摘 要：嘉陵江青居曲流水電開發(fā)對下游青居江心洲產(chǎn)生了較大影響。為探明江心洲變化特征及其機理，以青居江心洲1977—2023年Landsat歷史遙感影像為基礎(chǔ)，提取青居水電站運行前后的江心洲矢量邊界數(shù)據(jù)，并結(jié)合實地勘測，對江心洲面積、岸線距離變化等指標(biāo)進行定量分析，并運用M-K趨勢統(tǒng)計法，探討水電開發(fā)前后青居江心洲的形態(tài)演變特征。結(jié)果表明：水電開發(fā)之前青居江心洲呈現(xiàn)動態(tài)波動變化的特點，總體呈增大趨勢；水電運行之后，青居江心洲受到的侵蝕程度逐漸加劇，呈現(xiàn)面積下降、岸線后退趨勢，但江心洲不同方位受到的沖淤情況不同。

關(guān)鍵詞：曲流；水電開發(fā)；江心洲；形態(tài)演變；嘉陵江；青居

中圖分類號：P9 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-5072（2024）06-0632-07

長江流域的生態(tài)環(huán)境在推動長江經(jīng)濟帶發(fā)展的過程中具有極其重要的作用［1-2］。穩(wěn)定的江心洲岸線，對穩(wěn)固“三區(qū)三線”具有重要意義。江心洲在河流自然徑流過程中可自行調(diào)節(jié)其長寬比，從而使得分流比和分沙比在主次河道中得到適當(dāng)分配來保證水流和泥沙的順利輸送［3］。而河道上的水電開發(fā)則會改變江心洲的自然演變過程。當(dāng)前，對江心洲形態(tài)變化的研究多借助遙感影像數(shù)據(jù)，通過量測江心洲的面積，以此評價江心洲形態(tài)變化［4-5］，但所使用的影像時間序列大多較短。關(guān)于江心洲形態(tài)演變機理的研究，Zhang等［6］和Yang等［7］研究了出海口處的江心洲受到海洋和熱帶風(fēng)暴的影響，Yang等［8］研究了江心洲沉積物厚度、植被覆蓋，以及水流淹沒位置之間的關(guān)系，Prasujya和NAYAN［9］則研究了河道形態(tài)的影響。此外，Zhang等［10］和Lou等［11］研究了河流水電開發(fā)、農(nóng)業(yè)土地利用，以及城市開發(fā)等因素對江心洲的形態(tài)特征演變的影響。前人的研究內(nèi)容與成果不斷豐富，形成了一些比較科學(xué)的研究方法，但對曲流形態(tài)、水電大壩運行等因素作用鮮有涉及。本文以嘉陵江青居江心洲1977—2023年Landsat歷史遙感影像為基礎(chǔ)，結(jié)合實地勘察和M-K趨勢統(tǒng)計法，研究了青居江心洲在曲流水電開發(fā)背景下形態(tài)特征的演變及機理，為青居江心洲的合理開發(fā)利用與保護、上游水電大壩的運行、河道航運等提供一定的參考。

1 研究區(qū)域概況

嘉陵江發(fā)源于秦嶺，經(jīng)四川盆地在重慶市匯入長江［14］。作為長江流域中含沙量最大的支流，其發(fā)育形成了眾多江心洲。青居江心洲位于青居曲流彎道處（圖1），整體呈現(xiàn)三角形，江心洲上沉積物從洲頭到洲尾顆粒由粗到細，洲頭為粗大顆粒的卵石，中部為粗砂，洲尾為泥質(zhì)粉砂，中部與洲尾進行了農(nóng)業(yè)耕種，分布有少量灌叢。青居曲流頸部建有青居水電站，于2004年開始運行。青居江心洲洲頭距離青居水電站攔水大壩15 km，洲尾正對青居水電站發(fā)電尾水排放位置。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

