基于樹木年輪的彎曲河流河灣遷移速率估算

劉 桉，劉 成，何 耘

(1.中國水利水電科學研究院研究生院，北京 100048； 2.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014；3.國際泥沙研究培訓中心研究培訓處，北京 100048； 4.中國水利水電科學研究院信息中心，北京 100038)

河灣遷移速率為河灣每年擺動的距離，多指橫向遷移，即河灣沿河道中心線垂向距離的變化。河灣遷移速率是彎曲河流演變的重要參數，與河灣的曲率半徑、河寬、流量、輸沙量和濱河植被發育情況等因素有關。河灣遷移速率多采用不同年代的地圖、航空照片和遙感影像的比較分析獲取[1-2]。Hickin等[3-6]研究了加拿大Beatton河等河灣遷移速率，指出河灣遷移速率與河流功率、凹岸灘高及其物質組成相關，最大河灣遷移速率可表達為河灣彎曲度(即河灣曲率半徑與河寬的比值R/W)的函數。Furbish[7]指出河灣平均遷移速率與河灣彎曲度相關。Thorne[8]認為河岸侵蝕及河灣遷移受到河岸物質組成及特性的影響，凹岸物質的自然特性影響著河灣遷移速率和方向，從而改變了整個河道演化形式。Burckhardt等[9]發現凹岸無森林的河灣平均局部遷移速率比凹岸有森林的高3倍。Hudson等[10]指出最大河灣遷移速率出現在河灣彎曲度為1.0～2.0時。Shields等[11]研究了建壩對美國密蘇里河河灣遷移的影響，結果表明河灣平均遷移速率從建壩前的6.6 m/a降低至建壩后的1.8 m/a。Micheli等[12]發現盡管有建壩影響，但由于濱河平原逐漸由森林轉變為農業植被，臨近河灣遷移速率增加了近50%。Richard等[13]提出河灣遷移速率與單位河寬河流功率成正比。Nicoll等[14]認為限制性河灣的遷移速率與自由河灣基本一致，指出河流功率是影響河灣遷移速率的最主要因子，其余為河谷坡度、河寬和洪水量。Giardino等[15]指出河灣遷移速率受土地覆蓋、水文、河岸物質組成及地質條件的影響，河流流量為最主要的影響因素，河岸是否有植被以及是否存在地下水影響也對河灣遷移速率有一定的影響。在我國，李玲[16]計算了黃河上游寧蒙河段河道擺動速率的時空變化，認為河床中值粒徑的大小對河道擺動速率有很大的影響，平灘流量的變化在一定程度上影響了河灣遷移，河灣遷移是對水沙變化的一個適應。Li等[17]分析了塔里木河的河灣遷移與裁彎取直，認為洪水導致河灣遷移速率高。上述河灣遷移速率的研究中，以Hickin等的系列成果較為系統[3-6]，他們在對Beatton河研究的基礎上，結合其他河流研究數據，給出了對河灣遷移的通用性描述，將河灣遷移分為4個階段：①初始階段(R/W>10)，曲率半徑大，河灣發展緩慢；②增長階段(3

樹木年輪保存了當地的地形、水文、氣候條件變化等歷史數據，有定年精確、連續性強、分辨率高和易于獲取多個相似樣本等特點，樹木年輪分析廣泛應用于考古、氣候變化、生態演變、水文歷史、地貌變遷、歷史災害等多學科的研究中。美國天文學家Douglass[18]于20世紀初建立起樹輪年代學(dendrochronology)，之后樹木年輪分析有了長足的發展，已廣泛應用于氣溫、降水量、干濕度等多項環境因子的歷史重建工作[19]。在河灣遷移速率研究中，Hickin等[3]和Burckhardt等[9]應用了樹輪年代學分析方法；Hickin等[3]假定10處河灣新淤積而成的沙洲與沙洲上新生長樹木的時間間隔較短且基本一致，在每個沙洲選擇約10株樹木采集樹芯樣本，其中樹齡最大的年數代表沙洲形成的時間，結合航空照片繪制樹齡分布地圖，得出河灣遷移速率。

