基于机器学习的黄河三角洲叶瓣动态监测与水沙调控效应研究

本研究针对黄河三角洲在调水调沙工程(WSRS)背景下叶瓣动态监测的难题，开发了一种结合卫星影像与机器学习(ML)的叶瓣面积-潮位模型，实现了2002-2022年间叶瓣演变的连续、大规模提取。研究揭示叶瓣整体以约4.0 km2/yr速率向海扩张，形态经历向东、向北发展及稳定三阶段，发现0.48-1.5×108 t的临界泥沙阈值，并阐明水沙供给-河道动态-植被反馈的协同作用机制，为三角洲可持续管理提供重要科学依据。

　　

黄河，作为中华民族的母亲河，其三角洲的演变一直牵动着无数科研人员的心。这片位于渤海与莱州湾交界处的年轻土地，是河流与海洋相互作用最活跃的前沿阵地，养育着沿岸数百万人口，具有极其重要的生态和经济价值。然而，近年来，随着全球气候变化和人类活动的加剧，黄河三角洲面临着前所未有的挑战。上游修建的大量水坝和水库，虽然带来了防洪、发电等效益，却像一道道"枷锁"锁住了奔流不息的泥沙，导致输送到河口的泥沙量急剧减少。同时，为缓解下游河道淤积而实施的调水调沙工程(Water-Sediment Regulation Scheme, WSRS)，虽然通过人为调控在一定程度上补充了河口泥沙，但也彻底改变了水沙输送的自然节律，给三角洲的演变带来了新的不确定性。加之海平面上升、海岸工程和植被演替等多重压力，黄河三角洲的未来走向成为了一个亟待解答的科学难题。

传统的三角洲监测主要依赖野外实地测量，这种方法虽然精度较高，但耗时费力，且难以实现大范围、长时序的连续观测。卫星遥感技术的出现为宏观监测提供了可能，但潮汐涨落导致的水边线瞬时位置变化，以及不同时期影像质量不一致等问题，依然制约着我们对三角洲形态进行精确、可比较的长期追踪。如何克服这些局限，清晰捕捉黄河三角洲，特别是其最活跃的生长单元——"叶瓣"（Lobe）的动态变化规律，并深入理解其背后的驱动机制，对于评估调水调沙工程成效、预测三角洲未来演变趋势、乃至制定科学的保护与管理策略都至关重要。

为了回答这些问题，一项发表在《Journal of Hydro-environment Research》上的研究，巧妙地利用了Google Earth Engine (GEE) 这一强大的云计算平台，结合机器学习(Machine Learning, ML)算法，对长达20年（2002-2022年）的Landsat系列卫星影像进行了深度分析。研究人员建立了一个创新的"叶瓣面积-潮位模型"，旨在消除潮汐波动对水边线提取的干扰，从而实现对黄河三角洲活跃叶瓣（清8汊叶瓣）面积和形态演变的精准监测。通过整合利津水文站的水沙数据、口门河道迁移记录以及基于遥感反演的植被覆盖度(Fractional Vegetation Cover, FVC)信息，该研究系统揭示了在调水调沙工程背景下，水沙供给、河道动态和植被反馈三者如何协同作用，共同塑造了黄河三角洲叶瓣的复杂演变轨迹。

关键技术方法

本研究的关键技术方法主要包括：1) 三角洲叶瓣提取：基于GEE平台，利用Landsat系列卫星影像（104景），通过计算NDVI、EVI、LSWI、MNDWI等光谱指数，采用随机森林(Random Forest, RF)机器学习算法对三角洲叶瓣和开阔水域进行分类，并提取水边线。2) 叶瓣面积-潮位模型：建立叶瓣瞬时面积与 Gudong 潮位站同步潮位数据的二次多项式回归模型，将所有年份的叶瓣面积统一校正至1米平均潮位基准，以消除潮汐影响，实现年际可比。3) 形态参数量化：定义了叶瓣长度(L)、形态指数(L/B, 长宽比)和偏转指数(B₁/B₂)等几何参数，并利用数字岸线分析系统(DSAS)分析岸线横向变化。4) 植被动态分析：基于NDVI采用像元二分模型估算年际FVC，并划分不同覆盖度等级。研究还利用PlanetScope高分辨率影像对提取结果进行了精度验证，总体分类精度达0.96，Kappa系数为0.95。