從USGS中下載1977—2023年共19幅Landsat歷史遙感影像，除了1977年的空間分辨率為60 m外，其他時間的空間分辨率均為30 m（表1）。對于1977年Landsat影像，為了降低數(shù)據(jù)使用誤差，采取對同一幅影像多次提取邊界和面積并取均值的方式。為避免水位升降對江心洲水上出露面積的影響，均選取冬季枯水季節(jié)，且遙感影像云量小于30%，江心洲區(qū)域無遮擋的影響。另外，在《中國河流泥沙公報》和《長江泥沙公報》以及現(xiàn)有文獻［15］中整理了嘉陵江1956—2022年的河流年均輸沙量和年均徑流量數(shù)據(jù)，用以分析水電大壩運行前后河流水、沙變化對江心洲形態(tài)變化的影響；并通過江心洲實地勘測，測量了江心洲一年內(nèi)的岸線變化數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 江心洲邊界提取

歷史遙感影像能較好反映江心洲的形態(tài)演變。使用ENVI軟件對遙感影像進行輻射定標(biāo)和大氣校正預(yù)處理，并在ENVI中截取江心洲區(qū)域的影像，基于改進的歸一化差異水體指數(shù)（MNDWI）［16］，并結(jié)合密度分割提取江心洲矢量邊界。

2.2.2 江心洲形態(tài)參數(shù)評價指標(biāo)

基于Landsat遙感影像和實地觀測法，測量江心洲岸線后退距離與相應(yīng)面積變化值，以此評價江心洲形態(tài)變化。

1）Landsat遙感影像法?；贚andsat遙感影像量算江心洲岸線后退距離與相應(yīng)面積變化值?？紤]到遙感影像數(shù)據(jù)空間分辨率為30 m，整體精度較低，本文提出一種基于矢量邊界的岸線后退評價指數(shù)D（圖2），計算公式為

Ri=∑Ni=1LiN， D=Ri1-Ri2，

式中：Ri、Li為中心點至岸線測點i的距離，N為岸線總測點數(shù)，Ri指江心洲外接圓圓心點至江心洲岸線測點i的平均距離，Ri1、Ri2分別指相鄰兩時段的平均距離，D為相鄰兩時段岸線后退距離。選取樣本數(shù)足夠多時，可將誤差控制在合理范圍內(nèi)。本文基于青居江心洲提取的所有矢量邊界的共同外接最小圓圓心為中心點，共選取1000個樣本點，計算江心洲岸線后退距離。最后，基于外接圓圓心對江心洲矢量邊界劃分為8個方位，計算不同年份、不同方位江心洲洲體形態(tài)參數(shù)以及洲體面積參數(shù)。

2）實地勘測法。在江心洲周邊布置Q1—Q6共6個觀測點（圖3），選取與遙感影像相近時段的枯水期（2021年1月12日、2021年3月29日、2021年11月13日）和豐水期（2021年6月6日），對青居江心洲進行了3個時段的實地觀測，測量岸線變化距離R。將2種方法結(jié)合，進一步降低由于數(shù)據(jù)精度較低所產(chǎn)生的誤差。

2.2.3 M-K檢驗江心洲面積變化趨勢

M-K檢驗為Mann-Kendal檢驗法的縮寫，是時間序列分析中常用的方法，不受少數(shù)異常值的影響［15］。本文為了研究青居江心洲時間演變特征，利用M-K檢驗法判斷青居江心洲面積在水電大壩運行后發(fā)生的演變趨勢，并進一步評估是否具有顯著變化。通過江心洲面積變化情況，可以推測出水電大壩對河流江心洲的影響程度。

3 結(jié) 果

3.1 青居江心洲整體形態(tài)時間變化特征

根據(jù)Landsat遙感影像測量的江心洲面積值見圖4，結(jié)合面積變化趨勢統(tǒng)計結(jié)果（圖5）分析得知，青居江心洲在1977—1999年期間面積急劇波動；1999—2012年，UF曲線位于臨界線內(nèi)，且小于0，表明這一階段江心洲面積呈穩(wěn)定下降趨勢，趨勢較顯著；而在2012年之后，江心洲面積下降趨勢相對不顯著?；贛-K檢驗發(fā)現(xiàn)存在一個突變點位于2010年，表明江心洲面積大致從2010年開始發(fā)生顯著的突變，在2010年之后，青居江心洲面積下降趨勢加劇，面積變化幅度加大。