筆者在黃河源區實地考察時發現，白河多處河灣的凸岸植被發育良好，樹木呈條帶分布，層次分明，離岸遠的樹木較離岸近的樹木更為高大，呈現出明顯的隨凸岸淤進而植被漸進演替現象。基于這一發現，本文通過采集樹木樣本，嘗試利用樹木年輪分析估算白河河灣遷移速率。

1 研究區域概況

白河位于黃河源區西南部，發源于四川省紅原縣查勒肯，由南向北流經紅原縣的龍日壩、安曲、縣城和阿木，至若爾蓋縣唐克鎮附近匯入黃河。白河干流全長約270 km，河道平均比降為0.061%，沿程有數條支流匯入。白河流域地處高寒山區，流域面積為5 488 km2，高程超過3 400 m，年平均氣溫為0.7～1.1 ℃，極端最低氣溫達-33.7 ℃。流域上游降雨充沛，年平均降水量為640～750 mm，為整個黃河流域內雨量最大的地區之一。圖1為白河流域及中游9處研究河灣分布圖，流域內沼澤密布，蓄水性強，為高原地區罕見的平原型河流，沿程植被豐富，覆蓋度較高[20]。

圖1 研究區域及研究河灣

圖2為利用Google Earth遙感影像提取得到的白河自龍日壩至唐克的河寬、河谷寬與高程沿程變化(圖中橫軸坐標以龍日壩為起點，河寬通過測量遙感影像中水面寬度獲得，河谷寬為河底以上10 m處的寬度)，可見白河上游局部河段河寬較窄、河床比降較大，中下游河床比降較小且比較穩定。河寬沿程呈下凹型曲線逐漸增大，白河下游唐克鎮附近匯入黃河處河寬急劇增大，最寬處超過500 m。白河河谷呈藕節狀變化，沿程總體呈增大趨勢。下游河段河谷寬迅速增大，但存在不少山口和收縮地帶。9處研究河灣位于白河中游，河谷寬均不超過3 km。

圖2 白河河谷寬、河寬與高程沿程變化

2016年7—8月和2017年7月，筆者對白河進行了實地考察與取樣。考慮彎曲程度不同、受歷史河道裁彎影響較小、植被茂盛以及便于取樣等因素，選取了白河中游9處河灣采樣。在各河灣采集樹木年輪樣本和濱河植被樣本，測量得到水動力、河灣幾何形態、濱河植被分布、河岸泥沙粒徑、河道比降等數據如表1所示。

表1 白河中游研究河灣測量數據

白河9處河灣凸岸為明顯的淤進灘地，灣頂發育有寬闊的月牙形卵礫石帶，最大垂向寬度為18～43 m。淤進灘地上逐漸開始進行植被的演替，近岸側形成2個或3個圓弧形植被帶，一般為稀疏草本植被帶、密集草本植被帶和木本植物帶，或僅有草本植被帶和木本植物帶。木本植物的主要物種為奇花柳，為楊柳科柳屬灌木，在高原地區廣泛分布，環境適應能力強，幼苗生長需水量大[21]。

圖3為白河3號河灣的平面圖和凸岸剖面圖，可見河灣近岸側高程整體呈上升趨勢，存在多處起伏。距河灣頂端34 m內為卵礫石河灘，坡度較大，此區域屬于新淤積而成的灘地，無植被發育。其后高程起伏上升，出現較為明顯的3個植被帶，依次為：①稀疏草本植被帶，主要物種為賴草和狗牙根；②密集草本植被帶，主要物種為高原毛茛、金露梅、葛縷子；③木本植物帶，以奇花柳為主。奇花柳叢后側發育有大片密集草本植被，僅有少量低矮的灌木類植被分布。

圖3 白河3號河灣卵礫石河灘及植被分布

2 研究方法

2.1 樹木年輪采樣及分析

研究河段河灣凸岸灘地發育的木本植被以奇花柳居多，樹高均低于6 m。選取距離河灣頂端不同距離的樹木進行采樣，使用差分GPS進行定位。樹木年輪樣本以樹芯為主，使用樹木生長錐采集。對于部分死樹或較細的樹木，用木鋸采集底部圓盤。樹芯采集位置為樹干根部，為便于操作，一般選取地面以上20～30 cm范圍進行樣品鉆取。對于同一株樹木，從不同方向采集2個或3個樹芯。9處河灣共采集了80個樹芯和58個圓盤。