研究结果

3.1. 活跃黄河三角洲叶瓣的面积变化

研究结果显示，自2002年调水调沙工程实施以来，黄河三角洲活跃叶瓣的面积持续增长，从2002年的47.8 km²扩展到2022年的134.6 km²，平均扩张速率约为3.4 km²/yr，面积增长了近三倍。然而，叶瓣内部的北叶瓣、南叶瓣和口门沙岛呈现出不同的演变模式。北叶瓣经历了快速扩张（2002-2006年）、侵蚀（2006-2010年）和恢复（2010年后）三个非线性阶段。南叶瓣则在整个研究期内持续增长，但增长率在2008年后明显放缓。口门沙岛在2013年后才开始被监测到，初期面积减小，之后（2017-2022年）以3.6 km²/yr的速率快速增长。

3.2. 活跃黄河三角洲叶瓣的形态变化

叶瓣的形态演变同样引人注目。叶瓣长度以平均0.28 km/yr的速率增加。叶瓣形态指数(L/B)在2002-2017年间平均为0.84，表明叶瓣形态较为扁平；而在2018-2022年间上升至1.15，叶瓣变得更为狭长。叶瓣偏转指数(B₁/B₂)揭示了叶瓣主导伸展方向的转变：2002-2009年间平均为3.3，表现为向东发育；2010-2022年间降至0.24，转为向北发展。结合岸线横向变化分析，研究将叶瓣的形态演变划分为三个阶段：向东发展阶段（2002–2009年）、向北扩展阶段（2009–2017年）和向北稳定阶段（2017–2022年）。值得注意的是，叶瓣面积的单调增长与形态指标的非线性变化之间存在差异，反映了三角洲演变时空异质性。

3.3. 活跃黄河三角洲叶瓣的FVC变化

植被覆盖度(FVC)的变化显示了三个明显阶段：2002-2013年，FVC持续上升，植被面积快速扩张；2013-2021年，FVC和植被面积增长趋于平稳；2022年，两者均出现显著下降。空间上，中、高FVC植被从最初仅分布于河道两侧，逐渐向海方向扩展，甚至在2013年后覆盖到口门沙岛，但在2022年，潮间带和沙岛上的中、高FVC植被大面积消失。不同FVC等级的面积比例也随时间动态变化，反映了植被对环境的响应。

研究结论与讨论

该研究最重要的发现是构建了一个"水沙供给-河道动态-植被反馈"的协同框架来解释黄河三角洲活跃叶瓣的演变机制。水沙供给是叶瓣发展的基础驱动力。研究表明，累积水沙通量与叶瓣面积呈正相关。调水调沙工程的实施维持了叶瓣的整体增长，而其2016-2017年的暂停则导致叶瓣快速侵蚀，这凸显了泥沙供给的关键作用。研究计算得出维持叶瓣动态平衡的临界泥沙阈值介于0.48至1.5 × 10⁸ t之间。河道动态，特别是口门河道的迁移和分汊，通过改变泥沙输运路径，深刻影响着叶瓣的形态格局。例如，2006-2008年的口门北偏事件，在植被覆盖度较低和水沙供给相对稳定的背景下，显著改变了沉积格局，使得叶瓣造陆效率提升了142-230%，并主导了该时期的形态演变。口门河道后期的持续分汊形成了多通道系统，分散了沉积能量，促使叶瓣形态趋于稳定。植被反馈则扮演着"加速器"和"稳定器"的双重角色。在泥沙供给充足时，植被通过促淤作用增强造陆效率；在泥沙短缺时（如2016-2017年），高植被覆盖度保护了约43.6%的叶瓣面积免受侵蚀，体现了其缓冲功能。

尽管面临海平面上升(Sea Level Rise, SLR)的威胁，但目前黄河三角洲活跃叶瓣因丰富的泥沙供给和植被的促淤效应，其"抬升效应"仍显著高于相对海平面上升(Relative Sea Level Rise, RSLR)速率。然而，研究也警示，若未来泥沙输入减少或植被固沙效应减弱，三角洲的韧性可能面临挑战。

通过与红河巴喇特三角洲和密西西比河三角洲的对比，该研究强调了"水沙供给-河道动态-植被反馈"框架的普适性。尽管各三角洲主导因素权重不同，但维持三角洲韧性需要平衡的干预措施，而非过度依赖单一因子。

综上所述，这项研究通过创新的机器学习监测框架，清晰揭示了人为调控（调水调沙）与自然过程（河道迁移、植被演替）共同作用下黄河三角洲的复杂演变规律。它不仅为黄河三角洲的管理和保护提供了精准的科学依据，其提出的概念框架和方法论也对全球其他受人类活动影响的三角洲地区的可持续性研究具有重要的借鉴意义。未来研究需要进一步量化各驱动因素的贡献度，并关注长期海平面上升等压力下的三角洲系统临界点。