基于GIS技術(shù)的東江源區(qū)尋烏水河道演變及其影響分析

陳 川，曾金鳳，2

(1.贛江上游水文水資源監(jiān)測(cè)中心，江西 贛州 341000；2.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

研究在水流的作用下河床的形態(tài)及其變化的科學(xué)叫做“河床演變學(xué)”[1]。水流與河床的交互作用通過泥沙運(yùn)動(dòng)的紐帶作用來體現(xiàn)。而泥沙有時(shí)是水流的組成部分，有時(shí)又是河床的組成部分[2]。河流水系是一個(gè)整體，河道自身的變化遵循自身的規(guī)律，涉河工程的興建及占灘挖沙作業(yè)，破壞了河流的相對(duì)平衡，引起河流的再造床過程[3]。

河道斷面形態(tài)是河流的重要特征，是決定河流輸水輸沙能力、河道暢通、穩(wěn)定程度的重要因素[4]。傳統(tǒng)河床演變分析方法中的斷面分析主要是針對(duì)固定斷面而進(jìn)行。這種方法數(shù)據(jù)處理工作量較大，分析質(zhì)量?jī)?yōu)劣依賴斷面實(shí)測(cè)資料的完整性。對(duì)于河段河道的演變分析，傳統(tǒng)方法主要依靠大范圍的實(shí)測(cè)地形資料，對(duì)深泓、岸線、深槽及沖淤變化等進(jìn)行分析，總結(jié)河床演變的一般規(guī)律及不同河型和河槽中特定組成部位的演變規(guī)律[5]。3S技術(shù)具有空間信息采集、處理、分析和服務(wù)功能，數(shù)字高程模型(簡(jiǎn)稱DEM)，能通過有限的地形高程數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)河道地形的數(shù)字化模擬。基于GIS的河床演變斷面分析解決了傳統(tǒng)方法必須立足于固定斷面的局限。此外這一方法還可利用河道斷面數(shù)據(jù)獲得大量信息，使河床演變斷面分析定量化、具體化、系統(tǒng)化、多角度化[6-7]。將多源空間信息技術(shù)與傳統(tǒng)河床演變方法相結(jié)合是河道演變的規(guī)律性、隨機(jī)性和長(zhǎng)期性統(tǒng)一研究及預(yù)測(cè)的新思路，有利于解決實(shí)測(cè)地形資料不全，信息溝通缺乏統(tǒng)一平臺(tái)等問題。

尋烏水是東江源頭干流，流域所經(jīng)尋烏縣是世界上離子型稀土礦主產(chǎn)區(qū)之一。由于歷史、人口、發(fā)展等因素的影響，流域內(nèi)生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，水土流失嚴(yán)重[8-10]，該區(qū)域先后被列為國家生態(tài)補(bǔ)償試點(diǎn)區(qū)域[11]、山水林田湖草綜合治理區(qū)域，財(cái)政部、水利部、環(huán)保部聯(lián)合明確為國土江河綜合整治試點(diǎn)區(qū)域，水利部水生態(tài)保護(hù)修復(fù)典型區(qū)域和珠江流域水資源保護(hù)規(guī)劃重點(diǎn)區(qū)域。本文通過GIS技術(shù)分析研究尋烏水干流水背水文站河段水下斷面的變化規(guī)律，依據(jù)不同時(shí)期實(shí)測(cè)的河道固定斷面和水下地形數(shù)據(jù)，通過疊合分析不同時(shí)期的水下斷面變化情況、深泓線位置變化等分析尋烏水河道演變的特征和情況，在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充水背站附近水下地形數(shù)據(jù)用以構(gòu)建DEM和水下地形三維模型，以此分析該段河道的沖淤變化情況[12]。同時(shí)利用贛江上游水文水資源監(jiān)測(cè)中心水背水文站相關(guān)水文資料數(shù)據(jù)對(duì)比研究尋烏水河段河床演變情況，分析河道演變主要影響因素及其產(chǎn)生的不利影響[13]，從而間接評(píng)估東江源區(qū)尋烏水流域生態(tài)修復(fù)治理成效，為今后尋烏水的開發(fā)、規(guī)劃和管理提供基礎(chǔ)性的依據(jù)，同時(shí)也為類似的河道變化分析研究提供參考。

