（自然地理学专业论文）基于水深遥感的长江口北港冲淤演变分析.pdf

南京师范大学硕士研究生毕业论文中文摘要 中文摘要 长江河口三级分汉，四口入海，北港是第二级分汊的北汉道，是长江入海的主要通道之一。 几十年来对其研究不多，随着近儿年北港开发潜力日趋显露和一些重大工程的实施，需要对北 港的水文、泥沙、河势演变等方面有一个全面的了解。本文在国家自然科学基金重点项目长 江流域调水等工程对河口环境的影响及对策( 5 0 3 3 9 0 1 0 ) 资助下，在前人研究的基础上，结合 近半个世纪的水下地形资料和水文资料，对北港主槽进行研究。由于缺少9 0 年代海图资料，本 研究利用遥感测深模型反演出1 9 9 7 年水下地形图，较好地满足了研究的需要。 本文首先阐述了水深遥感的机理与方法，对遥感数据进行预处理：通过分析影像光谱值和 实测水深值的相关性，建立多因子非线性反演模型，并应用于同一地区不同时间的遥感影像进 行水深反演，其结果可作为分析河口地区水下地形变化资料来源的补充。 然后，利用g i s 和d e m 技术手段，将定性描述与定量计算相结合，对北港河道演变进行研 究，内容包括：河道特征演变分析、主要沙体迁移变化分析、主槽容积变化分析、河道冲淤演 变分析、断面变化分析；洪水过程、长江上游水土保持重点防治工程、南水北调以及三峡： 程 等对北港河势的影响。 关键词：长江1 2 1 ；北港：水深遥感；水下地形；d e m ；冲淤变化 南京师范大学硕士研究生毕业论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea r et h r e e - o r d e rb i f u r c a t i o n sa n df o u ro u t l e t si n t ot h es e ai nt h ey a n g t z ee s t u a r y , a n dt h e n o r t hc h a n n e l i so n eo f t h es e c o n do r d e rb i f u r c a t i o n s i ti so n eo f t h em a i nc h a n n e l si n t ot h es e at h e r e i sal i t t l es t u d yf o rt h en o r t hc h a n n e li nt h ep a s t2 0y e a r s w i t hn o r t hc h a n n e lh a sp r e s e n t e dm o r e e f f e c ts i n c ep a s ts e v e r a ly e a r s ，w en e e dt ok n o wm o r ea b o u tr i v e rr u n o f f 、s e d i m e n ta n de s t u a r yc h a n n e l p r o c e s si nn o r t hc h a n n e l b a s e do nt h ei m p o r t a n ti t e mo fn a t i o nn a t u r a ls c i e n c ef u n d “t h e 虎c 坫a n d c o u n t e r m e a s u r e so ft h ew a t e rt r a n s f e 7p r o j e c t se t c0 nt h ee s t u a r i n ee n v i r o n m e n ti nt h ey a n g t z e e s t u a r y ( 5 0 3 3 9 0 1 0 ) ，t h ep a p e rr e s e a r c hm a i nc h a n n e lo fn o r t hc h a n n e lw i t hw a t e rd a t aa n d u n d e r w a t e rt e r r a i n f o rl a c ko fc h a r t si nt h e9 0 s ，t h es t u d yr e t r i e v et h ew a t e r - d e p t hm a po f1 9 9 7u s i n g w a t e r - d e p t hr e t r i e v a lm o d e l s f i r s t ，t h ep a p e re x p a t i a t et h e o r ya n dm e t h o do fw a t e rd e p t hr e m o t es e n s i n g ，t r a n s a c ti m a g e si n a d v a n c e t h ep a p e rg e tn o n l i n e a rr e t r i e v a lm o d e lt or e t r i e v et h ew a t e r - d e p t hm a pa n dt h e r