黃河烏蘭布和沙漠段凌汛期河岸動態(tài)變化及影響因素

李錦榮, 郭建英, 董 智, 武健偉, 賈 旭, 趙納祺, 王文琴

(1.水利部牧區(qū)水利科學研究所, 呼和浩特 010020; 2.山東農業(yè)大學 林學院,山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復重點實驗室, 山東 泰安271018; 3.國家林業(yè)局調查規(guī)劃設計院, 北京 100714;4.內蒙古農業(yè)大學 生態(tài)環(huán)境學院, 呼和浩特 010019; 5.磴口縣草原工作站, 內蒙古 巴彥淖爾 015200)

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黃河烏蘭布和沙漠段凌汛期河岸動態(tài)變化及影響因素

李錦榮1, 郭建英1, 董 智2, 武健偉3, 賈 旭4, 趙納祺4, 王文琴5

(1.水利部牧區(qū)水利科學研究所, 呼和浩特 010020; 2.山東農業(yè)大學 林學院,山東省土壤侵蝕與生態(tài)修復重點實驗室, 山東 泰安271018; 3.國家林業(yè)局調查規(guī)劃設計院, 北京 100714;4.內蒙古農業(yè)大學 生態(tài)環(huán)境學院, 呼和浩特 010019; 5.磴口縣草原工作站, 內蒙古 巴彥淖爾 015200)

黃河凌汛期間河水的擴張與萎縮導致河岸帶變化，影響沿岸植物的生態(tài)補水與沙漠沙入黃。研究以烏海水利樞紐至三盛公段冬凌夏汛期河岸為研究對象，分析了1989—2010年河岸帶動態(tài)變化及其影響因素。結果表明：夏季4個時段，河岸呈現(xiàn)萎縮—擴張—擴張—萎縮動態(tài)變化；當左岸以向右擺動為主時，河岸呈右偏萎縮趨勢；當左、右岸分別由兩側向外擺動時，河岸呈擴張趨勢。冬季3個階段黃河以左岸向左擺動為主，冰面呈萎縮—擴張—萎縮動態(tài)變化；且岸線萎縮時表現(xiàn)出向右偏移，擴張時表現(xiàn)出向左偏移。冬季冰封期河岸向同側偏移變化較夏季更為明顯，且左岸移動幅度顯著大于右岸移動幅度。夏季汛期河岸變化與上游降水顯著相關，冬季凌期河岸變化主要與下游溫差和兩岸地勢相關。

河岸線; 凌汛期; 黃河; 烏蘭布和沙漠

黃河烏蘭布和沙漠段位于黃河上游河段，上起內蒙古烏海市水利樞紐，下至三盛公水利樞紐，全長約89.6 km。該段左岸與烏蘭布和沙漠相鄰，受風成沙入黃影響，使得該段河床淤積，行洪、行凌能力降低，洪災、凌災頻繁發(fā)生，嚴重威脅人民生命財產安全[1]。在汛期和凌期，該河段的河岸與水面(冰面)的變化在不同年份變化各異，致使兩岸的植物與土壤深受影響，進而在一定程度上影響了風沙入黃。有研究表明，夏季河水的沖淘會引起河岸擴張后退，引起沙子直接進入黃河[2]；而冬季的冰面可能是烏蘭布和沙漠沙向烏海遷移的通道。然而，冬季水面入侵烏蘭布和沙漠也會凍結土壤，降低風蝕，而且來年春季緩慢融化消退的冰面也會給春季植物生長帶來巨大的生態(tài)補水，這對于阻止風沙入黃起到積極作用。因此，開展該段河岸擺動變化及其引起的河水水面、冰面的變化研究十分必要。

關于黃河寧蒙段的研究熱點主要集中在風沙對黃河淤積危害[1]、河岸演變及因素分析[3-6]、凌汛特征[7]、開封河預報模型[8]、入黃泥沙來源分析[9]，入黃風沙量的研究[10]，河岸泥沙淤積量[11-14]，沿岸風沙運移規(guī)律研究[15]以及黃河冰凌形成及危害分析[16]。以遙感數據為基礎，Yao等[17]通過不同時期的衛(wèi)星影像，計算出1958—2008年黃河寧蒙段河岸堆積與侵蝕的面積，對比分析了50 a河岸區(qū)沖淤面積變化以及河岸整體移動趨勢。王隨繼等[18]通過衛(wèi)星影像研究黃河銀川平原段河岸的擺動趨勢，認為河岸不同時期不同河段上的差異主要決定于徑流，而同一時期、不同河段上的差異主要由河床質決定。從凌汛研究方向來看，目前人們更多關注的是黃河凌汛造成的危害，都沒有注意到凌汛造成的河水上漲—擴散，帶來的生態(tài)補水以及不同階段河岸的動態(tài)變化的影響因素。為此，本文以黃河凌汛期，烏海水利樞紐—三盛公段河岸變化為研究對象，研究凌汛期河岸動態(tài)變化過程及其影響因素分析，以期為黃河凌汛期對沿岸沙丘生態(tài)補水研究提供依據。

