滦河流域水系水体要素提取及其发展变化趋势分析.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流滦河流域水系水体要素提取及其发展变化趋势分析.精品文档.滦河流域水系水体要素提取及其发展变化趋势分析丁志雄 白音包力皋摘要：为清楚地反映和揭示近几十年来我国北方持续干旱过程影响下的滦河流域水系水体要素发展的变化，为滦河流域的水资源保护和水环境治理等提供有力的证据，利用近30多年来的长系列、多时相的遥感数据提取滦河流域相应不同时间的水体要素状态，并利用地理空间分析技术分析其发展变化趋势。结果显示，滦河流域的地形地貌确定了流域水系要素的发育规律；滦河流域上游区近30年来的遥感影像揭示了泡子、淖尔等湖泊水域面积朝减小的趋势发展，并有部分泡子、淖尔等

2、已处于干涸消亡状态；滦河下游河道及河滩近20年来的遥感影像对比分析表明，滦河下游河道已近乎断流，河滩地存在被开垦开发的现象。因此，长系列多时相的遥感技术和地理空间分析技术能够很好地揭示和反映流域水体要素的发展变化趋势，对于流域的水管理具有非常重要的参考价值。关键词：长系列多时相遥感；空间分析技术；滦河流域；水系水体要素中图分类号：P332；TP79 文献标识码：AFeatures extraction and change trends analysis of stream and water in Luan River basinDING Zhi-xiong1，BAIYING Bao-lig

3、ao2Abstract：Because of a continuing drought and rapidly development of the industry and agriculture in the Luan River Basin （LRB） in the recent decades，some serious problems of water resources and water environment have come up in this area. In order to reveal the changes of the stream and water fea

4、tures in this basin clearly and provide a strong evidence for the water resources protection and water environment treatment，multi-temporal and long series remote sensing data are used to extract the stream and water features of LRB and a geospatial-analyzing technique is used to study the change tr

5、ends. The results are：（1） the topography of the LRB determines the development rules of the drainage network features；（2）the last three decades of remote sensing images reflect the decreasing trend of the lakes water area in the upper part of LRB，and some lakes are disappearing；（3） through comparing

6、 and analyzing the remote sensing images of the past two decades，it is found that the lower reaches of the Luan River are almost close to the status of drying up，and part of its flood plain have been cultivated or occupied. The multi-temporal and long series remote sensing images and geospatial-anal

7、yzing technique can be used to reveal the changes of the water features in a basin，and can be used to provide an important reference for the water management in a basin.Key words：Multi-temporal and long series remote sensing；geospatial-analyzing technique；Luan River basin；stream and water feature1 研

8、究背景自20世纪70年代以来，我国北方地区特别是华北地区一直处于长期的干旱过程1，降水量偏少，导致河湖水库水量减少甚至干涸。再加上近几十年来经济社会的快速发展，工农业、生活等取用水量增长较快，大多数位于河道上的蓄水工程水库也是尽可能拦蓄更多的水量以满足工农业、生活生产的用水，导致河道下泄水量不足，河道干涸、淤积严重，而工农业、生活生产产生的废水、污水排入干涸的河道中，无河流水量的冲涮和稀释，河道遭受污染的环境问题也异常突出2。如位于海河流域的白洋淀，近年来水域面积大为减少，并且水体污染严重；永定河流域、滦河流域等中下游河道常年干涸，河床沙化、淤积严重，河道成为了主要纳污滞污的地方，河道污染问题

9、非常严重。北方这些河流、湖泊等的一系列问题已经引起有关部门的高度重视，已经或者正在开展有关的系列研究，以探索寻求解决这些问题的方法和途径。本文以滦河流域为例，利用遥感等地理空间信息技术，准确提取滦河流域内的水系流域等水文要素，利用多年历史存档遥感影像资料，提取分析滦河流域上游多个泡子、淖尔等湖泊水体的最近30年来的状况，揭示和反映流域水体要素的发展变化趋势，并分析滦河下游河道的变化。为滦河流域的防洪、治污等河道综合治理工作提供有意义的参考信息。2 研究区域概况2.1 流域概况滦河是华北地区第二大单独入海的河流，发源于河北省丰宁满族自治县西北的巴彦古尔图山北麓，流入内蒙古自治区（称闪电河），在多

