基于GIS技术的东江源区寻乌水河道演变及其影响分析

2021-10-28曾金凤

人民珠江 2021年10期

陈川，曾金凤，2

(1.赣江上游水文水资源监测中心，江西赣州 341000；2.江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州 341000)

研究在水流的作用下河床的形态及其变化的科学叫做“河床演变学”[1]。水流与河床的交互作用通过泥沙运动的纽带作用来体现。而泥沙有时是水流的组成部分，有时又是河床的组成部分[2]。河流水系是一个整体，河道自身的变化遵循自身的规律，涉河工程的兴建及占滩挖沙作业，破坏了河流的相对平衡，引起河流的再造床过程[3]。

河道断面形态是河流的重要特征，是决定河流输水输沙能力、河道畅通、稳定程度的重要因素[4]。传统河床演变分析方法中的断面分析主要是针对固定断面而进行。这种方法数据处理工作量较大，分析质量优劣依赖断面实测资料的完整性。对于河段河道的演变分析，传统方法主要依靠大范围的实测地形资料，对深泓、岸线、深槽及冲淤变化等进行分析，总结河床演变的一般规律及不同河型和河槽中特定组成部位的演变规律[5]。3S技术具有空间信息采集、处理、分析和服务功能，数字高程模型(简称DEM)，能通过有限的地形高程数据实现对河道地形的数字化模拟。基于GIS的河床演变断面分析解决了传统方法必须立足于固定断面的局限。此外这一方法还可利用河道断面数据获得大量信息，使河床演变断面分析定量化、具体化、系统化、多角度化[6-7]。将多源空间信息技术与传统河床演变方法相结合是河道演变的规律性、随机性和长期性统一研究及预测的新思路，有利于解决实测地形资料不全，信息沟通缺乏统一平台等问题。

寻乌水是东江源头干流，流域所经寻乌县是世界上离子型稀土矿主产区之一。由于历史、人口、发展等因素的影响，流域内生态环境持续恶化，水土流失严重[8-10]，该区域先后被列为国家生态补偿试点区域[11]、山水林田湖草综合治理区域，财政部、水利部、环保部联合明确为国土江河综合整治试点区域，水利部水生态保护修复典型区域和珠江流域水资源保护规划重点区域。本文通过GIS技术分析研究寻乌水干流水背水文站河段水下断面的变化规律，依据不同时期实测的河道固定断面和水下地形数据，通过叠合分析不同时期的水下断面变化情况、深泓线位置变化等分析寻乌水河道演变的特征和情况，在此基础上补充水背站附近水下地形数据用以构建DEM和水下地形三维模型，以此分析该段河道的冲淤变化情况[12]。同时利用赣江上游水文水资源监测中心水背水文站相关水文资料数据对比研究寻乌水河段河床演变情况，分析河道演变主要影响因素及其产生的不利影响[13]，从而间接评估东江源区寻乌水流域生态修复治理成效，为今后寻乌水的开发、规划和管理提供基础性的依据，同时也为类似的河道变化分析研究提供参考。

1 河道概况

寻乌水为东江干流上游，发源于三标乡桠髻钵山，由北向南，经龙岗圩、澄江、吉潭、留车在斗晏水库下游出江西省，进入广东省称东江。流域以山地、丘陵为主，山地和丘陵以红黄壤土为主，间有紫色土。植被良好，有松、杉、樟等，是赣南林区之一。蕴藏稀土、钨、铀、铁等矿产资源，其中稀土矿不仅储量大，而且质量好，是江西省稀土资源主要产地之一。中游河床由卵石和粗沙组成，下游河床以粗、细沙为主，属山区性河流。河流两岸受山岩的限制，沿程平面上呈现为一段放宽、一段缩窄，宽窄交错形态。山区河道泥沙运动的重要特征是“大水走大沙，小水走小沙”。河段的卵石推移质的运动强度，不仅受水流强度的影响，还在很大程度上受宽窄相间河段推移质暂时冲刷和淤积特性所决定。大流量时水位抬升，窄深段过水面积增加不多，水流比降大，流速快，并对宽阔段产生壅水影响。卵石在宽阔段落淤，峡谷段泥沙被冲刷出谷；小流量时水位消落，宽浅段水流归槽，流速加快，峡谷段过水面积大，比降平缓，卵石自宽阔段又被带入峡谷段停淤，待下一个洪峰到来时再冲刷出谷，如此呈接力式运动[14]。

寻乌水在江西境内流域面积为1 841 km2，主河道长度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，流域长度71.4 km，流域形状系数0.38。主要河道有一级支流剑溪河、马蹄河、龙图河、篁乡河，东江源区寻乌水水系见图1。流域多年平均降雨量1 600 mm，多年平均产水量15.1×108m3。

