黃河源區彎曲河群分布與形態及邊界條件

2020-02-28 07:52:40李志威

水利水電科技進展 2020年1期

湯韜，李志威,2

(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)

彎曲河流是地球表面分布最廣和形態最美的沖積河型，具有蜿蜒曲折的形態、周期性的演變和廣泛的適應性。彎曲河流廣泛發育于沖積平原、干旱或半干旱草原、熱帶雨林、極地凍土、沙漠邊緣，甚至在冰原、深海、火星也有非沖積彎道的行蹤或遺跡[1-3]，是自然河流的內稟性質之一。近60余年以來激起眾多國內外學者持續探究其發育條件、形態特征、形成原因、彎道水流、泥沙輸移、演變規律和裁彎機理等諸多問題。彎曲河流在世界各地分布廣泛，如南美的亞馬孫河、美國的密西西比河、我國的渭河、遼河、荊江、漢江、塔里木河和黃河源等[1,3-4]。

黃河源區沖積河谷的地勢較平坦，高寒草原、草甸和泥炭廣泛分布，如黃南草原、甘南草原和若爾蓋濕地；彎曲河流多，如蘭木錯曲、吉曲、賈曲、白河、黑河、澤曲、麥曲、哈曲、格曲等，這些河流及其支流在瑪多-達日草原、若爾蓋盆地、黃南草原和甘南草原組成4個彎曲河群。這些數量眾多的彎曲河群河岸組成為草地、草甸或泥炭二元結構(上層為根土復合體，下層為非黏性卵石夾沙層或粉沙層)[5]，平面形態蜿蜒迂回，彎曲度高，牛軛湖比比皆是，這是青藏高原河流最美的自然景觀之一。彎曲河流在凹岸侵蝕和凸岸淤積的驅動下，彎道經歷微彎-彎曲-裁彎-微彎的周期性演變過程，自然裁彎在彎曲河流演變中具有關鍵作用[1,6]。

黃河源地處青藏高原東北部，區域內遍布彎曲和辮狀河流[7-9]，河流地貌特征及河型具有多樣性[10]。濱河植被對黃河源彎曲河流的長期演變和維持有重要作用，水沙變化與濱河植被相互作用促使源區內呈現多樣的河流地貌單元[11-12]。在全球氣候變暖的大背景下，黃河源近幾十年的氣溫呈現上升趨勢，氣溫升高會使黃河源的徑流量減少，這將對該區域的生態環境和河道演變造成影響，如辮狀河道萎縮、彎曲河道濱河草地退化等問題[13-18]。黃河源的彎曲河流主要是草甸型和泥炭型，如瑪曲干流、白河和黑河干流中下游[5, 19-20]。為了綜合比較黃河源彎曲河流之間的共性與差異，提出了一個關于彎曲河流分布的新概念——彎曲河群[3]。彎曲河群是指某個區域彼此分別為支流或具有從屬關系的干支流，具有相同的彎曲河道類型，共同組成的彎曲河流的一個集合。彎曲河群的定義與河群內彎曲河流的數量無關，但是與區域分布、河流類型、河道形態等有關。深入研究黃河源的彎曲河群，對于認識青藏高原彎曲河流的獨特性和保護河流濕地[21-22]具有較重要意義。

本文利用遙感影像和2011—2019年的黃河源野外調查，統計并分析黃河源彎曲河群的河曲帶寬度、河道平均彎曲度、牛軛湖分布以及臨近頸口裁彎的數量等參數，旨在揭示黃河源彎曲河群的分布與形態特征和探討其邊界條件。

1 研究區域與方法

1.1 研究區域

黃河源區是指黃河流域唐乃亥水文站上游地區，位于青藏高原東北部，涉及青海、四川、甘肅3省，總面積約為13.2萬km2，年均徑流量約為200億m3，年均輸沙量約為1 000萬t。黃河源的水系格局屬于樹枝型。黃河干流從扎陵湖和鄂陵湖西邊流出，左側的主要支流有優爾曲、西柯曲、東柯曲、尕麻、曲什安河、切木曲、西科河和大河壩河，大部分發源于阿尼瑪卿山；右側主要支流有熱曲、東柯曲、柯曲、達日河、吉曲吉昂、哈曲、白河和黑河，大部分發源于巴顏喀拉山和岷山(圖1)。

