冲积河流上大型水库的修建改变进入坝下游河道的水沙条件，从而引起新一轮的河床调整^[1-2]。自长江中游三峡水库建成运行以来，坝下游河道自上而下普遍冲深，在宜昌至城陵矶河段，冲刷主要集中在荆江河段(枝城-城陵矶段)^[3]；2002—2017年其冲刷量占宜昌至城陵矶段总冲刷量的86%。强烈的冲刷使得荆江段河床形态显著调整，主要包括床面冲深、洲滩演变等^{[2, 4]}。江心洲作为分汊河流中基本的地貌单元，其形态与水沙条件作用关系的调整直接影响河道形态演变及泥沙输运^[5-6]。三峡工程运用后，上荆江段江心洲面积减小、滩缘蚀退的现象显著，不利于分汊河段局部河势条件、通航条件等稳定，因此有必要对三峡水库蓄水后上荆江江心洲的形态演变过程进行深度研究。

分析一定时间段江心洲的形态变化，可以通过遥感影像或实测河道地形资料，计算某一特征水位以上的江心洲面积或体积来表征^[7-10]。目前已有许多学者对坝下游的洲滩演变过程进行了研究。李志威等^[8]采用遥感影像及概念模型分析了三峡水库蓄水前后长江中下游江心洲的面积变化特点，发现大多数江心洲在三峡水库运行后不断冲刷蚀退；朱玲玲等^[9]基于实测河道地形，探讨了高滩与中低滩的冲刷形式，结果表明中低滩往往以滩轴线为中心整体萎缩，高滩则以中枯水支汊一侧的滩缘崩退为主；Luo等^[10]发现距离三峡水库越下游的江心洲面积变化更小，在顺直、微弯及鹅头型分汊河道中，以鹅头型江心洲的面积变化最为明显。赵维阳等^[11]以沙质河床的沙市段为研究对象，发现洲滩间面积变化存在“此消彼长”的联动演变关系。而对于触发江心洲形态调整的原因，既有普遍的认识，也存在不同的看法。首先，水库蓄水引起的水沙条件改变是洲滩变形的主导因素^{[4, 8]}；其次，有研究发现特征流量级持续时间与洲滩面积变化密切相关；而主流线摆动会导致洲滩年内冲淤交替^[12-13]；亦有学者认为河道平面形态^[14]、主支汊分流比特征^[9]及分流点移动^[15]等均会影响洲滩演变；同时上下游洲滩、汊道段内边滩与江心洲关联性调整的现象也十分显著^[11]。可见导致洲滩形态变化的影响因素多且复杂，需依研究河段的特征开展针对性的分析工作。但已有的研究中，更多关注了长江中下游沙质江心洲的演变过程及发展趋势，而对于卵石夹沙质与沙质河床江心洲形态演变比较的分析较少。同时，已往关注洲滩变形影响因素的研究重点考虑水动力或特征流量级、来沙量及洲滩演变的关联性等方面^[16-17]，较少涉及洲滩河床组成对其演变的影响。

本研究利用遥感影像提取枝江、沙市河段中江心洲的出露面积，分析不同河床组成江心洲的面积演变特点；通过三峡水库蓄水后代表性江心洲冲淤与形态变化的分析，探讨江心洲面积变化与床沙组成调整及水沙条件的联动关系。

1 河段概况与研究方法 1.1 河段概况

长江中游上荆江河段上起枝城，下至藕池口，全长约172 km(荆3-荆82)。本文选取枝城至观音寺的干流河道(荆3-荆52)作为研究河段(荆3-荆52，图 1)，河道形态以分汊型为主，分布有关洲、董市洲、柳条洲、火箭洲、马羊洲、太平口心滩、三八滩及金城洲等洲滩。河段区间内，自上而下分布有枝城、沙市水文站及马家店、陈家湾水位站，南岸侧存在松滋口、太平口分流进入洞庭湖。以杨家脑为界，研究河段可划分为枝江段(荆3-荆25)和沙市段(荆25-荆52)，河长分别为60和54 km。河床底质差异上，枝江段为卵石夹沙质向沙质河床的过渡段，沙市段河床组成主要为细沙。