1　研究區(qū)概況

河源至內蒙古自治區(qū)托克托縣的河口鎮(zhèn)為黃河上游，其中烏蘭布和沙漠段位于黃河上游中下河段，上起內蒙古烏海市水利樞紐，下至三盛公水利樞紐。該河段所處區(qū)域屬于大陸性季風氣候，冬季干燥寒冷，年平均氣溫8.0℃左右，極端最低氣溫達-39℃；年降雨量為142.7 mm，降雨量年際變化大，年內分布也極不均勻，75%以上的降雨集中在7—9月。風沙頻繁，地表風蝕強烈，年平均風速3.7 m/s，大風和風沙一年四季均有出現(xiàn)，以3—5月份最多，風向多為西風及西南風，多年平均大風日數10～32 d，多年平均揚沙日數75～79 d，沙塵暴日數19～22 d[15]。該河段沿岸風沙地貌發(fā)育，西岸分布著烏蘭布和沙漠，黃河流經沙漠東側，沿沙漠東側繞行，沙漠沙丘呈流動狀態(tài)，一般沙丘高5～6 m，每年在西風、西南、西北風的作用下，沙丘和風沙流直貫黃河[1]。

2　研究方法及數據處理

隨著遙感技術發(fā)展，利用不同時期衛(wèi)星影像數據研究河流平面形態(tài)變化的成為一種廣泛采用的手段。為此，以1989年，2000年，2005年，2008年，2010年夏季(7—9月份)和2000年，2005年，2008年，2010年冬季(1—2月份)Landsat TM(或ETM+)遙感影像數據為基礎，利用ArcGIS勾繪不同時期烏海水利樞紐至三盛公段的河岸邊界。以烏海水利樞紐為起點，沿河順流而下每隔5 km設置一個斷面，斷面線與河道中心線走勢垂直，共計設置20個斷面，記作C1-C20(圖1)。通過分析不同時期20個斷面水位變化，研究夏季、冬季黃河烏蘭布和沙漠段的河水水位消長變化過程，分析影響水位消長的主要因素。

河岸變化通過最大擺幅、平均擺幅、斷面數、斷面所占頻度、擺動速率等來表征，計算公式為：

最大擺幅：Amax=max(Ai)

平均擺幅：Aavg=average(Ai)

斷面所占頻度F是指在不同擺動方向上出現(xiàn)的斷面數占所有斷面數的比值

擺動速率R包括全河段擺動速率、加權平均擺動速率及總擺動速率3個指標。

R全河段=Aavg/T其中，i表示20個監(jiān)測斷面，n表示不同擺動方向上出現(xiàn)的斷面數，T表示不同時期的時間間隔，單位為年。

夏、冬季河岸變化以每個時期起始年的河岸邊界為基礎，其中正、負數表示河岸沿斷面線向右側、左側擺動。同時以某年夏季的河岸邊界為基礎，比較同一年份冬、夏季河岸邊界的變化幅度。在計算水位的擺動幅度時，考慮到正負數簡單相加后計算的平均值會使計算值嚴重偏小的問題，本研究分別計算了向左及向右擺動的平均值，即將正負數分別進行考慮，從而得到兩個方向的擺動幅度數據。

圖1研究區(qū)地理位置及河岸斷面圖

3　結果與分析

3.1夏季左右河岸岸擺動幅度、速率及變化趨勢

黃河夏季水位變動主要是由于多年間河岸變遷引起的[17]。夏季不同時期左右岸擺幅及其擺動速度見表1。黃河左岸向左和向右擺動的最大擺幅、平均擺幅分別出現(xiàn)在2005—2008年、1989—2000年，為1 008.6，1 911.0和316.5，645.6m。右岸向左、向右擺動的最大擺幅、平均擺幅分別出現(xiàn)在1989—2000年、2000—2005年，為665.44，414.7和300.5，144.3m。其中左岸向右和右岸向左擺動的最大擺幅、平均擺幅均出現(xiàn)在1989—2000年這一時期。就最大與平均擺幅而言，左岸活動比較劇烈，左岸向兩側擺動幅度遠大于右岸向兩側的擺動幅度。

