嘉陵江中游水电梯级开发对小龙门江心洲的形态演变与影响机制研究

2022-05-07罗刚舒秋贵

四川林业科技 2022年2期

罗刚, 舒秋贵

西华师范大学地理科学学院, 四川南充 637009 2022-01-17收稿

嘉陵江中游发育着许多江心洲，稳定的江心洲地势平坦、土地肥沃，是一种特有的土地资源，江心洲的稳定对中游及附近的航道安全、湿地利用发展都有重要的影响。江心洲的形成原因与河床边界、泥沙来源、水动力等条件密切相关，上游携带的泥沙是江心洲形成的物质来源，河流的冲刷流动则是搬运、堆积泥沙的水动力条件，而河床边界条件又是影响局部河段水动力条件与泥沙输移的主要控制性因素[1]。现学者一般将江心洲的成因分为三类[2]：一是洪水、枯水时动力轴线变化形成的江心洲，包括主泓切割滩地、曲流裁弯形成的江心洲；二是以边界因素影响水沙作用形成的江心洲，包括双边节点以上的壅水河段、河道放宽段、河口放宽段、直流汇入处、鹅头型弯曲河道；三是河槽底部基岩及障碍物突起形成的江心洲。在多种因素的相互作用下，江心洲的自然进程发生改变，江心洲的改变不仅对土地利用和湿地景观发展产生影响[3]，较多水下潜洲的存在也时刻为航运安全带来风险[4]。

近年来国内学者从不同方面对分汊河道江心洲的形成和演变展开探究，从河势周期性调整、滩槽冲淤变形特点等方面分析了分汊河道的演变特征[5-6]。也通过不同的方法途径对江心洲的形成演变展开探讨分析，通过研究土壤重金属含量的分布特征和来源，分析江心洲洲体形成的时间和演变[7]；有些学者基于MSS/TM/ETM图像，在GIS的支持下，通过遥感分析研究河流的冲淤情况，结合实测数据分析河道和江心洲的形成演变[8-9]。国外学者则从沉积学的角度研究了江心洲的沉积物的特征、沉积过程和演变规律，Defina、Crosato[10-11]等从弯曲型河流和辫状型河流之间的转化条件出发，建立了基于物理图形的简化模型，用来预测河道中沙洲发育的数量。前人学者们大多分析的是自然状态下江心洲的发育和演变进程，很少分析人为因素如水电梯级开发下江心洲的演变规律。

自然状态下的小龙门江心洲和嘉陵江中游的上中坝湿地公园以及长江中下游的天星洲、新生洲等都是以边界因素影响水沙作用形成的江心洲，是双边节点以下放宽段形成的江心洲，这类江心洲面积大，形成稳定。但近年来受到兴修水利、拦沙采沙以及其他多种因素的影响，江心洲的自然进程发生改变，部分江心洲不再呈单一的淤长态势，呈轻微蚀退特点[12]。小龙门江心洲位于两个水利枢纽之间，嘉陵江水电梯级开发运行后，上游凤仪电站和下游龙门电站的蓄排水都会对该江心洲的冲淤造成影响，分析水电枢纽运行下小龙门江心洲的形态演变，对此类江心洲的形态演变具有较好的参考价值。有学者分析了湘江水电枢纽行下江心洲的演变过程，发现水电枢纽运行前，江心洲呈一定程度的增大趋势，水电枢纽运行后，江心洲呈不同程度的萎缩趋势,认为水电枢纽运行后，来沙量减少，下泄清水对江心洲的长期冲刷是导致其萎缩的主要原因[13-14]。前人研究仅指出来沙量减少以及水流冲刷对江心洲形态演变的影响，本文则认为水电枢纽运行后，水电站的蓄排水造成洲体岸线水位升降变化也是江心洲形态演变的重要影响因素，是在前人研究基础上的补充。本文基于历史遥感影像，结合嘉陵江多年的水文数据，分析了江心洲的形态演变特征和影响因素，对江心洲开发利用、湿地保护和航运安全具有一定的理论与实践意义。

1 研究区概况

1.1 江心洲基本概况及河道特征

小龙门江心洲地处四川省南充市高坪区龙门街道中坝村，位于嘉陵江中游河段，凤仪场和小龙门两个水电枢纽之间，见图1。小龙门水电站2003年开始修建，2004年11月大江截流，2006年完工并开始运行，控制流域面积7.58×104km2；凤仪水电站2005年开始修建，2008年完工并开始运行，控制流域面积7.47×104km2。两水电站之间的河段长约17.5 km，河宽270~1500 m，平均坡降为0.068%，是一段宽窄不一的弯曲河道，附近修筑河堤，河段两岸大多为丘陵地形和冲积平原。小龙门江心洲呈不规则状，河道主流方向上形态破碎，除洲头堆积卵石外，洲体大多为泥质沉积物组成。