上荆江段水沙来源于长江上游干流及支流入汇，于汛期(5—10月)集中输沙的特点明显。其中松滋口和太平口枯水期为断流状态，多年平均(1994—2019年)汛期两口分水量(分沙量)占枝城站汛期总水量(总沙量)的12%，分水分沙过程与荆江干流水沙变化基本同步^[18]。采用枝城站的水沙过程可反映整个研究河段的水沙变化规律。三峡水库蓄水前(1994—2002年)，枝城站多年平均汛期水量为3375亿m³/a，沙量为3.61亿t/a。蓄水后(2003—2019年)，多年平均汛期水量减小至3057亿m³/a，为蓄水前的91%；而汛期来沙量大幅减小至0.41亿t/a，仅为蓄水前的11%。

1.2 资料来源与分析方法 1.2.1 资料来源

本研究采用的资料主要包括：1994—2019年枝城站、沙市站、新江口站及沙道观站的实测水沙数据，枝江与沙市河段1994—2019年的江心洲枯水期出露面积数据，两河段2003—2019年的累计河床冲淤量数据，以及若干年的固定断面床沙级配及荆5、荆47的断面地形资料。其中水沙、床沙、地形与河床冲淤量数据来源于长江水利委员会水文局与《长江泥沙公报》；江心洲出露面积数据从遥感影像中提取，空间分辨率为30 m，影像系列为Landsat，来源于美国地质调查局(USGS)官网(https://glovis.usgs.gov/)。

1.2.2 遥感影像选取

利用遥感影像提取江心洲形态是河流地貌单元分析的主要手段，相较于实测数据具有容易获取的特点，且便于时空尺度的比较与分析。由于枯季江心洲低滩出露更明显，故本文以枝城站35.8 m水位为参考，下载了涵盖研究区的共24幅枯水期的遥感影像，具体信息如表 1。在数据选用时，主要参考以下2个原则：一是不同影像间采集日期的水位差异不大，以减少水位波动对江心洲面积提取的影响。根据Wen等的分析，水位变化0.5 m可能导致江心洲面积变化约0.1 km^2[5]。二是应尽可能地采用无云遮扰的遥感影像。在数据分析时，采用当年12月或次年1—4月的影像来提取当年的江心洲，以反映洲滩经过一年水沙作用后的形态特点，故用获取日期为1995-02—2020-02的影像提取了研究河段1994—2019年的江心洲面积。此外，由于遥感影像有限，为了尽可能地延长时间序列，部分年采用了多幅影像；或者在不影响整体分析结果的基础上，使用了少数局部有云的遥感图，以提取影像中未被云遮盖的江心洲面积，这些数据已在表 1中予以区分。

1.2.3 影像解译及洲滩提取

影像预处理及洲滩提取全部采用ArcGIS完成，改进的归一化差异水体指数(MNDWI)被用于识别水体和陆地^[14]，MNDVI定义为:

$ M N D V I=\frac{\rho_{\text {green }}-\rho_{\text {swir1 }}}{\rho_{\text {green }}+\rho_{\text {swir1 }}} $

(1)

式中，ρ_green和ρ_swir1分别代表绿波段和中红外波段。

具体步骤为：①结合“波段合成”工具，选取遥感影像的近红外、中红外及红波段以合成假彩色图像，可突出水陆边界(图 2a)；②利用“栅格计算器”计算MNDWI值，得到MNDWI结果影像(图 2b)；③图像二值化处理获取由0(非水体)和1(水体)的像元组成的栅格影像(图 2c)；④采用“栅格转面”工具将二值图像转换为矢量图像并删除多余地物，在属性表中可读取选中江心洲的面积(图 2d)。

2 江心洲面积时空变化特点

本研究提取了枝江河段中的关洲、董市洲和柳条洲，以及沙市河段中的火箭洲、马羊洲、太平口心滩、三八滩和金城洲1994—2019年的枯水期出露面积数据，部分年份由于没有合适遥感影像而缺测(表 1)。其中枝江段江心洲河床组成以卵石夹沙质为主，沙市段的则均为沙质洲滩，两者抗冲能力具有显著差异，故有必要分不同河段来讨论江心洲的演变特点。