1 河道概況

尋烏水為東江干流上游，發(fā)源于三標(biāo)鄉(xiāng)椏髻缽山，由北向南，經(jīng)龍崗圩、澄江、吉潭、留車在斗晏水庫下游出江西省，進(jìn)入廣東省稱東江。流域以山地、丘陵為主，山地和丘陵以紅黃壤土為主，間有紫色土。植被良好，有松、杉、樟等，是贛南林區(qū)之一。蘊(yùn)藏稀土、鎢、鈾、鐵等礦產(chǎn)資源，其中稀土礦不僅儲(chǔ)量大，而且質(zhì)量好，是江西省稀土資源主要產(chǎn)地之一。中游河床由卵石和粗沙組成，下游河床以粗、細(xì)沙為主，屬山區(qū)性河流。河流兩岸受山巖的限制，沿程平面上呈現(xiàn)為一段放寬、一段縮窄，寬窄交錯(cuò)形態(tài)。山區(qū)河道泥沙運(yùn)動(dòng)的重要特征是“大水走大沙，小水走小沙”。河段的卵石推移質(zhì)的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，不僅受水流強(qiáng)度的影響，還在很大程度上受寬窄相間河段推移質(zhì)暫時(shí)沖刷和淤積特性所決定。大流量時(shí)水位抬升，窄深段過水面積增加不多，水流比降大，流速快，并對(duì)寬闊段產(chǎn)生壅水影響。卵石在寬闊段落淤，峽谷段泥沙被沖刷出谷；小流量時(shí)水位消落，寬淺段水流歸槽，流速加快，峽谷段過水面積大，比降平緩，卵石自寬闊段又被帶入峽谷段停淤，待下一個(gè)洪峰到來時(shí)再?zèng)_刷出谷，如此呈接力式運(yùn)動(dòng)[14]。

尋烏水在江西境內(nèi)流域面積為1 841 km2，主河道長(zhǎng)度115.4 km，河道比降6.24‰，流域平均坡度0.31 m/km2，流域平均高程461 m，流域長(zhǎng)度71.4 km，流域形狀系數(shù)0.38。主要河道有一級(jí)支流劍溪河、馬蹄河、龍圖河、篁鄉(xiāng)河，東江源區(qū)尋烏水水系見圖1。流域多年平均降雨量1 600 mm，多年平均產(chǎn)水量15.1×108m3。

圖1 東江源區(qū)尋烏水水系

水背水文站位于南橋鎮(zhèn)車頭村，尋烏水出境斷面上游31 km處，控制流域面積987 km2。水背站于1979年設(shè)立，1993年停測(cè)，2009年恢復(fù)。實(shí)測(cè)最大洪水出現(xiàn)在1983年6月3日，洪峰水位為224.42 m，相應(yīng)洪峰流量982 m3/s。測(cè)驗(yàn)項(xiàng)目有：雨量、水位、流量、泥沙、水溫、岸溫等。水文站基本斷面上游1.12 km處有南龍電站，600 m左岸有南橋水匯入，下游5.6 km處有文昌電站。水背水文站處上下游500 m外河段均相對(duì)寬闊，站點(diǎn)所在河段相對(duì)較窄，河段彎曲，水文站位于河道左岸(也稱凸岸)，主河槽呈U型，中高水主槽寬度約70～90 m，河床由細(xì)沙組成，兩岸為巖石。

2 資料和方法

分析資料為尋烏水背水文站2010、2015、2020年實(shí)測(cè)獲取的河道大斷面(圖2)，河道沖淤變化分析是建立在水下DEM和三維模型的基礎(chǔ)上(水背站只有2015、2020年實(shí)測(cè)水下地形圖)。采用1985國家高程基準(zhǔn)作為研究區(qū)的高程系統(tǒng)，分析采用ArcGIS技術(shù)。以水背水文站2015—2020年實(shí)測(cè)的流量和泥沙數(shù)據(jù)資料對(duì)比研究。