图1 嘉陵江中游小龙门江心洲附近河段图Fig. 1 Distribution map of the river sections near Xiaolongmen Central Island in the middle reaches of Jialing River

2 资料来源和研究方法

2.1 遥感影像数据

2.1.1 遥感影像数据来源和处理方法

通过历史影像的判读和影像面积的计算能够直观的反映江心洲平面形态的变化，遥感影像数据选取的是1972年以来，美国发射的NASA陆地卫星拍摄的影像，现已有8颗卫星，时间跨度长，覆盖范围广。在USGS网站和地理空间数据云下载相关数据，将Landsat4-5 MSS、Landsat4-5 TM、Landsat 8OLI_TIRS影像做辐射定标和大气校正的预处理，用遥感影像数据做江心洲的平面形态分析，影像数据如表1。

表1 Landsat数据遥感影像信息表Tab. 1 Landsat data remote sensing image information

云覆盖率、云厚度、云破碎度都影响了遥感影像的可用度[15]，为了减小云层对影像的影响，一般选取云量小于30%的影像图。为了减小大气和光照反射的影响，对遥感影像进行预处理（辐射定标和大气校正），再在ArcGis中将图像进行裁剪和拼接处理，得到小龙门江心洲的区域遥感资料。

借鉴 Mcfeeters[16]和徐涵秋[17]利用改进的归一化差异水体指数（MNDWI）抑制遥感影像中的土壤和植被信息提取水体的方法作为面积提取的原理，提取水体后通过阈值切割的方法得到江心洲的面积，并通过洲体的最小外接矩形量算江心洲最大洲长、最大洲宽、距左右岸距离等参数分析江心洲的形态变化。通过Arc-Gis建立16方位的格网，将江心洲按16方位截取部分面积，对各方位面积大小、形态差异的比较，分析不同方位形态变化的差异情况。

2.1.2 误差修正

Landsat遥感影像数据的分辨率为30 m，影像图上量算的距离具有一定的误差，从而造成面积量算也存在相应地误差。为了检测遥感影像上两点间的距离精度，进行5组点实地距离Lf测量，以之与Landsat影像上相同经纬度点的间距Lm读数比较，计算出Landsat影像距离读数订正系数a ，a的计算见公式（1）。五组实测与影像图上的量算距离数据具体见表2。

表2 实测距离与影像距离变化Tab. 2 Changes between the measured distance and image distance

计算出 a五组数据的算数平均值为0.86，该值即为遥感影像上两点距离的修正系数。相应地遥感影像上面积的修正系数为0.739 6。

2.2 水沙数据

水位数据来源于南充市水文站逐日观测数据和嘉陵江水情网小龙门水电站的坝前水位。水位变化是影响江心洲平面形态变化的一个重要因素[18]，水位的升降严重影响到江心洲的出露面积，考虑到水位对江心洲出露面积的影响，只能选取水位相近的遥感影像，本研究选取的影像水位差值都在厘米级的范围，相差较小，见表3，相应水位对应的历史遥感影像图具有对比性。

表3 水位数据Tab. 3 Water level data

径流量和输沙量是影响江心洲变化的重要因素，水沙变化影响了江心洲的演变，在分析江心洲形态演变时用到的嘉陵江沙情数据来源于《长江泥沙公报》《中国河流泥沙公报》及部分公开发表文献[19-20]。

3 江心洲形态演变

3.1 水电站运行前后江心洲形态变化

在自然状态下的江心洲受到来水来沙的影响，会发生一定形态的体积变化，其本质是江心洲洲体的泥沙冲刷量与淤积量的不平衡导致洲体面积发生改变[21]。通过选取不同年份同一江心洲的遥感影像，计算不同时间相近水位江心洲的面积大小，对比得出其面积变化情况，可较为直观地反映出江心洲的堆积和冲刷情况。就已有和获得的数据来分析，选取了小龙门江心洲建站前2003年、2005年水位相近的两组遥感影像图和建站后2009-2017年水位相近的遥感影像图如图2，计算的江心洲各形态参数如表4所示。

图2 2003-2017年小龙门江心洲平面形态演变Fig. 2 The plane shape evolution of Xiaolongmen central island from 2003 to 2017

表4 2003-2017小龙门江心洲形态参数表Tab. 4 Morphological parameter of Xiaolongmen central island from 2003 to 2017

