嘉陵江中游水電梯級(jí)開發(fā)對(duì)小龍門江心洲的形態(tài)演變與影響機(jī)制研究

羅剛, 舒秋貴

西華師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 四川 南充 637009 2022-01-17收稿

嘉陵江中游發(fā)育著許多江心洲，穩(wěn)定的江心洲地勢(shì)平坦、土地肥沃，是一種特有的土地資源，江心洲的穩(wěn)定對(duì)中游及附近的航道安全、濕地利用發(fā)展都有重要的影響。江心洲的形成原因與河床邊界、泥沙來(lái)源、水動(dòng)力等條件密切相關(guān)，上游攜帶的泥沙是江心洲形成的物質(zhì)來(lái)源，河流的沖刷流動(dòng)則是搬運(yùn)、堆積泥沙的水動(dòng)力條件，而河床邊界條件又是影響局部河段水動(dòng)力條件與泥沙輸移的主要控制性因素[1]?，F(xiàn)學(xué)者一般將江心洲的成因分為三類[2]：一是洪水、枯水時(shí)動(dòng)力軸線變化形成的江心洲，包括主泓切割灘地、曲流裁彎形成的江心洲；二是以邊界因素影響水沙作用形成的江心洲，包括雙邊節(jié)點(diǎn)以上的壅水河段、河道放寬段、河口放寬段、直流匯入處、鵝頭型彎曲河道；三是河槽底部基巖及障礙物突起形成的江心洲。在多種因素的相互作用下，江心洲的自然進(jìn)程發(fā)生改變，江心洲的改變不僅對(duì)土地利用和濕地景觀發(fā)展產(chǎn)生影響[3]，較多水下潛洲的存在也時(shí)刻為航運(yùn)安全帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)[4]。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者從不同方面對(duì)分汊河道江心洲的形成和演變展開探究，從河勢(shì)周期性調(diào)整、灘槽沖淤變形特點(diǎn)等方面分析了分汊河道的演變特征[5-6]。也通過不同的方法途徑對(duì)江心洲的形成演變展開探討分析，通過研究土壤重金屬含量的分布特征和來(lái)源，分析江心洲洲體形成的時(shí)間和演變[7]；有些學(xué)者基于MSS/TM/ETM圖像，在GIS的支持下，通過遙感分析研究河流的沖淤情況，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析河道和江心洲的形成演變[8-9]。國(guó)外學(xué)者則從沉積學(xué)的角度研究了江心洲的沉積物的特征、沉積過程和演變規(guī)律，Defina、Crosato[10-11]等從彎曲型河流和辮狀型河流之間的轉(zhuǎn)化條件出發(fā)，建立了基于物理圖形的簡(jiǎn)化模型，用來(lái)預(yù)測(cè)河道中沙洲發(fā)育的數(shù)量。前人學(xué)者們大多分析的是自然狀態(tài)下江心洲的發(fā)育和演變進(jìn)程，很少分析人為因素如水電梯級(jí)開發(fā)下江心洲的演變規(guī)律。