3.2 青居江心洲不同方位時間變化特征

以青居水電站運行前后青居江心洲8方位的面積和岸線變化為指標(biāo)，分析青居江心洲形態(tài)變化特征，如圖6所示。青居水電運行前（1977—2003年），正對河流來水方向的西方位呈現(xiàn)出較高的增長率，其中年均面積增長約為0.2 ha，年均岸線增長超過5 m。沿著河流主河道往下游方向，即西北、北和東北方位為淤積增長，但淤積強度相對較弱，年均面積增長約為0.1 ha，北方位岸線增長相對更顯著，年均岸線增長超過3 m。相對于主河道方向，次河道方向整體上均為侵蝕情況，但侵蝕程度相對較弱，其中，西南、南和東南方位年均侵蝕0.05 ha，面積年均下降約1 m。在主次河道交匯處的東方位，江心洲反而呈現(xiàn)出較高的侵蝕率，面積年均下降達到0.2 ha，岸線年均后退長度約4 m。

如圖7所示，在青居水電站運行后（2004年之后），各方位面積發(fā)生較大的變化。其中西方位淤積情況大幅減少，年均淤積面積不足0.1 ha，岸線增長衰減到2 m。而在主河道方向，除西北方外，北、東北，以及東方位均呈現(xiàn)出很高的侵蝕情況，其中東方位侵蝕情況最嚴(yán)重，年均侵蝕接近0.6 ha，年均岸線衰退超過5 m。次河道水域的西南至東南方位侵蝕情況有所加劇，但整體依然相對較弱，年均岸線衰退2 m左右。

根據(jù)對6個觀測點進行的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次實地觀測岸線距各相應(yīng)控制點的距離R0、R1、R2、R3（表2）。觀測點Q1為緩坡，因此實際觀測誤差較大，對其不予分析。其他觀測點的觀測結(jié)果為：第一個時段R0—R1處于冬季枯水期，岸線整體無明顯變化；第二個時段R1—R2為春夏季，嘉陵江河流來水量增加，沖刷能力增強，除Q5淤積增加外，其余點位均受到?jīng)_刷作用，Q3所受到的沖刷作用最強；第三個時段R2—R3內(nèi)，由于2021年10月嘉陵江發(fā)生特大洪水，所設(shè)置觀測點Q3被損壞，其他觀測點均表現(xiàn)為較強的沖刷情況。

4 討 論

4.1 水電站運行之前江心洲形態(tài)發(fā)育機制

江心洲形態(tài)變化是多因素共同作用的結(jié)果。青居水電站運行之前，嘉陵江基本上處于自然徑流狀態(tài)。在此狀態(tài)下，青居江心洲總體呈增長趨勢。分析認為，該江心洲所處的河段河道拓寬較大，并受到洲尾山體阻擋，導(dǎo)致河流流速急劇降低，這使得河流攜帶的泥沙物質(zhì)大量沉積，從而在河底形成心灘，水沙在復(fù)式環(huán)流的進一步作用下，心灘進一步發(fā)育形成江心洲。另一方面，洪水期江心洲上漫流攜帶的細沙物質(zhì)也容易大量淤積在洲灘上，增加洲灘的面積和厚度，從而形成了嘉陵江上第二大江心洲。本研究發(fā)現(xiàn)，江心洲不同方位發(fā)育情況不一樣。西南方位洲頭位置，面積呈增長趨勢，主要積聚了較大的卵石。這主要是由于洲頭河道較下游窄得多，河流流速相對較大，沖刷能力較強，只能沉積大顆粒的砂石，大的砂石長期堆積，導(dǎo)致洲頭向上游發(fā)育。西北、北和東北方位也為淤積情況，但淤積強度相對較弱，淤積的物質(zhì)為顆粒較細的粗砂。這主要是由于河道開始拓寬，流速降低，較細顆粒的泥沙開始淤積；另一方面，在江心洲北至東北方位正對主河道凹岸，在自然徑流狀況下，受到彎道環(huán)流的影響，由于環(huán)狀流對凹岸和河流底床物質(zhì)侵蝕攜帶到洲岸一側(cè)，導(dǎo)致大量泥沙在江心洲一側(cè)淤積［19］，在此基礎(chǔ)上，每次洪水期間攜帶大量的細沙物質(zhì)進一步淤積，當(dāng)淤積的速度超過底流對洲岸的侵蝕速度，該方位江心洲面積則不斷增長。而在東南方位面積減小，分析認為，主要是該方位受到主、次河道河水的同時沖刷，水流侵蝕能力強，導(dǎo)致洲尾后退。

