湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐下游河段典型江心洲演變規(guī)律

隆院男，夏涵韜，蔣昌波，李志威

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114;2.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114；3.水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

1 研究背景

湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐下游河段內(nèi)發(fā)育著大量島嶼或江心洲，江心洲穩(wěn)定對(duì)于下游航道安全、洞庭湖濕地和流域經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)都有重要的影響。樞紐建成運(yùn)行后，正常蓄水位達(dá)29.7 m，改變了下游來(lái)水來(lái)沙條件，而河段水動(dòng)力條件的改變又進(jìn)一步影響了河道演變。樞紐下游航段水面雖寬，但水下潛洲等較多，船舶通過(guò)此處航段時(shí)易擦碰水下潛洲而導(dǎo)致重大事故[1]，因此，需要根據(jù)江心洲的演變規(guī)律對(duì)部分洲體采取必要的保護(hù)措施，以阻止或減緩江心洲被沖刷蝕退過(guò)程。目前，關(guān)于湘江下游河道江心洲演變已有眾多學(xué)者研究報(bào)道[2-3]，但未就長(zhǎng)沙綜合樞紐對(duì)江心洲演變進(jìn)行量化分析，對(duì)其演變影響因素的揭示有利于相關(guān)單位采取合理的工程保護(hù)措施和科學(xué)的管理策略。

近10年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者從不同方面對(duì)分汊河道的江心洲形成和演變過(guò)程進(jìn)行研究，如通過(guò)實(shí)測(cè)地形資料探究河床形態(tài)指標(biāo)(河道岸線、深泓線)變化，分析河床調(diào)整的主要影響因素[4-6]。也有學(xué)者通過(guò)沉積環(huán)境、地域分布、形成水動(dòng)力環(huán)境等揭示其發(fā)育規(guī)律[7-8]。利用遙感圖像數(shù)據(jù)研究江心洲演變規(guī)律也有一些嘗試[9-10]，但僅僅是分析江心洲露出水面的部分洲體，缺乏對(duì)江心洲水下地形數(shù)據(jù)的分析。國(guó)外學(xué)者主要從水動(dòng)力模擬和沉積學(xué)兩個(gè)方面研究江心洲的泥沙淤積特征、淤積過(guò)程及洲體演變規(guī)律，并采用水沙數(shù)學(xué)模型模擬江心洲的形成和演變過(guò)程[11-14]。前人主要研究江心洲自然演變規(guī)律，而很少分析人為因素(比如水利樞紐工程)對(duì)下游江心洲發(fā)育規(guī)律的影響。

湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐建成運(yùn)行后，引起其下游河段水沙條件的變化，勢(shì)必影響江心洲自然演變過(guò)程，并發(fā)生顯著的沖刷蝕退[15]。本文利用湘潭水文站多年實(shí)測(cè)水沙資料，分析樞紐下游河段水沙特性，基于遙感圖像和實(shí)測(cè)地形圖分析樞紐下游河段江心洲的演變過(guò)程，可為長(zhǎng)沙綜合樞紐下游段江心洲今后的演變趨勢(shì)以及河段航運(yùn)安全的保護(hù)提供一定的理論參考。

2 研究區(qū)概況

2.1 河道特征

本研究河段為長(zhǎng)沙綜合樞紐至濠河口河道(圖1)，為典型的江心洲分汊河道。該河段河長(zhǎng)約26.6 km，河寬600～1 600 m，河床平均坡降為0.0824‰，屬于中部較低、東西較高的地形。河段兩側(cè)多為由河流沉積作用而形成的沖積平原，另有少許的丘陵，屬于典型的平原河流。該段有一處由團(tuán)頭湖流入的小支流。研究河段內(nèi)的江心洲有3個(gè)，從上游到下游分別是甄皮洲、蘿卜洲、沙坪洲。湘江是典型的少沙河流，長(zhǎng)沙以下河段多為砂性土，抗沖條件差，存在岸坡沖刷問(wèn)題。

