均入海径流量173.0亿m3/a、入海输沙量1.30亿t/a。2018年后春季生态补水实施以来，时段内入海水沙明显回升，2018—2020年间河口平均入海径流量335.2亿m3/a、入海输沙量2.94亿t/a。1992—2020年间黄河入河径流量与输沙量见图5。

图5 1992—2020年间黄河入海径流量与输沙量

悬沙浓度年际变化主要与黄河径流、风浪、流场等水动力因素发生变化有关。

a.从不同时期悬沙浓度遥感反演影像中可以看出，黄河径流对渤海悬沙浓度分布影响仅局限于行水河口沙嘴前方海域，径流大小、水沙比及泥沙粒径变化都会对泥沙落淤和悬沙输移扩散范围产生作用。

1992—2000年间，黄河上游来沙量多，入海水沙比普遍较小，入海径流符合“小水带大沙”特点，行水口门沙嘴前方悬沙浓度高。2000年，小浪底水库投入使用，调水调沙初期，上游下泄泥沙量大，加上人造洪峰冲刷河道，造成入海沙量增大，行水口门沙嘴前方形成高含沙量浓度水体。随着下游河道河床泥沙粗化，河床冲刷效率降低，调水调沙期入海径流“大水带小沙”，口门沙嘴前方悬沙浓度明显减小。

在入海沙量相同的条件下，径流量越大，口门沙嘴前方悬沙浓度越小，但在强径流作用下，海洋动力作用相对较弱，更容易输送至外海海域。

b.人工出汊和自然摆动出汊直接影响着悬沙的扩散运移方向。1992—2000年，黄河入海流路主要发生了四次出汊摆动，分别在1996年8月、2007年7月、2014年7月和2020年7月。

1996年，因油田生产需要，人工改至清8出汊。径流入海悬沙由东南向莱州湾中部改为至东北渤海湾方向。径流悬沙不再直接向莱州湾中部输送，而更容易向北部外海运移和落淤。清8向北自然摆动、口门分汊及北口门向东出汊，现行入海流路三个口门同时行水，径流入海悬沙随口门位置变化保持在沙嘴正前方海域。

老清水沟流路和老清8河口因没有径流的泥沙输入与补充，在海洋动力作用下形成冲刷，在废河口附近海域形成高含沙量水体。废河口沙嘴最初表现为快速蚀退，而后蚀退速度变缓，最后趋于稳定。沙嘴前端逐渐变得平直圆滑。

c.“波浪掀沙”是黄河口近海悬沙向外海扩散的主要原因。黄河三角洲近岸海域的波浪主要是风生浪，波浪大小随风速变化而变化。波浪是海床沉积物起动的重要动力，波浪的强烈湍动，使泥沙落淤速度大大降低，更容易受潮流和余流作用进行长距离搬运。

从季节性极端事件来看，秋、冬、春三季黄河三角洲近岸海域常遭寒潮侵袭，海面常出现波高较大的波浪，且波向以偏北向为主。黄河入海泥沙具有“丰储枯输”的显著特征：丰水期入海泥沙在河口近岸区域沉积，在枯水期较强水动力条件下，沉积物再悬浮并向外输运。风暴潮是河口近海悬沙向外海扩散的重要动力。

d.“潮流输沙”是黄河口近海悬沙运移的主要动力，滨海区潮流主要受渤海潮波系统和地形相互作用的影响。

黄河三角洲附近海域的潮流类型复杂，大部分海域属于不规则半日潮流型。渤海湾和莱州湾中潮流为回转流，近岸海域是往复式潮流，涨落潮流方向基本上与岸线平行，涨潮流流向莱州湾湾内方向，大体为东南向，落潮流大体为西北向。且突出沙嘴前方流速最大。

以受河口流路、入海水沙、海洋动力和人为干预共同影响的黄河口悬沙为研究对象，研究了近海水域悬沙分布的空间差异性、时间动态性及其动力机制。通过实测水下地形资料和悬沙浓度，分析了入海悬沙的主要分布范围。基于1992—2020年多时相Landsat遥感影像，选取了合适的黄河口近海悬沙反演模型，并用实测泥沙浓度资料检验保证模型的可靠性。利用充分的黄河上游来水来沙、潮汐潮流和风力风向等资料，分析了黄河口悬沙分布及输移规律，探讨了不同水动力条件下泥沙分布输运的差异性，为河口海岸地貌演变、水体水生态研究提供资料支撑。

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