基于GIS技術的東江源區尋烏水河道演變及其影響分析

陳 川，曾金鳳，2

(1.贛江上游水文水資源監測中心，江西 贛州 341000；2.江西理工大學資源與環境工程學院，江西 贛州 341000)

研究在水流的作用下河床的形態及其變化的科學叫做“河床演變學”[1]。水流與河床的交互作用通過泥沙運動的紐帶作用來體現。而泥沙有時是水流的組成部分，有時又是河床的組成部分[2]。河流水系是一個整體，河道自身的變化遵循自身的規律，涉河工程的興建及占灘挖沙作業，破壞了河流的相對平衡，引起河流的再造床過程[3]。

河道斷面形態是河流的重要特征，是決定河流輸水輸沙能力、河道暢通、穩定程度的重要因素[4]。傳統河床演變分析方法中的斷面分析主要是針對固定斷面而進行。這種方法數據處理工作量較大，分析質量優劣依賴斷面實測資料的完整性。對于河段河道的演變分析，傳統方法主要依靠大范圍的實測地形資料，對深泓、岸線、深槽及沖淤變化等進行分析，總結河床演變的一般規律及不同河型和河槽中特定組成部位的演變規律[5]。3S技術具有空間信息采集、處理、分析和服務功能，數字高程模型(簡稱DEM)，能通過有限的地形高程數據實現對河道地形的數字化模擬。基于GIS的河床演變斷面分析解決了傳統方法必須立足于固定斷面的局限。此外這一方法還可利用河道斷面數據獲得大量信息，使河床演變斷面分析定量化、具體化、系統化、多角度化[6-7]。將多源空間信息技術與傳統河床演變方法相結合是河道演變的規律性、隨機性和長期性統一研究及預測的新思路，有利于解決實測地形資料不全，信息溝通缺乏統一平臺等問題。

尋烏水是東江源頭干流，流域所經尋烏縣是世界上離子型稀土礦主產區之一。由于歷史、人口、發展等因素的影響，流域內生態環境持續惡化，水土流失嚴重[8-10]，該區域先后被列為國家生態補償試點區域[11]、山水林田湖草綜合治理區域，財政部、水利部、環保部聯合明確為國土江河綜合整治試點區域，水利部水生態保護修復典型區域和珠江流域水資源保護規劃重點區域。本文通過GIS技術分析研究尋烏水干流水背水文站河段水下斷面的變化規律，依據不同時期實測的河道固定斷面和水下地形數據，通過疊合分析不同時期的水下斷面變化情況、深泓線位置變化等分析尋烏水河道演變的特征和情況，在此基礎上補充水背站附近水下地形數據用以構建DEM和水下地形三維模型，以此分析該段河道的沖淤變化情況[12]。同時利用贛江上游水文水資源監測中心水背水文站相關水文資料數據對比研究尋烏水河段河床演變情況，分析河道演變主要影響因素及其產生的不利影響[13]，從而間接評估東江源區尋烏水流域生態修復治理成效，為今后尋烏水的開發、規劃和管理提供基礎性的依據，同時也為類似的河道變化分析研究提供參考。

1 河道概況

尋烏水為東江干流上游，發源于三標鄉椏髻缽山，由北向南，經龍崗圩、澄江、吉潭、留車在斗晏水庫下游出江西省，進入廣東省稱東江。流域以山地、丘陵為主，山地和丘陵以紅黃壤土為主，間有紫色土。植被良好，有松、杉、樟等，是贛南林區之一。蘊藏稀土、鎢、鈾、鐵等礦產資源，其中稀土礦不僅儲量大，而且質量好，是江西省稀土資源主要產地之一。中游河床由卵石和粗沙組成，下游河床以粗、細沙為主，屬山區性河流。河流兩岸受山巖的限制，沿程平面上呈現為一段放寬、一段縮窄，寬窄交錯形態。山區河道泥沙運動的重要特征是“大水走大沙，小水走小沙”。河段的卵石推移質的運動強度，不僅受水流強度的影響，還在很大程度上受寬窄相間河段推移質暫時沖刷和淤積特性所決定。大流量時水位抬升，窄深段過水面積增加不多，水流比降大，流速快，并對寬闊段產生壅水影響。卵石在寬闊段落淤，峽谷段泥沙被沖刷出谷；小流量時水位消落，寬淺段水流歸槽，流速加快，峽谷段過水面積大，比降平緩，卵石自寬闊段又被帶入峽谷段停淤，待下一個洪峰到來時再沖刷出谷，如此呈接力式運動[14]。