圖1 黃河源區主要水系分布

1.2 研究方法

基于Google Earth[21]影像，同時以2011—2018年連續8年黃河源彎曲河流實地考察作為參考，采用河曲帶寬度、牛軛湖數量、河道平均彎曲度和河道比降定量描述彎曲河群的形態特征。

河曲帶是指彎曲河流周期性演變發展時，由于發生自然裁彎等因素，河道橫向遷移的最大范圍。河曲帶寬度可反映彎曲河流在長時間尺度下對洪泛平原的塑造狀況。基于Google Earth 影像，根據河曲帶上遺留的牛軛湖、迂回扇等地貌類型，可確定黃河源每條彎曲河流的河曲帶寬度。牛軛湖是沖積平原彎曲河流一種常見的地貌形態，也是彎曲河道長期演變的重要標志，是河道演變過程中自然裁彎所遺留的痕跡，其包含的信息往往對于彎曲河道的演變過程有指示作用[24]。對黃河源每條彎曲河流沿程的牛軛湖數量進行統計，牛軛湖的選取原則為其影像清晰可辨，已經消亡及距離河道太遠(20倍河寬)的牛軛湖不參與統計。

河道平均彎曲度和河道比降是彎曲河流的重要形態參數。平均彎曲度M可定量表征河流的彎曲程度：

(1)

式中：Lm是河流實際彎曲長度，m；Ls是用ArcGIS將彎曲河段處理后得到的簡化曲線長度，視為河流簡化曲線距離，m。使用ArcGIS 10.5 Simplify line工具時，將Simplification Tolerance設定為300 m。

河道比降J的計算公式為

(2)

式中：ΔH為河流起點與終點斷面的水面高程差，m。

2 黃河源區彎曲河群的分布

彎曲河群是指在某個地區具有相同彎曲河型，且不會相互干擾的支流或者具有從屬關系的干支流，由這些河流所組成的河群即為彎曲河群[3]。本文主要針對我國黃河源區的彎曲河群。通過遙感影像的解譯與實地考察表明，黃河源區存在4個彎曲河群，沿黃河干流自上而下依次為瑪多-達日彎曲河群(a)、若爾蓋盆地彎曲河群(b)、甘南草原彎曲河群(c)、黃南草原彎曲河群(d)。統計河流總數為206條，各河群包含河流數依次為31、114、26、31條，其中數量最多、空間分布最廣、形態特征最復雜的是若爾蓋盆地彎曲河群。4個彎曲河群是黃河源的重要自然河流特征，可以從中等空間尺度分析河群內部彎曲河流的共同特性與邊界條件。

黃河源區的地形變化趨勢明顯，從東向西海拔高程逐漸降低 (從6 254 m下降至2 509 m)。扎陵湖至沙曲區段存在眾多山谷，絕大部分支流為辮狀河流或者山谷限制性河流(圖2)。但是仍然有一小部分支流隨著河谷變寬，河曲帶也變寬，這些支流在靠近黃河干流時發展成為彎曲河流，比如東曲、多曲、勒那曲、吉曲吉昂等支流，其彎曲河流分布相對分散，大多集中在瑪多到達日河段，多為山體限制性彎曲河流，共同組成瑪多-達日彎曲河群。夏容曲至黑河區段彎曲河流發育較好，數量較多。在以白河、黑河及其眾多支流為主的若爾蓋盆地，形成了若爾蓋盆地彎曲河群。

圖2 黃河源區的彎曲河流分布

蘭木錯曲至龍羊峽水庫段，除主要由澤曲及其二級支流與相鄰流域的蘭木錯曲、永曲等共同組成的黃南草原彎曲河群外，主要是山谷限制性河流和少數辮狀河流。在甘肅省西南部，由大夏河和洮河的支流共同組成了甘南草原彎曲河群，主要分布在瑪曲、夏河、碌曲，此彎曲河群僅有一部分分布在黃河源區域內，主要在彎曲第一彎內側的泥炭濕地和高寒草甸地區。