建站前2003—2005年，由图2、表4可知，江心洲总体呈增长趋势,距左岸距离变化不大，距右岸距离减小了0.02 km；对比两组数据，洲长、洲宽、面积都有一定程度的增加，洲长增加了0.02 km，洲宽增加了0.05 km，面积增长了4.4%，江心洲向右岸拓宽，由洲头向洲尾发育，洲体的泥沙淤积量大于冲刷量，此时江心洲处于发育阶段。

建站后2009—2017年小龙门江心洲面积变化趋势图见图3，由图2、图3、表4可知，经计算2009年到2013年面积减小了0.618 km2，洲长减小了0.25 km，洲宽也减小了0.35 km，对比2009年和2013年的遥感影像，江心洲东岸断裂塌陷，东半部分呈破碎状，面积大幅度减小，分析认为，这是由于小龙门江心洲位于两个电站之间，水电站的排水造成了一定的冲刷作用，同水位抬升或降低，使得洲岸不断被侵蚀浸泡，水位的升降变化导致江心洲岸线干裂塌陷；2013—2015年面积减小了0.229 km2，对比遥感影像，江心洲破碎加剧，面积有一定幅度的衰退；2015年到2017年面积又减小了0.298 km2，2009—2017年江心洲面积呈大幅度衰退趋势，小龙门江心洲的衰退程度超过了67%，江心洲进一步萎缩。

图3 2009—2017年小龙门江心洲面积变化Fig. 3 Area change of Xiaolongmen central island from 2009 to 2017

3.2 水电站运行前后江心洲十六方位形态变化

为了更好的分析江心洲的发展趋势，了解演变进程，现将建站前后江心洲历史影像数据以22.5度间隔等分为16方位，分析每个方位内的变化情况，绘制成16方位形态变化图如图4，各方位江心洲面积计算结果见表5。

由图4、表5可知，建站前2003—2005年，北东东、东北、北东北三个方位面积分别增加了0.035 km2、0.027 km2、0.014 km2，增长幅度最大，这三个方位位于洲头处，江心洲淤积作用大于冲刷作用，这是由于这三个方位正对窄口下游，河流流经窄道突然展宽，河流流速急剧下降，泥沙开始大量淤积。西西南、西、北西西方位，面积最大增长了0.012 km2，增长了5.5%，增长幅度相比也较大，这三个方位位于洲尾或靠近洲尾处，洲尾是分汊河道交汇处，两分支河流相互阻挡，交汇处水流流速降低，泥沙更易淤积。东、东东南、东南方位面积则出现了减小趋势，这三个方位接近上游主流流向，受到的冲击力最大，来自上游的冲刷作用最强，淤积作用小于冲刷作用，江心洲发育减慢。其余方位也有小幅度的增长，总体来说大部分方位呈增长趋势，江心洲处于发育阶段。

图4 2003—2017年小龙门江心洲十六方位形态变化图Fig. 4 Morphological changes of the sixteen orientations of Xiaolongmen central island from 2003 to 2017

表5 2003-2017年小龙门江心洲十六方位面积（km2）Tab. 5 Area of the 16 azimuths of Xiaolongmen central island from 2003 to 2017 （km2）

由图4、表5可知，建站后2009—2017年江心洲十六方位面积都呈明显衰退趋势，北东北、东北、东东南、东南、南东南、南、西北方位面积大幅度减小，衰退率达到了80%以上，北东东、东、南西南、北西北、北方位也有较大幅度衰退，衰退率达到了65%以上，西南、西西南、西、北西西方位衰退率达到了20%以上。其原因为：（1）由图5可知，2009—2017年，年均径流量变化幅度不大，输沙量减小，流水的冲刷能力增强，是人为采砂和上游大坝拦沙采沙等人为活动所致；（2）水电站建成后，每年的汛期来临前，大坝都会集中释放库容，大量泄水对江心洲造成了强烈的冲刷作用；（3）小龙门江心洲位于两个水电站之间，水电站的长期运作使得江心洲洲体附近水位有了一定幅度的升降，洪水期水位抬升，洲体岸坡长时间浸泡，导致土壤黏聚力降低，抗剪能力减弱，洲体结构被破坏，同时岸线底部被强烈冲刷，基底掏空[22]；随着洪水消退，水位下降时，岸线出露部分失水干裂，结构被破坏的洲体在重力作用下发生坍塌，使得江心洲不断萎缩、整体蚀退，体积减小。如图6为实地小龙门江心洲枯水期东北方位拍摄图，洲岸出现裂缝，岸线即将坍塌，江心洲持续萎缩。