曲流水电开发背景下青居江心洲形态特征演变

摘 要：嘉陵江青居曲流水电开发对下游青居江心洲产生了较大影响。为探明江心洲变化特征及其机理，以青居江心洲1977—2023年Landsat历史遥感影像为基础，提取青居水电站运行前后的江心洲矢量边界数据，并结合实地勘测，对江心洲面积、岸线距离变化等指标进行定量分析，并运用M-K趋势统计法，探讨水电开发前后青居江心洲的形态演变特征。结果表明：水电开发之前青居江心洲呈现动态波动变化的特点，总体呈增大趋势；水电运行之后，青居江心洲受到的侵蚀程度逐渐加剧，呈现面积下降、岸线后退趋势，但江心洲不同方位受到的冲淤情况不同。

关键词：曲流；水电开发；江心洲；形态演变；嘉陵江；青居

中图分类号：P9 文献标志码：A 文章编号：1673-5072（2024）06-0632-07

长江流域的生态环境在推动长江经济带发展的过程中具有极其重要的作用［1-2］。稳定的江心洲岸线，对稳固“三区三线”具有重要意义。江心洲在河流自然径流过程中可自行调节其长宽比，从而使得分流比和分沙比在主次河道中得到适当分配来保证水流和泥沙的顺利输送［3］。而河道上的水电开发则会改变江心洲的自然演变过程。当前，对江心洲形态变化的研究多借助遥感影像数据，通过量测江心洲的面积，以此评价江心洲形态变化［4-5］，但所使用的影像时间序列大多较短。关于江心洲形态演变机理的研究，Zhang等［6］和Yang等［7］研究了出海口处的江心洲受到海洋和热带风暴的影响，Yang等［8］研究了江心洲沉积物厚度、植被覆盖，以及水流淹没位置之间的关系，Prasujya和NAYAN［9］则研究了河道形态的影响。此外，Zhang等［10］和Lou等［11］研究了河流水电开发、农业土地利用，以及城市开发等因素对江心洲的形态特征演变的影响。前人的研究内容与成果不断丰富，形成了一些比较科学的研究方法，但对曲流形态、水电大坝运行等因素作用鲜有涉及。本文以嘉陵江青居江心洲1977—2023年Landsat历史遥感影像为基础，结合实地勘察和M-K趋势统计法，研究了青居江心洲在曲流水电开发背景下形态特征的演变及机理，为青居江心洲的合理开发利用与保护、上游水电大坝的运行、河道航运等提供一定的参考。

1 研究区域概况

嘉陵江发源于秦岭，经四川盆地在重庆市汇入长江［14］。作为长江流域中含沙量最大的支流，其发育形成了众多江心洲。青居江心洲位于青居曲流弯道处（图1），整体呈现三角形，江心洲上沉积物从洲头到洲尾颗粒由粗到细，洲头为粗大颗粒的卵石，中部为粗砂，洲尾为泥质粉砂，中部与洲尾进行了农业耕种，分布有少量灌丛。青居曲流颈部建有青居水电站，于2004年开始运行。青居江心洲洲头距离青居水电站拦水大坝15 km，洲尾正对青居水电站发电尾水排放位置。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

从USGS中下载1977—2023年共19幅Landsat历史遥感影像，除了1977年的空间分辨率为60 m外，其他时间的空间分辨率均为30 m（表1）。对于1977年Landsat影像，为了降低数据使用误差，采取对同一幅影像多次提取边界和面积并取均值的方式。为避免水位升降对江心洲水上出露面积的影响，均选取冬季枯水季节，且遥感影像云量小于30%，江心洲区域无遮挡的影响。另外，在《中国河流泥沙公报》和《长江泥沙公报》以及现有文献［15］中整理了嘉陵江1956—2022年的河流年均输沙量和年均径流量数据，用以分析水电大坝运行前后河流水、沙变化对江心洲形态变化的影响；并通过江心洲实地勘测，测量了江心洲一年内的岸线变化数据。