2.1 江心洲出露面积变化

三峡水库蓄水前(1994—2002年)，枝江、沙市段江心洲总出露面积最终均增大，增幅分别为2% 和15%。三峡水库蓄水后(2003—2019年)，两河段江心洲均明显萎缩，但沙市段江心洲冲刷更为显著，其中枝江段江心洲总出露面积减幅为24%，而沙市段减幅达31%。枝江、沙市段江心洲萎缩程度在三峡工程运用初期(2003—2008年)尤为严重，两河段江心洲减少的面积分别占2003—2019年总减少面积的60% 和65%。据表 1，2013年后枝江段江心洲总出露面积变化不大，沙市段则逐年递减，减幅分别为5% 和18%。

三峡工程运用后，沙市河段中各江心洲的萎缩趋势普遍大于枝江河段中的江心洲。如2003—2019年，枝江段关洲、董市洲及柳条洲的面积减幅分别为36%、12% 和4%；而沙市段太平口心滩、三八滩及金城洲的面积减幅分别为58%、69% 和52%。根据遥感影像观测，不同河段中江心洲的主要冲刷位置也存在差异。多年来枝江段卵石夹沙质江心洲的洲头形态较为稳定，减少的面积通常在洲头以下；而沙市段中的大部分江心洲以洲轴线为中心滩缘发生明显崩退^[9]。

2.2 江心洲演变差异原因分析

三峡水库蓄水前，长江处于天然冲积状态，枝江、沙市段的江心洲总出露面积最终均增加，但研究河段内各江心洲均有出现阶段性的冲蚀或淤积，此时洲滩演变仍处于相对平衡的状态^[19]。而三峡大坝建设后，坝下游江心洲经历严重持续冲刷，较下游沙市段的江心洲冲刷程度明显大于其上游的枝江段。本文分别计算了枝江、沙市段的汛期平均水流冲刷强度(F_f)，用以反映两河段水流对河床冲刷能力的差异^[2]，其公式为：

$ {F_{\rm{f}}} = \frac{1}{{{N_{\rm{f}}}}}\sum\limits_{j = 1}^{{N_{\rm{f}}}} {\left( {Q_j^2/{S_j}} \right)} /{10^8} $

(2)

式中, N_f为汛期总天数；Q_j为汛期日均流量，m³/s；S_j为汛期日均悬移质含沙量，kg/m³。根据干支流地理位置关系，计算枝江段F_f时考虑了松滋口分流的影响，采用的是枝城站、新江口站及沙道观站的水沙数据。沙市段F_f则采用沙市站水沙数据计算。

根据计算结果，三峡水库蓄水前(1994—2002年)，枝江、沙市段F_f范围分别为4~7和4~6；三峡水库蓄水后(2003—2019年)，枝江段F_f范围为17~362，沙市段为12~73。可见，三峡水库蓄水前枝江、沙市段水沙条件相近，F_f年际间变化均不大；而水库蓄水后两河段F_f基本均逐年增大，且水流对枝江段河床的冲刷能力更强。但沙市段河床的实际受冲程度更严重，如2003—2019年两河段平滩河槽累计冲刷量分别为2.3亿和2.9亿m³，沙市段单位河长年均冲刷量为31.2万m³/(a·km)，大于其上游枝江段的22.5万m³/(a·km)。

以上现象与这两个河段的床沙组成密切相关，故本文收集研究河段2004、2007及2015年汛后固定断面床沙资料，计算了床沙中值粒径(D₅₀)的沿程分布。由图 3可知，枝江河段床沙组成明显粗于沙市河段。以2015年为例，枝江段荆3至荆25断面D₅₀范围为0.2~60.9 mm；有洲滩分布的断面如关洲(关01-关10)、董市洲(董8-董12)及柳林洲(荆17-荆18)段的床沙相对较粗，大部分断面D₅₀大于10 mm。而沙市段各断面床沙中值粒径相对均匀，其荆25至荆51断面D₅₀范围为0.2~0.4 mm。三峡水库蓄水后，研究河段内床沙均有粗化趋势，2004—2015年枝江段河段平均床沙中值粒径D₅₀由25.1 mm增大至28.3 mm，增幅约13%，沙市河段D₅₀由0.2 mm增大至0.3 mm，增幅为42%。

