湘江長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.長沙理工大學 水利工程學院，湖南 長沙 410114;2.洞庭湖水環(huán)境治理與生態(tài)修復湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114；3.水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室，湖南 長沙 410114)

1 研究背景

湘江長沙綜合樞紐下游河段內發(fā)育著大量島嶼或江心洲，江心洲穩(wěn)定對于下游航道安全、洞庭湖濕地和流域經(jīng)濟生產(chǎn)都有重要的影響。樞紐建成運行后，正常蓄水位達29.7 m，改變了下游來水來沙條件，而河段水動力條件的改變又進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，船舶通過此處航段時易擦碰水下潛洲而導致重大事故[1]，因此，需要根據(jù)江心洲的演變規(guī)律對部分洲體采取必要的保護措施，以阻止或減緩江心洲被沖刷蝕退過程。目前，關于湘江下游河道江心洲演變已有眾多學者研究報道[2-3]，但未就長沙綜合樞紐對江心洲演變進行量化分析，對其演變影響因素的揭示有利于相關單位采取合理的工程保護措施和科學的管理策略。

近10年來，國內學者從不同方面對分汊河道的江心洲形成和演變過程進行研究，如通過實測地形資料探究河床形態(tài)指標(河道岸線、深泓線)變化，分析河床調整的主要影響因素[4-6]。也有學者通過沉積環(huán)境、地域分布、形成水動力環(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，缺乏對江心洲水下地形數(shù)據(jù)的分析。國外學者主要從水動力模擬和沉積學兩個方面研究江心洲的泥沙淤積特征、淤積過程及洲體演變規(guī)律，并采用水沙數(shù)學模型模擬江心洲的形成和演變過程[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)對下游江心洲發(fā)育規(guī)律的影響。

湘江長沙綜合樞紐建成運行后，引起其下游河段水沙條件的變化，勢必影響江心洲自然演變過程，并發(fā)生顯著的沖刷蝕退[15]。本文利用湘潭水文站多年實測水沙資料，分析樞紐下游河段水沙特性，基于遙感圖像和實測地形圖分析樞紐下游河段江心洲的演變過程，可為長沙綜合樞紐下游段江心洲今后的演變趨勢以及河段航運安全的保護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。該段有一處由團頭湖流入的小支流。研究河段內的江心洲有3個，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，長沙以下河段多為砂性土，抗沖條件差，存在岸坡沖刷問題。

圖1 湘江長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，多年來面積無大幅變動。

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，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，這是因為洲頭更靠近濠河分汊口，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)來源與研究方法

3.1 數(shù)據(jù)來源

美國NASA的陸地衛(wèi)星計劃從1972年啟動，到現(xiàn)在一共有8顆衛(wèi)星，拍攝周期較短(2～3周)，且時間跨度序列較長，遙感影像覆蓋范圍較廣，從USGS(United States Geological Survey)網(wǎng)站上可以免費下載相關數(shù)據(jù)。其中Landsat MSS、Landsat TM、Landsat OLI_TIRS經(jīng)過預處理(輻射定標和大氣校正)后，數(shù)據(jù)產(chǎn)品處理簡單，使用方便。本文借助Landsat數(shù)據(jù)來研究樞紐下游典型江心洲平面形態(tài)的時空演化特征。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，水位浮動較大會使得提取的數(shù)據(jù)沒有對比性[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空演變信息具有對比性。

在解譯樞紐下游典型江心洲的平面形態(tài)之后，根據(jù)長沙綜合樞紐上游布設的湘潭水文站1953-2014年實測逐日水沙資料(數(shù)據(jù)來源于湖南省水文水資源勘測局)，從水沙的年際變化和年內變化角度，分析樞紐下游河段典型江心洲的演變過程。