圖1 湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐地理位置及以下河段江心洲分布

2.2 江心洲基本介紹

甄皮洲(28°31′06″N，112°44′31″E)位于湖南省望城縣喬口鎮(zhèn)以東的湘江主河道上，該河段屬于典型的首尾窄深單一的彎曲型河段。河段左岸有一條從團(tuán)頭湖流入湘江的支流，1980年前，甄皮洲完全在支流入口下游，呈葉片狀，隨著湘江中的泥沙長(zhǎng)期在洲頭處淤積，使得甄皮洲不斷地向南拓展，2009年的遙感圖像表明，甄皮洲面積最大時(shí)呈現(xiàn)刀頭的形狀，而洲體中部依稀可見有一處裂痕，用于區(qū)分洲頭處淤積的洲體與固定洲體。新增洲體的穩(wěn)定性受湘江來(lái)水量以及輸沙量變化的影響。

蘿卜洲(28°35′32″N，112°48′31″E)位于喬口鎮(zhèn)東北方向，距鎮(zhèn)中約12.7 km，由南至北，橫貫江心。蘿卜洲分為上蘿卜洲和下蘿卜洲，從2005年的遙感圖像可見上下洲的分界線。蘿卜洲洲體穩(wěn)定，多年來(lái)面積無(wú)大幅變動(dòng)。

沙坪洲(28°37′30″N，112°48′32″E)位于湘江濠河口，屬于鵝頭型江心洲，沙坪洲的左岸較穩(wěn)定，與湘江支流左岸的距離約為220 m。從1984和1994年的圖像上來(lái)看，沙坪洲距右岸約有400 m；而 2000年后的平均距離約為200 m，水位低時(shí)，沙坪洲與灣河圍連為一體；2005年影像表明，沙坪洲的右汊首窄尾寬，這是因?yàn)橹揞^更靠近濠河分汊口，湘江中的泥沙在此淤積較多，所以比洲尾淤積明顯。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

美國(guó)NASA的陸地衛(wèi)星計(jì)劃從1972年啟動(dòng)，到現(xiàn)在一共有8顆衛(wèi)星，拍攝周期較短(2～3周)，且時(shí)間跨度序列較長(zhǎng)，遙感影像覆蓋范圍較廣，從USGS(United States Geological Survey)網(wǎng)站上可以免費(fèi)下載相關(guān)數(shù)據(jù)。其中Landsat MSS、Landsat TM、Landsat OLI_TIRS經(jīng)過(guò)預(yù)處理(輻射定標(biāo)和大氣校正)后，數(shù)據(jù)產(chǎn)品處理簡(jiǎn)單，使用方便。本文借助Landsat數(shù)據(jù)來(lái)研究樞紐下游典型江心洲平面形態(tài)的時(shí)空演化特征。Landsat數(shù)據(jù)遙感影像信息見表1。

表1 Landsat數(shù)據(jù)遙感影像信息表

研究河段所在TM/OLI影像的軌道號(hào)為125/42和122/39。水位變化是水陸邊界提取的干擾因素之一，水位浮動(dòng)較大會(huì)使得提取的數(shù)據(jù)沒(méi)有對(duì)比性[16]。因此本文選取水位大致相同的遙感數(shù)據(jù)。受到衛(wèi)星的拍攝周期和樞紐下游流域云層覆蓋度等不確定因素的影響，選取的不同年份遙感數(shù)據(jù)的成像日期也不盡相同。由表1可知，選取遙感影像的日平均水位均在30～31 m之間，因此選取的6期遙感影像所解譯的江心洲時(shí)空演變信息具有對(duì)比性。

在解譯樞紐下游典型江心洲的平面形態(tài)之后，根據(jù)長(zhǎng)沙綜合樞紐上游布設(shè)的湘潭水文站1953-2014年實(shí)測(cè)逐日水沙資料(數(shù)據(jù)來(lái)源于湖南省水文水資源勘測(cè)局)，從水沙的年際變化和年內(nèi)變化角度，分析樞紐下游河段典型江心洲的演變過(guò)程。

3.2 研究方法

長(zhǎng)沙綜合樞紐下游河段的圖像跨越125/42和122/39兩個(gè)軌道，因此需要對(duì)遙感圖像預(yù)處理(幾何校正、輻射定標(biāo)和大氣校正)，圖像由UTM投影系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為等面積投影系統(tǒng)，然后再消除光照和大氣等因素對(duì)地物反射的影響。在對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理及對(duì)部分圖像合成拼接的基礎(chǔ)上，采用區(qū)域裁剪和截圖的方法得到江心洲區(qū)域的遙感資料，本文主要使用歸一化水體指數(shù)NDWI(normalized difference water index)，其公式如下：