在水流冲刷强度F_f的比较中，水流对枝江段河床的冲刷能力显著大于沙市河段，但由于枝江段河床组成相对较粗，抗冲性更强，故其河床实际受冲程度较沙市段的更小。对比两河段江心洲的出露面积变化，枝江段江心洲以卵石夹沙质为主，面积减幅相对较小，而沙市段江心洲均为沙质组成，床沙抗冲性弱使得洲体萎缩更为明显。综上分析，本文认为河床组成不同是造成枝江、沙市段江心洲冲刷程度显著差异的重要原因。

3 不同河床组成江心洲形态调整及机理分析 3.1 典型江心洲面积变化

枝江段内的关洲汊道段与沙市段内的金城洲汊道段在河道形态上具有相似性，即江心洲位于河道轴线的一侧，且面积基本接近。同时，关洲汊道的河床底质为卵石夹沙质，金城洲汊道的河床底质为沙质，可以显著比较河床组成差异对江心洲形态演变的影响。

统计关洲、金城洲1994—2019年的枯水期出露面积变化(图 4)，分析表明：三峡水库蓄水前(1994—2002年)，关洲、金城洲的面积均表现为随时间波动性变化；三峡工程运用后(2003—2019年)，受清水下泄的影响，二者面积均明显减小，但金城洲的萎缩程度更大。在水库蓄水初期(2003—2008年)，江心洲面积减小尤为显著，其中关洲面积减幅为12%，金城洲减幅高达50%。2013—2019年关洲面积减幅变缓直至基本不变；而金城洲在有几年略微淤积后持续冲刷，至2016年才得以控制，其面积在2016—2019年逐年增加。

比较关洲2002—2019年的洲体形状可知，三峡工程运用后，关洲洲头形态较为稳定，冲刷后退幅度较小。而其面积减小主要在于，洲中荆6断面以下左缘及洲尾在洪水期主流顶冲的作用下萎缩显著^[20]。这主要与2010—2014年在关洲左汊开展的大规模无序采砂活动有关，采砂对江心洲平面形态产生了严重影响^[21]。2002—2013年，关洲出露面积减小了1.72 km²，左侧及洲尾减少的面积约1.34 km²，占总减少面积的78%，其中洲尾冲刷后退约1.1 km，左缘崩退了近0.6 km。2014年后关洲左汊的非法采砂得到了有效控制，直至2019年关洲整体形态、面积变化不大(图 5a)。

与关洲仅洲尾左缘发生明显蚀退不同，金城洲整体萎缩严重。三峡工程运用前，金城洲洲体最宽处约1.3 km(2002年)；三峡工程运用后，金城洲洲宽明显缩窄，2014年其最大洲宽仅0.7 km。此外，金城洲洲头下移、洲尾上移的现象显著。2002—2014年其洲头冲刷后退超2.6 km，洲尾上移了约1.2 km，可见金城洲洲头冲刷幅度大于洲尾。2014—2019年，受航道整治工程运行的影响(即瓦口子水道航道整治工程)，金城洲洲头护滩带区域呈淤积态势，整体的面积表现为增加，而下段工程未控制段仍为冲刷态势^[22](图 5b)。

3.2 江心洲冲淤变形影响因素分析 3.2.1 床沙组成的影响

从关洲各断面床沙级配曲线来看，床沙中值粒径D₅₀以洲头为最大，洲中次之，洲尾最细(图 6)。2008年以前，关洲床沙主要为粒径2 mm以下的沙粒，较粗卵石被细沙覆盖，床沙抗冲性较弱使得关洲面积在三峡工程蓄水初期(2003—2008年)呈减少态势。在洲体冲刷过程中较细泥沙随水流冲走，卵石层得以出露，关洲洲头、洲中床沙逐渐粗化，洲头处卵石含量最高。至2010年，洲头荆5断面床沙级配中大于16 mm的卵石占42%，洲中荆6断面卵石含量约29%。与2002年相比，2013年关洲大小已仅剩原洲头及中部一半的范围(图 5a)，洲体卵石占比较高；至2015年洲头床沙进一步粗化，且左汊大规模采砂活动的停止，以及航道部门在关洲左汊进口至洲头陆续实施的潜坝与护滩带等航道整治工程^[23]，限制了关洲的萎缩趋势。遥感影像资料分析表明，关洲自2013年以来面积变化不大。

