湘江长沙综合枢纽下游河段典型江心洲演变规律

隆院男，夏涵韬，蒋昌波，李志威

(1.长沙理工大学 水利工程学院，湖南 长沙 410114;2.洞庭湖水环境治理与生态修复湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114；3.水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南 长沙 410114)

1 研究背景

湘江长沙综合枢纽下游河段内发育着大量岛屿或江心洲，江心洲稳定对于下游航道安全、洞庭湖湿地和流域经济生产都有重要的影响。枢纽建成运行后，正常蓄水位达29.7 m，改变了下游来水来沙条件，而河段水动力条件的改变又进一步影响了河道演变。枢纽下游航段水面虽宽，但水下潜洲等较多，船舶通过此处航段时易擦碰水下潜洲而导致重大事故[1]，因此，需要根据江心洲的演变规律对部分洲体采取必要的保护措施，以阻止或减缓江心洲被冲刷蚀退过程。目前，关于湘江下游河道江心洲演变已有众多学者研究报道[2-3]，但未就长沙综合枢纽对江心洲演变进行量化分析，对其演变影响因素的揭示有利于相关单位采取合理的工程保护措施和科学的管理策略。

近10年来，国内学者从不同方面对分汊河道的江心洲形成和演变过程进行研究，如通过实测地形资料探究河床形态指标(河道岸线、深泓线)变化，分析河床调整的主要影响因素[4-6]。也有学者通过沉积环境、地域分布、形成水动力环境等揭示其发育规律[7-8]。利用遥感图像数据研究江心洲演变规律也有一些尝试[9-10]，但仅仅是分析江心洲露出水面的部分洲体，缺乏对江心洲水下地形数据的分析。国外学者主要从水动力模拟和沉积学两个方面研究江心洲的泥沙淤积特征、淤积过程及洲体演变规律，并采用水沙数学模型模拟江心洲的形成和演变过程[11-14]。前人主要研究江心洲自然演变规律，而很少分析人为因素(比如水利枢纽工程)对下游江心洲发育规律的影响。

湘江长沙综合枢纽建成运行后，引起其下游河段水沙条件的变化，势必影响江心洲自然演变过程，并发生显著的冲刷蚀退[15]。本文利用湘潭水文站多年实测水沙资料，分析枢纽下游河段水沙特性，基于遥感图像和实测地形图分析枢纽下游河段江心洲的演变过程，可为长沙综合枢纽下游段江心洲今后的演变趋势以及河段航运安全的保护提供一定的理论参考。

2 研究区概况

2.1 河道特征

本研究河段为长沙综合枢纽至濠河口河道(图1)，为典型的江心洲分汊河道。该河段河长约26.6 km，河宽600～1 600 m，河床平均坡降为0.0824‰，属于中部较低、东西较高的地形。河段两侧多为由河流沉积作用而形成的冲积平原，另有少许的丘陵，属于典型的平原河流。该段有一处由团头湖流入的小支流。研究河段内的江心洲有3个，从上游到下游分别是甄皮洲、萝卜洲、沙坪洲。湘江是典型的少沙河流，长沙以下河段多为砂性土，抗冲条件差，存在岸坡冲刷问题。

图1 湘江长沙综合枢纽地理位置及以下河段江心洲分布

2.2 江心洲基本介绍

甄皮洲(28°31′06″N，112°44′31″E)位于湖南省望城县乔口镇以东的湘江主河道上，该河段属于典型的首尾窄深单一的弯曲型河段。河段左岸有一条从团头湖流入湘江的支流，1980年前，甄皮洲完全在支流入口下游，呈叶片状，随着湘江中的泥沙长期在洲头处淤积，使得甄皮洲不断地向南拓展，2009年的遥感图像表明，甄皮洲面积最大时呈现刀头的形状，而洲体中部依稀可见有一处裂痕，用于区分洲头处淤积的洲体与固定洲体。新增洲体的稳定性受湘江来水量以及输沙量变化的影响。

萝卜洲(28°35′32″N，112°48′31″E)位于乔口镇东北方向，距镇中约12.7 km，由南至北，横贯江心。萝卜洲分为上萝卜洲和下萝卜洲，从2005年的遥感图像可见上下洲的分界线。萝卜洲洲体稳定，多年来面积无大幅变动。