NDWI=(BandGreen-BandNIR)/(BandGreen+BandNIR)

(1)

式中：BandGreen為綠色波段；BandNIR為近紅外波段。

研究方法的原理參考借鑒Mcfeeters[17]和徐涵秋[18]利用歸一化水體指數(shù)(NDWI)抑制遙感影像中的土壤和植被信息提取水體的方法，再結(jié)合ArcGIS計(jì)算相應(yīng)的數(shù)據(jù)(面積、洲長(zhǎng)、洲寬、距離左右岸的距離)，最后借鑒相關(guān)文獻(xiàn)資料及地質(zhì)、水文資料分析江心洲演變過(guò)程的時(shí)空特征并探究其可能的影響因素。

受天氣和流域云層分布等自然因素的干擾，難以提取不同時(shí)間、相同水位下的遙感影像?？紤]到水位是江心洲露水面積變化的重要影響因素，因此，本研究所采用遙感影像對(duì)應(yīng)日期的水位基本一致；此外，不同于遙感數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)河道地形資料不會(huì)受到河道水位變化的干擾，本研究通過(guò)計(jì)算洲體體積的變化，定量認(rèn)識(shí)江心洲的演變規(guī)律。

4 水沙變化分析

4.1 水沙的年際變化因素

湘潭站多年平均徑流量為663.9×108m3，多年平均輸沙量為969×104t，圖2為1953-2014年湘潭站水沙年際變化距平圖，直觀地反映了湘江下游來(lái)水來(lái)沙情況，通過(guò)年際徑流量和輸沙量的波動(dòng)曲線反映河段的水文要素的變化規(guī)律。由圖2可知，年徑流量變化趨勢(shì)不明顯，而年輸沙量呈減少趨勢(shì)。1990年以前，湘江流域的人類活動(dòng)并未對(duì)當(dāng)?shù)厮囊禺a(chǎn)生重大影響。在這個(gè)時(shí)段內(nèi)，河段的徑流量和輸沙量均處于自然狀態(tài)下。1990年后，隨著湘江流域的建設(shè)發(fā)展，湘江河段興建大量的水利設(shè)施，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市用水大量增加，這些都對(duì)河段水文要素的變化產(chǎn)生了重大的影響。

4.2 水沙的年內(nèi)變化因素

圖3為湘潭站月平均徑流量和輸沙量分布。由圖3可看出，月最大徑流量在5月份，為114.9×108m3，最小徑流量在12月份，為23.89×108m3；月最大輸沙量在6月份，為236.32×104t，月最小輸沙量在12月份，為7.02×104t。

圖4為研究時(shí)段內(nèi)不同年代湘潭汛期和非汛期的徑流量和輸沙量分布。湘潭站枯水期平均徑流量和輸沙量分別為204×108m3和128×104t，分別占年徑流量和輸沙量的31%和13%。如圖4所示，1980年后，汛期徑流量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而汛期輸沙量卻持續(xù)下降；同樣從1980年開始，枯水期的徑流量和輸沙量均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。

圖2 1953-2014年湘潭水文站年徑流量和年輸沙量距平圖 圖3湘潭站月平均徑流量和輸沙量年內(nèi)分布

圖4 研究時(shí)段內(nèi)不同年代湘潭站汛期與非汛期徑流量和輸沙量

采用徑流、輸沙年內(nèi)分配不均勻系數(shù)探討湘江下游水沙年內(nèi)分配不均勻性。年內(nèi)分配不均勻系數(shù)Cvy的計(jì)算方法如下：

(2)

根據(jù)湘潭站各月徑流量和輸沙量為參數(shù)計(jì)算出Cvy(圖5)，徑流年內(nèi)分配不均勻系數(shù)在0.4～1.2之間波動(dòng)，波動(dòng)幅度較大，1990年前的Cvy平均值為0.79，而1990年年后的Cvy均值為0.64，略有下降趨勢(shì)，表明1990年后，湘江中下游修建的大源渡和株洲樞紐工程致使徑流調(diào)蓄能力增強(qiáng)。

圖5 1953-2014年湘潭站徑流量和輸沙量年內(nèi)分配不均勻系數(shù)

