中國沖積大河的河型分布與成因

李志威,劉 晶,胡世雄,田世民,潘保柱

(1.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410114; 2.黃河水利科學研究院,河南 鄭州 450003;3.西安理工大學水利水電學院,陜西 西安 710048)

中國沖積大河的河型分布與成因

李志威1,劉 晶1,胡世雄1,田世民2,潘保柱3

(1.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410114; 2.黃河水利科學研究院,河南 鄭州 450003;3.西安理工大學水利水電學院,陜西 西安 710048)

結合遙感影像、野外調查和水沙數據,以沖積大河為研究對象,分析中國大河的河型分布及成因。中國大河的沖積河段以彎曲與辮狀河型為主,局部河段為分汊與網狀河型。綜合考慮河型分布的一般性和特殊性,認為相對輸沙率(來沙量與輸沙能力之比)、相對河岸侵蝕切應力(近岸水流切應力與河岸臨界抗沖切應力之比)和河谷地形控制(如節點和寬度)是決定河型成因的3個最主要的因素。

沖積大河;河型分布;彎曲河流;辮狀河流;分汊河流;網狀河流

地球表面河流的數量龐大,平面形態千差萬別,對它們采取一致性規則的形態學分類,有助于認識其分布與成因。早期,由于河型分類的需要,中國沖積平原的不同河型特征和成因已多有分析[1],對于某些特殊河型的分布與成因已有所研究,如游蕩與分汊河型[2-3]。近期,對于全球沖積大河與熱帶雨林河流的河型分布及地貌意義已有所關注[4-5]。然而,對于中國的青藏高原、西部干旱區及東北河流的河型分布及成因則缺乏全面系統的總結與分析。

研究河型分布的前提條件是對河型分類概念與界定有明確的判定。河型分類是指按照不同分類依據、規則、屬性將沖積河流進行分類。不同的研究者按不同的觀點和方法,對河型分類具有不同的結果。Leopold等[6]最早將沖積河流劃分為順直、彎曲和辮狀3種基本類型。自此以后,河型分類研究引起了地貌學家和河流學家的廣泛興趣,而且分類體系不斷變化。具體而言,第1個分類方向是將3種基本河型分成若干亞類及子河型,如Chang[7]將辮狀劃分陡坡辮狀和緩坡辮狀;Schumm[8]依據來沙組成將河流分為床沙質型、混合型和沖瀉質型3大類,又以河谷比降、水流功率和來沙量分成14種亞類;Rosgen[9]將河流類型細化分成7個大類和數10種亞類。最近,Eaton等[10]再次將河型簡化為辮狀、分汊和單河道。第2個分類方向是在2種基本河型(順直、彎曲)基礎上加入其他獨立的河型,如錢寧[11]將河流分為順直、彎曲、分汊和游蕩,Knighton等[12]和Makaske[13]分別將分汊河流及網狀河型作為獨立的河流類型。王隨繼等[14]根據最新河型研究進展,以河流地貌觀點給出的分類體系是直流、曲流、分汊、辮狀和網狀。

表1 長江源、中下游和主要支流的河型與基本特征

目前,關于河型成因的分歧較大,某些不完備的成因分析仍具有參考意義,如錢寧[11]認為河岸抗沖性與床沙質來量是決定河型的主要因子；尹學良[15]認為河型主要由上游來水來沙條件、邊界條件和下游侵蝕基準面決定。Twidale[16]和Kleinhans[17]全面綜述了河型分類、形成原因、發育條件及分類的意義。針對不同河型的成因與劃分標準,目前存在各種思路和控制變量,尚未達成共識但控制因素基本相近,如van den Berg[18]將床沙中值粒徑、平灘河流功率和河谷比降作為控制因素,Alabyan等[19]只強調將河流功率作為劃分標準,Lewin等[20]將大尺度沙丘發育、沙質河床分汊和河灣開始發育作為區分河型的內因,Dade[21]將河床比降、床沙粒徑和泥沙運動均衡作為劃分標準。

