若爾蓋盆地黑河的牛軛湖沿程變化與形態特征

李 想,李志威,胡旭躍,田世民

(1.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410114; 2. 水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114;3. 水利部黃河泥沙重點實驗室,河南 鄭州 450003; 4. 黃河水利科學研究院,河南 鄭州 450003)

若爾蓋盆地黑河的牛軛湖沿程變化與形態特征

李 想1,2,李志威1,3,胡旭躍1,2,田世民3,4

(1.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410114; 2. 水沙科學與水災害防治湖南省重點實驗室,湖南 長沙 410114;3. 水利部黃河泥沙重點實驗室,河南 鄭州 450003; 4. 黃河水利科學研究院,河南 鄭州 450003)

基于SPOT(1990年和2000年)和Google Earth(2000—2014年)遙感影像的圖像分析,對黑河干流及上游的3條支流(格曲、麥曲、哈曲)的216個典型牛軛湖以及相應的河曲帶進行形態參數的定義與分析。沿黑河上游至下游,河曲帶的寬度是增加的,增長率的變化趨勢為“急—緩—急”;中游牛軛湖數量最多;下游受到泥沙淤積的影響更大,牛軛湖從Ω形發展成U形和C形所需時間遠小于上中游。1990—2013年黑河干流僅發生2次裁彎,分別形成Ω形和U形牛軛湖,說明黑河牛軛湖的發育速率較慢。

牛軛湖;彎曲河流;形態特征;自然裁彎;黑河;若爾蓋盆地

黑河位于青藏高原東北部的若爾蓋盆地,地理位置為32°20′～34°16′N,102°11′～103°30′E,是黃河源的主要支流。黑河發源于若爾蓋縣南部的山谷中,河長約450 km,流域面積約 7 608 km2,從瑪曲縣東南部匯入黃河干流。黑河源頭由麥曲、哈曲、格曲3條支流組成。在這3條支流所處的地帶,除了放牧以外,其他人類活動少,其演變屬于自然過程。黑河的河道彎曲程度高,是典型的彎曲型河流,因此長期而言,自然裁彎發生的次數較多,遺留牛軛湖數量也多,但是其牛軛湖數量沿程變化與平面形態尚未見報道。

牛軛湖是彎曲河流裁彎的產物,通過牛軛湖的形態及分布特征研究,對于了解彎曲河流的演變具有重要的科學和實際意義。早期,Weihaupt等[1]研究了Yukon河的817個牛軛湖,以形態復雜程度的不同將牛軛湖分為簡單型、復合型、亂序型,依據閉合度的不同分為開放型、正常型、閉合型。牛軛湖的最新形態分析,將牛軛湖分為Ω形、U形和C形,這也表征了牛軛湖的3個發展階段[2]。基于遙感圖像解譯,前人已對河灣形態與牛軛湖進行較多研究[3-5],發現牛軛湖的彎曲度小于2.2時,其彎曲度與平均湖長呈指數關系,并得到了彎曲度、河道長度、牛軛湖發育速率三者關系的表達式。針對遼河下游近50年的牛軛湖演變的遙感解譯表明,人為因素對牛軛湖演變過程的影響在增加,牛軛湖的發育速率趨緩[6]。

對牛軛湖的沉積物樣柱分析得知,沉積物顆粒在剖面上呈現粗—細—粗的特點,并且可較好地記錄流域洪水事件[7]。Rowland等[8]通過沉積物光釋光的測年方法發現密西西比河的牛軛湖沉積物在距今(25±10)a至(928±144)a,記錄了河道的變化過程以及部分洼地消失的過程。Babka等[9]發現牛軛湖水量補給并不只來自于豐水期原河道漫過沙栓的洪水和自然降雨,還有沙栓地下水的滲透補給。Galbarczyk-Gasiorowska等[10]對維斯杜拉河流域的牛軛湖進行鉆孔采樣發現,泥芯對于化學沉積物記錄良好,并證實了防洪堤壩的建設是引起牛軛湖富營養化的主要因素。對于懸移質輸移為主的彎曲河流,牛軛湖進口段通常先由厚黏土層迅速的涌入并持續淤積,而這些黏性細顆粒擴散進入牛軛湖,在洪水期有利于維持牛軛湖與主河道的營養物的連通性[11]。但是,若爾蓋黑河牛軛湖的進口段是以卵礫石推移質淤積為主,這個問題有待開展機理研究。