圖2 水背水文站實(shí)測(cè)大斷面沖淤對(duì)比

3 河道演變分析

3.1 河道斷面沖淤分析

沖淤分析是研究河床演變的基礎(chǔ)，河道斷面沖淤分析是在2010、2015、2020年水背水文站基本斷面實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上進(jìn)行斷面沖淤變化分析。

由圖2可知，斷面河底高程在2010—2020年逐漸減小，河床主槽呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢(shì)。2010、2015、2020年斷面平均河底高程分別為222.56、221.81、221.29 m。2010—2015、2015—2020年斷面多年平均河底高程分別下降0.75、0.52 m。

2010—2015年，整個(gè)斷面既有沖刷地段，也有淤積地段，為沖淤相互交替，總體呈現(xiàn)出沖刷態(tài)勢(shì)。沖淤地段，主要位于距起點(diǎn)距5～7 m和10～80 m 2個(gè)地段。其中距起點(diǎn)距5～7 m為淤積態(tài)勢(shì)，淤積面積為3.21 m2，距起點(diǎn)距大約5 m處，點(diǎn)淤積幅度最高為1.5 m；距起點(diǎn)距10～20 m為淤積態(tài)勢(shì)，淤積面積為10.24 m2，距起點(diǎn)距大約12 m處，點(diǎn)淤積幅度最高為1.36 m；距起點(diǎn)距20～80 m為沖刷態(tài)勢(shì)，沖刷面積為42.26 m2，距起點(diǎn)距大約74 m處，點(diǎn)沖刷幅度最高為1.42 m?？倹_刷面積為28.81 m2。

2015—2020年，整個(gè)斷面也是既有沖刷地段，也有淤積地段，為沖淤相互交替，總體呈現(xiàn)出沖刷態(tài)勢(shì)。沖淤地段，主要位于距起點(diǎn)距5～80 m地段。其中距起點(diǎn)距5～7 m為沖刷態(tài)勢(shì)，沖刷面積為3.24 m2，距起點(diǎn)距大約6 m處，點(diǎn)沖刷幅度最高為1.7 m；距起點(diǎn)距7～10 m為淤積態(tài)勢(shì)，淤積面積為2.32 m2，距起點(diǎn)距大約7 m處，點(diǎn)淤積幅度最高為0.62 m；距起點(diǎn)距10～20 m為淤積態(tài)勢(shì)，淤積面積為7.37 m2，距起點(diǎn)距大約13 m處，點(diǎn)淤積幅度最高為0.8 m；距起點(diǎn)距20～80 m為沖刷態(tài)勢(shì)，沖刷面積為22.43 m2；距起點(diǎn)距大約25 m處，點(diǎn)沖刷幅度最高為0.82 m?？倹_刷面積15.98 m2。

3.2 水背水文站區(qū)域水下地形變化分析

利用GIS技術(shù)建立了水背水文站附近區(qū)域2015、2020年的水下地形三維模型(圖3、4)。尋烏水水背站段河道彎曲，在自然演變條件下，在水流的離心力作用下，凹入的河岸進(jìn)行侵蝕，侵蝕下來的泥沙，通過彎遭環(huán)流，搬運(yùn)到對(duì)岸沉積，逐漸增長(zhǎng)成圓弧狀坡緩的凸岸。由圖3可知，2015年，河段左岸(凸岸)有堆積，河道深泓線偏于右岸(凹岸)，符合河道自然演變規(guī)律。由圖4可知，到2020年，河段深泓線擺動(dòng)偏于左岸，河床整體下切。由分析可知，2015—2020年，該段河道存在人為因素破壞了河流的相對(duì)平衡，從而引起河流的再造床運(yùn)動(dòng)。經(jīng)過調(diào)查研究，河道采砂是該段河道深泓線非正常擺動(dòng)的原因。