2.2 研究方法

2.2.1 江心洲边界提取

历史遥感影像能较好反映江心洲的形态演变。使用ENVI软件对遥感影像进行辐射定标和大气校正预处理，并在ENVI中截取江心洲区域的影像，基于改进的归一化差异水体指数（MNDWI）［16］，并结合密度分割提取江心洲矢量边界。

2.2.2 江心洲形态参数评价指标

基于Landsat遥感影像和实地观测法，测量江心洲岸线后退距离与相应面积变化值，以此评价江心洲形态变化。

1）Landsat遥感影像法。基于Landsat遥感影像量算江心洲岸线后退距离与相应面积变化值。考虑到遥感影像数据空间分辨率为30 m，整体精度较低，本文提出一种基于矢量边界的岸线后退评价指数D（图2），计算公式为

Ri=∑Ni=1LiN， D=Ri1-Ri2，

式中：Ri、Li为中心点至岸线测点i的距离，N为岸线总测点数，Ri指江心洲外接圆圆心点至江心洲岸线测点i的平均距离，Ri1、Ri2分别指相邻两时段的平均距离，D为相邻两时段岸线后退距离。选取样本数足够多时，可将误差控制在合理范围内。本文基于青居江心洲提取的所有矢量边界的共同外接最小圆圆心为中心点，共选取1000个样本点，计算江心洲岸线后退距离。最后，基于外接圆圆心对江心洲矢量边界划分为8个方位，计算不同年份、不同方位江心洲洲体形态参数以及洲体面积参数。

2）实地勘测法。在江心洲周边布置Q1—Q6共6个观测点（图3），选取与遥感影像相近时段的枯水期（2021年1月12日、2021年3月29日、2021年11月13日）和丰水期（2021年6月6日），对青居江心洲进行了3个时段的实地观测，测量岸线变化距离R。将2种方法结合，进一步降低由于数据精度较低所产生的误差。

2.2.3 M-K检验江心洲面积变化趋势

M-K检验为Mann-Kendal检验法的缩写，是时间序列分析中常用的方法，不受少数异常值的影响［15］。本文为了研究青居江心洲时间演变特征，利用M-K检验法判断青居江心洲面积在水电大坝运行后发生的演变趋势，并进一步评估是否具有显著变化。通过江心洲面积变化情况，可以推测出水电大坝对河流江心洲的影响程度。

3 结 果

3.1 青居江心洲整体形态时间变化特征

根据Landsat遥感影像测量的江心洲面积值见图4，结合面积变化趋势统计结果（图5）分析得知，青居江心洲在1977—1999年期间面积急剧波动；1999—2012年，UF曲线位于临界线内，且小于0，表明这一阶段江心洲面积呈稳定下降趋势，趋势较显著；而在2012年之后，江心洲面积下降趋势相对不显著。基于M-K检验发现存在一个突变点位于2010年，表明江心洲面积大致从2010年开始发生显著的突变，在2010年之后，青居江心洲面积下降趋势加剧，面积变化幅度加大。

3.2 青居江心洲不同方位时间变化特征

以青居水电站运行前后青居江心洲8方位的面积和岸线变化为指标，分析青居江心洲形态变化特征，如图6所示。青居水电运行前（1977—2003年），正对河流来水方向的西方位呈现出较高的增长率，其中年均面积增长约为0.2 ha，年均岸线增长超过5 m。沿着河流主河道往下游方向，即西北、北和东北方位为淤积增长，但淤积强度相对较弱，年均面积增长约为0.1 ha，北方位岸线增长相对更显著，年均岸线增长超过3 m。相对于主河道方向，次河道方向整体上均为侵蚀情况，但侵蚀程度相对较弱，其中，西南、南和东南方位年均侵蚀0.05 ha，面积年均下降约1 m。在主次河道交汇处的东方位，江心洲反而呈现出较高的侵蚀率，面积年均下降达到0.2 ha，岸线年均后退长度约4 m。