瑪多-達日彎曲河群沿黃河干流分布，相比其他3個彎曲河群來說更為分散，從上游至下游，左岸包括扎曲、優爾曲等，右岸包括約古宗列曲、多曲、勒那曲、黑河曲、夏曲、柯曲和吉曲等。瑪多-達日彎曲河群的特點是由黃河干流的主要支流組成，與辮狀河流混合，是一個較分散的彎曲河群(圖3(a))。

圖3 黃河源彎曲河群

若爾蓋盆地彎曲河群，主要分布于四川的若爾蓋、紅原和阿壩縣，是黃河源的最大的彎曲河群，分布于黃河干流的右岸，從上游至下游依次是夏容曲、賈曲、達日曲、沃木曲、白河、瑪爾莫曲、合納曲和黑河(圖3(b))。以白河的彎曲支流從上游至下游有朗米曲、岔布枕曲、龍日曲、達青曲、阿木曲、佐曲、歐木涅曲等。黑河作為若爾蓋盆地的最大彎曲河流水系，從上游至下游有德訥合曲、格曲、哈曲、麥曲、熱曲、達水曲等，主要分布于若爾蓋縣城以上，其下游只有少量彎曲河流(如達水曲)。若爾蓋盆地彎曲河群是以黑河和白河的干流與支流的彎曲河流為主，還包括少量黃河干流沿程支流，即以相互獨立的干流與支流共同組成彎曲河群。

黃南草原位于黃河一彎下游的右岸，面積約為1.27萬km2，海拔在3 500 m以上，其彎曲河群以澤曲為主流，澤庫縣的上游段主要的彎曲支流有左岸的多切河、日俄冬曲和夏德日河，右岸的則曲，河南縣的下游段主要的彎曲支流有左岸的浩斗曲、措火日曲，右岸的切兒切河、下五曲、干馬兒曲、洞五曲，以及相鄰流域的賽欠曲、沃合特曲、蘭木錯曲和永曲等，共同組成一個彎曲河群(圖3(c))。黃南草原的彎曲河群多為干支流的彎曲河流，也包括少量相鄰流域獨立的黃河一級支流。

甘南草原位于甘肅省西南部，南臨四川，西接青海，面積約為2.51萬km2，主要分布在甘肅省西南部的瑪曲、夏河、碌曲三縣。這里地處青藏高原東北部邊緣，以高寒陰濕的高寒草甸草原為主，海拔多在3 000 m以上，年平均降水量600～810 mm，年平均氣溫4℃。甘南草原地處青藏高原的東北邊緣，地形復雜，地勢西高東低。地貌可分高山草原區、高山森林區和低山丘陵區。在黃河源區域內的甘南草原彎曲河群，主要分布于彎曲第一彎內側的泥炭濕地和高寒草甸地區，從上游至下游包括賽爾曲、貢曲、爾則曲、納艾曲、唐迪曲、娘伊曲、朗曲、姚達爾曲、納爾瑪曲、那合地曲等，而且黃河干流有局部河段也是彎曲河道(圖3(d))。甘南草原彎曲河群基本都是黃河干流的支流，彎曲河流的長度和寬度都較小。

3 彎曲河群的形態特征

3.1 河曲帶寬度

對Google Earth 影像上清晰可辨的黃河自扎陵湖至龍羊峽97條彎曲河流的干流和支流進行統計分析(圖4)，發現河曲帶寬度超過1 000 m的彎曲河流有賈曲、白河、黑河、熱曲。自黃河出扎陵湖之后直至沙曲，20條支流的河曲帶都較狹窄，其中河曲帶寬度最大為787 m，最小為50 m。這主要是因為沿程左側的阿尼瑪卿山和右側的巴顏喀拉山對黃河源支流起到明顯的限制作用，彎曲河流只能在山谷里發展。