本文參考錢寧[11]的最新河型分類體系,采用順直、彎曲、辮狀、分汊和網狀5個基本類型,并將游蕩河型歸為辮狀河型之內。對于山區河流的沖積河段,其河型受山體形態與地質構造控制影響較大,不在本文的討論范圍之內。順直河型被認為是一種短暫存在或短河段發育的河型[22],也不作為本文研究范圍。本文在遙感影像判讀、野外調查和水沙數據的基礎上,分析中國沖積大河的河型分布和河道基本特征,并初步探討其形成原因與形成條件。

1 中國沖積大河的河型分布

中國河流水系眾多,流域面積超過1萬km2的河流有79條,1 000 km2以上的河流有1 580條,大于100 km2的大約有5萬余條,難以逐一羅列和研究。由于中小河流數量多,同時受季節性影響較大,很多河流還受到水利工程的控制,代表性不強且難以反映自然狀況。沖積大河的流域面積大,多數河段處在自然或近似自然狀況,所以本文著重研究沖積大河。中國水系主要分為長江水系、黃河水系、珠江水系、東北水系、淮河水系、遼河水系、海河水系、塔里木河水系和雅魯藏布江水系,這9大河流水系基本囊括了中國大江大河和西南河流。本文的遙感影像來源于Landsat和Google Earth,水沙數據來源于《中國泥沙公報(2000—2014)》,而且2009—2016年筆者針對長江源、黃河源、雅魯藏布江和塔里木河等開展了連續多年野外調查。

1.1 長江水系

主要分析長江源水系、中下游干流和主要支流，包括漢江、洞庭湖水系(湘資沅澧)和鄱陽湖水系(贛撫信修)的河型(表1)與河道特征。長江源區位于青藏高原腹地,水系眾多,河網密布,尚無人類活動干擾,是分析沖積河型分布與成因的理想對象。選取長江源區的4條代表性河流沱沱河、通天河、楚瑪爾河和當曲(圖1),沱沱河-通天河河段以沱沱河源頭延伸到通天河的曲麻萊縣為止。

圖1 長江源的河流形態

沱沱河-通天河的平均坡降為0.18%,其坡降呈現先緩后陡的變化。沱沱河在流出冰川源頭25 km后,經歷一段5.3 km的陡峭峽谷,坡降高達1.81%。在整個727.3 km的統計河段中,河道平面9次呈現寬窄交替的藕節狀形態,寬谷段為辮狀河段,窄谷段為山體限制河段。沱沱河-通天河的沿程河型變化依次是峽谷段(5.3 km)、辮狀段(74.7 km)、峽谷段(13.4 km)、辮狀段(7.3 km)、峽谷段(33.3 km)、辮狀段(270.1 km)、峽谷段(33.3 km)、辮狀段(50.2 km)、彎曲段(15.3 km)、辮狀段(107.6 km)、辮狀段(109.4 km)。沱沱河-通天河的寬谷河段,水流平緩,流路眾多且不穩定,沙洲和淺灘林立,對應著辮狀河型。

楚瑪爾河的統計河段只從多爾改錯東端出口至匯入通天河,其平均坡降為0.13%,沿程坡降變化較多。楚瑪爾河在流出多爾改錯后,流經長達136.4 km的一片高原湖泊濕地,平均坡降為0.09%,沿程山體限制性彎曲河段,河寬130～250 m。在整個362.2 km的統計河段中,河道平面3次呈現寬窄交替的藕節狀形態,辮狀河段2個。楚瑪爾河的沿程河型轉化依次是山體限制性河段(136.4 km)、峽谷段(12.6 km)、辮狀段(32.4 km)、峽谷段(29.3 km)、辮狀段(151.3 km)。