尋烏水在江西境內流域面積為1 841 km2，主河道長度115.4 km，河道比降6.24‰，流域平均坡度0.31 m/km2，流域平均高程461 m，流域長度71.4 km，流域形狀系數0.38。主要河道有一級支流劍溪河、馬蹄河、龍圖河、篁鄉河，東江源區尋烏水水系見圖1。流域多年平均降雨量1 600 mm，多年平均產水量15.1×108m3。

圖1 東江源區尋烏水水系

水背水文站位于南橋鎮車頭村，尋烏水出境斷面上游31 km處，控制流域面積987 km2。水背站于1979年設立，1993年停測，2009年恢復。實測最大洪水出現在1983年6月3日，洪峰水位為224.42 m，相應洪峰流量982 m3/s。測驗項目有：雨量、水位、流量、泥沙、水溫、岸溫等。水文站基本斷面上游1.12 km處有南龍電站，600 m左岸有南橋水匯入，下游5.6 km處有文昌電站。水背水文站處上下游500 m外河段均相對寬闊，站點所在河段相對較窄，河段彎曲，水文站位于河道左岸(也稱凸岸)，主河槽呈U型，中高水主槽寬度約70～90 m，河床由細沙組成，兩岸為巖石。

2 資料和方法

分析資料為尋烏水背水文站2010、2015、2020年實測獲取的河道大斷面(圖2)，河道沖淤變化分析是建立在水下DEM和三維模型的基礎上(水背站只有2015、2020年實測水下地形圖)。采用1985國家高程基準作為研究區的高程系統，分析采用ArcGIS技術。以水背水文站2015—2020年實測的流量和泥沙數據資料對比研究。

圖2 水背水文站實測大斷面沖淤對比

3 河道演變分析

3.1 河道斷面沖淤分析

沖淤分析是研究河床演變的基礎，河道斷面沖淤分析是在2010、2015、2020年水背水文站基本斷面實測資料的基礎上進行斷面沖淤變化分析。

由圖2可知，斷面河底高程在2010—2020年逐漸減小，河床主槽呈現沖刷態勢。2010、2015、2020年斷面平均河底高程分別為222.56、221.81、221.29 m。2010—2015、2015—2020年斷面多年平均河底高程分別下降0.75、0.52 m。

2010—2015年，整個斷面既有沖刷地段，也有淤積地段，為沖淤相互交替，總體呈現出沖刷態勢。沖淤地段，主要位于距起點距5～7 m和10～80 m 2個地段。其中距起點距5～7 m為淤積態勢，淤積面積為3.21 m2，距起點距大約5 m處，點淤積幅度最高為1.5 m；距起點距10～20 m為淤積態勢，淤積面積為10.24 m2，距起點距大約12 m處，點淤積幅度最高為1.36 m；距起點距20～80 m為沖刷態勢，沖刷面積為42.26 m2，距起點距大約74 m處，點沖刷幅度最高為1.42 m。總沖刷面積為28.81 m2。