圖1 主要地區及其河曲帶

本文基于SPOT(1990年和2000年)和Google Earth(2000—2014年)遙感影像的辨識及野外調查(2011—2016年),分析了黑河牛軛湖形態特征與類型以及牛軛湖沿程密度的變化、演變過程所需的時間,探討了影響牛軛湖演變過程的因素。

1 黑河概況及其河曲帶

黑河全長450 km,源頭海拔高程4 335 m,河道比降為0.016%(圖1)。通過黑河大水水文站的水文數據可知,黑河多年平均流量為32.6 m3/s,徑流量為10.3億m3,多年平均懸移質輸沙量為34.2萬t,多年平均含沙量為0.33 kg/m3[12]。流經若爾蓋縣嫩哇鄉,最后在瑪曲縣東南部匯入黃河干流。黑河上游部分的主要支流麥曲、哈曲、格曲都受到了兩側丘陵的限制,主要是南北向[13]。樹枝狀的河網分布是黑河最明顯的特征,每一條支流都是典型的彎曲型河道。

河曲帶是指彎曲河流在河谷內,由于橫向遷移或自然裁彎,彎道在河谷內橫向移動的最大范圍。統計黑河從麥曲匯入口開始至黃河入匯口沿程168個斷面的河曲帶寬度(圖2),可發現黑河的河曲帶沿程突顯出“增—平—增”的特點。根據河曲帶變化規律將黑河分成3個部分,第1個部分為源頭至格曲匯入口,第2個部分為格曲匯入口至嫩哇鄉,第3個部分為嫩哇鄉至黃河入匯口。黑河流域的地勢總體較開闊,其河谷相對較寬,地勢相對平坦,沿程的坡降只有0.016%,所處的條件都適合彎曲河型的發展。

圖2 黑河河曲帶寬度的沿程變化

在黑河源頭的部分,河道兩岸丘陵地勢對河道的橫向擺動起到一定的限制作用。在格曲、哈曲匯入黑河之后,黑河水量增加,流量增大使得黑河橫向遷移能力增強,同時該地段的河谷相較于黑河源頭也有所展寬。源頭處河谷平均寬度2.03 km,而此段平均河谷寬度3.74 km。因此第2部分的河曲帶發展平穩,唯一突變的部位就是若爾蓋縣城所在河段。在若爾蓋縣城有熱曲的匯入,黑河流量進一步加大,該部分為沖積平原,黑河河曲帶卻并沒有自由發展,直接流經若爾蓋縣城,人類影響導致河曲帶突然縮窄。

不同于若爾蓋縣城,嫩哇鄉部分的黑河自由發展痕跡明顯,其遙感影像可看出嫩哇鄉西側黑河曾發生多次裁彎。在最后一部分,海拔從3 440 m減少至3 417 m,坡降為0.025%,黑河呈現自然發展的狀態,河曲帶寬度穩步提升。

表1 黑河牛軛湖分段說明

2 牛軛湖形態分類及數量

牛軛湖的選取必須搜尋大空間尺度下的黑河流域,而最理想的情況便是這些牛軛湖是從正發生裁彎時或裁彎之后依然清晰可辨的情況下選取。該條件下選取的牛軛湖代表性強,對河道的演變最具有指示作用。運用ArcGIS對Google Earth(2000—2014年,精度0.6 m)和SPOT(1990年和2000年,精度10 m)的遙感影像進行預處理,經過仔細的對比篩選,獲得了黑河沿程不同形態的217個牛軛湖,可分類為Ω形(76個)、U形(88個)和C形(52個)(圖3)。這些牛軛湖的原河灣進口與出口清晰可辨。有一部分牛軛湖已遠離現在的河道,這類牛軛湖不作統計。