輸沙量Cvy的波動(dòng)范圍在0.75～2.2，波動(dòng)幅度明顯大于徑流量Cvy。1990年前的Cvy均值為1.42，1990年后的Cvy均值為1.13，2000年后的Cvy均值為1.49，可見輸沙量的年內(nèi)分配不均勻度經(jīng)歷了高-低-高的發(fā)展過(guò)程，特別是2000年之后，年內(nèi)分配愈發(fā)不均勻。

5 江心洲演變分析

5.1 遙感影像的提取與分析

甄皮洲1984-2016年遙感影像如圖6所示，甄皮洲洲體參數(shù)見表2。由圖6和表2可知，1984-1994年，甄皮洲平面形態(tài)變化較小，至2005年，甄皮洲洲頭有部分的淺灘出露。2009年，洲頭持續(xù)淤積前進(jìn)，洲長(zhǎng)發(fā)展至2.69 km。2013年，洲頭淺灘持續(xù)沖刷后退和洲體右緣逐漸沖刷萎縮使右汊河道得以發(fā)展，汊道展寬至0.63 km。2013-2016年，甄皮洲洲頭持續(xù)受到清水沖刷，洲體面積變小。

表2 1984-2016年甄皮洲洲體參數(shù)表

蘿卜洲1984-2016年遙感影像如圖7所示，蘿卜洲洲體參數(shù)見表3。圖7和表3表明，蘿卜洲由上、下蘿卜洲組成，從1984年的遙感圖像上可清晰看出上下蘿卜洲及其分界線，上蘿卜洲的面積約為0.469 km2，占總面積的44%，下蘿卜洲的面積約為0.598 km2，占總面積的56%。1984-2009年間，蘿卜洲面積有所增加；2009-2016年，洲體面積減小。

表3 1984-2016年蘿卜洲洲體參數(shù)

沙坪洲1984-2016年遙感影像如圖8所示，沙坪洲洲體參數(shù)見表4。圖7和表4表明，沙坪洲位于湘江濠河口分汊處，從1984年和1994年的影像分析，沙坪洲洲尾淤積形成一個(gè)沙嘴，有向東繼續(xù)發(fā)育的趨勢(shì)，但面積從0.227 km2減小至0.201 km2。2005年相比1994年，洲體的右緣向南發(fā)育，洲體面積和長(zhǎng)度沒(méi)有明顯變化。2009年，洲尾的沙嘴持續(xù)沿著右汊河道延伸到洲體東部，面積和長(zhǎng)度分別大幅度增加至0.475 km2和0.87 km。2009-2013年，洲頭淺灘嚴(yán)重萎縮，洲體中間靠右汊水流不斷淘蝕，沙坪洲的面積和長(zhǎng)度分別減至0.394 km2和0.83 km；2016年，洲體中部繼續(xù)沖刷蝕退，面積和長(zhǎng)度變化較小。

圖9為1984-2016年3個(gè)江心洲的面積變化趨勢(shì)。圖9表明，樞紐下游河段3個(gè)典型江心洲自1984-2016年總體上面積呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，但是各江心洲不同時(shí)段的面積變化速率有較大差異。這主要是由江心洲所處河段以及分汊類型等因素所導(dǎo)致，1984-1994年期間，江心洲處于原始發(fā)育狀態(tài)，結(jié)合湘潭水文站的水沙資料，年徑流量和枯水期徑流量變化較小，但枯水期輸沙量占比有所增加。受小水大沙的影響，洲體容易發(fā)生淤積。1994-2005年，3個(gè)江心洲面積均有不同程度的增大。至2009年，江心洲面積繼續(xù)擴(kuò)大。2012-2016年，長(zhǎng)沙綜合樞紐建成運(yùn)行后，清水下泄導(dǎo)致洲體受到?jīng)_刷引起洲體萎縮。

圖6 1984-2016年甄皮洲平面形態(tài)演變

圖7 1984-2016年蘿卜洲平面形態(tài)演變

圖8 1984-2016年沙坪洲平面形態(tài)演變

表4 1984-2016年沙坪洲洲體參數(shù)表

圖9 1984-2016年3個(gè)江心洲面積變化趨勢(shì)

5.2 江心洲的實(shí)測(cè)地形分析

對(duì)比遙感數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)河道地形數(shù)據(jù)不僅能可靠地反映江心洲的面積變化，還可以準(zhǔn)確地計(jì)算出江心洲體積的變化情況，以便深入了解典型江心洲的演變規(guī)律。對(duì)3個(gè)江心洲1983、2008和2015年的實(shí)測(cè)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行了提取、計(jì)算和分析。

