蜿蜒型河流地貌異質性及生態學意義研究進展

王宏濤，董哲仁，趙進勇，張 晶

(中國水利水電科學研究院,北京 100038)

蜿蜒型河流地貌異質性及生態學意義研究進展

王宏濤，董哲仁，趙進勇，張 晶

(中國水利水電科學研究院,北京 100038)

基于蜿蜒型河流豐富的地貌異質性,回顧了蜿蜒型河流形成機理及影響因素,論述了蜿蜒型河流的地貌結構和動態變化特征,總結了地貌異質性的生態功能,重點分析了深潭淺灘序列結構的相關研究進展,歸納了蜿蜒型河流異質性的生態學意義。

蜿蜒型河流；地貌異質性；生境；生物多樣性；深潭淺灘序列

河流是最具動態變化的地表系統,不斷影響著地球水文、生物和地貌過程,對于陸地水沙輸移、景觀演替和河流生態系統具有重要意義[1]。河流地貌是水流作用下形成各種侵蝕、堆積形態的總稱,包括河型、河床侵蝕地貌和河床堆積地貌[2]。河流地貌格局是水流的自然邊界條件,決定了河段尺度內的水力學特性,影響著河流演變趨勢和過程。同時,河流地貌為生物提供棲息地,是河流生物多樣性和生態系統功能的基礎[3]。河流地貌的多樣性決定了沿河生境的有效性和總量、生境的復雜性和連通性[4]。

河流地貌研究有助于理解河流演變過程和預測河流變化趨勢,河流演變、河段水力結構分析及河岸穩定性研究為傳統河流地貌學的研究重點,對水利、交通、工農業生產和城鎮建設都具有重要意義。但近年來全球水資源危機和水生態惡化的趨勢嚴重制約了人類的用水需求和經濟的可持續發展,促使河流地貌的生態意義得到了更多的關注,探求河流地貌與生物多樣性關系的研究日趨活躍,大量研究表明生物多樣性與河流地貌多樣性呈正相關關系[5-6],河流地貌異質性已成為河流健康評價的重要因子和河流生態修復的主要對象[7],河流地貌的原則已廣泛應用到河流恢復中[8]。作為世界上分布最廣的河流形態[9],蜿蜒型河流包含有多種空間異質性的地貌單元,對于穩定河流物理結構和維持生態系統具有重要意義,逐漸成為河流生態地貌學的研究熱點[10]。但由于河流地貌的變動性和難以量化,使得有關河流地貌對不同地貌結構單元和整體河段的生態功能的研究不多,成為河流綜合管理的一個瓶頸[11]。筆者結合蜿蜒型河流的形成機理,論述蜿蜒型河流的地貌結構、動態變化特征和生態功能,并重點分析總結深潭淺灘序列結構的相關研究進展,旨在歸納蜿蜒型河流地貌結構的生態學意義。

1 蜿蜒型河流形成機理及影響因素

1.1 河流分類

河流分類,是根據河流各種信息的相似性或關系進行河流的分組或排序[12]。目前,主要依據河流平面形態進行分類[13]。河流是高度非線性動態系統,在長時間尺度的演變中,塑造了繽紛多彩的平面形態[14],河道的平面形態可以分為3種類型:蜿蜒型(sinuosity/meandering)、微彎順直型(straight-low sinuosity)和分汊型(multichannels),其中蜿蜒型河流類型有彎曲型、不規則蜿蜒型、規則蜿蜒型和曲折蜿蜒型等,分汊型河流可分為辮狀型(braided)、網狀型(anastomosing/anabranching)和游蕩型(wandering)。彎曲率在1.3～3.0范圍的河道屬于蜿蜒型河流[15],該分類方法與錢寧[16]將河流分為順直、彎曲、分汊、游蕩4種類型相似,既反映了河流的平面形態,也體現著河流的演變規律[17]。

1.2 形成機理

河流的蜿蜒性是河流系統自組織行為的體現方式[18],蜿蜒型河流的形成是水流、流域地質結構、柯式力共同作用的結果。河流演變初期表現為沿軸線的左右擺動,因受柯式力的影響軸線逐漸彎曲,由于擺幅的增大和軸線曲率半徑減小,使河流呈現出順直→微彎→蜿蜒→裁彎的演變過程[19]。蜿蜒型河流的形成和轉化理論主要有基于河谷比降分類的地貌界限假說[20],反映流水能量規律的能耗率極值原理(包括最大能耗假說、最大統計熵理論、最小能耗假說等[21]),基于地球自轉的柯氏力效應[22],基于中性穩定理論的邊界干擾說[23],應用隨機過程模擬的隨機理論[24],反映河流直觀平面結果的體現形態幾何規律的統計分析[25],結合質量守恒定律的“動能自補償”的彎曲機理[26]。由于上述假說主要側重形態、能量和水力條件的某一個方面,具有一定的局限性,如地貌界限缺乏力學機理支撐、隨機理論缺乏嚴格的理論證明、動能自補償機理未考慮河岸約束,但它們反映了河流變化的周期性和趨向性基本規律,各個理論的相互補充對河型成因認識和閾值劃分有重要意義。人們對蜿蜒河流演變動力過程的研究從理論和實踐方面均已取得了豐碩的成果[27-28]。