樹芯樣本自然干燥后放置在定做的凹槽內，固定后使用不同粒度的砂紙打磨至顯微鏡下早材、晚材細胞的分界輪廓清晰可見。以靠近樹皮部分為采樣年份，從外圍向髓心進行定年。一般情況下樹木年輪與樹齡一致，但也存在不一致現象。當樹木一年生長的年輪超過一圈，額外生長的年輪稱作偽輪；一年內沒生長年輪稱作缺輪。為獲取準確的年輪值，需對樹芯樣本進行交叉定年以剔除偽輪、補上缺輪的年數。交叉定年是將一棵樹與另一棵樹的年輪進行比對的過程，兩棵樹同一時段的寬年輪及窄年輪分布應當完全吻合。采用美國亞利桑那大學樹木年輪研究實驗室的交叉定年方法，通過畫骨架示意圖方法對樹木年輪進行交叉定年[22]，檢查出偽輪或缺輪現象，得出準確的年輪數據。最后使用專用軟件COFECHA[23]對交叉定年的結果進行檢驗，確認每個年輪的有效性。樹干圓盤樣的年輪數據獲取方法與樹芯樣基本一致。

2.2 河灣遷移速率估算方法

在彎曲河流的河灣中，隨著河灣凹岸的崩岸蝕退，凸岸灘地逐漸淤長，草本植物和木本植物依次在不斷淤進的灘地上發育、生長。一般而言，新淤積形成的灘地經過一定的時間后會生長出樹木。在同一河灣內，新淤積帶的形成與該淤積帶上最早發育同種木本植物的時間間隔基本一致，因此前后兩個淤積帶上最早生長樹木的樹齡差相當于兩個淤積帶形成的時間差，據此可依據凸岸樹木的樹齡分析推算凸岸淤長的速率[24]。假定河灣凸岸灘地同一淤積帶上樹齡最大的樹木為關鍵樣本，選取2個樹木關鍵樣本，則此2個樣本的垂向距離與樹齡差之比相當于凸岸淤長速率，即河灣遷移速率。據此，可得河灣遷移速率估算公式如下：

(1)

式中：v為河灣遷移速率，m/a；L為2個關鍵樣本沿河道中心線垂向距離，m；a1、a2分別為2個關鍵樣本的樹齡，a。

計算中，河灣遷移的主方向選擇在各淤積帶和植被帶中部且垂向寬度最大處所連的直線上，如圖3(a)中紅色線所示。

3 河灣遷移速率估算

研究河段河灣凸岸內奇花柳呈帶狀分布，每個樹木帶的大多數奇花柳粗細相近，近岸樹木帶的奇花柳較為細矮，遠岸的奇花柳較為粗高。為了較為準確地估算河灣遷移速率，選取同一樹木帶內目測樹干最粗、樹齡最大的樹木進行取樣，并在同一凸岸多處取樣。根據樹木年輪分析獲得的樣本樹齡和差分GPS測量得到的樣本位置信息，繪制河灣采樣樹木位置與樹齡的關系圖。通過樹齡分布確定用于估算河灣遷移速率的關鍵樣本，利用式(1)可估算出河灣遷移速率。

表2為研究河段河灣采樣樹木數量、樹齡及估算的河灣遷移速率。白河2號和5號河灣由于凸岸樹木稀少，僅采樣3或4棵奇花柳，其他河灣采樣8～16棵。樹齡分布為4～41 a，估算的河灣遷移速率為0.38～6.10 m/a。以下以白河1號河灣和8號河灣為例具體分析。

表2 白河河灣采樣樹木情況及估算的河灣遷移速率

3.1 1號河灣遷移速率

1號河灣臨近紅原縣安曲鄉，為研究河灣中最靠上游的河灣(圖4(a))。該河灣為較規則的半圓形，曲率半徑為204 m，凸岸前端是最大垂向寬度為18.5 m的月牙形卵礫石河灘。卵礫石河灘后方分布有3個植被條帶，第1個為稀疏草本植被帶，最大垂向寬度為22 m；第2個為密集草本植被帶，最大垂向寬度為14.5 m；第3個為奇花柳叢，由前至后樹木從低矮到高大逐漸變化。目測選擇同一樹木帶內最高、最粗的奇花柳進行取樣，總計16棵。