ea r es o m e c o g n i t i o n sa f t e ra n a l y z i n g ：t h em e t h o dc a nb eu s e dt oa n o t h e ri m a g e ，t h er e s u l tp r e s e n t st h a te x t r a c t w a t e rd e p t hb yt h i sm e t h o di sf e a s i b l ea n du n i v e r s a l s e c o n d ，t h ea n a l y s i sf o rt h ec h a n g e so f t h ec r o s ss e c t i o n s ，c o n t o u r s ，e r o s i o n - s i l t a t i o na n dv o l u m e s o fr i v e rc h a n n e lw e r em a d ea c c o r d i n gt ot h et o o lo fg i sa n dd e m t h ep r o c e s so ft h en o r t hc h a n n e l m o r p h o l o g yw a si l l u s t r a t e da n dt h er e a s o no f t h ee v o l u t i o nw a sa n a l y z e ds u m m a r i l y a l o n gw i t ht h e d e c r e a s i n go f s e d i m e n td i s c h a r g i n g ，t h eu n d e r w a t e rb a ra r ee r o d i n ga n dt h ec h a n n e lv o l u m ei sg r o w i n g i nn o r t hc h a n n e l ；t h ei n f l u e n c eo ft h ef l o o da n dt h eh y d r o e n g i n e e r i n gp r o j e c t si nt h ed r a i n a g eb a s i n s u c ha s t h r e e g o r g e sp r o j e c ta n dt h e s o u t h - t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c ti s i m p o r t a n tt o t h e e v o l u t i o no f n o r t hc h a n n e l k e y w o r d s ：y a n g t z ee s t u a r y ，n o r t hc h a n n e l ，w a t e rd e p t hr e m o t es e n s i n g ，u n d e r w a t e rt e r r a i n d e m ，c h a n g ed u et oe r o s i o na n dd e p o s i t i o n i i 果。 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已 经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示丁， 谢意。 作者签名：幺盈 日 期：五鲤垄：上z 占 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有 权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和 纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有 权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本 规定。 作者签名 日期 旋盘 豇缸。，! 南京师范大学硕士研究生毕业论文第一章 前言 1 1 研究目的和意义 第一章前言 河1 3 海岸带是岩石圈、大气圈、水圈和生物圈四大圈层的交汇地带，是陆海相互作用中能 量、物质的汇聚和辐散区，对各种变化因素反应敏感。海岸带作为海洋和陆地相接的特殊地带， 资源丰富，交通便利，自古以来就是人类频繁活动的区域。 长江口是我国最大的河口，是自然因素和社会因素较为复杂的河口。长江口地区区值优势 通江达海，成为长江流域经济带和沿江经济带的交汇点。丰富的水土资源和温润的气候为长江 口区提供了优越的自然条件，水源、能源、交通、人口、城市、产业、财富富集，成为当今我 国社会经济发展率先进入现代化最有希望的地区之一。目前，长江口地区水利、航运大力发展， 促淤工程、水利工程也在蓬勃兴建。无论是航道的选择，港口的建设，还是促淤工程及沿江水 利工程的兴建，一个很重要的前提工作是进行河势分析。