如图7所示，在青居水电站运行后（2004年之后），各方位面积发生较大的变化。其中西方位淤积情况大幅减少，年均淤积面积不足0.1 ha，岸线增长衰减到2 m。而在主河道方向，除西北方外，北、东北，以及东方位均呈现出很高的侵蚀情况，其中东方位侵蚀情况最严重，年均侵蚀接近0.6 ha，年均岸线衰退超过5 m。次河道水域的西南至东南方位侵蚀情况有所加剧，但整体依然相对较弱，年均岸线衰退2 m左右。

根据对6个观测点进行的2021年1月12日、2021年3月29日、2021年6月6日、2021年11月13日4次实地观测岸线距各相应控制点的距离R0、R1、R2、R3（表2）。观测点Q1为缓坡，因此实际观测误差较大，对其不予分析。其他观测点的观测结果为：第一个时段R0—R1处于冬季枯水期，岸线整体无明显变化；第二个时段R1—R2为春夏季，嘉陵江河流来水量增加，冲刷能力增强，除Q5淤积增加外，其余点位均受到冲刷作用，Q3所受到的冲刷作用最强；第三个时段R2—R3内，由于2021年10月嘉陵江发生特大洪水，所设置观测点Q3被损坏，其他观测点均表现为较强的冲刷情况。

4 讨 论

4.1 水电站运行之前江心洲形态发育机制

江心洲形态变化是多因素共同作用的结果。青居水电站运行之前，嘉陵江基本上处于自然径流状态。在此状态下，青居江心洲总体呈增长趋势。分析认为，该江心洲所处的河段河道拓宽较大，并受到洲尾山体阻挡，导致河流流速急剧降低，这使得河流携带的泥沙物质大量沉积，从而在河底形成心滩，水沙在复式环流的进一步作用下，心滩进一步发育形成江心洲。另一方面，洪水期江心洲上漫流携带的细沙物质也容易大量淤积在洲滩上，增加洲滩的面积和厚度，从而形成了嘉陵江上第二大江心洲。本研究发现，江心洲不同方位发育情况不一样。西南方位洲头位置，面积呈增长趋势，主要积聚了较大的卵石。这主要是由于洲头河道较下游窄得多，河流流速相对较大，冲刷能力较强，只能沉积大颗粒的砂石，大的砂石长期堆积，导致洲头向上游发育。西北、北和东北方位也为淤积情况，但淤积强度相对较弱，淤积的物质为颗粒较细的粗砂。这主要是由于河道开始拓宽，流速降低，较细颗粒的泥沙开始淤积；另一方面，在江心洲北至东北方位正对主河道凹岸，在自然径流状况下，受到弯道环流的影响，由于环状流对凹岸和河流底床物质侵蚀携带到洲岸一侧，导致大量泥沙在江心洲一侧淤积［19］，在此基础上，每次洪水期间携带大量的细沙物质进一步淤积，当淤积的速度超过底流对洲岸的侵蚀速度，该方位江心洲面积则不断增长。而在东南方位面积减小，分析认为，主要是该方位受到主、次河道河水的同时冲刷，水流侵蚀能力强，导致洲尾后退。