2015—2020年，整個斷面也是既有沖刷地段，也有淤積地段，為沖淤相互交替，總體呈現出沖刷態勢。沖淤地段，主要位于距起點距5～80 m地段。其中距起點距5～7 m為沖刷態勢，沖刷面積為3.24 m2，距起點距大約6 m處，點沖刷幅度最高為1.7 m；距起點距7～10 m為淤積態勢，淤積面積為2.32 m2，距起點距大約7 m處，點淤積幅度最高為0.62 m；距起點距10～20 m為淤積態勢，淤積面積為7.37 m2，距起點距大約13 m處，點淤積幅度最高為0.8 m；距起點距20～80 m為沖刷態勢，沖刷面積為22.43 m2；距起點距大約25 m處，點沖刷幅度最高為0.82 m。總沖刷面積15.98 m2。

3.2 水背水文站區域水下地形變化分析

利用GIS技術建立了水背水文站附近區域2015、2020年的水下地形三維模型(圖3、4)。尋烏水水背站段河道彎曲，在自然演變條件下，在水流的離心力作用下，凹入的河岸進行侵蝕，侵蝕下來的泥沙，通過彎遭環流，搬運到對岸沉積，逐漸增長成圓弧狀坡緩的凸岸。由圖3可知，2015年，河段左岸(凸岸)有堆積，河道深泓線偏于右岸(凹岸)，符合河道自然演變規律。由圖4可知，到2020年，河段深泓線擺動偏于左岸，河床整體下切。由分析可知，2015—2020年，該段河道存在人為因素破壞了河流的相對平衡，從而引起河流的再造床運動。經過調查研究，河道采砂是該段河道深泓線非正常擺動的原因。

圖3 水背站2015年水下地形三維模型

圖4 水背站2020年水下地形三維模型

3.3 水背水文站區域水下地形沖淤變化分析

利用GIS技術對水背水文站附近2015年和2020年的三維水下地形模型進行疊合分析(2020年減2015年，圖5)，2015—2020年，河段深泓線整體往左岸擺動，河槽偏向于左岸，河床下切深度較大，大部分下切2.0 m左右，局部段甚至達到5.0 m，河道右岸存在淤積，整體淤積量少，淤積厚度不超過1.5 m。通過計算河段泥沙沖淤量，得到尋烏水水背水文站區域的淤積量為2 753 m3，沖刷量為14 591 m3，淤積面積為8 315 m2，沖刷面積為22 262 m2。該區域總體呈現為沖刷態勢，總沖刷量為11 838 m3，總沖刷面積為13 947 m2。

圖5 水背站2015年和2020年水下地形疊合成果

4 河道演變影響因素分析

4.1 水背水文站實測水文資料分析

依據水背站2015—2020年的實測數據得到日均徑流變化趨勢見圖6。可知，近6年以來多年平均徑流量呈現增減交替趨勢。2016年4月尋烏水的多年平均徑流量達到歷年最高，之后徑流量的變幅變小。其中2015年平均流量為24.2 m3/s，2020年平均流量為18.2 m3/s。

圖6 水背站日均徑流量和輸沙率變化

依據水背站2015—2020年的實測數據得到日均懸移質輸沙率變化趨勢見圖6。水背站監測的尋烏水平均日輸沙率值很小，2016年4月尋烏水流域的日輸沙率達歷年最高，2016年4月以后徑流量的變幅變小，且之后流域內的逐日輸沙率僅在2019年6、7月較大且集中，但都沒有突破2016年4月份的極值。水背站多年懸移質輸沙率特征值統計見表1。由表1可知，近6年以來尋烏水輸沙率大體呈現減少趨勢。

表1 水背站多年懸移質輸沙率特征值統計

4.2 南龍電站對河道泥沙、河床沖淤的影響

南龍電站位于水背站基本斷面上游1.12 km處，電站于1995年開建，1997年11月竣工發電，大壩壩體為M7.5漿砌石重力壩，壩體整體呈Z字型，壩體基礎為露頭巖基礎。大壩最大壩高6 m，底寬4.0 m，壩頂共長107 m，頂寬1.5 m。水庫庫容為45萬m3。電站攔河壩攔蓄上游大量泥沙，使下泄河水含沙量明顯減少。