通过河势分析可以为工程提供两方面 的参考，一是在特定的河势条件下是否适合建工程，河势的变化是否会给工程带来不利的影响； 二是工程建成后是否会对周边的河势以及环境带来负面的影响。 长江口北港是长江河口第二级分汉的北汉道，是长江主要的入海通道之一。近几十年来， 长江口开发治理的重点集中在南港北槽，对北港研究不多，随着近几年北港开发潜力日趋显露 和一些重大工程的实施，如沪崇苏越江通道工程、横沙东滩成陆区北侧堤工程、北港1 3 北沙的 促淤工程等，都需要对北港的水文、泥沙、河势演变等方面有一个全面的了解。本文主要就北 港主槽( 堡镇团结沙水闸) 近4 0 年来的河势变化作初步分析，这对加深长江口演变规律的认识， 及对北港的开发治理、工程规划、航道选择都能有所裨益。 实测、长时间序列的水下地形图是进行河势分析必备的数据资料，而实测水深数据往往需 要花费大量的人力物力，且测量区域范围有限，周期长，受自然条件影响大。因此河势分析时 遇到缺乏实测数据也是无能为力。随着遥感技术的发展，人们发现了遥感影像信息同浅水水深 的相关关系，并将遥感技术应用于水深测量。由于卫星图像具有覆盖面广、获取方便、时间选 择灵活、费用低等优点，因而在获取浅水水深信息方面逐渐显示出较大的优势。 因此，本文结合水深遥感开展北港河段分析研究，不仅具有理论意义，也具有较强的实际 应用价值。 南京师范大学硕士研究生毕业论文第一章前言 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水深遥感研究现状 早在6 0 年代末，美国密执安环境研究所的一个研究小组就开始从事遥感测深的研究。自 1 9 7 2 年第一颗陆地卫星发射以来，一些学者又相继开展了用卫星多光谱遥感数据提取水深的研 究。p o i c y n 等( 1 9 7 3 ) 提出了水深的定量分析方法：l y g e n g a ( 1 9 7 8 、1 9 8 1 ) 】针对利用波段 比值算法计算水深的不足，提出了一种新的计算水深和获取水体底质信息的方法，由此计算出 相对水深值，可以通过实际水深值的校正得出绝对水深，经过研究表明，该方法受实际水深测 量值误差的影响比其他方法小，具有实际可操作性；d i r k s ( 1 9 8 7 ) 1 4 提出了利用卫星遥感图像进行 海岸地区水深制图；m g e n g e l 等( 1 9 9 1 ) 根据这一方法，利用t m 图像对荷兰近海岸水域进行了多 时相水深测图，取得了令人满意的效果：s p i t z e r 等( 1 9 8 7 ) 【6 j 基于取向流辐射传输模式，提出了几种 水深反演算法和底质组成算法，并将这些算法应用到不同的卫星遥感图像上；w e ij i ( 1 9 9 2 ) 等”1 提出了一种遥感反演水下地形的新机理，即基于水体后向散射的水深反演模型，该模型是针对 水底后向散射机理而提出，可用于反演深水和水质较混浊水域的水深情况；b i e r w i r t h - 等( 1 9 9 3 ) 1 8 1 提出了一种新的计算水体底部反射率方法，主要是利用原始遥感资料和水体衰减系数来获得相 应输入波段的水体底部反射率和水深信息，他们还用该方法计算了澳大利亚西部s h a r k 海湾 h a m e l i np o o l 地区水体底部反射率和水深，试验表明，该方法可有效地消除水深变化对水体底部 反射率的影响；t r i p a t h i 等( 2 0 0 2 ) 1 9 铡用i r s 一1 dl i s s i i i 卫星遥感资料对印度k a k i n a d a 海湾的水下 地形进行了反演，建立了多种水深反演模型。 国内从8 0 年代开始，在遥感测深方面也不断有研究成果发表。平仲i 皂( 1 9 8 2 ) t ”1 利用海水的 透射率、后向散射系数、海底反射率与海面反射率之间的关系，通过计算得出海面反射率随海 水深度变化的关系：李铁芳等( 1 9 9 1 ) i l l l 以渤海海峡、闽江口、瓯江口及珠江口附近海域为实验 研究区，建立了水深信息提取模型，认为可以成为常规方法的补充手段；张鹰、张东等( 1 9 9 7 ，1 9 9 8 ) 1 2 - 15 1 专门探讨了遥感测深的可能性，并在遥感测深方法研究方面做了大量的工作，提出了一些 水深反演模型，并将这些模型应用到实际工程中，取得了较好的效果，他们还针对影响水深反 演的因素，提出了“水深综合影响因子，这一概念：t 贤荣等( 1 9 9 7 ) 1 1 6 - 1 7 1 以长江口北支为研究区， 利用l a n d s a tt m 遥感资料，结合图像处理和地理信息系统技术，研究了获取大面积水域水下地 形空间信息的方法：党：瞅( 2 0 0 1 ，2 0 0 3 ) 【1 。1 9 姐过对t m 多波段数据进行辐射校正、对水深值 进行潮汐改正和引入底质类型分区算法，建立了我国南海岛礁的浅海水深反演模型，试验证明， 2 南京师范大学硕士研究生毕业论文 第一章前言 划分底质类型可以提高模型的水深反演精度：黄家柱等( 2 0 0 2 ) 1 2 0 1 利用t m 2 和t m 4 波段建立了 长江南通河段水深遥感模型，指出利用t m 数据对含沙量较高的长江河口段浅水水深进行探测 具有一定的效果：陈鸣等( 2 0 0 3 ) 2 1 1 建立了长江口水深遥感的分段模型，并利用分段模型对氏江 口水深进行反演，取得了较好的效果；于瑞宏等( 2 0 0 5 ) 以乌梁素海为研究区，建立了特定波 段组合因子和湖区实测水深值之间的线性和对数模型，试验表明线性模型效果最好。 