沙坪洲(28°37′30″N，112°48′32″E)位于湘江濠河口，属于鹅头型江心洲，沙坪洲的左岸较稳定，与湘江支流左岸的距离约为220 m。从1984和1994年的图像上来看，沙坪洲距右岸约有400 m；而 2000年后的平均距离约为200 m，水位低时，沙坪洲与湾河围连为一体；2005年影像表明，沙坪洲的右汊首窄尾宽，这是因为洲头更靠近濠河分汊口，湘江中的泥沙在此淤积较多，所以比洲尾淤积明显。

3 数据来源与研究方法

3.1 数据来源

美国NASA的陆地卫星计划从1972年启动，到现在一共有8颗卫星，拍摄周期较短(2～3周)，且时间跨度序列较长，遥感影像覆盖范围较广，从USGS(United States Geological Survey)网站上可以免费下载相关数据。其中Landsat MSS、Landsat TM、Landsat OLI_TIRS经过预处理(辐射定标和大气校正)后，数据产品处理简单，使用方便。本文借助Landsat数据来研究枢纽下游典型江心洲平面形态的时空演化特征。Landsat数据遥感影像信息见表1。

表1 Landsat数据遥感影像信息表

研究河段所在TM/OLI影像的轨道号为125/42和122/39。水位变化是水陆边界提取的干扰因素之一，水位浮动较大会使得提取的数据没有对比性[16]。因此本文选取水位大致相同的遥感数据。受到卫星的拍摄周期和枢纽下游流域云层覆盖度等不确定因素的影响，选取的不同年份遥感数据的成像日期也不尽相同。由表1可知，选取遥感影像的日平均水位均在30～31 m之间，因此选取的6期遥感影像所解译的江心洲时空演变信息具有对比性。

在解译枢纽下游典型江心洲的平面形态之后，根据长沙综合枢纽上游布设的湘潭水文站1953-2014年实测逐日水沙资料(数据来源于湖南省水文水资源勘测局)，从水沙的年际变化和年内变化角度，分析枢纽下游河段典型江心洲的演变过程。

3.2 研究方法

长沙综合枢纽下游河段的图像跨越125/42和122/39两个轨道，因此需要对遥感图像预处理(几何校正、辐射定标和大气校正)，图像由UTM投影系统转换为等面积投影系统，然后再消除光照和大气等因素对地物反射的影响。在对遥感影像进行预处理及对部分图像合成拼接的基础上，采用区域裁剪和截图的方法得到江心洲区域的遥感资料，本文主要使用归一化水体指数NDWI(normalized difference water index)，其公式如下：

NDWI=(BandGreen-BandNIR)/(BandGreen+BandNIR)

(1)

式中：BandGreen为绿色波段；BandNIR为近红外波段。

研究方法的原理参考借鉴Mcfeeters[17]和徐涵秋[18]利用归一化水体指数(NDWI)抑制遥感影像中的土壤和植被信息提取水体的方法，再结合ArcGIS计算相应的数据(面积、洲长、洲宽、距离左右岸的距离)，最后借鉴相关文献资料及地质、水文资料分析江心洲演变过程的时空特征并探究其可能的影响因素。

受天气和流域云层分布等自然因素的干扰，难以提取不同时间、相同水位下的遥感影像。考虑到水位是江心洲露水面积变化的重要影响因素，因此，本研究所采用遥感影像对应日期的水位基本一致；此外，不同于遥感数据，实测河道地形资料不会受到河道水位变化的干扰，本研究通过计算洲体体积的变化，定量认识江心洲的演变规律。

4 水沙变化分析

4.1 水沙的年际变化因素

湘潭站多年平均径流量为663.9×108m3，多年平均输沙量为969×104t，图2为1953-2014年湘潭站水沙年际变化距平图，直观地反映了湘江下游来水来沙情况，通过年际径流量和输沙量的波动曲线反映河段的水文要素的变化规律。由图2可知，年径流量变化趋势不明显，而年输沙量呈减少趋势。1990年以前，湘江流域的人类活动并未对当地水文要素产生重大影响。在这个时段内，河段的径流量和输沙量均处于自然状态下。1990年后，随着湘江流域的建设发展，湘江河段兴建大量的水利设施，工业、农业、城市用水大量增加，这些都对河段水文要素的变化产生了重大的影响。