當曲的統計河段從海拔5 097 m的圖像清晰的河道為起點,至囊極巴隴與沱沱河匯合為止,其平均坡降為0.19%,支流入匯如庭曲和布曲(圖1(b))。當曲源頭區經歷82.7 km的峽谷段,其坡降為0.47%。在整個327.8 km的統計河段中,河道平面7次呈現寬窄交替的藕節狀形態,其中辮狀河段4個。當曲的沿程河型轉化依次是峽谷段(82.7 km)、辮狀段(31.8 km)、峽谷段(62.9 km)、辮狀段(12.3 km)、峽谷段(16.4 km)、辮狀段(50.7 km)、峽谷段(20.5 km)、辮狀段(50.5 km)。

長江源水系的窄谷河段,河道處在兩側山體中間,對應著山體限制河段,每一個窄谷河段作為一個節點,不僅影響著河道走向,還對上游寬谷段起控制作用,這種控制作用主要體現維持上游辮狀河型和阻止寬谷段泥沙下泄。

長江中游(湖北宜昌至江西湖口)長938 km,河寬1～3 km,上荊江為微彎河段,下荊江為典型彎曲河段,局部存在沙洲和邊灘,數量較少,下荊江近130 a以來發生過多次自然裁彎(如古長堤(1887年)、尺八口(1909年)、河口(1911年)、碾子灣(1949年)和沙灘子(1972年))以及人工裁彎(如中洲子(1966年)和上車灣(1968年))。長江下游長862 km,河寬1～4 km,河段內沙洲和江心洲數量眾多,沙洲和河道穩定,植被生長情況較好,可認為是分汊型河道。

漢江中下游主要位于江漢平原,約652 km,其中游(丹江口至碾盤山)低水時河寬300～400 m,洪水期可達2～3 km,共有大小沙洲143個和邊灘38個,沙洲眾多,河流分汊明顯,部分沙洲較穩定,部分河段沙洲散亂分布,故判斷其為具有辮狀特性的分汊河段。漢江下游(碾盤山至漢口)河道呈現上寬下窄的特點,上半部河寬約800～1 100 m,下半部河寬約200～400 m,河道彎道眾多(66個),彎曲系數1.81,故認為其為彎曲河流。

洞庭湖水系(湘資沅澧)主要位于湖南省境內,湘江(永州到喬口)河寬250～1 000 m,河道沿程有眾多沙洲,不僅長度較大,而且洲體表面植被茂密,較為穩定,如橘子洲。資江(桃江至益陽甘溪港)河寬300～500 m,分布著較多的沙洲,尤其是入湖河段連續發育數個沙洲。沅江(凌津灘鎮到漢壽)凌津灘鎮至常德段較窄,河寬200～500 m,連續分布10個長度較大且穩定的沙洲;常德以下河段較寬,河寬800～1 500 m,河道主要是以彎曲河段為主,幾乎不存在沙洲,以彎曲河段匯入洞庭湖。澧水(石門至津市小渡口)河寬200～500 m,沙洲數量不多,但沙洲面積較大。可見,湘資沅澧4條支流以分汊河段為主,局部存在若干彎道。

鄱陽湖水系屬于長江下游的主要支流,贛江下游(萬安到吳城)河寬600～1 600 m,河段沙洲、江心洲數量較多且分布較廣。撫河(撫州至青嵐湖)河寬400～800 m,存在眾多邊灘,河中沙洲零散,匯入湖口處發育數個江心洲,形態穩定,植被茂密。信江(上饒至余干)河寬200～600 m,沙洲數量多,且較穩定。修水下游(拓林水庫至吳城鎮)河寬250～400 m,沙洲分布較廣,匯入湖口處有多個江心洲,將河道分成2股至多股分汊河道。可知,鄱陽湖水系除了限制性河段之外,可認為是分汊河段。