1 2 2g i s 冲淤分析及北港研究现状 近年来随着g i s 和d e m 技术的发展，其在河道河势演变分析中得到了广泛的应用，使河床 演变的研究从定性分析逐步发展到定量计算：赵庚星等( 1 9 9 7 ) 2 3 1 以r s 和g i s 技术研究了黄 河口1 9 8 6 年5 月至1 9 9 6 年1 0 月淤积侵蚀的面积的变化：李恒鹏等( 2 0 0 1 ) 1 2 4 姬对野外滩地长 期水准详细资料，利用g i s 产生潮滩高程坡度、侵蚀与堆积分布图，并获取测点所在位置的高 程、坡度和侵蚀量；吴华林等( 2 0 0 2 ) 依据1 8 4 2 1 9 9 7 年1 0 幅不同年代的长江口海图资料，利 用g i s 建立不同时期的长江口水下d e m ，以此实现了从横剖面、深泓线纵剖面、平面变化等不 同角度对长江口拦门沙地区滩槽演变、岸线侵蚀、沙岛形成与变迁等进行研究，通过计算河槽 容积，实现了对不同时段泥沙冲淤量的计算；李茂田等( 2 0 0 4 ) 2 6 利用g i s 与d e m 技术，模 拟了4 0 年来长江九江段的冲淤过程，分析了0 m 等深线、纵横剖面和冲淤变化；李鹏等( 2 0 0 5 ) f 2 7 1 利用1 9 8 4 2 0 0 4 年4 幅长江口外高桥新港区岸段的海图资料，采用g i s 进行处理，建立不同 时期此岸段的水下地形高程模型，并定量计算新港区河槽的冲淤变化。 对于长江口北港的历史研究，陈吉余等( 1 9 8 0 ) 2 8 1 对北港主槽、上r n 通道、拦门沙河段及 新桥水道四个部分进行了详尽分析，并对北港开发航道的前景和治理提出了意见；徐海根等在 崇明岛水下地貌调查中对分流1 ：3 汉道和北港水道的变化作了详细描述：在上海市海岛资 料调查和海岸带调查的报告中也对北港的情况作了扼要的介绍【”1 。n 上t l 纪8 0 年代，北港已 经从一个单一河槽发展为复式河槽。9 0 年代以后，对北港开展的系统研究就比较少了。南北港 分流1 2 1 汉道的变化一直是长江口研究和治理中的一个关键问题，分流1 2 1 的变化对南北港的演变 有深刻的影响。就北港而言，上口通道经历了崇明水道、中央沙北水道、南北通道和新桥通道 这几个时期。有关南北港分汉的研究较多，陈吉余( 1 9 7 9 、1 9 8 8 ) 1 2 83 0 】、黄盛( 1 9 8 6 ) 、钟 修成( 1 9 8 5 ) 3 2 1 、贺松林( 2 0 0 0 ) 3 3 1 、巩彩兰( 2 0 0 2 ) 1 3 4 1 、陈志昌( 2 0 0 5 ) 3 5 峰通过研究，得 出分流口变化的一般规律是：老通道衰亡水流不顺水位差及横比降增大一过滩水流增大一发育新 嫡道。 南京师范大学硕士研究生毕业论文第一章前言 1 3 本文研究思路及内容 图1 - 1 技术路线 本文基于国家自然科学基金重点项目，选择长江口北港主槽为研究区，选取1 9 6 4 、1 9 7 3 、 1 9 8 2 、1 9 8 7 、2 0 0 2 年实测水下地形图和1 9 9 7 、2 0 0 2 年遥感影像，利用2 0 0 2 年水深值和水体光 谱值之间的相关性，建立多因子非线性水深反演模型，经过独立样本检验后反演出1 9 9 7 年水下 地形图，然后建立6 个年份近4 0 年时间序列的d e m ，将d e m 进行叠合分析，进行北港河势变 化及影响因素研究。其技术路线见图1 1 本研究的主要内容包括： ( 1 ) 通过分析遥感图像光谱反射率和实测水下地形资料的相关性，建立两者之间的多因子 非线性模型，以提高水深反演模型的精度。 ( 2 )将水深遥感模型应用于同地区不同时间的遥感影像中，反演出该时相河道水深，把 南京师范大学硕士研究生毕业论文 第一章前言 其结果作为河口地区水下地形变化分析的补充。 ( 3 )以g i s 和d e m 技术为手段，将定性描述与定量计算相结合，较系统地对长江口北港 主槽近4 0 年河势演变进行了专题研究，主要有以一f j l 个方面：河道特征演变分析、主要沙体迁 移变化分析、主槽容积变化分析、河道冲淤演变分析、断面变化分析。 ( 4 ) 分析洪水造床的关键作用，以及长治工程、三峡工程、南水北调工程、上游其他水电 站工程等人类活动对北港河道演变的影响。 