基于過程-形式關系的河流地貌單元分類與識別

于子鋮,鄧 睿,張 晶,趙進勇*,丁 洋,李 軒

(1.河北工程大學水利水電學院,河北 邯鄲 056038;2.河北工程大學河北省智慧水利重點實驗室,河北 邯鄲 056038;3.中國水利水電科學研究院,北京 100038;4.中國地質大學(武漢)環境學院,湖北 武漢 430074)

地貌單元(100～102m)是水流和泥沙輸送過程的物理表現形式,是河段的組成部分,在此尺度內能夠反映河流生態系統的結構、功能和過程[1-3]。每個地貌單元都有基本的形態計量屬性[4],包括特征形狀(幾何)、底質組成和空間位置。這些屬性的混合可用于繪制和識別地貌單元,并對其進行分類[5-6]。由于相關學者考慮科學問題的角度與出發點不同,故而描述地貌單元的術語有多種形式。在景觀生態學中,相同的特征被稱為斑塊[7];在沉積學中,它們被稱為結構要素(Architectural Elements)、形態地層單位(Morphostratigrap-hic Units)、形態發生單位(Morphogenetic Units)[8-9]。地貌單元由河流不同位置的不同過程組合形成(河源區以侵蝕過程為主,下游以沉積過程為主),在任何給定的自然河段內,特定位置都有明顯的特征,如彎曲河道內側一般都有深潭單元。地貌單元是地貌動力作用下的離散實體結構,在某些過程中(如侵蝕、沖積)產生了形式,而形式反過來又影響到過程的性質與效果。相鄰地貌單元之間存在聯系,如深潭與相鄰的淺灘相連為水生生物提供了適宜的棲息地[1],這些單元看起來是獨立的,實際上相互連通形成動態系統。

明晰地貌單元組合類型及其空間分布為解釋河流類型、行為、狀況和恢復提供了有力支撐[2]。評估地貌單元的類型、形成或改造的過程,以及不同水流階段地貌單元之間的相互作用,可以深入了解河流地貌特征的可變性范圍。反過來,不同地貌單元的調整難度也為衡量不同類型干擾事件敏感性的提供了依據[10-12]。從地貌演化的角度來看,不同的地貌單元類型,無論是依據沉積物成分,還是依據其空間位置,都能讓人深入了解河流如何隨著時間的推移而調整[13]。一些河段可能只反映了當前現狀,但大多數河段都存有過去遺留下的地貌單元[14-15]。

很長一段時間內,河流地貌學家的相關研究更側重于較高分辨率的河段與河流平面分類以及構建分級分類框架來理解河流行為,不太注重地貌單元的詳細分類[7]。地貌單元的自然多樣性是河流棲息地適宜生存的重要決定因素,河段地形越復雜和多樣化,地貌異質性越高,生物可利用的棲息地范圍就越廣[16]。隨著研究的深入,近些年國外對地貌單元的分類進行了展開研究,但國內目前相關研究較少。從棲息地角度出發,Bisson[17]為量化鮭魚的自然棲息地的類型與組成,研究開發了相關區域地貌單元的詳細分類。Hawkins等[18]基于Bisson的研究,結合水流狀態的變化,構建了小型河流棲息地單元三級分類系統。從地貌單元過程-形式關系出發, Fryirs和Brierley將地貌單元歸為河道中段的沉積、濱岸沉積單元等4類[16]。本文歸納總結了 Fryirs和Brierley地貌單元分類體系,對不同地貌單元的過程-形式關系進行了梳理,以其為基礎,以長江一級支流大寧河兩河口—后溪河匯入口河段為研究區,結合區域水文地貌特征,對研究區域特征相似、較難精細區分的地貌單元進行整合,科學、精準分類識別了研究區的地貌單元空間分布。