圖3 3種典型類型的牛軛湖影像

從源頭開始,C形牛軛湖所占數量最少,U形最多。按照主要變化趨勢,可分為3段。

牛軛湖的演變過程并不復雜,可分為3個時期,分別對應3種不同形態。Ω形為牛軛湖初期形態,U形為中期形態,C形為末期形態。圖4表明Ω形和C形牛軛湖的密度隨著黑河沿程而降低,U形則類似正態分布(第1段和第3段密度小,第2段密度大)。在第1段中(0～100 km),Ω形最多可達0.8個/km,U形和C形平均有0.5個/km。而在第2段(100～200 km)從格曲匯入直到若爾蓋縣城,Ω形穩定在0.25個/km,C形則是0.15個/km,U形牛軛湖分布則較無序,時有時無,最多可到0.7個/km,最少則為0個/km。第3段(200～400 km)中,3種形態的牛軛湖分布都相對較均勻,Ω形平均0.15個/km,U形平均0.25個/km,C形平均0.05個/km。

圖4 黑河沿程不同類型牛軛湖的密度

圖5 黑河沿程不同類型牛軛湖沿程累積數量

黑河沿程牛軛湖總數統計如圖5所示。在第1段(0～100 km),黑河沿程的3種形態的牛軛湖數量增長趨勢差異并不大。在第2段(100～200 km)中,U形和C形牛軛湖長勢相較于Ω形顯得更加平穩,Ω形則持續增加。第3段(200～400 km)中,U形開始大量增加;C形變化小,200 km河長中只增加了8個;Ω形也有增加,但遠不如第1段的增長趨勢。

從河流源頭開始,3種形態的牛軛湖應保持同樣的變化趨勢。牛軛湖所形成的沙栓高度和長度主要是由最大流量決定[3],在有充足水量的時候,河水有能力越過沙栓重新為Ω形牛軛湖補充水量,而當流量下降之后,就不能給Ω形牛軛湖補充水量。缺少河水補充后,在滲透、蒸發和植物需水的作用下,Ω形牛軛湖會逐漸演變為U形牛軛湖。U形牛軛湖進一步演化成C形牛軛湖,直到最后消失。黑河沿程牛軛湖總數是增多的,同時沿程的徑流量也是增大的(圖5)。

3 黑河牛軛湖形態分析

3.1 形態統計規律分析

通常牛軛湖的形態各異,需用形態參數表達其一般性規律:河曲帶寬度Wb;牛軛湖殘留開口寬度b;牛軛湖中心線Lc;牛軛湖與主河道最短距離D;牛軛湖平行于河曲帶的平行河長λ(圖6)。

圖6 河曲帶和牛軛湖形態參數示意圖(33°18′N, 103°04′E)

引入無量綱殘留彎曲度Sr來反映牛軛湖的當前狀態,Sr的值越大,牛軛湖越新;反之越老。

(1)

對黑河沿程的216個牛軛湖的Sr的統計可知,Sr在1～2之間的牛軛湖最多,處在消亡的邊緣,且這63個牛軛湖中有36個為C形牛軛湖,超過50%(圖7)。C形牛軛湖是牛軛湖發展的末期形態。剩下20個為U形牛軛湖,7個為Ω形牛軛湖。這7個Ω形牛軛湖是非常長距離的河灣裁彎,其殘留開口度非常大,因此Sr值偏小。

圖7 黑河的牛軛湖殘留彎曲度的統計分布

近半數(103個)的牛軛湖的Sr在2～6之間,這說明黑河沿程的牛軛湖主要處于發展中期。年輕的牛軛湖有44個,與黑河的連通性強,是黑河流域在非洪水期重要的儲水器。處于中期的牛軛湖數量遠大于新生的牛軛湖。

為了說明黑河干流的裁彎后的偏移情況,引入相對河道連通性ζ。牛軛湖的相對河道連通性定義為

(2)

式中:ζ為相對河道連通性,無量綱;W為主河道對應處的河道寬度,m。

ζ的值越大,說明裁彎后的牛軛湖離黑河主干越遠;ζ的值越小,說明牛軛湖越年輕(圖8)。在整個黑河流域,有5個地方,黑河干流在被裁彎后并沒有遠離牛軛湖,而是從原來所在的位置逐漸靠近牛軛湖,最終吞并牛軛湖,其連通性為負,代表牛軛湖的萎縮速率小于黑河的橫向發展速率。