参考文献： 1 p o l c y nf c ，a n dl y z e n g ad rc a l c u l a t i o n so f w a t e rd e p t hf r o me r t s - m s sd a t a a s y m p o s i u m o f s i g n i f i c a n tr e s u t t sf r o me r t s - 1 c 】n a s as p e c ，p u n s p 一3 2 71 9 7 3 ：1 4 3 3 - 1 4 3 6 【2 】l y z e n g ad r p a s s i v er e m o t es e n s i n gt e c h n i q u e sf o rm a p p i n gw a t e rd e p t ha n db o t t o mf e a t u r e s j a p p l i e do p t i c s ，1 9 7 8 ，1 7 ( 3 ) ：3 7 9 3 8 3 【3 】l y z e n g adrr e m o t es e n s i n go f b o t t o mr e f l e c t a n c ea n dw a t e ra t t e n u a t i o np a r a m e t e r si ns h a l l o w w a t e r u s i n ga i r c r a f t a n d l a n d s a t d a t a j i n t j r e m o t es e n s i n g ，1 9 8 1 ，2 ( 1 ) ：7 1 8 2 4 d i r k sas h a l l o ws e a - f l o o rr e f l e c t a n c ea n dw a t e rd e p t hd e r i v e db yu n m i x i n gm u l t i s p e c t r a li m a g e r y j 1 p h o t o g r a m m e t r i ce n g i n e e r i n g & r e m o t es e n s i n g ，1 9 8 7 ，5 9 ( 2 ) ：2 2 1 - 2 2 8 【5 】m g e n g e lv ，s p i t z e rrj a p p l i c a t i o no fr e m o t es e n s i n gd a t at om a p i n go fs h a l l o ws e a f l o o rn e a r b yn e t h e r l a n d s j 】i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f r e m o t es e n s i n g ，1 9 9 1 ，7 ：4 7 3 - 4 7 9 6 s p i t z e r ，d ，& d i r k s ，r w j b o t t o mi n f l u e n c eo nt h er e f l e c t a n c eo ft h es e a j i n t e r n a t i o n a l j o u r n a lo f r e m o t es e n s i n g 1 9 8 7 ，8 ：2 7 9 - 2 9 0 【7 】w e ij e t c s a t e l l i t er e m o t eb a t h y m e t r y ：an e wm e c h a n i s mf o rm o d e l i n g j p h o t o g r a m m e t r i c e n g i n e e r i n g & r e m o t es e n s i n g 1 9 9 2 ，5 8 ( 5 ) ：5 4 5 - 5 4 9 8 b i e r w i r t h ，e n ，l e e ，t j s h a l l o ws e a n o o rr e f l e c t a n c ea n dw a t e rd e p t hd e r i v eb yu n m i x i n g m u l t i s p e c t r a li m a g e r y j p h o t o g r a m m e t r i ce n g i n e e r i n g & r e m o t es e n s i n g ，1 9 9 3 ，5 9 ：3 3 1 3 3 8 9 】nk t f i p a t h i ，a m r a o b a t h y m e t r i cm a p p i n gi nk a k i n a d ab a y ，i n d i a ，u s i n gr s - i dl i s s i l l d a t a j i n t e r n a t i o n a lj o u r n a lo f r e m o t es e n s i n g2 0 0 2 ，2 3 ( 6 ) ：1 0 1 3 1 0 2 5 【l o 】平仲良可见光遥感测深的数学模型【j 海洋与湖沼1 9 8 2 ，1 3 ( 3 ) ：2 2 5 - 2 2 9 【1 1 】李铁芳等浅海水下地形地貌遥感信息提取与应用 j 】环境遥感，1 9 9 1 ，6 ( 1 ) ：2 2 2 9 1 2 】张鹰，丁贤荣丁坚利用r s + g i s 量测水深的可能性河海大学学报( 