1 Fryirs和Brierley地貌單元分類體系

該體系將地貌單元分為沖積與侵蝕的基巖和巨石單元(Sculpted,Erosional Bedrock And Boulder Units)、河道中段沉積單元(Mid-Channel,Depositional Units)、濱岸沉積單元(Bank-Attached,Depositional Units)、沖積與侵蝕的細粒單元(Sculpted,Erosional Fine-Grained Units)[16]。其中沖積與侵蝕的基巖和巨石單元包括臺階跌水(Bedrock step)、跌水-深潭(Step-pool)、串聯跌水(Cascade)、急灘(Rapid)、滑水或平坦河床(Run、Glide、Plane-bed)、強制性淺灘(Forced riffle)、強制性深潭(Forced pool)、跌水潭(Plunge pool)、壺穴(Pot hole)9種地貌單元,沖積與侵蝕的基巖和巨石單元通常是不可改變的,水流和泥沙堆積體只能在其周圍進行局部調整,相對于自由形成的河段,該類地貌單元往往形成于坡度陡(高運輸能力)、泥沙供應量低的河段;河道中段沉積單元包括深潭(Pool)、淺灘(Riffle)、心灘(Medial bar)、橫向沙灘或舌狀沙灘(Transverse bar or linguoid bar)、對角灘或菱形灘(Diagonal bar or diamond bar)、伸縮灘(Expansion bar)、江心洲(Island)、巨石丘(Boulder mound)、基巖核心灘(Bedrock core bar)、小砂層(Sand sheet)、碎石墊層(Gravel sheet)、強制中心灘(Forced mid-channel bar)、復合中心灘(Compound mid-channel bar)13種地貌單元,河道中段的地貌單元往往是相對于它們所形成的河道尺寸而言的,這些特征與河流的其他形態屬性,特別是河道斷面形狀和河型有著密切的關系,該類地貌單元長度往往與河寬相同或更大,高度與所在斷面平均水深相當,沉積物形狀與組成是促進該類地貌單元形成的重要影響因素,其反映了河道輸送不同粒徑沉積物的能力;濱岸沉積單元包括側向灘(Lateral bar)、點灘(Point bar)、滾動灘(Scroll bar)、支流匯流灘(Tributary confluence bar)、脊槽和泄槽(Ridge and chute channels)、坡道和點沙丘(Ramp and point dune)、階梯和點階梯(Bench and point bench)、巖架(Ledge)、塊石護岸(Boulder berm)、凹形護岸臺階(Concave bank bench)、組合附加灘(Compound bank-attached bar)、強制附加灘(Forced bank-attached bar)15種地貌單元,河道濱岸的幾何形狀反映了河岸侵蝕、沉積過程的綜合作用,河道對漫灘沉積特征形成影響,沉積過程產生了一系列濱岸沉積單元;沖積與侵蝕的細粒單元包括側向侵蝕灘(Sculpted lateral bar)、沖刷潭(Scour pool)、砂架(Ledge)、平滑流動區(Sculpted run)、沖刷潭(Scour pool)5種地貌單元,沖積與侵蝕的細粒單元缺乏可被塑造成不同形式的底質材料,因此范圍有限,當沉積物從河岸頂部被侵蝕,河岸底部的底質被沖刷時,形成了與河岸相連的特征。經歸納梳理,將常見地貌單元過程—形式進行詳細介紹,具體見表1。

2 大寧河地貌單元分類識別

大寧河位于重慶市東北部巫溪、巫山兩縣境內,系長江上游下段左岸一級支流(屬三峽庫區支流),全長162.0 km。本次研究區域為大寧河兩河口—后溪河匯入口河段,具體位置見圖1,該河段共長9.85 km。基于實地調研,摸清地貌單元的過程、形式是識別的關鍵。因此,于2021年6月進行實地調研,整體河床比降約為3.76‰,水面比降約為3.05‰,且沿程分布極不均勻,絕大部分落差集中在河段上游位置。河段內無水工建筑物,中游有支流匯入,水流較為湍急。