4.3 生態修復治理的影響

2016年，在財政部、生態環境部的推動下，江西、廣東兩省正式簽訂《東江流域上下游橫向生態補償協議》。4年多來，源區各縣累計投入生態保護和治理資金達33億元，其中東江流域生態補償資金13億元，重點實施了污染治理、生態修復、水源地保護、水土流失治理和環境監管能力建設等5大類74個項目，項目實施的階段性成果體現在源源不斷流入粵港大地的碧波蕩漾之中。近年來，贛州市高度重視東江源頭的生態環境保護工作，先后制定出臺了《關于加強源頭生態環境保護的工作意見或實施方案》等指導性文件。源頭區域更是牢固樹立“生態為重”的理念，投入大量人力物力，開展好封山、育林、退果、關礦、移民等工作，使東江源的生態環境有了明顯改善。

4.4 河道采砂的影響

水背站上下游1.0 km范圍內均有采砂場，砂廠于2011年設立，2011—2015年基本處于停擺狀態。自2016年開始，隨著流域內經濟飛速發展，尤其贛州市房地產市場開始火熱，砂石建筑用料需求日益增加，導致河道非法采砂行為及超量的爛采亂挖現象嚴重，很大程度上改變了原已相對穩定的河床形態、水流流態以及輸沙率，導致河床不斷下切[15-17]。

5 河道演變影響分析

5.1 對水質的影響分析

尋烏水下游沿河分布有多個重要水源取水口，下游河道逐年下切會增大河流槽蓄量，增加污染物在下游河道的回蕩時間，加劇下游河道水環境問題，進而影響附近水廠取水口水質，對尋烏縣縣區及周邊的生產生活生態用水產生不利影響[18]。

贛江上游水文水資源監測中心在水背水文站下游設有留車監測斷面，監測數據始于2014年，2014—2020年斷面水環境質量變化趨勢見圖7。

圖7 尋烏水留車斷面水環境質量變化趨勢

從圖7可以看出，雖然2014—2020年留車斷面水環境質量保持較好態勢，各年度均能穩定達到II類水質標準，但是指標濃度呈現上升趨勢。

5.2 對跨河大橋、河岸及防洪堤的影響

尋烏水為典型的山區河流，河床多砂礫石，泥沙運動以推移質運動為主。河道下游建有車頭大橋等多座跨河橋梁，橋梁建設后，必然改變橋址河段水流條件，影響該河段河床沖淤演變。橋墩建設減小了河道過水斷面面積，造成橋位前大面積壅水，流速降低，河道呈現微淤積；橋位處，受橋墩束水作用影響，墩間流速增大，造成墩間河床沖刷，同時墩后尾水區流速變緩，泥沙淤積；橋位下游中間流速有所減小，但由于橋位上游淤積減小了泥沙來源，加上泥沙來源不足，從而加劇沖刷，長此以往可能觸發跨河橋梁險情。同時，河道下切、水動力條件改變會導致河岸及防洪堤嚴重沖刷，進而引起青龍大道沿河路基被掏空、岸堤坍塌等險情。

6 結論

a)通過疊加2010、2015、2020年水背水文站固定河道斷面表明：水背水文站斷面河底高程在2010—2020年逐漸減小，河床主槽呈現下切態勢。

b)通過疊加2015年和2020年水背水文站區域水下地形圖分析，水背站區域2015—2020年總體表現為沖刷，總沖刷量為11 838 m3，總沖刷面積為13 947 m2。

c)2015年，河段左岸(凸岸)有堆積，河道深泓線偏于右岸(凹岸)，符合河道自然演變規律。到2020年，河段深泓線擺動偏于左岸，河道整體下切，這種變化非自然狀態，通過分析水背站實測水沙資料以及實地調研，主要是上游電站攔蓄泥沙和河道采砂等引起。

d)河道逐年下切會增大河流槽蓄量，增加污染物在下游河道的回蕩時間，進而使水質惡化。同時，河床劇烈演變有可能觸發跨河橋梁險情甚至引起沿河路基被掏空、岸堤坍塌等。