圖4 彎曲河群的河曲帶寬度

在瑪多-達日彎曲河群，山谷是限制這些河流自由發展最主要的因素。在以白河、黑河及其眾多支流為主的若爾蓋盆地，其地形為沖積平原，坡降比之前要小，適合彎曲河流的發育，形成了若爾蓋盆地彎曲河群，河曲帶寬度超過1 000 m的彎曲河流都在其中。在這中間最具有代表性的就是黑河和白河，河曲帶寬度分別為3 300 m和2 498 m，河群平均河曲帶寬度為565 m，是4個河群中最大的。2016年7月實地考察發現，該沖積平原的主要植被是高寒草甸，上層為草本，中間為較厚的泥炭層(0.5～3.0 m)，下層為湖相的粉沙，夾雜河流相的粗沙或卵石，有層理結構。較小坡降的平原、充足的水量及發育的濱河植被使得該地區發育大量的彎曲河流，形成彎曲河群。

位于黃河彎曲第一彎內側的黃南草原彎曲河群主要由黃河干流的一級支流組成，河流發育與某些若爾蓋盆地的河流類似，但是由于地形原因，河曲帶寬度相比若爾蓋盆地的河流較小，未形成河曲帶寬度大于1 000 m的河流。從蘭木錯曲往下游走，基本地貌為山地，因此主要是山谷限制性河道。在澤曲處形成的黃南草原彎曲河群，其河曲帶寬度比之前的兩大彎曲河群都要窄，除了澤曲的河曲帶寬度為936 m外，各二級支流的河曲帶寬度的平均值僅有253 m。黃南草原的彎曲河流形態蜿蜒，濱河草甸密集，屬于典型的草甸型彎曲河流。

圖5 典型牛軛湖的遙感影像

3.2 牛軛湖分布

對Google Earth 影像上清晰可辨的黃河自扎陵湖至龍羊峽97條彎曲河流牛軛湖分布及臨界裁彎情況統計，結果如圖5所示。瑪多-達日彎曲河群的牛軛湖數量普遍偏低，所有彎曲河流的牛軛湖數量均小于40，其原因仍然與兩側山脈的限制有關。相比之下黃南草原彎曲河群和甘南草原彎曲河群的牛軛湖數量略大，當黃河流至若爾蓋盆地時，在廣闊的沖積平原上發育眾多的彎曲河流，相對平坦和開闊的地形是彎曲河流發展的重要因素。由于有著適合彎曲河流發育的地形條件，若爾蓋盆地彎曲河群的牛軛湖數量普遍較多，其中數量最多的河流是黑河，牛軛湖數量達到284，排在其后三位的是黑河的支流哈曲、格曲和德訥河曲，牛軛湖數量分別為177、168和124。此外，若爾蓋盆地彎曲河群的臨近裁彎口數量也比其他3個河群多。

臨近裁彎口的數量可反映彎曲河流生成牛軛湖的速率，在單位時間內，臨近裁彎口越多，牛軛湖生成速率也越快。在黃河進入沙曲之后的沖積平原上牛軛湖數量大量增加(圖6)，牛軛湖為草原和濕地儲存了一定量的水資源，有利于若爾蓋草原與濕地的生態環境保護。

圖6 彎曲河群的牛軛湖與臨界裁彎數量統計

3.3 河道平均彎曲度

圖7 彎曲河群的河道平均彎曲度與河道比降的關系

河道平均彎曲度和河道比降是彎曲河流的重要形態參數，通過黃河源彎曲河群206條河流的統計和計算，得到各彎曲河流的彎曲度和比降的關系(圖7)。若爾蓋盆地的彎曲河道平均彎曲度最大，為2.36；而瑪多-達日彎曲河群的平均彎曲度普遍較小，平均僅為1.19。4個彎曲河群的最小彎曲度均接近，約為1.11，但是若爾蓋盆地彎曲河群的彎曲度平均值最大，其次是黃南草原、甘南草原、瑪多-達日彎曲河群，這說明若爾蓋盆地彎曲河群發育最好，同時其彎曲度變化范圍也最寬(1.11～2.36)。瑪多-達日彎曲河群的河道比降平均最大且每條河流差異性較大，河道比降變化很大(0.002～0.05)，這主要是因為該河群分布在海拔4 000 m以上的地區。其次是黃南草原彎曲河群，有少數彎曲河流的比降超過0.03，而若爾蓋盆地彎曲河群和甘南草原彎曲河群比降都較小且有相似的變化規律。若爾蓋盆地彎曲河群的最大河寬是其他3個彎曲河群的1.9～4.1倍，而最小河寬相差不大，同樣地4個彎曲河群的平均河寬接近(表1)。