自然狀態(tài)下的小龍門江心洲和嘉陵江中游的上中壩濕地公園以及長(zhǎng)江中下游的天星洲、新生洲等都是以邊界因素影響水沙作用形成的江心洲，是雙邊節(jié)點(diǎn)以下放寬段形成的江心洲，這類江心洲面積大，形成穩(wěn)定。但近年來(lái)受到興修水利、攔沙采沙以及其他多種因素的影響，江心洲的自然進(jìn)程發(fā)生改變，部分江心洲不再呈單一的淤長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，呈輕微蝕退特點(diǎn)[12]。小龍門江心洲位于兩個(gè)水利樞紐之間，嘉陵江水電梯級(jí)開發(fā)運(yùn)行后，上游鳳儀電站和下游龍門電站的蓄排水都會(huì)對(duì)該江心洲的沖淤造成影響，分析水電樞紐運(yùn)行下小龍門江心洲的形態(tài)演變，對(duì)此類江心洲的形態(tài)演變具有較好的參考價(jià)值。有學(xué)者分析了湘江水電樞紐行下江心洲的演變過程，發(fā)現(xiàn)水電樞紐運(yùn)行前，江心洲呈一定程度的增大趨勢(shì)，水電樞紐運(yùn)行后，江心洲呈不同程度的萎縮趨勢(shì),認(rèn)為水電樞紐運(yùn)行后，來(lái)沙量減少，下泄清水對(duì)江心洲的長(zhǎng)期沖刷是導(dǎo)致其萎縮的主要原因[13-14]。前人研究?jī)H指出來(lái)沙量減少以及水流沖刷對(duì)江心洲形態(tài)演變的影響，本文則認(rèn)為水電樞紐運(yùn)行后，水電站的蓄排水造成洲體岸線水位升降變化也是江心洲形態(tài)演變的重要影響因素，是在前人研究基礎(chǔ)上的補(bǔ)充。本文基于歷史遙感影像，結(jié)合嘉陵江多年的水文數(shù)據(jù)，分析了江心洲的形態(tài)演變特征和影響因素，對(duì)江心洲開發(fā)利用、濕地保護(hù)和航運(yùn)安全具有一定的理論與實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 江心洲基本概況及河道特征

小龍門江心洲地處四川省南充市高坪區(qū)龍門街道中壩村，位于嘉陵江中游河段，鳳儀場(chǎng)和小龍門兩個(gè)水電樞紐之間，見圖1。小龍門水電站2003年開始修建，2004年11月大江截流，2006年完工并開始運(yùn)行，控制流域面積7.58×104km2；鳳儀水電站2005年開始修建，2008年完工并開始運(yùn)行，控制流域面積7.47×104km2。兩水電站之間的河段長(zhǎng)約17.5 km，河寬270~1500 m，平均坡降為0.068%，是一段寬窄不一的彎曲河道，附近修筑河堤，河段兩岸大多為丘陵地形和沖積平原。小龍門江心洲呈不規(guī)則狀，河道主流方向上形態(tài)破碎，除洲頭堆積卵石外，洲體大多為泥質(zhì)沉積物組成。

圖1 嘉陵江中游小龍門江心洲附近河段圖Fig. 1 Distribution map of the river sections near Xiaolongmen Central Island in the middle reaches of Jialing River

2 資料來(lái)源和研究方法

2.1 遙感影像數(shù)據(jù)

2.1.1 遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源和處理方法

通過歷史影像的判讀和影像面積的計(jì)算能夠直觀的反映江心洲平面形態(tài)的變化，遙感影像數(shù)據(jù)選取的是1972年以來(lái)，美國(guó)發(fā)射的NASA陸地衛(wèi)星拍攝的影像，現(xiàn)已有8顆衛(wèi)星，時(shí)間跨度長(zhǎng)，覆蓋范圍廣。在USGS網(wǎng)站和地理空間數(shù)據(jù)云下載相關(guān)數(shù)據(jù)，將Landsat4-5 MSS、Landsat4-5 TM、Landsat 8OLI_TIRS影像做輻射定標(biāo)和大氣校正的預(yù)處理，用遙感影像數(shù)據(jù)做江心洲的平面形態(tài)分析，影像數(shù)據(jù)如表1。

表1 Landsat數(shù)據(jù)遙感影像信息表Tab. 1 Landsat data remote sensing image information

云覆蓋率、云厚度、云破碎度都影響了遙感影像的可用度[15]，為了減小云層對(duì)影像的影響，一般選取云量小于30%的影像圖。為了減小大氣和光照反射的影響，對(duì)遙感影像進(jìn)行預(yù)處理（輻射定標(biāo)和大氣校正），再在ArcGis中將圖像進(jìn)行裁剪和拼接處理，得到小龍門江心洲的區(qū)域遙感資料。