3.2 研究方法

長沙綜合樞紐下游河段的圖像跨越125/42和122/39兩個軌道，因此需要對遙感圖像預處理(幾何校正、輻射定標和大氣校正)，圖像由UTM投影系統(tǒng)轉換為等面積投影系統(tǒng)，然后再消除光照和大氣等因素對地物反射的影響。在對遙感影像進行預處理及對部分圖像合成拼接的基礎上，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，再結合ArcGIS計算相應的數(shù)據(jù)(面積、洲長、洲寬、距離左右岸的距離)，最后借鑒相關文獻資料及地質、水文資料分析江心洲演變過程的時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，難以提取不同時間、相同水位下的遙感影像。考慮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應日期的水位基本一致；此外，不同于遙感數(shù)據(jù)，實測河道地形資料不會受到河道水位變化的干擾，本研究通過計算洲體體積的變化，定量認識江心洲的演變規(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水來沙情況，通過年際徑流量和輸沙量的波動曲線反映河段的水文要素的變化規(guī)律。由圖2可知，年徑流量變化趨勢不明顯，而年輸沙量呈減少趨勢。1990年以前，湘江流域的人類活動并未對當?shù)厮囊禺a(chǎn)生重大影響。在這個時段內，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發(fā)展，湘江河段興建大量的水利設施，工業(yè)、農(nóng)業(yè)、城市用水大量增加，這些都對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為研究時段內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，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。

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分布

圖4 研究時段內不同年代湘潭站汛期與非汛期徑流量和輸沙量

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

(2)

根據(jù)湘潭站各月徑流量和輸沙量為參數(shù)計算出Cvy(圖5)，徑流年內分配不均勻系數(shù)在0.4～1.2之間波動，波動幅度較大，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，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蓄能力增強。

圖5 1953-2014年湘潭站徑流量和輸沙量年內分配不均勻系數(shù)

輸沙量Cvy的波動范圍在0.75～2.2，波動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，可見輸沙量的年內分配不均勻度經(jīng)歷了高-低-高的發(fā)展過程，特別是2000年之后，年內分配愈發(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，洲長發(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沙嘴，有向東繼續(xù)發(fā)育的趨勢，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，洲體面積和長度沒有明顯變化。2009年，洲尾的沙嘴持續(xù)沿著右汊河道延伸到洲體東部，面積和長度分別大幅度增加至0.475 km2和0.87 km。2009-2013年，洲頭淺灘嚴重萎縮，洲體中間靠右汊水流不斷淘蝕，沙坪洲的面積和長度分別減至0.394 km2和0.83 km；2016年，洲體中部繼續(xù)沖刷蝕退，面積和長度變化較小。

圖9為1984-2016年3個江心洲的面積變化趨勢。圖9表明，樞紐下游河段3個典型江心洲自1984-2016年總體上面積呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，但是各江心洲不同時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致，1984-1994年期間，江心洲處于原始發(fā)育狀態(tài)，結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)擴大。2012-2016年，長沙綜合樞紐建成運行后，清水下泄導致洲體受到?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個江心洲面積變化趨勢

5.2 江心洲的實測地形分析

對比遙感數(shù)據(jù)，實測河道地形數(shù)據(jù)不僅能可靠地反映江心洲的面積變化，還可以準確地計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3個江心洲1983、2008和2015年的實測地形數(shù)據(jù)進行了提取、計算和分析。

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，導致江心洲洲體淤積，另外，該時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，上下蘿卜洲結合為一體，洲尾淤積向北移動。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，但是對比3個年份(1983、2008、2015年)的河道斷面，受自然和人為因素的影響，各個斷面的變化情況略有差異(圖11～13)。

圖10 1983、2008、2015年3個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個二級深槽，最深處累計下切11.4 m，主要是受到人為建設洲體護岸的影響，而右側主槽略有淤積。甄皮洲洲尾斷面整體沖刷下切，最大處累計沖刷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，右側河槽沖刷下切，左側河床沖刷不大，而2008年后，在洲頭斷面左側河床下切形成深槽，變化最深處下切達12 m。蘿卜洲洲尾斷面左側河槽向右岸移動，形成了1個二級深槽，河槽下切最深處達到7.1 m。

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

6 結 論

本文利用湘江湘潭水文站多年實例水沙資料分析了長沙綜合樞紐下游河段的水沙特征，并運用實測地形和遙感數(shù)據(jù)選取長沙綜合樞紐下游3個典型江心洲，分析其面積、體積發(fā)育和萎縮過程，主要結論如下：

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

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

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