長江源、中下游和主要支流的河型與基本特征如表1所示,表中二元結構指河岸上部為細沙及黏土含量,下部為粗沙與卵石。

1.2 黃河水系

主要分析黃河源區、中下游及支流渭河下游的沖積河型(表2)。黃河源是指位于龍羊峽水庫以上的河段,流域面積12.2萬km2,其沖積河型具有多樣性[23]。黃河源瑪多至達日段,河長約325 km,流域面積20 930 km2,沙洲密布,河道被分成十數股小汊道,形成辮狀河段(圖2(a));達日到瑪曲段河長585 km,流域面積41 029 km2,上游段為山體限制性的順直或彎曲河段,直至瑪曲的若爾蓋沖積盆地,沖積河型沿程由分汊、網狀和彎曲組成(圖2),沙洲與河道較穩定, 灌木與喬木茂密。瑪曲至唐乃亥段河長373 km,流域面積35 924 km2,為峽谷河段。

表2 黃河源、中下游及渭河下游的河型與基本特征

表3 珠江下游的河型與基本特征

表4 黑龍江水系的河型與基本特征

圖2 黃河源河流形態

黃河中下游的沖積河段是眾所周知的游蕩(辮狀)河段,來沙量大且粒徑細,河道散亂多汊,曾經數千年河性游蕩不定,且緩慢淤積抬升,形成地上懸河。黃河下游除了辮狀河段之處,其下游河段河寬500～1 000 m,河道多有彎道出現,但彎曲系數較小(1.10～1.35),可認為是順直微彎河段。渭河下游(咸陽至入河口)河長208 km,河寬250～400 m,有數十個彎道,1949—2005年發生過14次自然裁彎,可認為是彎曲河段。

1.3 珠江水系

珠江是東、西、北江及下游三角洲諸河的總稱,本文只考慮其下游的東、西、北三江的河型(表3)。西江下游河口段(廣東三水縣至企人石)全長139 km,河寬700～1 700 m,沙洲數量多,且沙洲植被生長茂盛,沙洲穩定,對河型有顯著影響,屬于分汊河段。北江下游河段(廣東飛來峽至三水縣)河寬500～1 000 m,存在較多沙洲,也屬于分汊河段。東江下游河段(廣東楓樹壩水庫至東莞石龍)河寬200～800 m,河道蜿蜒曲折,存在約65個彎道,認為其為彎曲河段。

1.4 東北水系

本文只涉及中國境內的黑龍江上中游以及支流松花江、嫩江和牡丹江的河型(表4)。黑龍江上中游段(漠河至烏蘇里江匯流口)在黑龍江省境內長1 887 km,總流域面積180多萬km2,窄深段河寬200～400 m,寬淺段河寬2～5 km,河道蜿蜒曲折,彎道眾多(圖3(a))。由于寒冷天氣和凍土的影響,下游某些河段被汊道分割,流路較多,為網狀河段(圖3(c))。

圖3 東北水系河流形態

東流松花江(嫩江入匯后的松花江,即黑龍江三岔河口至同江市)河長939 km,流域面積18.6萬km2,流經松嫩平原及三江平原的河段河道較寬闊,河谷寬約2～10 km,且大部分河道內沙洲較多,汊道交織,河道中存在眾多淺灘,而且某些河段多股河道并行,整個河段既有分汊河段也有網狀河段。西流松花江中下游河段(嫩江匯入之前的松花江河段,即豐滿水電站至松花江河口)長361.6 km,流域面積3.1萬km2。河道蜿蜒曲折,發育較多彎道,且河道單一,沒有明顯沙洲存在,屬于彎曲河段。下游河段沿岸多沙洲,河道中汊河、串溝和江心洲島較多,江心島上叢生柳條雜草,使得河流散亂分汊,多汊并行,整體河道認為是彎曲河段兼有網狀河段。