图1 东江源区寻乌水水系

水背水文站位于南桥镇车头村，寻乌水出境断面上游31 km处，控制流域面积987 km2。水背站于1979年设立，1993年停测，2009年恢复。实测最大洪水出现在1983年6月3日，洪峰水位为224.42 m，相应洪峰流量982 m3/s。测验项目有：雨量、水位、流量、泥沙、水温、岸温等。水文站基本断面上游1.12 km处有南龙电站，600 m左岸有南桥水汇入，下游5.6 km处有文昌电站。水背水文站处上下游500 m外河段均相对宽阔，站点所在河段相对较窄，河段弯曲，水文站位于河道左岸(也称凸岸)，主河槽呈U型，中高水主槽宽度约70～90 m，河床由细沙组成，两岸为岩石。

2 资料和方法

分析资料为寻乌水背水文站2010、2015、2020年实测获取的河道大断面(图2)，河道冲淤变化分析是建立在水下DEM和三维模型的基础上(水背站只有2015、2020年实测水下地形图)。采用1985国家高程基准作为研究区的高程系统，分析采用ArcGIS技术。以水背水文站2015—2020年实测的流量和泥沙数据资料对比研究。

图2 水背水文站实测大断面冲淤对比

3 河道演变分析

3.1 河道断面冲淤分析

冲淤分析是研究河床演变的基础，河道断面冲淤分析是在2010、2015、2020年水背水文站基本断面实测资料的基础上进行断面冲淤变化分析。

由图2可知，断面河底高程在2010—2020年逐渐减小，河床主槽呈现冲刷态势。2010、2015、2020年断面平均河底高程分别为222.56、221.81、221.29 m。2010—2015、2015—2020年断面多年平均河底高程分别下降0.75、0.52 m。

2010—2015年，整个断面既有冲刷地段，也有淤积地段，为冲淤相互交替，总体呈现出冲刷态势。冲淤地段，主要位于距起点距5～7 m和10～80 m 2个地段。其中距起点距5～7 m为淤积态势，淤积面积为3.21 m2，距起点距大约5 m处，点淤积幅度最高为1.5 m；距起点距10～20 m为淤积态势，淤积面积为10.24 m2，距起点距大约12 m处，点淤积幅度最高为1.36 m；距起点距20～80 m为冲刷态势，冲刷面积为42.26 m2，距起点距大约74 m处，点冲刷幅度最高为1.42 m。总冲刷面积为28.81 m2。

2015—2020年，整个断面也是既有冲刷地段，也有淤积地段，为冲淤相互交替，总体呈现出冲刷态势。冲淤地段，主要位于距起点距5～80 m地段。其中距起点距5～7 m为冲刷态势，冲刷面积为3.24 m2，距起点距大约6 m处，点冲刷幅度最高为1.7 m；距起点距7～10 m为淤积态势，淤积面积为2.32 m2，距起点距大约7 m处，点淤积幅度最高为0.62 m；距起点距10～20 m为淤积态势，淤积面积为7.37 m2，距起点距大约13 m处，点淤积幅度最高为0.8 m；距起点距20～80 m为冲刷态势，冲刷面积为22.43 m2；距起点距大约25 m处，点冲刷幅度最高为0.82 m。总冲刷面积15.98 m2。

3.2 水背水文站区域水下地形变化分析

利用GIS技术建立了水背水文站附近区域2015、2020年的水下地形三维模型(图3、4)。寻乌水水背站段河道弯曲，在自然演变条件下，在水流的离心力作用下，凹入的河岸进行侵蚀，侵蚀下来的泥沙，通过弯遭环流，搬运到对岸沉积，逐渐增长成圆弧状坡缓的凸岸。由图3可知，2015年，河段左岸(凸岸)有堆积，河道深泓线偏于右岸(凹岸)，符合河道自然演变规律。由图4可知，到2020年，河段深泓线摆动偏于左岸，河床整体下切。由分析可知，2015—2020年，该段河道存在人为因素破坏了河流的相对平衡，从而引起河流的再造床运动。经过调查研究，河道采砂是该段河道深泓线非正常摆动的原因。

图3 水背站2015年水下地形三维模型

图4 水背站2020年水下地形三维模型

3.3 水背水文站区域水下地形冲淤变化分析

利用GIS技术对水背水文站附近2015年和2020年的三维水下地形模型进行叠合分析(2020年减2015年，图5)，2015—2020年，河段深泓线整体往左岸摆动，河槽偏向于左岸，河床下切深度较大，大部分下切2.0 m左右，局部段甚至达到5.0 m，河道右岸存在淤积，整体淤积量少，淤积厚度不超过1.5 m。通过计算河段泥沙冲淤量，得到寻乌水水背水文站区域的淤积量为2 753 m3，冲刷量为14 591 m3，淤积面积为8 315 m2，冲刷面积为22 262 m2。该区域总体呈现为冲刷态势，总冲刷量为11 838 m3，总冲刷面积为13 947 m2。