1.3 影響因素

區域尺度上,Stark等[29]通過研究環太平洋5個島嶼的河道蜿蜒性情況,分析得到蜿蜒型河流的成因與降雨量、洪水頻率、巖石破碎化呈正相關關系。河段尺度上,錢寧[16]對于彎曲河流的邊界條件、來水條件和來沙條件進行了總結,指出河岸組成物質具有二元結構,有一定的抗沖性,但也能坍塌后退。來沙條件是河床沙質來量相對較小,但有一定沖瀉質來量。縱向沖淤變化基本保持平衡,汛期微淤,非汛期微沖。來水條件是流量變幅和洪峰流量變差系數小,洪水起落平緩,并且河谷比降較小。該理論得到了試驗驗證[30-31]。Gibling等[18]指出蜿蜒型河流形成需要4個基本條件:足夠的空間、平緩的坡度、細顆粒沉積物和軟土岸坡。而水中的倒木、巨石、黏土塞和其他障礙也是形成河道彎曲的原因。河床材料構成對形成深潭淺灘序列有著重要作用。在卵礫石河床的河道中,容易形成勻稱的深潭淺灘序列；具有沙質河床的河道由深潭依次分布,但沒有形成真正意義上的淺灘；較高坡降的河流形成深潭跌水的序列。

2 蜿蜒型河流地貌異質性及生態功能

2.1 地貌異質性結構

蜿蜒型河流包含有多種空間異質性的地貌單元,河漫灘區地貌結構包括以下部分(圖1):黏土塞(clay plug),指在主河道與牛軛湖之間的淤積體；牛軛湖(oxbow lake),指黏土塞完全形成后,牛軛狀河道從主河道中分離出來形成的水體；蜿蜒河灣(meander scroll),指已經淤積的舊河道；自然堤(nature levee),指由于局部河段流速降低,導致粗沙沿河岸所形成的淤積體；河漫灘沼澤(backswamps),指由于自然堤防的圍隔作用形成的沼澤[32]。主河道內的地貌單元是深潭淺灘序列(pool-riffle sequence)。深潭位于蜿蜒性河流彎曲的頂點,并在河道深泓線彎曲凸部的外側(或稱凹岸側)。淺灘是兩個河灣間的淺河道,位于河流深泓線相鄰兩個波峰之間,它的起點位于蜿蜒河流的彎段末端,其長度取決于縱坡降,縱坡降越大,淺灘段越短。深潭的橫剖面為窄深式,一般為幾何非對稱型；而淺灘的橫剖面屬寬淺式,大體呈對稱形態。2.2 地貌動態變化特征

圖1 蜿蜒型河道的側向運動形成河漫灘地貌的多樣性

河流地貌具有空間復雜性和時間變異性[33]。蜿蜒型河流的動態變化在不同的時間尺度上:①宏觀尺度上(＞1a),地貌動態變化包括自然堤不斷增高、彎曲半徑逐漸擴大、裁彎取直后新的牛軛湖和蜿蜒河灣形成；①中觀尺度上(1d～1a),隨著水文周期產生周期性變化,深潭和淺灘周期性填充和恢復,主河道橫向遷移變化,凹凸岸向下傳遞；③微觀尺度上(數小時),地貌動態主要是隨水力條件不斷調整而發生底質特征變化。

2.3 地貌異質性的生態作用分析

蜿蜒型河流地貌復雜性是生物多樣性的自然基礎,通過與河流的物理、化學和水文過程的交互作用直接或間接影響著河流生態系統動態。首先,河流結構的穩定性是影響水生生物特別是底棲動物多樣性的關鍵因素[34],蜿蜒型河流可以有效提高河道的穩定性:整體河段尺度上,由于沿程水面線及糙率的變化率相對于順直型河道更低,因此,彎曲型河道比順直型河道更為穩定[35]；局部河段尺度上,階梯深潭系統可以有效增大阻力和河床抗沖刷力,從而穩定了河床和岸坡[36]。其次,底質結構是決定河段是否適合魚類產卵的重要因素[37],也影響著底棲大型無脊椎動物的分布[38]。蜿蜒型河流維持了河道的輸沙平衡和底質的有序分布:整體河段尺度上,螺旋流保證河流輸沙的平穩性和連續性,確保泥沙的有序傳播,從上游來的泥沙在凸岸堆積,從上一個序列的凸岸流向下一個序列的凹岸[18]；局部河段上,蜿蜒型河流產生的河岸侵蝕也是河岸帶植被演替的驅動力。凸岸邊灘隨著時間推移越來越高,相應的河岸帶植被也隨之發生一系列演替作用。眾多的鳥類和野生動物可以利用河岸帶植被演替的不同階段進行攝食、筑巢和繁育[39]；生境單元尺度上,通過水流的分揀作用,在不同區域形成適合不同生物棲息的底質條件。更為重要的是,蜿蜒型河流的地貌復雜性直接為不同物種提供多樣化生境:牛軛湖作為河成湖,長年處于靜水沉積過程,為水生和濕生動植物提供了多樣化的生境空間,是溫水魚類,如大口鱸魚和貓魚的理想棲息地；漫灘沼澤適于鳥類、禽類和兩棲動物生存,并為生物在洪水期提供避難所和產卵場；有學者[40]指出,洪水后無脊椎動物建群來源于受洪水影響較小的相鄰區域,這也說明了牛軛湖和漫灘沼澤的重要性。同時,在水文過程的時間變異中,河道和河漫灘形成的水流—漫灘—靜水—干涸等動態棲息地多樣性條件,促進了物種的演化。