10、伦县附近，有上都河注入称大滦河，经两度曲折，转回河北省，在郭家屯附近汇小滦河后称滦河。中游穿行于燕山山地，在承德地区先后汇兴洲河、伊逊河、武烈河、鹦鹉河（热河）、柳河、瀑河等支流，在喜峰口穿过长城。下游汇青龙河，最后在乐亭县、昌黎县间分成几道细流，经过宽约50km的三角洲注入渤海湾3。滦河全长885km，干流呈东南向，横穿燕山和冀东平原，流域面积5.44万km2。流域范围见图1所示。流域多年平均降水量540mm，年径流总量47.9亿m3，相当于海河流域年径流量的1/5。流域水量分布不均，以燕山迎风坡最多，年径流深可达250mm；南部平原区降至75mm；北部则降至10mm以下3。流量的季节变化也

11、大，因夏季多暴雨，69月径流量可占年径流量3/4，最大月8月份可占全年径流量的1/4 至1/3。冬季河流封冻期较长；春季冰雪融化形成春汛。滦县水文站年均含沙量4.73kg/m3，年输沙量约2 210万t，主要来自支流武烈河、伊逊河4。滦河及其支流上已建成庙宫、潘家口、大黑汀和桃林口等4座大型水库，总库容量约43亿m3，通过这些水库拦蓄洪水，发电灌溉，为流域内及天津、秦皇岛等重要城市的工农业、生活生产发展提供供水保证5。2.2 流域面临的问题（1）河道断流，泥沙淤积。由于上游引水过度，滦河下游近10年来经常断流，失去了水流的冲刷，泥沙迅速淤积，河床已经迅速抬升，一旦出现较大洪水，必定阻碍泄洪，造

12、成巨大危害。（2）河流污染。滦河在唐山市境内全长207km，是滦河污染较为严重的河段。该河段流经迁西、迁安、滦县、滦南和乐亭5县（市），途中有清河、长河、青龙河等8条较大河流汇入，在滦县的岩山渠首分支，向东经乐亭县直接入海的老滦河，一般滦河的下游指老滦河；向南流经滦南县进入灌区的为新滦河。因该河段水质污染，导致沿岸23个村4 000余眼浅层水井有异味，各项化学物质严重超标6。分析滦河污染严重原因，主要有三条：一是自上游建设潘家口、大黑汀两大水库以来，下游滦县站年径流量从4.41亿m3降到1.50亿m3，枯水期流量更小；再加上滦河支流青龙河桃林口水库的建成，每年又减少水量0.39亿m3，这样滦河

13、全年除汛期和插秧季节能接纳上游水库补水外，其它时间内基本没有多少水流冲刷河道，河流失去了自净能力，实际上在枯水季节已经成为一条排污河。二是大量工业废水排入滦河是造成滦河污染严重的主要原因，尤其是造纸行业每年排放3.407亿t造纸废水，占工业废水排放总量的56.7%，排放化学耗氧量67 200t，占化学耗氧量排放总量的94.7%；还有选矿行业，沿岸近百座小洗选矿厂废水排放量占总排放量的28.7%。三是迁安、迁西、滦县的城镇生活污水直接排入滦河，年排放量1 亿t左右，也是造成滦河污染的主要原因之一6。3 基于DEM的流域水系提取及坡度坡向分析3.1 流域水系提取滦河流域下游水系河网发达，支流沟渠纵

14、横交错，单独利用地形数据提取河网水系会产生误提的结果，因此，本文考虑利用近年高分辨率的遥感影像数据识别滦河流域下游平原区的主要河渠分布，在此基础上，再利用地形（DEM）数据自动提取识别整个滦河流域水系的水文要素。在高分辨率遥感影像上可以比较直观地识别较大的河渠，用于滦河流域河渠提取的高分辨率遥感影像是2010年Image Earth的影像数据，分辨率为2.5m，河渠在该影像上表现为暗蓝色，共识别提取了新陡河、陡河、沙河、双龙河、青龙河、新滦河、青河、大青河、饮马河和洋河等10多条河流。为了保证平原区河流水系自动提取的正确性，将在高分辨遥感影像上提取准确的河渠信息用Agree法烧制（DEM Re

15、conditioning）到DEM上，然后从“填洼”处理开始，一直到流域水系提取，得到整个流域的水系网络和子流域分布，如图2所示。通过地形自动提取的滦河流域面积为55 306km2，与通常文献上看到的流域面积54 400km2有所出入。但由于这是通过地形由计算机自动判别流域的分水岭，应该说所提取的流域面积更为客观和准确。自动提取的滦河河长为920km，与已有文献的滦河河长885km也有差别，本文由于自动提取的河长是客观地从流域分水岭到河流入海口提取的最长水流路径，因此更能反映真实的河流长度。3.2 坡度坡向分析坡度（Slope）是指水平面与局部地表之间夹角，表示了地表面在该点的倾斜程度。由DE