表1 彎曲河群的形態參數

4 彎曲河群的邊界條件

黃河源彎曲河群的地表覆蓋主要是高寒草甸、濕地和草原，因此彎曲河群的來沙量較少，主要來自坡面過程和崩岸入河的泥沙，既有粗顆粒推移質，也有細顆粒懸移質。彎曲河流在發育過程中，水流沖刷和侵蝕凹岸，并在凸岸發生淤積。一般認為，彎曲河流河型的影響因素有水沙條件、床沙粒徑、河床比降、濱河植被等，但對于黃河源彎曲河流，最主要的邊界條件是濱河植被作用下的河岸二元結構物質組成。為了探究河群之間的異同，對4個彎曲河群進行濱河植被和河岸組成歸類(表2)。

表2 黃河源濱河植被種類及河岸物質組成

黃河源的彎曲河流主要有3種：泥炭型彎曲河流、草甸型彎曲河流以及瑪曲干流、白河和黑河干流中下游流域的草原型彎曲河流。泥炭型彎曲河流主要分布在若爾蓋盆地，彎曲度高，裁彎形式全為頸口裁彎(圖8(a),麥曲)。泥炭型河岸上層為草本，中間為泥炭層較厚，下層為湖相的粉沙，夾雜河流相的粗沙或卵石，有層理結構。抵抗近岸水流侵蝕主要依靠河岸的泥炭層和土體能力，植被作用可忽略，崩岸形式為懸掛式張拉破壞。具體來說，洪水期水流淘刷泥炭層下部的粉沙層，直至泥炭層被破壞后，傾倒在河岸坡角，對河岸具有一定的保護作用，特別在中低水位，迫使水流遠離近岸。因此，黃河源若爾蓋盆地彎曲河群的麥曲、格曲、熱曲、哈曲等屬泥炭型彎曲河流的支流，依靠由高強度泥炭層和湖相粉沙組成的二元結構抵抗水流沖刷，維持河岸穩定。

草甸型彎曲河流河岸上層為密集的草本，中間為黏土和細沙層，下層為卵石層，其廣泛分布于甘南草原，如蘭木錯曲、澤曲、吉曲等(圖8(b),蘭木錯曲)，彎曲度高，裁彎全為頸口裁彎，少量為斜槽裁彎。其濱河植被多為高寒草甸，這類植被根系發達，與土體結合形成緊密的根土復合體，具有很強的抗剪和抗沖能力。其次，上部根土復合層崩落入河后貼附于坡腳，可減小近岸流速以保護近岸土體受水流直接沖刷。在洪水期，植被的存在能增加水流阻力，截留細顆粒泥沙，抑制凹岸沖刷，同時對凸岸的淤積也起到關鍵作用。故對草甸型彎曲河流而言，彎曲河型的穩定依賴于由緊密的根土復合體和卵石夾沙組成的二元結構河岸。

對于瑪曲干流、白河和黑河干流中下游的草原型彎曲河流(圖8(c),黑河下游河段)，彎曲度高，裁彎多為頸口裁彎，極少為斜槽裁彎。凹岸上層為草本根系層，河岸物理組成為湖相的粉沙和河流相的粗沙或卵石，有層理結構，抵抗近岸水流侵蝕主要依靠河岸土體自身的抗沖能力，上層植被根系具有一定作用，崩岸形式為剪切破壞。這類河流基本為河寬較大的干流，河型維持較穩定。