圖1 研究區域

具體分類識別步驟:①明確河流類型,考慮研究對象的實際狀況,結合地貌單元分類體系,明晰研究區域可能存在的地貌單元類型;②利用遙感影像-無人機-RTK、流速儀、水深儀等形成空-天-地一體化監測體系開展地貌單元實地調查;③由遙感影像明確河流邊界,由無人機明晰植物覆蓋程度、水域分布,利用RTK、流速儀、水深儀、標準方孔篩等調查基礎水文地貌特征,利用照相法、標尺法、篩分法并結合SL 42—2010《河流泥沙顆粒分析規程》對底質狀況進行分類分析,精細識別地貌單元類型及其水動力特征等;④結合分類體系中不同地貌單元類型的過程-形式,對研究區域特征相似、較難精細區分的地貌單元進行整合,如將Fryirs和Brierley地貌單元分類體系中濱岸沉積單元中的側向灘、點灘統一稱為邊灘單元,將強制性深潭也歸為深潭單元;⑤最后,在空間分析軟件Arcgis中進行地貌單元制圖。具體流程見圖2。

圖2 基于過程-形式關系的河流地貌單元分類識別流程

最終所識別的地貌單元類型有:串聯跌水、急灘、滑水、深潭、淺灘、緩流區、邊灘、心灘。其中,緩流區定義為水較淺、流速較緩,底質組成無組織性,包括漂石、卵石、礫石、沙。結合無人機航拍數據,對局部河段的地貌單元進行示意,具體見圖3。

圖3 局部段地貌單元分布

基于調研數據,發現串聯跌水的水深范圍為0～1.2 m、流速范圍為大于1.5 m/s,底質組成主要為漂石、卵石、礫石,其中漂石可占40%～60%;深潭的水深范圍為大于1.2 m、流速范圍為0～1.0 m/s,底質組成主要為漂石、卵石、礫石,其中卵石可占40%～70%;淺灘的水深范圍為0～1.2 m、流速范圍為0.5～1.5 m/s,底質組成主要為漂石、卵石、礫石,其中卵石可占20%～80%;急灘的水深范圍為1.2～2.0 m、流速范圍為大于1.5 m/s,底質組成主要為漂石、卵石、礫石,其中卵石可占20%～70%;滑水、平滑流動區的水深范圍為1.2～2.0 m、流速范圍為1.0～1.5 m/s,底質組成主要為漂石、卵石、礫石,其中卵石可占20%～50%;緩流區的水深范圍為0～1.2 m、流速范圍為0～0.5 m/s,底質組成主要為漂石、卵石、礫石、沙,其中卵石可占20%～70%。利用ArcGIS軟件,得到研究河段的地貌單元類型及空間分布,見圖4。

圖4 研究河段地貌單元空間分布

串聯跌水占河道平面面積的16.43%,深潭占21.51%,淺灘占7.21%,急灘占20.45%,滑水或平滑流動區占16.90%,邊灘、心灘占13.59%,緩流區占3.91%。深潭、急灘占比較大,緩流區、淺灘占比較小。由圖知,串聯跌水多與深潭、急灘相連,形成山區河流常見的跌水-深潭單元,該單元增大了河床阻力與抗沖刷力,穩定了河床與岸坡,在一定的溫度和降雨條件下兩岸可以發育良好的植被[19]。明確地貌單元可快速識別魚類棲息地,如該區域特有魚類為齊口裂腹魚,其產卵場為急流淺灘區域[20],在2021年6月份實地調研時,在急灘單元發現較多數量的齊口裂腹魚。

3 結論

關于地貌單元分類與識別的體系,存在國際上不統一、國內研究較少等一系列問題。本文總結歸納了國外成熟的Fryirs和Brierley地貌單元分類體系,并以長江一級支流大寧河作為研究對象,結合研究河流的具體特征,進行了實踐及運用。結果表明,基于過程-形式關系可以科學、快速的識別地貌單元類型及其分布。由于分類體系中一些地貌單元的過程、形式關系較為相近,在實際河流、河段的地貌單元分類識別過程中可以根據實際狀況進行整合匯總。