16、M计算的每个像元坡度是从该像元到与其相邻的像元方向上的最大变化率来计算坡度。用高程随着像元与其相邻的8个像元之间距离的变化而产生的最大变化率来识别该像元的最陡坡降。坡向（Aspect）是指坡面法线在水平面上的正北方向的夹角，表示高度变化率最大值的方向，与坡度是一一对应的关系。坡向影响着地面光热资源等分配，决定地表径流的流向，是影响地理景观的重要因子之一。坡向为拟合平面的法线在水平面上投影的方位角，取值范围为0360，按22.5的方位角间隔由正北顺时针划分，共分为8个方位，分别为北、东北、东、东南、南、西南、西、西北。平地的栅格在输出的坡向主题中被赋值为-1。提取计算的滦河流域的坡度分布如图3所

17、示。由图3可见，滦河流域坡度在15度以上的区域主要位于滦河流域的中部。在流域的上部高原戈壁沙漠区和下部平原区大部分坡度均小于5度。提取计算的滦河流域的坡向分布如图4所示。由图4可见，滦河流域坡向以东、东南、南、西南、西向坡为主、纯北向坡较少，其中在流域下部的沿海区还有部分无坡度坡向的水平区域。4 滦河流域上游泡子、淖尔等湖泊水体近30年来的发展变化趋势分析4.1 滦河流域上游区泡子、淖尔等湖泊的数量及其分布根据2000年遥感解译资料滦河流域上游区较大泡子、淖尔等湖泊的数量约有17个，主要分布在滦河上游的一些支流上（见图5），其中闪电河的上游主要分布有库伦淖尔、水泉淖尔和公鸡淖尔等；慧温郭勒河的

18、上游主要分布有伊和浩来图淖日、巴嘎浩力图诺尔、果日邦沼特我苏、扎嘎苏台淖日、洪图诺尔、巴嘎淖日、巴彦诺日、哈根诺尔和达古图淖日等；土力根河的上游主要分布有扣根泡子、黄花泡子、大泡子、双泡子和六号泡子等。4.2 泡子、淖尔等湖泊水体近30 年来的变化趋势利用近30年来的历史存档遥感数据分析滦河上游区泡子、淖尔等湖泊水体近30年来的发展变化趋势，共收集了从19752012年共12个年次的遥感影像数据，遥感数据的时间大都选择在59月份成像时间较好的时间段，水体植被等地物反映明显，具有季节上对比的一致性。具体遥感数据的时间及影像类型如表1所示。通过对遥感影像的几何精纠正，图像水体的增强及滤波，通过计算

19、机自动解译辅以人工校正，提取得到滦河上游泡子、淖尔等湖泊水体的水面面积。统计分析得到滦河上游区泡子、淖尔等湖泊水体12个年次总水面面积变化过程，并与离这些湖泊最近的位于多伦县的水文站点近30年来年降水量的变化过程进行对比分析（见图6）。由图6可见，滦河上游区泡子、淖尔等的湖泊总面积从19752000年总体趋势处于一个缓慢增长的过程，但从2000年以后，滦河上游区泡子、淖尔等的湖泊总面积处于减少的发展变化趋势，到2012 年，湖泊总面积从2000 年的32.22km2 已经减少为21.41km2，湖泊总面积减少十多平方公里。总体变化趋势与近十几年来的降水量减少一致，但由于泡子、淖尔等湖泊水域受工

20、农业、生活生产等取水的影响，在局部又与降水的变化有差别。4.3 水域面积发生显著变化的泡子、淖尔从近30年来12个年次的遥感影像上游区泡子、淖尔等湖泊水体提取结果看，水面面积发生典型变化的主要有闪电河上游的公鸡淖尔；土力根河上游的黄花泡子等。从19752012年对闪电河上游的公鸡淖尔的遥感影像水体提取结果看（见图7），公鸡淖尔的水域面积从20世纪80年代初的近4km2一直呈下降趋势，到2007年以后水域范围消失，即公鸡淖尔2007年以后基本干涸。从19752012年对土力根河上游的黄花泡子的遥感影像水体提取结果看（见图8），黄花泡子从19752004年一直呈快速下降趋势，从1975年的0.17