3 深潭淺灘序列的生態學意義

深潭淺灘序列是中等坡度混合砂礫石河床的典型自然地貌特征,對蜿蜒型河流的形成和發展起到了關鍵作用[41],也是多樣化流速和水深的基礎,有效地支撐了魚類和無脊椎動物的繁殖[42]。目前,對于深潭淺灘序列的形成機理[43]、地貌識別[44]和空間分布[45]都有了深入的認識,對于該結構的生態學研究[46-51]也在不斷深化。

Ock等[45]采用同位素示蹤法研究了不同河流對靜水浮游生物的影響,結果顯示淺灘可以有效截留靜水浮游生物,深潭可以截留陸地植物,表明深潭淺灘結構對于運輸和截留顆粒有機物(POM)有重要作用,可以增加下游河段顆粒有機物的空間異質性。Chung等[46]采用River2D二維平均水深模型對Gapcheon河的10種地貌類型進行了水力學模擬,并采用水深和流速適宜性曲線對寬鰭鱲的加權可利用面積進行了分析,表明深潭對于魚類生存具有極其重要的影響。Hauer等[47]通過對不同彎曲特性、河道坡度、流量的13條淺灘深潭河段的水力學特性進行研究,分析了淺灘深潭河段的中等尺度棲息地特性,為河流棲息地修復提供了指導。Schwartz等[48]結合現場魚類密度和生物量測量結果,研究了潭前端、中部和末尾等9種不同中尺度河道棲息地單元的長度、水深、河道坡度的復雜水力條件對魚類分布的影響。Lee等[49]通過對韓國17條河流的采樣調查,采用冗余分析(RDA)和電典范對應分析(CCA)法分別對底棲大型無脊椎動物和河岸植被的地貌影響因子和水化學因子進行研究,結果表明:水化學因子中,只有COD與二者具有顯著相關關系,而河道底質多樣性、河道曲率和邊灘的橫向變化對無脊椎生物和植被均具有重要影響。Kim[50]采用綜合評價法對4條河流的順直河段和彎曲河段的生態狀況與河道底質的相關關系進行研究,結果表明:由于河道底質、泥沙淤積和深潭淺灘結構的分布,粗糙河床底質具有極好的地貌條件；砂質河床占主導的多樣化河床,多樣性和穩定性欠缺,地貌條件為良好；而砂質河床的地貌條件一般。綜合現有研究成果可知,深潭淺灘序列的研究內容覆蓋了浮游生物、底棲動物和魚類等水生生物類群,并逐漸向影響生物的非生物因子追溯；研究方法注重將統計分析、水力模擬與現場調查相結合,并不斷將新技術融入其中；研究尺度也從河段尺度逐漸向細化的生境單元推移；研究結論均凸顯了深潭淺灘序列的重要生態學意義。

4 結 語

由于河流生態系統是水文、物理、化學、生物交互作用的復雜有機體,現有研究成果難以反映地貌異質性對生物多樣性的影響程度,同時,對河流地貌的生態效益量化和動態變化特性的研究也明顯不足,因此,將來應加強河流蜿蜒型地貌異質性和水文情勢變動與生物多樣性耦合關系的定量研究。

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Review on geomorphological heterogeneity ofmeandering river and its ecological significance

W ANG Hongtao,DONG Zeren,ZHAO Jinyong,ZHANG Jing
(China Institute ofWater Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China)

Based on abundant geomorphological heterogeneities in meandering river,the shaping mechanism of meandering rivers and its influence factors are reviewed；geomorphological structure of a meandering river and its dynamic change features are discussed；and the ecological functions of geomorphological heterogeneities are summarized.Pool-riffle sequence and its relevant researches are mainly analyzed.The ecological significance of various geomorphological characteristics in meandering river is summed up.

meandering river；geomorphological heterogeneity；habitat；biodiversity；pool-riffle sequence

X826

：A

：1004 6933(2015)06 0081 05

10.3880/j.issn.1004 6933.2015.06.013

2014 11 16 編輯:彭桃英)

國家自然科學基金(51279113)；國家“十二五”科技支撐計劃(2012BAC06B04)；水利部公益性行業科研專項(201201113)

王宏濤(1986—),男,博士研究生,主要從事河流生態修復研究。E-mail:waterdream86@163.com