4.2 水沙的年内变化因素

图3为湘潭站月平均径流量和输沙量分布。由图3可看出，月最大径流量在5月份，为114.9×108m3，最小径流量在12月份，为23.89×108m3；月最大输沙量在6月份，为236.32×104t，月最小输沙量在12月份，为7.02×104t。

图4为研究时段内不同年代湘潭汛期和非汛期的径流量和输沙量分布。湘潭站枯水期平均径流量和输沙量分别为204×108m3和128×104t，分别占年径流量和输沙量的31%和13%。如图4所示，1980年后，汛期径流量呈现先增大后减小的趋势，而汛期输沙量却持续下降；同样从1980年开始，枯水期的径流量和输沙量均呈现先增大后减小的变化趋势。

图2 1953-2014年湘潭水文站年径流量和年输沙量距平图 图3湘潭站月平均径流量和输沙量年内分布

图4 研究时段内不同年代湘潭站汛期与非汛期径流量和输沙量

采用径流、输沙年内分配不均匀系数探讨湘江下游水沙年内分配不均匀性。年内分配不均匀系数Cvy的计算方法如下：

(2)

根据湘潭站各月径流量和输沙量为参数计算出Cvy(图5)，径流年内分配不均匀系数在0.4～1.2之间波动，波动幅度较大，1990年前的Cvy平均值为0.79，而1990年年后的Cvy均值为0.64，略有下降趋势，表明1990年后，湘江中下游修建的大源渡和株洲枢纽工程致使径流调蓄能力增强。

图5 1953-2014年湘潭站径流量和输沙量年内分配不均匀系数

输沙量Cvy的波动范围在0.75～2.2，波动幅度明显大于径流量Cvy。1990年前的Cvy均值为1.42，1990年后的Cvy均值为1.13，2000年后的Cvy均值为1.49，可见输沙量的年内分配不均匀度经历了高-低-高的发展过程，特别是2000年之后，年内分配愈发不均匀。

5 江心洲演变分析

5.1 遥感影像的提取与分析

甄皮洲1984-2016年遥感影像如图6所示，甄皮洲洲体参数见表2。由图6和表2可知，1984-1994年，甄皮洲平面形态变化较小，至2005年，甄皮洲洲头有部分的浅滩出露。2009年，洲头持续淤积前进，洲长发展至2.69 km。2013年，洲头浅滩持续冲刷后退和洲体右缘逐渐冲刷萎缩使右汊河道得以发展，汊道展宽至0.63 km。2013-2016年，甄皮洲洲头持续受到清水冲刷，洲体面积变小。

表2 1984-2016年甄皮洲洲体参数表

萝卜洲1984-2016年遥感影像如图7所示，萝卜洲洲体参数见表3。图7和表3表明，萝卜洲由上、下萝卜洲组成，从1984年的遥感图像上可清晰看出上下萝卜洲及其分界线，上萝卜洲的面积约为0.469 km2，占总面积的44%，下萝卜洲的面积约为0.598 km2，占总面积的56%。1984-2009年间，萝卜洲面积有所增加；2009-2016年，洲体面积减小。

表3 1984-2016年萝卜洲洲体参数

沙坪洲1984-2016年遥感影像如图8所示，沙坪洲洲体参数见表4。图7和表4表明，沙坪洲位于湘江濠河口分汊处，从1984年和1994年的影像分析，沙坪洲洲尾淤积形成一个沙嘴，有向东继续发育的趋势，但面积从0.227 km2减小至0.201 km2。2005年相比1994年，洲体的右缘向南发育，洲体面积和长度没有明显变化。2009年，洲尾的沙嘴持续沿着右汊河道延伸到洲体东部，面积和长度分别大幅度增加至0.475 km2和0.87 km。2009-2013年，洲头浅滩严重萎缩，洲体中间靠右汊水流不断淘蚀，沙坪洲的面积和长度分别减至0.394 km2和0.83 km；2016年，洲体中部继续冲刷蚀退，面积和长度变化较小。

图9为1984-2016年3个江心洲的面积变化趋势。图9表明，枢纽下游河段3个典型江心洲自1984-2016年总体上面积呈现先增大后减小的趋势，但是各江心洲不同时段的面积变化速率有较大差异。这主要是由江心洲所处河段以及分汊类型等因素所导致，1984-1994年期间，江心洲处于原始发育状态，结合湘潭水文站的水沙资料，年径流量和枯水期径流量变化较小，但枯水期输沙量占比有所增加。受小水大沙的影响，洲体容易发生淤积。1994-2005年，3个江心洲面积均有不同程度的增大。至2009年，江心洲面积继续扩大。2012-2016年，长沙综合枢纽建成运行后，清水下泄导致洲体受到冲刷引起洲体萎缩。