21、km2到2004年以后水域面积已变为零，即该泡子已干涸消失。5 滦河下游河道及河滩变化分析为了分析滦河下游河道及河滩近20年来的变化情况，选择1990年和2010年两个时期的遥感影像进行对比分析，范围为滦河的滦县以下到滦河的入海口，两个时期的遥感图像如图9、图10所示。从两图对比可见，整体上滦河下游河道变化不大，但河道中的水量1990年比2010年要大。1990年影像反映滦河下游滦县以下河道并未断流、仍有水量下泄，但到2010年影像滦河下游河道几乎已干涸、河道淤积严重、河道几乎完全变为河滩地。从两图中1-1、2-2、3-3三个断面位置的遥感影像对比看，2010年滦河下游河道滩地比1990年已变

22、窄，部分河道滩地已成为农田或为植被覆盖、滦河上游来水变小、导致下游河道几乎断流，河滩地侵占较严重。从1-1断面看，1990年河道宽度约为600m，其中有水面的河宽约380m，2010年时河道宽度约为250m，已无河道水面，全变为河滩地；从2-2断面看，1990年河道宽度约为2 450m，其中有水面的河宽约400m，2010年时河道宽度约为1 100m，其中河道水面宽度约90m，相比于1990年，在该断面有近1 300m宽的河滩地已开垦为庄稼地或林地；在3-3断面，1990年河道宽度约为1 700m，其中有水面的河宽约410m，2010年时河道宽度约为810m，其中河道水面宽度约200m，相比于

23、1990年，在该断面有近900m宽的河滩地已开垦为庄稼地或林地。因此，从这3个断面对比分析看，由于滦河下游河道近乎断流，河滩地存在被开垦和开发的现象。6 结语本文从遥感和地理空间分析的角度提取分析了滦河流域的水系水体等要素，从一个方面反映了滦河流域近几十年来这些要素的发展变化。滦河流域的地形地貌确定了流域水系要素的发育规律，因此基于DEM提取的流域水系是客观和准确的；滦河流域上游区近30年来的遥感影像揭示了泡子、淖尔等湖泊水体要素的发展变化趋势，与近几十年来相应地区的降水量对比看，其具有一定的相关性，但不完全受降水因素的影响。滦河流域上游区泡子、淖尔等湖泊水体的总体变化趋势是水域面积朝减小的趋

24、势发展，并且有部分泡子、淖尔等已处于干涸消亡状态。从滦河下游河道及河滩近20年来的遥感影像对比看，滦河下游河道水量急剧减少、近乎干涸，河道淤积、沙化严重，并且大量河滩地已开垦为庄稼地或林地等，满足河流健康的水生态环境等已经得不到保证，势必引起河道排污不力、泄洪不畅等有关方面的问题，给滦河下游河道两岸居民的生活、生产等造成严重的危害。当前滦河流域所面临的问题是我国北方地区大部分河流所处的现状，河道断流、河床沙化、淤积严重，更有开垦、侵占河滩地，河道成了排污、滞污的场所，所有这些问题不仅仅与气候条件相关、更是与人类活动及其经济社会的快速发展紧密相连。为了经济的发展而牺牲河流的生态环境健康是得不偿失

25、的，对于人类赖以生存的地球，河流犹如其身上输送血液的血管，一旦这些血管、淤积、堵塞或无水可流，势必导致非常严重的后果。因此加快北方河流的综合治理、规范无序的开垦、适当限制过度的开发、注意开源节流，保证河流健康的生态环境用水，才是经济社会可持续发展的基本保证。参考文献： 1 罗健，郝振纯. 我国北方干旱的时空分布特征分析J. 河海大学学报，2001，9（4）：61-66 . 2 Bari M A，Smettem K R J，Sivapalan M . Understanding changes in annual runoff following land use changes：A syste

26、matic data based approachJ. Hydrological Processes，2005（19）：2463-2479 . 3 Li Jianzhu，Feng Ping . Runoff variations in the Luan River Basin during 19562002J. Journal of Geographical Sciences，2007（1）：339-350 . 4 李杰，谭国明，杨庆红，等. 滦河流域19652008年气候变化特征及对水资源的影响J. 沙漠与绿洲气象，2011，5（3）：47-50 . 5 陈志凡，王晓岚，赵芳敏，等. 人类活动对滦河源区湿地土壤植物系统的影响分析J. 北京师范大学学报，2003，39（6）：829-834 . 6 刘伟，王秀兰，罗阳. 滦河流域水资源质量状况及开发利用对策J. 海河水利，2009（3）：15-18 .作者简介：丁志雄（1976-），男，江西南城人，高级工程师，博士，主要从事3S技术水利应用研究。