對夏季四個時期不同擺動方向的斷面所占頻度統(tǒng)計分析結果顯示：四個時期黃河左岸斷面出現(xiàn)向右擺動趨勢占55.71%，向左擺動占44.29%。黃河右岸監(jiān)測斷面出現(xiàn)向左擺動趨勢占55.71%，向右擺動占44.29%。說明該河段不同斷面向左右擺動的趨勢相當。

從擺動速率來看(圖2和表1)，1989—2000年的左岸以向右擺動為主，平均擺動速率為58.7m/a；右岸以向左擺動為主，平均擺動速率為-27.3m/a，河岸在1989—2000年由1989年的平均河寬1 459.3m萎縮為2000年的平均河寬691.5m，且伴有向右偏移趨勢。

表1　4個時期夏季河岸最大擺幅、平均擺幅與擺動速度

2000—2005年，左右岸分別向同側河岸擺動，左岸向左平均擺動速度與右岸向右平均擺動速度分別為-46.9 m/a和28.9 m/a，2005年夏季平均河寬777.1 m，河岸呈擴張趨勢，且向左擴張趨勢大于向右擴張趨勢。2005—2008年，左右岸在同一段面擺動方向基本一致，左岸向左、向右擺動速率分別為-105.5 m/a和114.5 m/a，所占斷面數分別為10，5個，通過對擺動速率加權，可知左岸以向左擺動為主；同樣地，右岸向左、向右擺動速率分別為-77.1 m/a和38.3 m/a，所占斷面數分別為6，9個，通過對擺動速率加權，可知右岸以向左擺動為主，左岸向左擺動速率大于右岸向左擺動速率，河岸呈向左偏移趨勢，2008年夏季平均河寬897.1 m，河岸呈擴張趨勢。2008—2010年，左岸與右岸均以向右擺動為主，擺動速率分別為93.6 m/a和27.2 m/a，且左岸向右擺動速率大于右岸向右擺動速率，河岸呈向右偏移趨勢，2010年夏季平均河寬801.9 m，河岸與2005—2008年相比呈萎縮趨勢。

注：2005年夏季，衛(wèi)星數據由于云遮擋C7—C11五個斷面，所以2000—2005年，2005—2008年圖中出現(xiàn)斷開。

圖2夏季不同時期河岸擺動速率沿程變化特征

綜上所述，四個時期夏季時段，河岸呈現(xiàn)萎縮—擴張—擴張—萎縮趨勢，河岸萎縮是呈現(xiàn)向右偏移趨勢。河岸擴張時，左岸向左擴張趨勢顯著。

3.2冬季左右岸河岸擺動幅度、速率及變化趨勢

冬季河岸的邊界界定以冬季冰面所能達到的地方為界，三個時期冬季河岸最大擺幅、平均擺幅及擺動速度見表2，無論是從最大擺幅還是平均擺幅來看，左岸擺動幅度基本均大于右岸擺動幅度，除2000—2005年左岸向左最大和平擺動幅度較小外，左岸的擺動幅度都在1 000 m以上。從最大擺幅上來看，冬季左岸向左、向右最大擺幅2 419.2 m和2 467.7 m，分別出現(xiàn)在2000—2005年和2008—2010年；右岸的向左、向右最大擺幅出現(xiàn)在2000—2005年，分別是662.5 m和513.5 m。左岸最大擺幅變化規(guī)律不明顯，右岸向右最大擺幅呈現(xiàn)遞減趨勢。從平均擺幅來看，左岸向左平均擺幅最大423.8 m，出現(xiàn)在2005—2008年；左岸向右平均擺幅最大512.9 m，出現(xiàn)在2000—2005年；右岸向左、向右平均擺幅最大分別是128.9 m和85.1 m，出現(xiàn)在2000—2005年；左岸平均擺幅變化規(guī)律不明顯，右岸向右平均擺幅呈現(xiàn)遞減趨勢?？傮w上，冬季河岸以左岸擺動為主，但右岸以向左擺動為主，且三個階段，擺動幅度呈遞減趨勢。這就意味著冬季時，河水向左岸的沙漠內部上漲并進而結冰封凍，使得河岸向左擴張。

三個時期內，隨著時間的推移，左岸擺動的最大擺幅和平均擺幅先增加后減小，右岸向右擺動的最大擺幅和平均擺幅逐漸減小，說明左岸的冰面三個時段呈現(xiàn)向右偏移趨勢，右岸變化規(guī)律不明顯。