图6 1984-2016年甄皮洲平面形态演变

图7 1984-2016年萝卜洲平面形态演变

图8 1984-2016年沙坪洲平面形态演变

表4 1984-2016年沙坪洲洲体参数表

图9 1984-2016年3个江心洲面积变化趋势

5.2 江心洲的实测地形分析

对比遥感数据，实测河道地形数据不仅能可靠地反映江心洲的面积变化，还可以准确地计算出江心洲体积的变化情况，以便深入了解典型江心洲的演变规律。对3个江心洲1983、2008和2015年的实测地形数据进行了提取、计算和分析。

图10为甄皮洲、萝卜洲和沙坪洲1983、2008和2015年的地形变化。甄皮洲洲头体积在1983、2008、2015年分别为0.009、0.014和0.003 km3。1983-2008年期间，洲头体积增加50%，这是受小水大沙的影响，导致江心洲洲体淤积，另外，该时期湘江下游的江心洲处于发育阶段，体积增加。2008年后，甄皮洲洲体加固，洲头和左汊停止萎缩。萝卜洲洲体体积分别为0.040、0.038和0.037 km3，洲体体积略有减小，1983-2008年，上下萝卜洲结合为一体，洲尾淤积向北移动。沙坪洲洲体体积分别为0.014、0.015和0.011 km3。从体积上看，1983-2008年泥沙在沙坪洲淤积造成沙坪洲体积缓慢增加，2015年，沙坪洲的体积减小。

5.3 江心洲横断面地形分析

枢纽下游河段总体上呈现冲刷下切趋势，但是对比3个年份(1983、2008、2015年)的河道断面，受自然和人为因素的影响，各个断面的变化情况略有差异(图11～13)。

图10 1983、2008、2015年3个典型江心洲地形变化

图11 1983、2008、2015年甄皮洲洲头和洲尾断面地形变化图

图12 1983、2008、2015年萝卜洲洲头和洲尾断面地形变化图

图13 1983、2008、2015年沙坪洲洲头和洲尾断面地形变化图

1983-2008年，甄皮洲洲头浅滩随着泥沙淤积而抬升，右侧河道由于水流的冲刷而下切。至2015年，江心洲部分下切，形成了1个二级深槽，最深处累计下切11.4 m，主要是受到人为建设洲体护岸的影响，而右侧主槽略有淤积。甄皮洲洲尾断面整体冲刷下切，最大处累计冲刷8.7 m。

萝卜洲河段下游为濠河口，湘江在濠河口处分成2条支流，河流比降下降，洲头断面曲线散乱，1983-2008年，右侧河槽冲刷下切，左侧河床冲刷不大，而2008年后，在洲头断面左侧河床下切形成深槽，变化最深处下切达12 m。萝卜洲洲尾断面左侧河槽向右岸移动，形成了1个二级深槽，河槽下切最深处达到7.1 m。

沙坪洲河段处于濠河口处，悬移质在右岸堆积，造成了右岸洲体淤积上升，而断面左侧不断地冲刷下切，最大处累积冲刷12.7 m。洲头断面曲线散乱，局部滩槽交错。洲尾断面的河段主槽在向右岸移动，江心洲两侧都有冲刷下切，在右侧形成一个深槽，冲刷最大处达到15 m。

6 结 论

本文利用湘江湘潭水文站多年实例水沙资料分析了长沙综合枢纽下游河段的水沙特征，并运用实测地形和遥感数据选取长沙综合枢纽下游3个典型江心洲，分析其面积、体积发育和萎缩过程，主要结论如下：

(1)近30年来，湘江下游年径流量变化趋势不明显，而年输沙量呈减小趋势；枯水期径流量和输沙量都呈现先增大后减小的趋势，相比之下径流量年内分配的均匀程度高于输沙量。

(2)在长沙综合枢纽建成运行前，枢纽下游河段3个典型江心洲的面积与体积均呈现不同程度的增大趋势。

(3)2012年长沙综合枢纽建成后，清水下泄导致江心洲均呈现萎缩趋势，但变化程度有所不同。所在河段的河床冲刷下切更为明显。