自然科学版) ，1 9 9 7 ，2 5 ( 2 ) ：3 4 3 8 【1 3 】张鹰，丁贤荣，王文水深遥感与潮滩地形冲淤变化分析中国港湾建设，1 9 9 8 ( 2 ) ：2 6 3 0 1 4 张鹰，王文，丁贤荣g i s 在海岸工程规划设计中的应用河海大学学报( 自然科学版) ，1 9 9 8 ，2 6 南京师范大学硕士研究生毕业论文 第一章前言 ( 4 ) ：1 0 3 - 1 0 6 1 5 】张鹰水深遥感方法研究河海大学学报( 自然科学版) ，1 9 9 8 ，2 6 ( 2 ) ：6 8 - 7 2 1 6 】丁贤荣，张鹰，王文同相水深辐射关系率定河海大学学报( 自然科学版) ，1 9 9 8 ，2 6 ( 6 ) ：7 3 7 6 1 7 】丁贤荣，张鹰，黄志良长江口北支水下地形遥感测量研究中国港湾建设，1 9 9 7 ( 4 ) ：6 - 1 0 【1 8 】党福星，丁谦多光谱浅海水深提取方法研究【j 国土资源遥感2 0 0 1 ，4 ：5 3 - 5 8 1 9 党福星，丁谦利用多波段卫星数据进行浅海水深反演方法研究 j 】海洋通报，2 0 0 3 ，2 2 ( 3 ) ： 5 5 - 5 9 2 0 】黄家柱，尤玉明长江南通河段卫星遥感水深探测试验 j 水利科学进展，2 0 0 2 ，1 3 ( 2 ) ： 2 3 5 - 2 3 8 2 1 陈鸣，李士鸿，孔庆芬卫星遥感长江口水域水深 j 水利水运： 程学报，2 0 0 3 ，2 ：6 1 - 6 4 2 2 于瑞宏，刘廷玺等干旱区草型湖泊悬浮固体浓度及水深的遥感与分析【j 】水利学 报2 0 0 5 ，3 6 ( 7 ) ：8 5 3 8 6 2 【2 3 】赵庚星，张万清等g i s 支持下的黄河口近期淤、蚀动态研究【j 】地理科学，1 9 9 9 ，1 9 ( 5 ) ： 4 4 2 4 4 5 【2 4 李恒鹏，杨桂山基于g i s 的淤泥质潮滩侵蚀堆积空间分析 j 】地理学报，2 0 0 1 ，5 6 ( 3 ) ： 2 7 8 2 8 6 2 5 吴华林，沈焕庭等g i s 支持下的长江口拦门沙泥沙冲淤定量计算 j 海洋学报，2 0 0 2 ，2 4 ( 2 ) ： 8 4 9 3 ( 2 6 李茂田，于霞等4 0 年来长江九江河段河道演变及其趋势预测【j 】地理科学，2 0 0 4 ，2 4 ( 1 ) ： 7 6 - 8 2 【2 7 】李鹏，杨世伦等长江口外高桥新港区岸段河槽冲淤g i s 分析 j 】地理与地理信息科学，2 0 0 5 ， 2 1 ( 4 ) ：2 4 2 7 2 8 陈吉余，潘定安，苏法崇等长江口北港河槽演变分析见：陈吉余等编著长江河口动力过程 和地貌演变【m 】上海：上海科学技术出版社1 9 8 8 ，3 9 4 - 4 0 3 2 9 】上海市海岛资源综合调查报告【m 】上海：上海科学技术出版社，1 9 9 6 ，7 3 - 7 5 【3 0 陈吉余，恽才兴，徐海根等两千年来长江口的发育模式【j 】海洋学报，1 9 7 9 ，1 ( 1 ) ：1 0 3 - 1 1 1 【3 1 】黄胜长江口演变特征 j 】泥沙研究，1 9 8 6 ，( 4 ) ：l 一1 1 3 2 钟修成长江口南北港分汉口与汉道演变及其相互影响 j 地理学报，1 9 8 5 ，4 0 ( 0 ：5 1 - 5 9 3 3 】贺松林长江河口下段分汉1 2 1 的组构模式 j 】海洋学报，2 0 0 0 ，2 2 ( 1 ) ：8 4 9 2 【3 4 】巩彩兰，恽才兴应用地理信息系统研究长江口南港底沙运动规律【j 水利学报，2 0 0 2 ，( 4 ) ： 1 8 2 2 【3 5 陈。- ：日e i ，罗小峰长江口南港及南北槽分汉口河床形态特征研究 j 】水利水运工程学报，2 0 0 5 ， ( 4 ) ：1 5 6 南京师范大学硕士研究生毕业论文第二章研究区概况 第二章研究区概况 2 1 区域自然环境概况 长江口是有规律的分汉河口。在径流和潮流的相互作用下，自徐六泾以下形成三级分汉、 四口入海的格局。长江口北港水道位于崇明岛和长兴岛及横沙岛之间( 图2 - 1 ) ，河段全长约2 6 k i n 。 长江口北港底沙活动频繁，引起河床剧烈演变，对航道淤浅、港口码头建设等产生不同程度的 影响。 图2 1研究区位置示意图 长江口地处副热带季风气候区，四季分明，日照充分，雨量充沛，气温具有明显的季节变 化。夏半年气候湿润温热，冬半年天气干燥冷凉，最低、最高气温出现在1 月和8 月，上海市 年平均气温为1 6 1 7 0 c ，1 月平均气温3 5 0 c ，7 月2 78o c ，日照1 9 2 9 6 小时，年平均降水量为 1 1 2 5 m m 左右。 长江口区风向季节性变化十分明显，夏季盛行偏南风，冬季盛行偏北风，春秋季为过渡季节， 全年以偏北风最多，风向n n w - n - n n e ，三个风向频率为3 0 ，其次是偏东南风，西南偏西北 风向出现频率最少”l 。影响长江口的灾害天气主要是台风和寒潮。冬季和初春，冷空气南下频繁， 常伴有北和西北大风，最大风速可达2 4 m s 以上，平均每年约有3 7 天，夏秋季经常受到台风侵 袭，据统计，在1 9 8 0 1 9 9 6 年间，受台风的影响共出现了6 2 次大风过程，平均每年3 , 6 次，集 中在7 、8 、9 三个月。