從擺動速率來看(圖3和表2)，2000—2005年，左岸以向右擺動為主，平均擺動速率102.6 m/a；右岸向左、向右擺動速率較小，通過對擺動速度進行加權可知，河岸以向右擺動為主；2000年冬季平均河寬2 610.1 m，2005年平均河寬2 278.1 m，河岸在2000—2005年期間整體呈現(xiàn)萎縮趨勢并伴有向右偏移趨勢。2005—2008年，左岸以向左擺動為主，平均擺動速率-141.3 m/a；右岸向左、向右擺動速率較小，仍以向左擺動為主，平均擺動速率-20.1 m/a；通過各斷面加權平均擺動速率來看，2005—2008年，冬季河岸以向左擺動為主；2008年冬季平均河寬2 422.3 m，河岸在2005—2008年冬季整體呈現(xiàn)擴張趨勢并伴有向左偏移趨勢。2008—2010年，左岸向左、向右擺動的平均速率分別為205.0 m/a 和108.7 m/a，通過加權后，左岸以向右擺動為主；右岸向左、向右擺動的平均速率33.6 m/a和10.0 m/a，通過加權后，右岸以向左擺動為主；2010年冬季平均河寬2 177.1 m，河岸呈現(xiàn)萎縮趨勢，且伴有向右偏移趨勢。對比冬季三個階段黃河冰面變化趨勢呈現(xiàn)萎縮—擴張—萎縮趨勢，在萎縮時冰面表現(xiàn)出向右偏移，擴張時表現(xiàn)出向左偏移趨勢。

3.3同一年份左、右岸水位變動幅度

以夏季汛期河岸為基準，同一年夏季汛期和冬季凌期河岸變化見表3。同一年份中無論最大擺幅還是平均擺幅，與汛期相比較，冬季凌期左、右岸分別向同側方向移動，且左岸向左移動幅度顯著大于右岸向右移動距離。這證明了冬季冰封期，由于黃河獨特的封河現(xiàn)象，水流減緩，河水向黃河左岸沙漠地區(qū)涌入并結冰，致使左岸向左擺動明顯，且冬季結冰后的河岸比夏季汛期河岸寬約3～4倍，這與野外觀測到現(xiàn)象一致。

表2　三個時期冬季河岸最大擺幅、平均擺幅

表3　同一年份河岸最大擺幅、平均擺幅　m

3.4河岸擺動速率的影響因素分析

3.4.1夏季河岸擺動速率與影響因素分析夏、冬季平均河寬與當月流量、當年最大流量顯著相關(冬季平均河寬與當月流量、年最大流量相關系數0.97，顯著性水平均為p=0.01；夏季平均河寬與當月流量、當年最大流量相關系數均在0.98以上，顯著性水平均為p=0.05)。黃河烏蘭布和沙漠段，年降雨量在150 mm左右，對黃河月流量和年流量的補給影響甚微，因而，該段黃河夏季流量變化與上游各途徑區(qū)域的降雨匯流有很大關系。為此，對上游途經的主要站點氣象站降雨量變化率(汛期6—9月、全年)與黃河兩岸加權擺動速率做相關分析。結果顯示：右岸擺動速率與汛期降雨量變化率、全年降雨量變化率相關系數分別為0.68，0.51，極顯著相關(p=0.01)；左岸右岸擺動速率存在顯著相關，相關系數0.46，左岸擺動速率與汛期降雨量變化率、全年降雨量變化率相關性不顯著。結果分析與最初的分析一致，水位擺動速率與徑流量相關性極顯著，引起該段黃河徑流量變化的主要是上游地段降雨補給。相關分析結果顯示降雨變化率與同期水位擺動速率極顯著相關。

3.4.2冬季河岸擺動速率與影響因素分析黃河流域冬季受來自西伯利亞季風的影響，氣候干燥寒冷，降雨稀少，流量較小。冬季最低氣溫在0℃以下。黃河內蒙古段由于水位比降小，河岸彎曲，河水由低緯度流向高緯度，寧蒙段上下游兩端緯度相差5℃左右。冬季氣溫上游高下游低，封河自下而上。11月中下旬頭道拐附近河段流凌，12月上、中旬封河，而研究河段河面溫度較高，河水仍處于流動狀態(tài)，由于其獨特的封河特征，導致黃河在封河時該段水位迅速上升，河水涌向該河段兩岸，引起河岸發(fā)生變化。而研究區(qū)河岸左側為烏蘭布和沙漠，右側為山前洪積扇，屬于硬質梁地。地勢西低東高，且西側地形更有利于水分下滲。與夏季相比冬季左岸水面增幅大于右岸增幅，導致冬季結冰后冰面比夏季洪水期平均水位寬約3～4倍，特別是在左岸，黃河水涌入沙漠地區(qū)，為河水下滲提供了有利條件。同時這些河冰在春季開河時，因研究河段率先開河，下游河岸仍然處于結冰，河水流動緩慢，水位褪去緩慢，每年約在4月末、5月初才能完全褪去。冬、春季節(jié)黃河水向左岸的擴散—冰封—融化—褪去的緩慢消長過程，使得左岸烏蘭布和沙漠邊緣土壤水分得到了很好的補給，為春季沙漠植物生長給提供了有利條件，對于阻止風沙入黃起到了積極作用。