表5 遼河、海河和淮河的河型與基本特征

表6 塔里木河和雅魯藏布江河型與基本特征

嫩江(河源至三岔河口)全長1 370 km,流域面積29.7萬km2,河寬5～8 km,最寬處可達10 km以上。在新多金村之前,河道蜿蜒曲折,存在38個彎道,雖存在一些沙洲使得河流分汊,但沙洲數量較少,且分布較散,故判斷這段河道屬于彎曲河段。在新多金村至匯流口的大部分河段中,沙灘、沙洲、江汊眾多,且較為穩定,將河流分割得散亂分汊,河道呈不規則網狀分布,屬于網狀河段。牡丹江中下游河段(吊水樓瀑布至河口)全長530 km,流域面積2.7萬km2，大部分河段河寬150～300 m,河道單一,蜿蜒曲折,共有百余個彎道,江中存在少量沙洲,但只存在局部小河段,且分布較分散,對河型影響不大,屬于彎曲河流。入匯松花江附近,受江心洲及大塊陸地的分割影響,河道散亂分汊,呈不規則網狀分布,但此河段較短,故判斷其為彎曲河段兼有網狀河段。

1.5 遼河、海河和淮河水系

遼河(福德店水文站至入海口)河長1 345 km,流域面積21.9萬km2,河寬1～2 km，整個河道蜿蜒曲折,彎道眾多,發育超過200個彎道,河道穩定,是典型的彎曲河流。海河(天津金剛橋至大沽口)是華北地區最大的河流,干流河段長76 km,河身曲折,彎道較多,盡管目前處在人工控制之下,而且水量較少,也屬于是彎曲河流。淮河(桐柏縣至三江營)介于長江和黃河之間,全長1 000 km,流域面積27萬km2,河寬150～700 m,最寬可達1～2 km，大部分河段河道單一,蜿蜒曲折,有百余個彎道存在,無明顯沙洲,判斷其為彎曲河流。遼河、海河和淮河的河型與基本特征見表5。

1.6 塔里木河和雅魯藏布江水系

塔里木河位于塔里木盆地北部,由阿克蘇河、葉爾羌河和田河在肖夾克匯合而成,全長2 197 km,流域面積19.8萬km2,窄段河寬300～500 m,寬段河寬1～3 km。塔里木河干流的水文站從上游至下游依次是阿拉爾、新其滿、英巴扎、烏斯滿、恰拉。據水文資料分析(表6),阿拉爾站1957—2000年的多年平均年徑流量為45.82億m3,多年平均年輸沙量為2 253萬t。阿拉爾站的76% 徑流量和95%年輸沙量集中于6—9月[24]。塔里木河上游河段(肖夾克至英巴扎)長為495 km,沙洲邊灘眾多,河道分汊擺動,為辮狀河道(圖4(a))。塔里木河中游(英巴扎至恰拉段)長398 km,河道平面形態蜿蜒曲折,局部河段的彎曲度超過1.5,是典型的蜿蜒型河流(圖4(b))。恰拉以下河段為塔里木河下游河段,長428 km,仍是彎曲型河段,但是因為中上游的耗水,水量大幅減少,河道寬度沿程縮窄至150 m。

圖4 塔里木河河流形態

圖5 雅魯藏布江中游的辮狀河道

雅魯藏布江中游段(里孜至派鄉)位于歐亞板塊碰撞的擠壓帶,河長1 293 km,流域面積16.4萬km2。寬窄相間的河谷,寬段為辮狀河段(圖5)加上窄段的峽谷限制體,谷底寬達2～8 km,河床內不穩定的沙洲眾多,構成高原獨特的復雜辮狀河道。

2 河型成因

沖積河型的形成是水流泥沙輸移與河床河岸邊界長期相互作用的平面形態表現。沖積河流河型的成因主要取決于流域的特性,如來水來沙量及其過程和來沙粗細[11],部分取決于河道的濱河植被和河谷控制(如節點)。要分析河型成因,首先要區別原因與結果,如在河床演變學的時間尺度(<100 a)上河道形態和河床比降是河型形成的結果,而非河型形成的原因；其次要區別主要因素和次要因素,如來水來沙量是主要因素,而濱河植被和節點控制是次要因素。床沙粗細不是判斷河型成因的依據,因為對于辮狀河道,有沙質河床(如黃河中下游、塔里木河上游)和卵石河床(如長江源、黃河源、雅魯藏布江)。對于彎曲河道,也有沙質河床(如長江中游荊江河段、黑龍江水系、塔里木河上游)和卵石河床(黃河源干流及其支流白河、黑河、澤曲)。濱河植被不是沖積大河的河型成因的控制因素,對于沖積中小河流形成彎曲或分汊河道具有一定調控作用。因此,沖積河型成因既需要從主要因素著手分析,也需要針對次要因素逐一比較,從中對不同河型進行總結,歸納出最關鍵的影響因素。