4.2 水電站運行之后江心洲形態(tài)發(fā)育機制

在上游水電站運行之后，青居江心洲面積逐漸萎縮，尤其是在2013年亭子口水電站運行之后，江心洲面積下降趨勢進一步增大。水電站運行對江心洲造成的影響，分析認為有以下幾個方面：（1）水電站集中泄水的影響。江心洲上游水電聯(lián)合運行，洪水來臨前，各水電大壩集中泄水，因大壩上下游水位落差較大，河流流速較自然徑流過程大幅增加，對江心洲洲體的沖刷能力大大高于自然徑流，從而導(dǎo)致下游江心洲以侵蝕為主，面積呈減小趨勢。（2）青居水電攔水大壩距離江心洲位置較近。在大壩泄水期間，因大壩上下游水位落差大，水流流速大，將大壩下游附近的粗大顆粒河床質(zhì)沖刷下泄搬運到江心洲位置沉積下來，使江心洲洲頭呈現(xiàn)增長趨勢。（3）發(fā)電尾水的作用。青居水電站位于曲流頸位置，曲流頸上、下游落差大，發(fā)電尾水流速大；而江心洲北至東北部方位正對發(fā)電尾水排放口，水電站長期發(fā)電下泄尾水增加了河流流速，增強了對江心洲北至東北部方位的沖刷作用。（4）彎道環(huán)流的作用。主河道在江心洲東北位置急劇拐彎，轉(zhuǎn)角大于90°，流向由西北轉(zhuǎn)向南流，在自然徑流狀態(tài)下，該處淤積了大量的泥質(zhì)粉砂淤積物。但隨著水電運行，大壩集中泄水大大增強了此處向南流的彎道環(huán)流作用，河流底流和自下而上的補償流流速較高，導(dǎo)致北至東北方位洲岸岸基受嚴(yán)重沖刷，岸線崩塌后退，經(jīng)后期流水侵蝕帶走，形成面積較大的蝕平臺地（圖8）。這有助于糾正人們對河道“凹岸沖刷，凸岸堆積”的片面認識［17］。在次河道水域，江心洲處于河流的凹岸，不論在水電大壩運行前后，都受到彎道環(huán)流的長期侵蝕作用。只是隨著大壩運行，攔水大壩周期性泄水使得彎道環(huán)流強度增加，侵蝕能力也相對較強，整體上表現(xiàn)為侵蝕為主。（5）水電大壩攔沙作用。在亭子口水電大壩的攔沙作用下，嘉陵江干流含沙量大幅下降，由2012年0.5億噸下降到2015年的不足0.1億噸。結(jié)合北碚水文站觀測的歷史水沙數(shù)據(jù)分析，自上世紀(jì)90年代末，嘉陵江年徑流量總體趨于穩(wěn)定，豐水年流量與上世紀(jì)90年代以前相當(dāng)。2021年出現(xiàn)特大洪水過程，徑流量與1981年相當(dāng)，但嘉陵江含沙量增加幅度卻非常小。當(dāng)河流輸沙量比以前大幅度減少（圖9），江心洲自然徑流動態(tài)發(fā)育過程中的沖淤平衡模式被打破，河水對江心洲洲岸的侵蝕作用大于泥沙淤積作用，從而導(dǎo)致江心洲呈現(xiàn)不斷衰退的趨勢。水電大壩的攔沙作用導(dǎo)致河水對江心洲形成較強的沖刷能力，江心洲的穩(wěn)定性不容樂觀。青居江心洲今后的形態(tài)演變有待進一步動態(tài)觀測。

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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