圖3　冬季不同時期河岸擺動速率沿程變化特征

4　結 論

(1) 夏季四個時期，河岸擺動速率表現(xiàn)各異。四個時期夏季時段，河岸呈現(xiàn)萎縮—擴張—擴張—萎縮趨勢；河岸萎縮時呈現(xiàn)向右偏移趨勢；河岸擴張時，左岸向左擴張趨勢顯著。河岸的動態(tài)變化受上游降雨量變化率影響。

(2) 冬季三個時期，河岸擺動速率表現(xiàn)各異。冬季三個階段黃河河岸變化趨勢呈現(xiàn)萎縮—擴張—萎縮趨勢，在萎縮時河岸表現(xiàn)出向右偏移，河岸擴張時表現(xiàn)出向左偏移趨勢。河岸的擴張與萎縮受下游氣溫及該段沿岸兩側地形影響。

(3) 同一年份與夏季汛期相比較，冬季凌期河岸左岸以向左移動為主，右岸以向右移動為主，且左岸移動幅度顯著大于右岸移動幅度，冬季河岸發(fā)生了不同程度上的擴張，致使冰面侵入沿岸沙漠，為春季植物的生長提供了良好的水分條件，可有效減緩風沙的直接入侵。

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Dynamics Change of River Bank and Factor Analysis in Ulan Buh Desert Section of the Yellow River

LI Jinrong1, GUO Jianying1, DONG Zhi2, WU Jianwei3, JIA Xu4, ZHAO Naqi4, WANG Wenqin5

(1.Institute of Water Resources for Pastoral Area, Ministry of Water Resources, Hohhot 010020, China;2.ShandongProvincialKeyLaboratoryofSoilErosionandEcologicalRestoration,TaishanForestEcosystemResearchStation,Tai′an,Shandong271018,China; 3.AcademyofForestInventoryandPlanning,StateForestryAdministration,Beijing100714,China; 4.CollegesofEcologyandEnvironmentScience,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010019,China; 5.PrairieWorkstationofDengkouCounty,Boyannaoer,InnerMongolia015200,China)

During the ice flood of the Yellow River, expansion and contraction of the river leads to riparian changes, affects the ecological water of plants in the coastal and desert sand flow into the river. We analyzed the dynamic change of the River ebb and flow dynamic process and its influencing factors during 1989—2010 between Wuhai hydro-junction to Sanshenggong. The results show that the water level change trend is shrinking-expansion-expansion-contraction during the summer of four periods. On the left bank, the banks show a trend of shrinking and shifting to the right when it mainly shifts to the right. On the contrary, when the river bank shifts to the left on the left side, and the right to the right, river bank shows a trend of expansion. In winters of three periods, the left river bank shifts the left， and ice shows contraction-expansion-contraction trend. The river bank shows the right deviation trend when the river is shrinking. On the contrary, the river bank shows the left deviation trend when the river is expanding. Compared with flood period in summer, winter icy period on the left bank is given priority to sifting to the left, right bank is given priority to sifting to the right, and on the left bank shift extent is significantly greater than that of the right. Through the correlation analysis, change of river bank and upstream rainfall are significantly correlated in summer, but in winter, the water level change is related to downstream temperature difference and the left bank terrain of Ulan Buh Desert in the Yellow River.

bank line; ice flood season; Yellow River; Ulan Buh Desert

2015-09-04

2015-10-05

國家自然科學基金(41301303);水利部公益性行業(yè)科研專項經費項目(201401084);中國水科院科研專項(MK2014J04,MK2013J08)；內蒙古自治區(qū)科技計劃項目(20140713)

李錦榮(1980—),男,呼和浩特人,工程師,主要從事荒漠化防治方面研究。E-mail:lijinrong918@126.com

郭建英(1979—),男,呼和浩特人,高級工程師,主要從事草地水土保持研究。E-mail:guojianying1980@163.com

TV875

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1005-3409(2016)02-0117-06