圖10為甄皮洲、蘿卜洲和沙坪洲1983、2008和2015年的地形變化。甄皮洲洲頭體積在1983、2008、2015年分別為0.009、0.014和0.003 km3。1983-2008年期間，洲頭體積增加50%，這是受小水大沙的影響，導(dǎo)致江心洲洲體淤積，另外，該時(shí)期湘江下游的江心洲處于發(fā)育階段，體積增加。2008年后，甄皮洲洲體加固，洲頭和左汊停止萎縮。蘿卜洲洲體體積分別為0.040、0.038和0.037 km3，洲體體積略有減小，1983-2008年，上下蘿卜洲結(jié)合為一體，洲尾淤積向北移動(dòng)。沙坪洲洲體體積分別為0.014、0.015和0.011 km3。從體積上看，1983-2008年泥沙在沙坪洲淤積造成沙坪洲體積緩慢增加，2015年，沙坪洲的體積減小。

5.3 江心洲橫斷面地形分析

樞紐下游河段總體上呈現(xiàn)沖刷下切趨勢(shì)，但是對(duì)比3個(gè)年份(1983、2008、2015年)的河道斷面，受自然和人為因素的影響，各個(gè)斷面的變化情況略有差異(圖11～13)。

圖10 1983、2008、2015年3個(gè)典型江心洲地形變化

圖11 1983、2008、2015年甄皮洲洲頭和洲尾斷面地形變化圖

圖12 1983、2008、2015年蘿卜洲洲頭和洲尾斷面地形變化圖

圖13 1983、2008、2015年沙坪洲洲頭和洲尾斷面地形變化圖

1983-2008年，甄皮洲洲頭淺灘隨著泥沙淤積而抬升，右側(cè)河道由于水流的沖刷而下切。至2015年，江心洲部分下切，形成了1個(gè)二級(jí)深槽，最深處累計(jì)下切11.4 m，主要是受到人為建設(shè)洲體護(hù)岸的影響，而右側(cè)主槽略有淤積。甄皮洲洲尾斷面整體沖刷下切，最大處累計(jì)沖刷8.7 m。

蘿卜洲河段下游為濠河口，湘江在濠河口處分成2條支流，河流比降下降，洲頭斷面曲線散亂，1983-2008年，右側(cè)河槽沖刷下切，左側(cè)河床沖刷不大，而2008年后，在洲頭斷面左側(cè)河床下切形成深槽，變化最深處下切達(dá)12 m。蘿卜洲洲尾斷面左側(cè)河槽向右岸移動(dòng)，形成了1個(gè)二級(jí)深槽，河槽下切最深處達(dá)到7.1 m。

沙坪洲河段處于濠河口處，懸移質(zhì)在右岸堆積，造成了右岸洲體淤積上升，而斷面左側(cè)不斷地沖刷下切，最大處累積沖刷12.7 m。洲頭斷面曲線散亂，局部灘槽交錯(cuò)。洲尾斷面的河段主槽在向右岸移動(dòng)，江心洲兩側(cè)都有沖刷下切，在右側(cè)形成一個(gè)深槽，沖刷最大處達(dá)到15 m。

6 結(jié) 論

本文利用湘江湘潭水文站多年實(shí)例水沙資料分析了長(zhǎng)沙綜合樞紐下游河段的水沙特征，并運(yùn)用實(shí)測(cè)地形和遙感數(shù)據(jù)選取長(zhǎng)沙綜合樞紐下游3個(gè)典型江心洲，分析其面積、體積發(fā)育和萎縮過(guò)程，主要結(jié)論如下：

(1)近30年來(lái)，湘江下游年徑流量變化趨勢(shì)不明顯，而年輸沙量呈減小趨勢(shì)；枯水期徑流量和輸沙量都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，相比之下徑流量年內(nèi)分配的均勻程度高于輸沙量。

(2)在長(zhǎng)沙綜合樞紐建成運(yùn)行前，樞紐下游河段3個(gè)典型江心洲的面積與體積均呈現(xiàn)不同程度的增大趨勢(shì)。

(3)2012年長(zhǎng)沙綜合樞紐建成后，清水下泄導(dǎo)致江心洲均呈現(xiàn)萎縮趨勢(shì)，但變化程度有所不同。所在河段的河床沖刷下切更為明顯。