基于COSI-Corr技术的龙羊峡库区1987—2019年风沙输移特征及潜在入库量估算

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2021.00154

摘要/Abstract

摘要：

风沙活动威胁着龙羊峡水库的安全运营，查清沙害来源和入库量对于防治水患和沙害具有重要意义。基于1987、1995、2003、2013、2019年的Landsat卫星影像，利用COSI-Corr技术监测了龙羊峡库区不同时空的沙丘移动特征，并重新评估库区近32 a的潜在风沙入库量。结果显示：（1）1987—2019年龙羊峡库区沙丘平均移动速率为5.81 m·a^-1，呈先加速（1987—2003年）后减速（2003—2013年）再加速（2013—2019年）趋势；沙丘移动方向在132.81°—165.82°范围内，与该区主风向一致。（2）近32 a向龙羊峡水库输送的潜在风沙量可达7.82×10⁷ m3（1.20×10⁸ t）。上风向塔拉滩潜在输送量为7.38×10⁷ m3（1.14×10⁸ t），下风向木格滩仅贡献了0.44×10⁷ m3（0.68×10⁷ t）。（3）库区内风沙输移受风况、气候、植被等多种因素的影响，在未来全球变暖条件下，青藏高原的风沙活动将会持续发展，风沙入库量的长期累计效应将对水库安全构成严重威胁，必须引起足够重视。

关键词: 龙羊峡水库, 风沙活动, 潜在风沙入库量, COSI-Corr

Abstract:

Aeolian sand invasion has negative effect on the Yellow River and Longyangxia reservoirs. It is of great significance to sort out the provenance and the potential amount of sand transported into the reservoir to reduce the aeolian sandy hazards. In this study， the dune migrating trends were monitored and the potential amount of sand transported into the Longyangxia reservoir was evaluated using the Co-registration of Optically Sensed Images and Correlation （COSI-Corr） technique based on the Landsat images in 1987， 1995， 2003， 2013 and 2019. The results revealed that：（1） The mean annual dune migration rates upwind the study area was 5.81 m·a^-1， with a trend of increasing from 1987 to 2003， then decreasing from 2003-2013 and increasing finally from 2013 to 2019. The dune migration directions were ranged from 132.81° to 165.82° during the 32 years， consisting well with the local prevailing wind. （2） The total potential amount of sand transported into the Longyangxia Reservoir from 1987 to 2019 was 7.82×10⁷ m³（1.20×10⁸ t）. The upwind Talatan sandy land contributed 7.38×10⁷ m3 （1.14×10⁸ t） sand into the reservoir， while the downwind Mugetan sandy land only contributed 0.44×10⁷ m3 （0.68×10⁷ t）. （3） The factors that affect the sand into the reservoir include the wind， climate and vegetation cover. With the future global warming on the Tibet Plateau， the intensity of aeolian activity will increase， therefore the long-term sand cumulative damage will seriously threaten the security of the reservoir area according to our evaluation， which must be paid enough attention and take some necessary actions to control it.

Key words: Longyangxia Reservoir, aeolian activity, potential sand amount transported into the reservoir, COSI-Corr

中图分类号:

P931.3

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图/表 10

图1 龙羊峡库区周围景观格局及输沙通道分布（A：流沙区输沙通道分布，Ⅰ—Ⅹ代表流沙区；B和C为不同区域的沙源，其中B为二塔拉分布的沙丘，C为三塔拉的巨型风蚀坑；D为卫星监测的沙尘暴（2021年1月10日）；E和F为风沙入库现状（2020年8月）。库区东南侧（木格滩）分布有连片的沙丘，沙丘发育更成熟，而库区西北侧（塔拉滩）沙丘呈现不连续分布，发育程度轻，沙丘高度低）

Fig.1 Landscape and sand transport corridors around Longyangxia Reservoir （A： The sand transport corridors of major sand areas， and Ⅰ—Ⅹ represent the different sandy land areas. Figure B and C represent the sand source in different area， figure B shows the dune in ErTala， figure C represents the mega-blowout in SanTala； Figure D represents the sand storm monitored by satellite； Figure E and F are the current situation of sand transported into the reservoir. In the southeast side of the reservoir area （Mugetan sandy-land）， continuous dunes are distributed， which are more mature， while in the northwest side of the reservoir area （Talatan sandy-land）， dunes are scattered， lightly developed and with low dune height）