圖8 黑河所有牛軛湖相對河道連通性的統計分布

連通性小于3的牛軛湖有57個,與黑河連通性較好,在黑河水量充足的時可得到補給,因此消亡的速度很慢。這57個牛軛湖中有25個Ω形牛軛湖,而這25個Ω形牛軛湖的Sr都大于3,所以這也可表明Ω形牛軛湖是年輕牛軛湖的主要特征。連通性超過15的牛軛湖,其Sr都非常小,平均為1.12,說明這一類牛軛湖已處于消亡的邊緣。黑河流域的牛軛湖絕大部分處于發展中期,末期的牛軛湖與年輕的牛軛湖少于中期的牛軛湖。

3.2 形態參數相關性分析

形態參數統計分析可獲得牛軛湖的形態變化規律,以及牛軛湖的演化情況。黑河沿程的牛軛湖演化隨機性較強,并無明顯規律,其原因是黑河絕大部分區域為自然濕地,牛軛湖演化過程主要是自然演化,因此隨機性較強(圖9)。但是在若爾蓋縣附近(200 km處)不存在ζ與Sr較大的牛軛湖,說明附近年輕的牛軛湖非常少,而在黑河源頭以及黃河入匯口處均有年輕的牛軛湖形成。以若爾蓋縣城為分界線,黑河上游存在4個較年輕的牛軛湖,黑河下游存在5個較年輕的牛軛湖,說明在近代,黑河發生的自然裁彎最少有9次。

圖9 黑河沿程牛軛湖的ζ與Sr

將牛軛湖形態特征參數ζ與Sr相結合分析之后,可發現兩者之間有較顯著的相關性。ζ隨著Sr的增大而減小,其分布如圖10所示。

圖10 ζ與Sr的相關關系

在忽略極個別的特殊點之后,通過擬合得到ζ與Sr的定量關系(R2=0.364 3)為

(3)

牛軛湖越年輕,其殘留彎曲度Sr將越大,相對河道聯通性ζ也會越強。因此這2個系數具有一般性,對于牛軛湖形態特征具有參考價值。

3.3 與其他地區的牛軛湖對比分析

黑河沿程的牛軛湖是青藏高原彎曲河流長期演變的產物,形成過程的主要影響因素是黑河的來水來沙條件。黑河所處的若爾蓋草原表層覆蓋的是泥炭層(約1～3 m),下層為粉砂或卵礫石。在牛軛湖進口段沙栓形成過程中,通過打孔取樣,發現沙栓為二元結構,下層為褐黃色淤泥,是泥炭與粉沙混合物,上層為推移質粗沙,其D50為2 mm。沙栓的淤積物還是以褐黃色淤泥為主,在出口段則主要是以懸移質的細顆粒泥沙為主。與其他河流對比中可知(表2),黑河的徑流量不大,但是推移質輸沙量的比例卻偏高,牛軛湖進口段的淤積速率也較快[14-15]。

表2 不同流域的牛軛湖基本情況對比

4 黑河流域的自然裁彎

經過遙感影像對比,1990—2013年黑河干流總共發生了2次裁彎(圖11),歷時10 a左右,分別形成了一個Ω形牛軛湖和一個U形牛軛湖。裁彎前,河灣彎曲度已超過3,這預示此彎道極有可能隨時發生裁彎。圖11(a) 中形成的Ω形牛軛湖位于麥曲下游1 km處、黑河流經的沖積平原南部,河道比降為0.041%,在整條黑河中屬于比降較大的河段。

圖11 黑河上的兩處裁彎并形成牛軛湖的過程

此Ω形牛軛湖歷經20年并未消退,說明該處的河流洪水期的徑流量大,使得主河可越過已經形成的沙栓,向牛軛湖補充水量。此類的牛軛湖可在汛期時候提供一定的蓄水能力。在水流的沖刷作用下,裁彎形成的新河道會向下游偏移;隨著偏移的加大,與原河道口對接的部分會逐漸消失,河流難以向牛軛湖補充水量,牛軛湖逐漸走向消亡。