在1 7 年6 2 次台风中，平均风力6 7 级占5 5 ，8 - 9 级占3 7 ，仅有5 次 平均风力三1 0 级，风向以偏北风( 包括n n w 和n n e ) 居多，占5 2 ，偏东风和南风分别占2 7 和1 5 。冬季西北风为离岸风，对北港影响较小，而夏秋时节的台风影响较大，特别是东南偏 东向的台风浪，对边滩的冲刷作用十分显著。 7 南京师范大学硕士研究生毕业论文 第二章研究区概况 2 2 水文特征 2 2 1 水流、泥沙 根据大通水文站( 枯季潮区界，离口门约6 4 0 k m ) 多年实测水文资料统计，长江进入河口 区的多年平均( 1 9 5 0 2 0 0 0 年) 径流总量为9 0 5 l 1 0 8 m 3 ，多年平均流量2 8 7 0 0 m 3 s ，多年平均 洪峰流量5 6 2 0 0m 3 s ，最大洪峰流量9 2 6 0 0m 3 s ( 1 9 5 4 年8 月1 日) ，最小枯水流量4 6 2 0m 3 s ( 1 9 7 9 年1 月3 1 日) 。长江口南北支的径流分配极不均匀，进入北支的径流量很少，大潮期甚 至出现海水由北支倒灌进入南支的现象。在北支的水动力环境中，潮汐作用占绝对优势，因此， 长江的径流主要通过南支经北港和南港下泄，在北港的水动力环境中，径流则占主导地位。 由长江进入河口区的多年平均( 1 9 5 i - 2 0 0 0 年) 悬沙输沙总量为4 2 4 5 1 0 8 t ，多年平均输沙 率1 3 4 5 3 k g s ，多年平均含沙量o4 8 6 k g m 3 ，最大年输沙量和最大输沙率分别为6 7 8 1 0 8 t ( 1 9 6 4 年) 和1 5 0 0 0 0 k g s ( 1 9 7 5 年8 月1 8 日) 。 由水文统计资料可见，长江河口区的来水、来沙年际分配极不均匀，年内分配也是极不平 衡：5 1 0 月为洪季，6 个月的输水量及输沙量分别占全年的7 11 和8 74 ( 其中7 、8 、9 三个 月份分别占全年的3 9 7 和5 2 9 ) ；1 1 月至翌年4 月为枯季，其输水量及输沙量分别占全年的 2 8 9 和1 3 6 ：7 月份为输水、输沙高峰季节，其流量及沙量分别占全年的1 4 和2 1 ；1 月 份为输水、输沙量最小月份，其流量和沙量分别占全年的3 2 和07 。 2 2 2 潮汐、波浪2 。4 长江口口外潮汐属于正规半日潮，一个涨落潮过程周期时间为1 2 h 2 4 m i n ，潮波进入长江以 后，由于水深变浅，加上径流作用逐步发生变形而成为非正规半日潮。潮波形式表现为以前进 波为主的混合波，涨落潮最大流速的位相在高潮位与低潮位前1 5 - 2o h 。潮差从口门向口内逐渐 减小( 除北支外) ，涨潮历时缩短，落潮历时延长。长江口外存在两个不同性质的潮波系统。即 东海的前进波系统和黄海的旋转波系统，影响长江口的主要是东海前进潮波系统( 源出于西南 太平洋) ，其主要半日分潮m 2 在长江口南支口门附近的传播方向为3 0 5 。，流态为顺时针方向的 旋转流( s w w n w n n e e s e s ) ，进入口门以后，潮流基本上与河槽一致，水流 呈往复运动性质，往复流与旋转流的分界线大致在1 2 2 0 e 附近。 北港的潮汐具有长江口潮汐的一般特性，北港堡镇站的年平均潮差2 4 5 m ，最大年平均潮差 南京师范大学硕士研究生毕业论文 第二章研究区概况 2 6 l m ( 1 9 7 8 年) ，最小为2 3 3 m ( 1 9 7 0 年) ，最高高潮位出现在1 9 8 1 年9 月1 日，为潮位基准 面以上5 6 7 m ，晟低低潮位出现于1 9 6 9 年4 月5 日，为潮位基准面以下0 4 3 m 。 根据1 9 9 8 年2 月的北港共青圩、六激、南门、堡镇四站的潮位资料( 表2 - 1 ) 显示，潮差 表2 - 11 9 9 8 年2 月北港各水文测站涨落潮潮差( m ) 站名小潮涨潮差小落涨潮差大潮涨潮差大落涨潮差月平均潮差 共青圩 1 5 51 2 23 6 23 7 324 8 六激 1 1 90 9 93 6 13 4 02 3 8 堡镇 1 4 3l0 43 9 43 8 72 3 9 南门 1 4 51 1 l3 5 73 7 423 5 由口门向口内逐渐减小，靠近口门的共青圩潮差最大，最上游的南门站潮差最小，与长江口潮 波传播规律一致。表2 1 也显示北港潮波传播速度沿程不均匀，六激堡镇潮波传播速度高于共 青圩- 六激1 倍，反映了河床底磨擦对潮波传播速度的影响：河道顺直，河槽水深大，潮波传播 速度快。 长江口地区的波浪主要是风浪或风浪和涌浪兼有的混合浪，但以风浪为主，涌浪次之。根 据引水船站1 9 7 9 1 9 9 8 年的波浪资料，平均e 浪最多，频率为1 4 ，e n e 、e s e 浪向居次，频 率分别为1 1 ，9 8 ，w s w 浪频率甚小，仅为07 。 