借鑒 Mcfeeters[16]和徐涵秋[17]利用改進(jìn)的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）抑制遙感影像中的土壤和植被信息提取水體的方法作為面積提取的原理，提取水體后通過閾值切割的方法得到江心洲的面積，并通過洲體的最小外接矩形量算江心洲最大洲長(zhǎng)、最大洲寬、距左右岸距離等參數(shù)分析江心洲的形態(tài)變化。通過Arc-Gis建立16方位的格網(wǎng)，將江心洲按16方位截取部分面積，對(duì)各方位面積大小、形態(tài)差異的比較，分析不同方位形態(tài)變化的差異情況。

2.1.2 誤差修正

Landsat遙感影像數(shù)據(jù)的分辨率為30 m，影像圖上量算的距離具有一定的誤差，從而造成面積量算也存在相應(yīng)地誤差。為了檢測(cè)遙感影像上兩點(diǎn)間的距離精度，進(jìn)行5組點(diǎn)實(shí)地距離Lf測(cè)量，以之與Landsat影像上相同經(jīng)緯度點(diǎn)的間距Lm讀數(shù)比較，計(jì)算出Landsat影像距離讀數(shù)訂正系數(shù)a ，a的計(jì)算見公式（1）。五組實(shí)測(cè)與影像圖上的量算距離數(shù)據(jù)具體見表2。

表2 實(shí)測(cè)距離與影像距離變化Tab. 2 Changes between the measured distance and image distance

計(jì)算出 a五組數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值為0.86，該值即為遙感影像上兩點(diǎn)距離的修正系數(shù)。相應(yīng)地遙感影像上面積的修正系數(shù)為0.739 6。

2.2 水沙數(shù)據(jù)

水位數(shù)據(jù)來(lái)源于南充市水文站逐日觀測(cè)數(shù)據(jù)和嘉陵江水情網(wǎng)小龍門水電站的壩前水位。水位變化是影響江心洲平面形態(tài)變化的一個(gè)重要因素[18]，水位的升降嚴(yán)重影響到江心洲的出露面積，考慮到水位對(duì)江心洲出露面積的影響，只能選取水位相近的遙感影像，本研究選取的影像水位差值都在厘米級(jí)的范圍，相差較小，見表3，相應(yīng)水位對(duì)應(yīng)的歷史遙感影像圖具有對(duì)比性。

表3 水位數(shù)據(jù)Tab. 3 Water level data

徑流量和輸沙量是影響江心洲變化的重要因素，水沙變化影響了江心洲的演變，在分析江心洲形態(tài)演變時(shí)用到的嘉陵江沙情數(shù)據(jù)來(lái)源于《長(zhǎng)江泥沙公報(bào)》《中國(guó)河流泥沙公報(bào)》及部分公開發(fā)表文獻(xiàn)[19-20]。

3 江心洲形態(tài)演變

3.1 水電站運(yùn)行前后江心洲形態(tài)變化

在自然狀態(tài)下的江心洲受到來(lái)水來(lái)沙的影響，會(huì)發(fā)生一定形態(tài)的體積變化，其本質(zhì)是江心洲洲體的泥沙沖刷量與淤積量的不平衡導(dǎo)致洲體面積發(fā)生改變[21]。通過選取不同年份同一江心洲的遙感影像，計(jì)算不同時(shí)間相近水位江心洲的面積大小，對(duì)比得出其面積變化情況，可較為直觀地反映出江心洲的堆積和沖刷情況。就已有和獲得的數(shù)據(jù)來(lái)分析，選取了小龍門江心洲建站前2003年、2005年水位相近的兩組遙感影像圖和建站后2009-2017年水位相近的遙感影像圖如圖2，計(jì)算的江心洲各形態(tài)參數(shù)如表4所示。

圖2 2003-2017年小龍門江心洲平面形態(tài)演變Fig. 2 The plane shape evolution of Xiaolongmen central island from 2003 to 2017