在該Ω形牛軛湖直線距離68 km的下游發現另一個裁彎(圖11(b)),其形成的U形牛軛湖已演變成C形牛軛湖,出口段在懸移質的淤積作用下,沙栓已發展到0.33 km,而整個牛軛湖長度為0.78 km,因此該牛軛湖處于消亡過程中。2016年7月對此沙栓進行了打孔取樣,土樣變化過程均勻,靠近地面20 cm為粗細顆粒泥沙混合物,D50為2.0 mm;往下20 cm為黑色淤泥,為原河道形成之前的泥炭層;再往下20 cm為褐黃色淤泥。該U形牛軛湖所在位置為黑河下游段部分,比降為0.007%。經歷20年,U形牛軛湖已消退42.3%,發展成為C形牛軛湖。該牛軛湖在20 年中并未受到黑河的水量長年補給,這是與上述Ω形牛軛湖的最重要區別。由于泥沙淤積、水量的下滲與蒸發,此牛軛湖消亡只是時間問題。

5 結 論

a. 黃河源的黑河河曲帶寬度自源頭開始,沿程是增加的,增長率的變化趨勢為“急—緩—急”。殘留彎曲度與相對河道連通性存在負相關關系,即牛軛湖越年輕,其殘留彎曲度越大,相對河道連通性也越強。

b. 黑河源頭部分Ω形牛軛湖密度大,中游U形牛軛湖密度大,C形牛軛湖在靠近黃河入匯口的200 km下游段非常少,僅有8個。若爾蓋縣城之后的黑河流域,因多條支流的匯入導致流量增加,塑造出平面尺度很大的U形河灣,裁彎后產生U形牛軛湖,使得U形牛軛湖數目遠超過Ω形。

c. 黑河流域牛軛湖指示著局部河灣裁彎過程。1990—2013年黑河發生了2次裁彎,分別形成一個Ω形和一個U形牛軛湖,間接說明黑河流域裁彎頻率較低,可能與河岸上層泥炭抑制沖刷作用有關,其裁彎過程與機制有待進一步探索。

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AnalysisonmorphologicalfeaturesofoxbowlakesalongHeiheRiverinZoigeBasin//

LI Xiang1,2, LI Zhiwei1,3, HU Xuyue1,2, TIAN Shimin3,4

(1.SchoolofHydraulicEngineering,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410114,China; 2.KeyLaboratoryofWater&SedimentScienceandWaterHazardPreventionofHunanProvince,Changsha410114,China; 3.KeyLaboratoryofYellowRiverSediment,MWR,Zhengzhou450003,China; 4.YellowRiverInstituteofHydraulicResearch,Zhengzhou450003,China)

Heihe River is a typical meandering river located in the Zoige Basin, which is an important tributary of the Yellow River source. Many oxbow lakes developed along Heihe River due to natural cutoffs, which record the cutoff frequencies and old channel morphologies. By processing the remote sensing images of SPOT (1990 and 2000) and Google Earth (2000-2014), 216 oxbow lakes in the mainstream and three tributaries (i.e., Gequ, Maiqu, and Haqu Rivers) along the river channel were identified and the morphological parameters of the meander belts were further defined and analyzed. The results show that the width of the meander belt along the channel increases with a trend of “quick-slow-quick” and moreover most of the oxbow lakes developed in the middle reach. Due to the impact of sediment deposition in the lower reach, the formation time of Ω-shape oxbow lakes is much less than that of U-shape and C-shape oxbow lakes in the middle and upper reaches. Only two cutoffs occurred during 1990-2013 and a Ω-shape and U-shape oxbow lake gradually formed, indicating that the formation rate of oxbow lakes in the Zoige basin is slow.

oxbow lake; meandering river; morphological features; natural meander cutoff; Heihe River; Zoige Basin

水利部黃河泥沙重點實驗室開放課題基金(2017005);黃河水利科學研究院院所長基金(HKY-JBYW-2016-03);湖南省研究生科研創新項目(CX2017B477)

李想(1993—),男,碩士研究生,主要從事河流動力學研究。E-mail: 396714153@qq.com

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.cm

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.06.004

TV147

A

1006-7647(2017)06-0019-06

2016-12-07 編輯：鄭孝宇)