圖3 水背站2015年水下地形三維模型

圖4 水背站2020年水下地形三維模型

3.3 水背水文站區(qū)域水下地形沖淤變化分析

利用GIS技術(shù)對(duì)水背水文站附近2015年和2020年的三維水下地形模型進(jìn)行疊合分析(2020年減2015年，圖5)，2015—2020年，河段深泓線整體往左岸擺動(dòng)，河槽偏向于左岸，河床下切深度較大，大部分下切2.0 m左右，局部段甚至達(dá)到5.0 m，河道右岸存在淤積，整體淤積量少，淤積厚度不超過1.5 m。通過計(jì)算河段泥沙沖淤量，得到尋烏水水背水文站區(qū)域的淤積量為2 753 m3，沖刷量為14 591 m3，淤積面積為8 315 m2，沖刷面積為22 262 m2。該區(qū)域總體呈現(xiàn)為沖刷態(tài)勢(shì)，總沖刷量為11 838 m3，總沖刷面積為13 947 m2。

圖5 水背站2015年和2020年水下地形疊合成果

4 河道演變影響因素分析

4.1 水背水文站實(shí)測(cè)水文資料分析

依據(jù)水背站2015—2020年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到日均徑流變化趨勢(shì)見圖6。可知，近6年以來多年平均徑流量呈現(xiàn)增減交替趨勢(shì)。2016年4月尋烏水的多年平均徑流量達(dá)到歷年最高，之后徑流量的變幅變小。其中2015年平均流量為24.2 m3/s，2020年平均流量為18.2 m3/s。

圖6 水背站日均徑流量和輸沙率變化

依據(jù)水背站2015—2020年的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到日均懸移質(zhì)輸沙率變化趨勢(shì)見圖6。水背站監(jiān)測(cè)的尋烏水平均日輸沙率值很小，2016年4月尋烏水流域的日輸沙率達(dá)歷年最高，2016年4月以后徑流量的變幅變小，且之后流域內(nèi)的逐日輸沙率僅在2019年6、7月較大且集中，但都沒有突破2016年4月份的極值。水背站多年懸移質(zhì)輸沙率特征值統(tǒng)計(jì)見表1。由表1可知，近6年以來尋烏水輸沙率大體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)。

表1 水背站多年懸移質(zhì)輸沙率特征值統(tǒng)計(jì)

4.2 南龍電站對(duì)河道泥沙、河床沖淤的影響

南龍電站位于水背站基本斷面上游1.12 km處，電站于1995年開建，1997年11月竣工發(fā)電，大壩壩體為M7.5漿砌石重力壩，壩體整體呈Z字型，壩體基礎(chǔ)為露頭巖基礎(chǔ)。大壩最大壩高6 m，底寬4.0 m，壩頂共長(zhǎng)107 m，頂寬1.5 m。水庫庫容為45萬m3。電站攔河壩攔蓄上游大量泥沙，使下泄河水含沙量明顯減少。

4.3 生態(tài)修復(fù)治理的影響

2016年，在財(cái)政部、生態(tài)環(huán)境部的推動(dòng)下，江西、廣東兩省正式簽訂《東江流域上下游橫向生態(tài)補(bǔ)償協(xié)議》。4年多來，源區(qū)各縣累計(jì)投入生態(tài)保護(hù)和治理資金達(dá)33億元，其中東江流域生態(tài)補(bǔ)償資金13億元，重點(diǎn)實(shí)施了污染治理、生態(tài)修復(fù)、水源地保護(hù)、水土流失治理和環(huán)境監(jiān)管能力建設(shè)等5大類74個(gè)項(xiàng)目，項(xiàng)目實(shí)施的階段性成果體現(xiàn)在源源不斷流入粵港大地的碧波蕩漾之中。近年來，贛州市高度重視東江源頭的生態(tài)環(huán)境保護(hù)工作，先后制定出臺(tái)了《關(guān)于加強(qiáng)源頭生態(tài)環(huán)境保護(hù)的工作意見或?qū)嵤┓桨浮返戎笇?dǎo)性文件。源頭區(qū)域更是牢固樹立“生態(tài)為重”的理念，投入大量人力物力，開展好封山、育林、退果、關(guān)礦、移民等工作，使東江源的生態(tài)環(huán)境有了明顯改善。