這里參考錢寧[11]關于決定河型形成的主要因素是床沙質來量與河岸抗沖性的認識,同時作者基于長期野外調查和對中國沖積大河的河型分布認識,提出如下決定河型形成的關鍵無量綱因素:

(1)

3 結 語

中國大河的沖積河型具有獨特性和多樣性,以彎曲和辮狀河型為主導,分汊河型出現于多個沖積大河的部分河段,網狀河型只存在極少數河流的特定河段,從整體來看洞庭湖水系和鄱陽湖水系也可看作網狀河段。同一條沖積大河從源頭到下游,其河型沿程是不斷變化,如長江沿程由辮狀、彎曲至分汊,而黃河沿程則由辮狀、分汊、網狀、彎曲、辮狀(游蕩)至微彎,具有河型多樣性。沖積河型的成因在定性上主要由2個無量綱因素(來沙量與輸沙能力之比和近岸水流切應力與河岸臨界抗沖切應力之比)決定,河谷局部地形控制作用在局部河段對于分汊和網狀河段發揮一定輔助作用。

值得一提的是,對于缺少長系列水沙與地形測量資料的青藏高原河流、西北干旱區河流和東北寒帶河流,這些河流既處在自然狀況而且缺少深入研究,未來一段時期它們很可能是國內河流地貌學與河床演變學的重要對象。然而,單獨研究任何一條河流的河型成因和河床演變都面臨較多困難,而且短期野外考察也難取得實質性突破,采用多源遙感影像解譯不失為一個新研究方法。對某個區域彼此獨立且互不從屬的若干沖積河流,具有相同的沖積河型,若將這個區域的沖積河流歸為一個沖積河群,如長江源的辮狀河群和黃河源的若干彎曲河群,這些沖積河群可為研究其內部共性與外部差異提供了新思路。同時,運用室內寬體水槽塑造和模擬彎曲與辮狀河道,也是在可控水沙和邊界條件下研究河型成因的有效實驗方法。

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Distribution and formation of river patterns of large alluvial rivers in China

LI Zhiwei1, LIU Jing1, HU Shixiong1, TIAN Shimin2, PAN Baozhu3

(1.SchoolofHydraulicEngineering,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410114,China; 2.YellowRiverInstituteofHydraulicResearch,Zhengzhou450003,China; 3.InstituteofWaterResourcesandHydro-electricEngineering,Xi’anUniversityofTechnology,Xi’an710048,China)

The distribution of patterns of large alluvial rivers in China and the reason for their formation were analyzed based on remote sensing images, field survey data, hydrological data, and sediment data. Alluvial reaches of rivers in China are mainly meandering and braided reaches, while some local reaches are anabranching and anastomosing reaches. With the general and special characteristics of the distribution of river patterns taken into account, three critical factors are considered to be the main reasons for the formation of river patterns; the relative sediment transport rate (the ratio of the incoming sediment load to the sediment transport capacity), the relative riverbank erosion shear stress (the ratio of near-bank flow shear stress to the critical erosion-resistant shear stress of the river bank), and control of valley terrain (e.g., the valley node and channel width).

large alluvial river; river pattern distribution; meandering river; braided river; anabranching river; anastomosing river

國家自然科學基金(91547112,91647118); 湖南省教育廳資助科研項目(16B010)

李志威(1984—),男,副研究員,博士,主要從事河流動力學研究。 E-mail: lzhiwei2009@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.02.002

TV147.1

：A

：1006-7647(2017)02-0007-07

2016-02-16 編輯：鄭孝宇)