4.2 水电站运行之后江心洲形态发育机制

在上游水电站运行之后，青居江心洲面积逐渐萎缩，尤其是在2013年亭子口水电站运行之后，江心洲面积下降趋势进一步增大。水电站运行对江心洲造成的影响，分析认为有以下几个方面：（1）水电站集中泄水的影响。江心洲上游水电联合运行，洪水来临前，各水电大坝集中泄水，因大坝上下游水位落差较大，河流流速较自然径流过程大幅增加，对江心洲洲体的冲刷能力大大高于自然径流，从而导致下游江心洲以侵蚀为主，面积呈减小趋势。（2）青居水电拦水大坝距离江心洲位置较近。在大坝泄水期间，因大坝上下游水位落差大，水流流速大，将大坝下游附近的粗大颗粒河床质冲刷下泄搬运到江心洲位置沉积下来，使江心洲洲头呈现增长趋势。（3）发电尾水的作用。青居水电站位于曲流颈位置，曲流颈上、下游落差大，发电尾水流速大；而江心洲北至东北部方位正对发电尾水排放口，水电站长期发电下泄尾水增加了河流流速，增强了对江心洲北至东北部方位的冲刷作用。（4）弯道环流的作用。主河道在江心洲东北位置急剧拐弯，转角大于90°，流向由西北转向南流，在自然径流状态下，该处淤积了大量的泥质粉砂淤积物。但随着水电运行，大坝集中泄水大大增强了此处向南流的弯道环流作用，河流底流和自下而上的补偿流流速较高，导致北至东北方位洲岸岸基受严重冲刷，岸线崩塌后退，经后期流水侵蚀带走，形成面积较大的蚀平台地（图8）。这有助于纠正人们对河道“凹岸冲刷，凸岸堆积”的片面认识［17］。在次河道水域，江心洲处于河流的凹岸，不论在水电大坝运行前后，都受到弯道环流的长期侵蚀作用。只是随着大坝运行，拦水大坝周期性泄水使得弯道环流强度增加，侵蚀能力也相对较强，整体上表现为侵蚀为主。（5）水电大坝拦沙作用。在亭子口水电大坝的拦沙作用下，嘉陵江干流含沙量大幅下降，由2012年0.5亿吨下降到2015年的不足0.1亿吨。结合北碚水文站观测的历史水沙数据分析，自上世纪90年代末，嘉陵江年径流量总体趋于稳定，丰水年流量与上世纪90年代以前相当。2021年出现特大洪水过程，径流量与1981年相当，但嘉陵江含沙量增加幅度却非常小。当河流输沙量比以前大幅度减少（图9），江心洲自然径流动态发育过程中的冲淤平衡模式被打破，河水对江心洲洲岸的侵蚀作用大于泥沙淤积作用，从而导致江心洲呈现不断衰退的趋势。水电大坝的拦沙作用导致河水对江心洲形成较强的冲刷能力，江心洲的稳定性不容乐观。青居江心洲今后的形态演变有待进一步动态观测。

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Evolution of Morphological Characteristics of Qingju Mid-channel BarUnder the Background of Meandering Hydropower Development

SHU Qiu-gui1ab，WU Qing-lin1a，LUO Gang2，LIU Hui1a，HE Lin-hua1a，ZHENG Meng-xi1a

（1.a.School of Geographical Sciences，b.Institute of Jialing River Basin，China West Normal University，Nanchong Sichuan 637009，

China；2.School of Urban and Rural Planning and Construction，Mianyang Teachers’ College，Mianyang Sichuan 621000，China）

Abstract：The meandering hydropower development of Qingju along the Jialing River has a great impact on its downstream Qingjiu Mid-Channel Bar.Based on the historical Landsat remote sensing images of Qingju Mid-channel Bar from 1977 to 2023，the vector boundary data of Qingju Mid-channel Bar before and after the operation of Qingju Hydropower Station are extracted.In combination with field surveys，a quantitative analysis is conducted on indicators such as the area，shoreline distance changes of Qingju Mid-channel Bar and so on.Mann-Kendall （M-K） trend test is applied to explore the morphological evolution characteristics of Qingju Mid-channel Bar before and after the development of Qingju Hydropower.The results indicate that Qingju Mid-channel Bar has exhibited dynamic fluctuations prior to the development of Qingju Hydropower，presenting an overall increasing trend；Qingju Mid-channel Bar has experienced an increasing degree of erosion after the operation of the hydropower station，resulting in a decrease in area and a retreat of the shoreline；however，the erosion and deposition patterns have varied in different directions of the Mid-channel Bar.

Keywords：meander；hydropower development；Mid-channel Bar；morphological evolution；the Jialing River；Qingju