4.4 河道采砂的影響

水背站上下游1.0 km范圍內(nèi)均有采砂場(chǎng)，砂廠于2011年設(shè)立，2011—2015年基本處于停擺狀態(tài)。自2016年開始，隨著流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，尤其贛州市房地產(chǎn)市場(chǎng)開始火熱，砂石建筑用料需求日益增加，導(dǎo)致河道非法采砂行為及超量的爛采亂挖現(xiàn)象嚴(yán)重，很大程度上改變了原已相對(duì)穩(wěn)定的河床形態(tài)、水流流態(tài)以及輸沙率，導(dǎo)致河床不斷下切[15-17]。

5 河道演變影響分析

5.1 對(duì)水質(zhì)的影響分析

尋烏水下游沿河分布有多個(gè)重要水源取水口，下游河道逐年下切會(huì)增大河流槽蓄量，增加污染物在下游河道的回蕩時(shí)間，加劇下游河道水環(huán)境問題，進(jìn)而影響附近水廠取水口水質(zhì)，對(duì)尋烏縣縣區(qū)及周邊的生產(chǎn)生活生態(tài)用水產(chǎn)生不利影響[18]。

贛江上游水文水資源監(jiān)測(cè)中心在水背水文站下游設(shè)有留車監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)始于2014年，2014—2020年斷面水環(huán)境質(zhì)量變化趨勢(shì)見圖7。

圖7 尋烏水留車斷面水環(huán)境質(zhì)量變化趨勢(shì)

從圖7可以看出，雖然2014—2020年留車斷面水環(huán)境質(zhì)量保持較好態(tài)勢(shì)，各年度均能穩(wěn)定達(dá)到II類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但是指標(biāo)濃度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

5.2 對(duì)跨河大橋、河岸及防洪堤的影響

尋烏水為典型的山區(qū)河流，河床多砂礫石，泥沙運(yùn)動(dòng)以推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)為主。河道下游建有車頭大橋等多座跨河橋梁，橋梁建設(shè)后，必然改變橋址河段水流條件，影響該河段河床沖淤演變。橋墩建設(shè)減小了河道過水?dāng)嗝婷娣e，造成橋位前大面積壅水，流速降低，河道呈現(xiàn)微淤積；橋位處，受橋墩束水作用影響，墩間流速增大，造成墩間河床沖刷，同時(shí)墩后尾水區(qū)流速變緩，泥沙淤積；橋位下游中間流速有所減小，但由于橋位上游淤積減小了泥沙來源，加上泥沙來源不足，從而加劇沖刷，長(zhǎng)此以往可能觸發(fā)跨河橋梁險(xiǎn)情。同時(shí)，河道下切、水動(dòng)力條件改變會(huì)導(dǎo)致河岸及防洪堤嚴(yán)重沖刷，進(jìn)而引起青龍大道沿河路基被掏空、岸堤坍塌等險(xiǎn)情。

6 結(jié)論

a)通過疊加2010、2015、2020年水背水文站固定河道斷面表明：水背水文站斷面河底高程在2010—2020年逐漸減小，河床主槽呈現(xiàn)下切態(tài)勢(shì)。

b)通過疊加2015年和2020年水背水文站區(qū)域水下地形圖分析，水背站區(qū)域2015—2020年總體表現(xiàn)為沖刷，總沖刷量為11 838 m3，總沖刷面積為13 947 m2。

c)2015年，河段左岸(凸岸)有堆積，河道深泓線偏于右岸(凹岸)，符合河道自然演變規(guī)律。到2020年，河段深泓線擺動(dòng)偏于左岸，河道整體下切，這種變化非自然狀態(tài)，通過分析水背站實(shí)測(cè)水沙資料以及實(shí)地調(diào)研，主要是上游電站攔蓄泥沙和河道采砂等引起。

d)河道逐年下切會(huì)增大河流槽蓄量，增加污染物在下游河道的回蕩時(shí)間，進(jìn)而使水質(zhì)惡化。同時(shí)，河床劇烈演變有可能觸發(fā)跨河橋梁險(xiǎn)情甚至引起沿河路基被掏空、岸堤坍塌等。