表4 2003-2017小龍門江心洲形態(tài)參數(shù)表Tab. 4 Morphological parameter of Xiaolongmen central island from 2003 to 2017

建站前2003—2005年，由圖2、表4可知，江心洲總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì),距左岸距離變化不大，距右岸距離減小了0.02 km；對(duì)比兩組數(shù)據(jù)，洲長(zhǎng)、洲寬、面積都有一定程度的增加，洲長(zhǎng)增加了0.02 km，洲寬增加了0.05 km，面積增長(zhǎng)了4.4%，江心洲向右岸拓寬，由洲頭向洲尾發(fā)育，洲體的泥沙淤積量大于沖刷量，此時(shí)江心洲處于發(fā)育階段。

建站后2009—2017年小龍門江心洲面積變化趨勢(shì)圖見圖3，由圖2、圖3、表4可知，經(jīng)計(jì)算2009年到2013年面積減小了0.618 km2，洲長(zhǎng)減小了0.25 km，洲寬也減小了0.35 km，對(duì)比2009年和2013年的遙感影像，江心洲東岸斷裂塌陷，東半部分呈破碎狀，面積大幅度減小，分析認(rèn)為，這是由于小龍門江心洲位于兩個(gè)電站之間，水電站的排水造成了一定的沖刷作用，同水位抬升或降低，使得洲岸不斷被侵蝕浸泡，水位的升降變化導(dǎo)致江心洲岸線干裂塌陷；2013—2015年面積減小了0.229 km2，對(duì)比遙感影像，江心洲破碎加劇，面積有一定幅度的衰退；2015年到2017年面積又減小了0.298 km2，2009—2017年江心洲面積呈大幅度衰退趨勢(shì)，小龍門江心洲的衰退程度超過了67%，江心洲進(jìn)一步萎縮。

圖3 2009—2017年小龍門江心洲面積變化Fig. 3 Area change of Xiaolongmen central island from 2009 to 2017

3.2 水電站運(yùn)行前后江心洲十六方位形態(tài)變化

為了更好的分析江心洲的發(fā)展趨勢(shì)，了解演變進(jìn)程，現(xiàn)將建站前后江心洲歷史影像數(shù)據(jù)以22.5度間隔等分為16方位，分析每個(gè)方位內(nèi)的變化情況，繪制成16方位形態(tài)變化圖如圖4，各方位江心洲面積計(jì)算結(jié)果見表5。

由圖4、表5可知，建站前2003—2005年，北東東、東北、北東北三個(gè)方位面積分別增加了0.035 km2、0.027 km2、0.014 km2，增長(zhǎng)幅度最大，這三個(gè)方位位于洲頭處，江心洲淤積作用大于沖刷作用，這是由于這三個(gè)方位正對(duì)窄口下游，河流流經(jīng)窄道突然展寬，河流流速急劇下降，泥沙開始大量淤積。西西南、西、北西西方位，面積最大增長(zhǎng)了0.012 km2，增長(zhǎng)了5.5%，增長(zhǎng)幅度相比也較大，這三個(gè)方位位于洲尾或靠近洲尾處，洲尾是分汊河道交匯處，兩分支河流相互阻擋，交匯處水流流速降低，泥沙更易淤積。東、東東南、東南方位面積則出現(xiàn)了減小趨勢(shì)，這三個(gè)方位接近上游主流流向，受到的沖擊力最大，來(lái)自上游的沖刷作用最強(qiáng)，淤積作用小于沖刷作用，江心洲發(fā)育減慢。其余方位也有小幅度的增長(zhǎng)，總體來(lái)說(shuō)大部分方位呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，江心洲處于發(fā)育階段。

圖4 2003—2017年小龍門江心洲十六方位形態(tài)變化圖Fig. 4 Morphological changes of the sixteen orientations of Xiaolongmen central island from 2003 to 2017