图5 水背站2015年和2020年水下地形叠合成果

4 河道演变影响因素分析

4.1 水背水文站实测水文资料分析

依据水背站2015—2020年的实测数据得到日均径流变化趋势见图6。可知，近6年以来多年平均径流量呈现增减交替趋势。2016年4月寻乌水的多年平均径流量达到历年最高，之后径流量的变幅变小。其中2015年平均流量为24.2 m3/s，2020年平均流量为18.2 m3/s。

图6 水背站日均径流量和输沙率变化

依据水背站2015—2020年的实测数据得到日均悬移质输沙率变化趋势见图6。水背站监测的寻乌水平均日输沙率值很小，2016年4月寻乌水流域的日输沙率达历年最高，2016年4月以后径流量的变幅变小，且之后流域内的逐日输沙率仅在2019年6、7月较大且集中，但都没有突破2016年4月份的极值。水背站多年悬移质输沙率特征值统计见表1。由表1可知，近6年以来寻乌水输沙率大体呈现减少趋势。

表1 水背站多年悬移质输沙率特征值统计

4.2 南龙电站对河道泥沙、河床冲淤的影响

南龙电站位于水背站基本断面上游1.12 km处，电站于1995年开建，1997年11月竣工发电，大坝坝体为M7.5浆砌石重力坝，坝体整体呈Z字型，坝体基础为露头岩基础。大坝最大坝高6 m，底宽4.0 m，坝顶共长107 m，顶宽1.5 m。水库库容为45万m3。电站拦河坝拦蓄上游大量泥沙，使下泄河水含沙量明显减少。

4.3 生态修复治理的影响

2016年，在财政部、生态环境部的推动下，江西、广东两省正式签订《东江流域上下游横向生态补偿协议》。4年多来，源区各县累计投入生态保护和治理资金达33亿元，其中东江流域生态补偿资金13亿元，重点实施了污染治理、生态修复、水源地保护、水土流失治理和环境监管能力建设等5大类74个项目，项目实施的阶段性成果体现在源源不断流入粤港大地的碧波荡漾之中。近年来，赣州市高度重视东江源头的生态环境保护工作，先后制定出台了《关于加强源头生态环境保护的工作意见或实施方案》等指导性文件。源头区域更是牢固树立“生态为重”的理念，投入大量人力物力，开展好封山、育林、退果、关矿、移民等工作，使东江源的生态环境有了明显改善。

4.4 河道采砂的影响

水背站上下游1.0 km范围内均有采砂场，砂厂于2011年设立，2011—2015年基本处于停摆状态。自2016年开始，随着流域内经济飞速发展，尤其赣州市房地产市场开始火热，砂石建筑用料需求日益增加，导致河道非法采砂行为及超量的烂采乱挖现象严重，很大程度上改变了原已相对稳定的河床形态、水流流态以及输沙率，导致河床不断下切[15-17]。

5 河道演变影响分析

5.1 对水质的影响分析

寻乌水下游沿河分布有多个重要水源取水口，下游河道逐年下切会增大河流槽蓄量，增加污染物在下游河道的回荡时间，加剧下游河道水环境问题，进而影响附近水厂取水口水质，对寻乌县县区及周边的生产生活生态用水产生不利影响[18]。

赣江上游水文水资源监测中心在水背水文站下游设有留车监测断面，监测数据始于2014年，2014—2020年断面水环境质量变化趋势见图7。

图7 寻乌水留车断面水环境质量变化趋势

从图7可以看出，虽然2014—2020年留车断面水环境质量保持较好态势，各年度均能稳定达到II类水质标准，但是指标浓度呈现上升趋势。

5.2 对跨河大桥、河岸及防洪堤的影响

寻乌水为典型的山区河流，河床多砂砾石，泥沙运动以推移质运动为主。河道下游建有车头大桥等多座跨河桥梁，桥梁建设后，必然改变桥址河段水流条件，影响该河段河床冲淤演变。桥墩建设减小了河道过水断面面积，造成桥位前大面积壅水，流速降低，河道呈现微淤积；桥位处，受桥墩束水作用影响，墩间流速增大，造成墩间河床冲刷，同时墩后尾水区流速变缓，泥沙淤积；桥位下游中间流速有所减小，但由于桥位上游淤积减小了泥沙来源，加上泥沙来源不足，从而加剧冲刷，长此以往可能触发跨河桥梁险情。同时，河道下切、水动力条件改变会导致河岸及防洪堤严重冲刷，进而引起青龙大道沿河路基被掏空、岸堤坍塌等险情。