参考文献： 【1 沈焕庭，潘定安长江河1 3 最大混浊带 m 】北京：海洋出版社，2 0 0 1 ，1 5 1 15 2 】沈焕庭长江口潮波传播及其对河槽演变的影响【m 中国地理学会1 9 7 9 年地貌学术讨论会论 文集北京：科学出版社1 9 8 1 ，5 3 6 0 3 沈焕庭，潘定安长江潮流特征及其对河槽演变的影响 j 】上海师范大学学报( 自然科学版) ， 1 9 7 9 ，( 2 ) ：1 3 l - 1 4 4 4 陈吉余，潘定安，苏法崇等长江口北港河槽演变分析【m 见：陈吉余等编著长江河口动力过 程和地貌演变，上海：上海科学技术出版社1 9 8 8 ，1 5 111 9 罴户 e 0 ：大气圈外太阳光辐照度 t 。，t 0 ：大气透射系数 e d ：天空漫反射照度 r w s ：水体表面反射 凡：水底反射 r 。：水体中水分子和所含物质的反射 r e ：水体的有效反射( 不含r w s ) l - ：大气后向散射 l t ：经大气传输后的目标物辐射值 l s ：传感器所接收的辐射值 图3 1 反映了电磁波与大气和水体相互作用的辐射传输过程i “。从图中可见，到达水面 的入射光包括太阳直射光和天空散射光( 天空光) ，其中约35 被水面直接反射返回大气， 形成水面散射光r w s 。这种水面反射辐射带有少量水体本身的信息，它的强度与水面性质有 0 南京师范大学硕士研究生毕业论文第三章水深遥感原理及数学模型 关，如表面粗糙度、水面浮游生物、水面冰层、泡沫带等；其余的光经折射、透射进入水 中，大部分被水分子所吸收和散射，以及被水中悬浮物质、浮游生物等所散射、反射、衍 射形成水中散射光，它的强度与水的混浊度相关，即与悬浮粒子的浓度和大小有关( 随粒径 相对于光辐射波长的大小，可以产生瑞利和米氏不同的散射1 ，水体混浊度愈大，水下散射 光愈强，两者呈正相关；衰减后的水中散射光部分到达水体底部( 固体物质) 形成底部反射 光，它的强度与水深呈负相关，且随着水体混浊度的增大而减小。水中散射光的向上部分 及浅海条件下的底部反射光共同组成水中光或称离水反射辐射。水中光r e 、水面反射光r w s 、 天空散射光l 。共同被空中探测器所接收。l s = r b + r w s + l 。( 它们是波长、高度、入射角、观 测角的函数) 。其中前两部分包含有水的信息，因而可以通过高空遥感手段探测水中光和水 面反射光以获得水色、水温、水面形态等信息，并由此推测浮游生物、混浊水、污水等的 质量和数量以及水面风、浪等有关信息。 光波在水体中除了上述相互作用外，还有光波在水体传播中的自身衰减1 2j 。根据光波在介质 中衰减的定义可知光波在水体中随着水深的变化按指数形式衰减，衰减系数随波长和水体浑浊 度不同而发生变化，具体见图3 - 2 所示。 放长( u m ) 图3 - 2 水的光谱衰减特性 该图中显示蓝光( o 4 0 5 “m ) 对水的透射性最好，对于清洁水可达几十米。入水的透射光，对 水分子和溶解性物质微粒产生瑞利散射，其峰值位于蓝波段；对较大悬浮物质颗粒产生米氏散 射，其峰值位于黄橙波段；由于水中物质分子吸收光后再发射而引起的拉曼发射，其峰值位于 ，gv铥甏辫 南京师范大学硕士研究生毕业论文第三章水深遥感原理及数学模型 橙红波段；海底( 浅海) 反射，其峰值位于蓝绿波段。 3 1 2 水深遥感物理基础 从图3 - 1 中可以得到，传感器接收到的光辐射值 l s = l t + l 。 ( 3 - 1 ) 式中，l 0 为大气的后向散射和反射，可以通过大气校正来消除。因此，传感器上反映水深的信 息主要来自于l t 。 因为l t = ( r e + r w s ) l ( 3 - 2 ) r e = f ( r b ，r w ) ( 3 - 3 ) 所以可得l r = f ( l ，r b ，r w ，r w s ) ( 3 4 ) 上式表明，l r 主要包含了水体中的三种信息【3 】：( 1 ) 水体表面直接反射的光信息量r w s ：( 2 ) 水体的后向散射光信息量r 。；( 3 ) 水底反射光信息量r b 。其中，水体表面直接反射光的信息只 与水体表面有关，而与水深无关，可以通过选取深水区光信息量来近似代替。水体中的后向散 射信息反映了水体中悬浮物的信息，和水深信息也没有直接的关系，可以通过一定的数学方法 来消除；只有直接由水底反射造成的光信息量才是水下地形的直接反映，是水深遥感的主要信 息来源，也是我们以后的图像处理工作要提取的信息量。 3 2 水深遥感数学模型 在过去的二十多年中，国内外许多专家学者对水深遥感都有了较深入的研究，并建立了相 应的数学模型，大致有两种：( 1 ) 解析模型，( 2 ) 统计模型 3 2 1 解析模型 解析模型即利用水体的物理光学理论，分析水体在浅海区域的辐射传输过程，并据此建立 传感器接收到的辐射亮度与底质反射率、水深等的解析表达式，然后解算出水深。由于光在水 体中的辐射传输非常复杂，其公式需要通过积分或简化以求得近似解用于计算。但是系数要求 仍然非常严格，如“双层流近似模型”( t w o s t r e a m a p p r o x i m a t i o nm o d e l ) 1 4 l 。所谓双层流是指对 于任意深度z ，可以把水体看成是由水深z 以上的