从金城洲各断面床沙级配曲线来看，金城洲整体属于沙质洲滩，床沙抗冲性弱，是金城洲面积萎缩显著的前提条件。金城洲洲头荆47断面床沙粒径分布均匀，超98% 的泥沙粒径在0.5 mm以下，多年平均中值粒径为0.25 mm，且无显著的粗化趋势(图 7)。相较于洲头，洲中、洲尾床沙略粗。2007年以前，洲中荆49断面及洲尾荆51断面床沙级配与洲头差异较小，但近年来洲头以下床沙朝着粗化、不均匀的方向发展。2004—2016年，洲中床沙中值粒径由0.19 mm增大至0.33 mm，洲尾则由0.14 mm增大至0.31 mm，增幅分别为74% 和112%。

泥沙颗粒大小不一，起动沉降特性具有差异。泥沙能否起动常用起动流速来表征，水流速度可反映水动力强弱^[4]。由以上分析可知，关洲与金城洲河床组成差异在洲头处最为明显。据实测资料，2012年关洲洲头(荆5)粒径大于8 mm的床沙约占85% (图 6a)，之后床沙级配变化不大；金城洲洲头(荆47)约98% 的床沙粒径在0.5 mm以下，且多年来无明显变化(图 7a)。因此可将d_m=8 mm、d_m=0.5 mm分别作为关洲及金城洲洲头的床沙优势粒径。通过将水流速度与江心洲洲头床沙起动流速进行对比，由此判断洲头床沙可动性强弱。在荆5及荆47断面各取了距离左岸x=1200 m，且均位于洲头浅滩上的一点(大致位置已在图 5中标注)；由于研究河段中江心洲洲头浅滩通常较为平缓，高程变化不大^[12]，因此该点的床沙起动情况基本可代表整个洲头的情况。该点的水流速度由曼宁公式(式(3))确定，床沙起动流速则采用非粘性沙的沙莫夫公式(式(4))；两式中的水深同样为x=1200 m处的水深，为水位与该点河床高程之差，前者可由上、下游水位通过距离插值得到。

$ V=\frac{1}{n} h^{\frac{2}{3}} J^{\frac{1}{2}} $

(3)

$ U_{\mathrm{c}}=1.14 \sqrt{\frac{\rho_{\mathrm{s}}-\rho}{\rho} g d}\left(\frac{h}{d}\right)^{\frac{1}{6}} $

(4)

式中, V为水流速度，U_c为起动流速，m/s；n为糙率，由于进口水文站(枝城站、沙市站)距离江心洲洲头较近(分别为4、6 km)，且其间无分汇流，故可用该处的流量糙率关系确定；h为水深，m；J为水面比降；ρ_s、ρ分别为泥沙和水的密度，kg/m³；g为重力加速度，m/s²；d为泥沙粒径，m，此处采用洲头(荆5/荆47)床沙中值粒径D₅₀及优势粒径d_m代入进行计算。

关洲洲头形态较金城洲更稳定，与其床沙在年内丰、枯水季中达到起动条件的数量较少、历时更短有关。如图 8所示，关洲洲头8 mm优势粒径泥沙仅在汛期7—10月可达到起动条件；伴随洲头床沙不断粗化，D₅₀对应泥沙起动流速大于水流速度的时间逐渐增多，至2012年前者全年在水流速度之上，关洲洲头床沙已较难起动。而金城洲洲头床沙粗化较不明显，在所有统计年份中，金城洲洲头1—3月为出露状态，4—12月大部分时间其D₅₀及0.5 mm优势粒径对应泥沙起动流速在水流速度之下，即金城洲洲头有98% 的床沙在年内8—9个月中可达到起动条件，造成洲头床沙大量冲刷，因此金城洲洲头在控导工程发挥效益之前面积萎缩较为显著。