表1 龙羊峡库区用于COSI-Corr计算的遥感影像元数据参数

Table 1 The parameters of metadata used for COSI-Corr calculating around Longyangxia Reservoir

卫星影像名称	时间	波段	分辨率/m	太阳高度角/（°）	太阳方位角/（°）	云量/%
LT51330351987227BJC00	1987-08-15	4	30	55.09	120.72	4
LT51330351995217CLT00	1995-08-05	4	30	52.55	110.59	7
LT51330352003255BJC00	2003-09-12	4	30	50.46	137.21	13
LC81330352013106LGN01	2013-04-16	4	30	58.32	139.17	0.19
LC08_L1TP_133035_20190722_20190801_01_T1	2019-07-22	4	30	64.81	122.50	18.42

图2 UAV-SfM方法提取的沙丘高度与插值法提取的沙丘高度的比较

Fig.2 The comparation of dune height extracted by DSM data generated by UAV-SfM and the interpolation method

图3 沙丘高度与移动速度的关系

Fig.3 The relationship between the dune height and dune movement speed

图4 龙羊峡库区潜在风沙入库量计算图示

Fig.4 The principle of the calculation of potential sand amount transported into the Longyangxia Reservoir

图5 基于COSI-Corr计算的龙羊峡库区1987—2019年沙丘移动的时空分布特征（A，D，G和J为上风向局部区域沙丘移动矢量图； B，E，H和K为1987—1995、1995—2003、2003—2013年和2013—2019年4个监测时段内的沙丘移动矢量图；C，F，I和L为下风向局部区域沙丘移动矢量图）图B，E，H和K的底图为高程，图A，D，G，J，C，F，I和L底图为沙丘移动速率

Fig.5 Spatial and temporal distribution characteristics of dune movement around Longyangxia Reservoir from 1987 to 2019 using COSI-Corr （A， D， G and J are the vector diagrams of the moving rate and direction of dunes in the local area of upwind； B， E， H and K are the vector diagrams of the dune movement of the study area in1987-1995， 1995-2003， 2003-2013 and 2013-2019； C， F， I and L are the vector diagrams of the migration rate and direction of dunes in the local area of downwind）

图6 龙羊峡库区输沙通量时空分布

Fig.6 Spatial and temporal distribution of sand flux around Longyangxia Reservoir

表2 龙羊峡库区潜在风沙入库量计算参数

Table 2 The parameters in the calculation of potential amount of sand transported into the Longyangxia Reservoir

区域	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	Ⅴ	Ⅵ	Ⅶ	Ⅷ₁	Ⅷ₂	Ⅸ	Ⅹ
L_k/m	12 309	13 325	13 965	7 318	8 413	4 232	3 845	9 624	9 649	7 729	18 664
a_k 1987—1995	0.77	0.83	0.80	0.80	0.84	0.74	0.99	0.86	0.91	0.90	0.08
a_k 1995—2003	0.70	0.75	0.73	0.75	0.72	0.61	0.94	0.77	0.87	0.80	0.11
a_k 2003—2013	0.61	0.73	0.74	0.64	0.78	0.70	0.94	0.87	0.91	0.92	0.07
a_k 2013—2019	0.61	0.65	0.69	0.73	0.69	0.53	0.66	0.83	0.79	0.52	0.09
b_k	0.46	0.41	0.54	0.31	0.35	0.18	0.17	0.3	0.3	1	1

图7 龙羊峡库区潜在风沙入库量时空特征（饼图为各监测时段内潜在风沙入库总量；直方图为各监测时段内年均潜在风沙入库量）

Fig.7 The spatial and temporal characteristics of potential amount of sand transported into the reservoir （The pie chart showed the total potential amount of sand transported into the reservoir in each period； the histogram showed the annual potential amount of sand transported into the reservoir）

图8 龙羊峡水库风沙输移影响因素（A：植被盖度与沙丘移动速率变化趋势；B：年均风速与沙丘移动速率变化趋势；C：年降水量与沙丘移动速率变化趋势；D：年均气温与沙丘移动速率变化趋势。虚线箭头表征各因素变化趋势）

Fig.8 Factors influencing sand transportation （A： The trend change of vegetation cover and dune migration rate； B： The trend change of annual wind speed and dune migration rate； C： The trend change of annual precipitation and dune migration rate； D： The trend change of annual temperature and dune migration rate. The blue dotted arrow represents the change trend of each factor）

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