圖4 河灣形狀

由圖5(a)可知，1號河灣采樣樹木的樹齡在5～14 a之間，基本上距灣頂越遠樹齡越大。但離灣頂距離不同的多個樣本樹齡一樣，說明僅依靠目測判斷樹齡大小存在誤差。由關鍵樣本的定義可判斷圖中樹1-1和樹1-5為關鍵樣本，根據式(1)利用兩處關鍵樣本估算的河灣遷移速率即為圖5(a)中所有樣本的下包絡線斜率，則1號河灣遷移速率約為2.52 m/a。包絡線上方的樣本應是在演替出現首批木本植被之后開始生長的，說明樹木樣本采集數量越多，估算得出的河灣遷移速率結果越準確。

圖5 采樣樹木位置與樹齡關系

3.2 8號河灣遷移速率

白河8號河灣位于白河阿木鄉上游，呈規則的半圓形(圖4(b))，曲率半徑較大，達424 m。凸岸卵礫石河灘最大垂向寬度為29 m，此后為奇花柳叢，無單一的草本植被帶。奇花柳叢呈帶條狀分布，條帶之間的樹木大小差異較為明顯。采樣樹木總共16棵，樹齡為6～41 a。由圖5(b)可確定關鍵樣本為樹8-3和樹8-16，河灣遷移速率為0.70 m/a。

3.3 討論

1～9號河灣遷移速率的估算值為0.38～6.10 m/a，其中2號和5號河灣的估算值因采樣樹木量少可能存在較大誤差。由于采樣的河灣數量少，難以得出可靠的河灣遷移速率與潛在影響因素統計學意義上的關系，因此本文僅作粗略分析。檢測表1所列10個潛在影響因素與河灣遷移速率估算值之間的相關性和顯著性，可得出水流流速、河道比降、凹岸灘高和河谷寬與河灣遷移速率的相關系數分別為0.806、0.710、0.625和0.619，顯著性均小于0.05，說明這4個因素在一定程度上與河灣遷移速率相關[25]。其他因素均未顯示明顯的相關性。水流流速和河道比降與河灣遷移速率的相關性與相關研究[5,13-14]得到的河灣遷移速率與河流功率相關的結論一致，凹岸灘高與河灣遷移速率的相關性與文獻[5]結論一致。1～8號河灣彎曲度在3～10之間，9號河灣彎曲度為2.31，分別屬于河灣“增長階段”和“遷移階段”[3-6]，最大河灣遷移速率出現在9號河灣，與“遷移階段”河灣遷移速率最大的結論一致，與文獻[10]得出的最大河灣遷移速率出現在彎曲度為1.0～2.0時的結論相近。現場考察情況也佐證了9號河灣遷移速率最大，其凸岸的卵礫石河灘發育最長，凹岸灘高2.3 m，卵礫石層上有30 cm厚的表層土壤，能觀察到多處崩塌塊，說明該河灣凹岸侵蝕、凸岸淤進速率高。

白河河灣凹岸灘高均大于1.5 m，灘槽高差大于2 m，而河岸表層植被根土復合體厚度僅0.3～0.6 m，河岸崩塌后形成的根土復合體崩塌塊易被水流破壞并沖走，因此表層植被對河灣遷移速率的影響較小。相比較而言，同期考察的蘭木錯曲河灣由于河流尺度小(河寬小于5m)，濱河草甸型植被分布茂密，其凹岸植被生物量對河灣遷移速率影響明顯[26]。

4 結 語

本文通過樹木年輪分析估算河流源區缺乏實測資料河灣的遷移速率，在河灣凸岸灘地生長有條帶分布、層次分明樹木的彎曲河流中，依據樹木位置和樹齡的關系確定關鍵樣本，關鍵樣本的垂向距離與樹齡差之比為河灣遷移速率。估算得出白河9處河灣遷移速率為0.38～6.10 m/a，遷移速率與水流流速、河道比降、凹岸灘高和河谷寬相關。1～8號河灣處于河灣的“增長階段”，9號河灣彎曲度為2.31，處于“遷移階段”，遷移速率最大(6.10 m/a)。本文對將樹木年輪分析應用于彎曲河流演變研究進行了有益的嘗試，可為缺乏長期實測資料的河流進行河流演變研究提供參考。