3.2.2 床沙粗化与水沙变化的综合影响

三峡水库蓄水后，水沙条件改变是坝下游江心洲面积变化的主控因素，据上文分析可知，床沙组成同样会对洲滩演变造成显著影响，故本小节将讨论这两者对江心洲面积变化的综合作用。枝江及沙市河段水沙于汛期(5—10月)集中输移，江心洲面积在汛期水流顶冲作用下萎缩最为明显，可采用汛期水流冲刷强度F_f (式(2))来表征汛期内水沙综合条件^[24]。此外，洲滩调整对水沙变化有滞后响应，需建立洲滩面积与前n年平均汛期水流冲刷强度$ \bar{F}_{n \mathrm{f}}$的关系。经试算，当n值取5时两者有良好的相关性。为综合考虑河床组成对江心洲面积变化的影响，采用相对水深的概念来代表河床粗糙程度。相对水深(R_r)为汛期平均水深H与江心洲平均床沙中值粒径D₅₀的比值(R_r=H/D₅₀/1000，H与D₅₀单位均为m)，数量级与水流冲刷强度一致^[25]。由于进口水文站距离江心洲较近，故关洲段(荆5-荆7)采用了枝城站(荆3)的汛期平均水深与流量、含沙量数据，金城洲段(荆47-荆51)则采用沙市站(荆42)的汛期平均水深与水沙资料。

为分析多个因素的综合影响，可采用因变量(Y)与p个解释变量(X₁，X₂，…，X_p)相关联^[26]，形式为Y=a(X₁)^b+c(X₂)^d+…+m(X_p)ⁿ，故江心洲面积与前5年平均汛期水流冲刷强度F_5f及相对水深R_r的函数关系可表示为：

$ A=\alpha_1\left(\bar{F}_{5 \mathrm{f}}\right)^{\beta_1}+\alpha_2\left(\bar{R}_{\mathrm{r}}\right)^{\beta_2} $

(5)

式中，A为江心洲面积，α₁、α₂为系数，β₁、β₂为指数，可利用SPSS软件进行回归分析后确定。

分别采用关洲、金城洲面积数据与计算得到的F_5f和R_r，对三者经验模型式(5)进行率定。率定结果如图 9，可知α₁、β₂为负数，α₂、β₁为正数，说明关洲、金城洲面积与F_5f及R_r均呈负相关，即水流冲刷强度越大，江心洲面积越小；而床沙D₅₀越小，相对水深越大，江心洲面积也愈小。关洲、金城洲面积与F_5f及R_r综合关系式的决定系数R²分别达0.92和0.89。而仅考虑单一影响因素时，关洲面积与F_5f或R_r关系式的R²分别为0.89、0.63；金城洲面积与F_5f或R_r关系式的R²分别为0.86、0.67，可见江心洲面积主要受水沙条件的影响，但综合考虑水沙因素与床沙组成的经验模型，能更好地解释在同时受到水沙变化与床沙组成调整影响下的洲滩面积变化。

4 结论

利用枝江、沙市河段实测床沙资料及从遥感影像中提取的江心洲面积数据，分析了三峡工程运用后不同河床组成江心洲的演变特点，探讨了江心洲面积变化与水沙条件及床沙组成调整的关系。得到如下结论：

1) 三峡工程运用后，枝江、沙市河段中的江心洲均显著冲蚀，但沙市段沙质江心洲的面积萎缩程度明显大于其上游枝江段的卵石夹沙质江心洲。此外，水流冲刷强度F_f及河床冲刷强度的计算结果表明，水流对枝江段河床的冲刷能力更强，但沙市段河床组成抗冲性较差，使得其实际受冲程度更严重。

2) 以关洲及金城洲分别作为卵石夹沙质及沙质江心洲的典型。三峡工程运用后，关洲洲头及洲中床沙粗化明显；受到关洲左汊大规模无序采砂的影响，其沙质洲尾及左侧蚀退显著。至2013年关洲仅剩原洲头及洲中一半的范围，洲体卵石占比较高，床沙抗冲性较强。在洲头整治工程及非法采砂得到有效控制的影响下，关洲萎缩趋势减缓。金城洲河床组成整体无明显粗化，其面积减少态势较关洲更严重；三峡工程运用后金城洲洲宽明显缩窄，且洲头下移、洲尾上移的现象显著。

3) 从泥沙起动因素分析来看，关洲洲头较金城洲抗冲性强的原因与其床沙在年内达到起动条件的数量较少、历时较短有关，且随着洲头床沙不断粗化而愈难起动。三峡工程运用后，坝下游水沙条件急剧变化，这是洲滩演变的主导因素，而床沙组成同样会对江心洲面积变化造成一定影响，综合考虑水沙改变及床沙组成影响的经验关系能更好地反演近期不同河床组成江心洲的面积变化过程。