表5 2003-2017年小龍門江心洲十六方位面積（km2）Tab. 5 Area of the 16 azimuths of Xiaolongmen central island from 2003 to 2017 （km2）

由圖4、表5可知，建站后2009—2017年江心洲十六方位面積都呈明顯衰退趨勢(shì)，北東北、東北、東東南、東南、南東南、南、西北方位面積大幅度減小，衰退率達(dá)到了80%以上，北東東、東、南西南、北西北、北方位也有較大幅度衰退，衰退率達(dá)到了65%以上，西南、西西南、西、北西西方位衰退率達(dá)到了20%以上。其原因?yàn)椋海?）由圖5可知，2009—2017年，年均徑流量變化幅度不大，輸沙量減小，流水的沖刷能力增強(qiáng)，是人為采砂和上游大壩攔沙采沙等人為活動(dòng)所致；（2）水電站建成后，每年的汛期來(lái)臨前，大壩都會(huì)集中釋放庫(kù)容，大量泄水對(duì)江心洲造成了強(qiáng)烈的沖刷作用；（3）小龍門江心洲位于兩個(gè)水電站之間，水電站的長(zhǎng)期運(yùn)作使得江心洲洲體附近水位有了一定幅度的升降，洪水期水位抬升，洲體岸坡長(zhǎng)時(shí)間浸泡，導(dǎo)致土壤黏聚力降低，抗剪能力減弱，洲體結(jié)構(gòu)被破壞，同時(shí)岸線底部被強(qiáng)烈沖刷，基底掏空[22]；隨著洪水消退，水位下降時(shí)，岸線出露部分失水干裂，結(jié)構(gòu)被破壞的洲體在重力作用下發(fā)生坍塌，使得江心洲不斷萎縮、整體蝕退，體積減小。如圖6為實(shí)地小龍門江心洲枯水期東北方位拍攝圖，洲岸出現(xiàn)裂縫，岸線即將坍塌，江心洲持續(xù)萎縮。

圖5 1965—2020年北碚水文站年徑流量和輸沙量變化圖Fig. 5 Variation of annual runoff and sediment transport at Beibei Hydrological Station from 1965 to 2020

圖6 小龍門江心洲枯水期東北方位實(shí)地圖Fig. 6 Real map of the northeast orientation of Xiaolongmen central island during the dry season

4 結(jié)論

在水電梯級(jí)開發(fā)的背景下，水利樞紐的運(yùn)行對(duì)江心洲的演變產(chǎn)生了重大的影響。通過遙感影像數(shù)據(jù)和水沙資料初步分析了嘉陵江中游小龍門江心洲的面積變化和演變趨勢(shì)，得到如下結(jié)論：

（1）水電樞紐運(yùn)行前，江心洲總體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，除正對(duì)主流方向的東、東東南方位受到的沖刷作用更強(qiáng)，其余方位淤積作用均大于沖刷作用，江心洲處于發(fā)育階段。

（2）水電樞紐運(yùn)行后，江心洲總體呈衰退趨勢(shì)，各個(gè)方位均受到一定程度的蝕退，指向主流方向的東、北方向各個(gè)方位受到蝕退最為嚴(yán)重，其余方位次之，淤積量大大減小。

（3）水電樞紐運(yùn)行后，江心洲不斷萎縮衰退的原因?yàn)椋荷嫌嗡娬緮r截了大量泥沙，減少了江心洲的來(lái)沙量，增大了流水沖刷能力；水電站的集中泄水對(duì)江心洲造成了強(qiáng)烈的沖刷作用，導(dǎo)致岸線水位以下被掏空；洲體周圍水位的升降變化，土體抗剪能力減弱，岸線土體在重力作用下發(fā)生開裂、坍塌。

（4）為防止小龍門江心洲進(jìn)一步萎縮，需要對(duì)東、北方向各個(gè)方位采取邊坡加固等保護(hù)措施。