長江源通天河段辮狀河道形態(tài)特征與變化規(guī)律

，，，，

(1.長沙理工大學(xué) a.水利工程學(xué)院；b. 水沙科學(xué)與水災(zāi)害防治湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410114；2. 長江科學(xué)院 河流研究所，武漢 430010)

1 研究背景

長江源地處西藏與青海交界的唐古拉山地區(qū)，發(fā)育和形成了長江正源沱沱河、通天河、楚瑪爾河、當(dāng)曲、布曲、冬曲、尕爾曲和北麓河共計(jì)8條規(guī)模較大的高原辮狀河流。長江源下邊界至玉樹巴塘河口，三江源區(qū)內(nèi)長1 217 km，面積15.9萬km2。長江源區(qū)平均海拔4 500 m以上，自然條件惡劣，交通不便，因此關(guān)于該區(qū)域水系分布、平面形態(tài)和辮狀河群的研究較少[1-2]。長江源區(qū)地勢上南高北低、西高東低，由于受區(qū)域地形和新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈影響[3]，源區(qū)具有平行狀水系格局，河谷形態(tài)以窄谷和寬谷交替出現(xiàn)[4-5]，分別對應(yīng)限制性河道和辮狀河道。

目前，長江源的水文泥沙研究主要以降水量、徑流量、生源物質(zhì)以及氣候變化要素的數(shù)據(jù)分析為主[6]，缺少對河床演變的觀測與研究[7-8]。長江源的沖積河流類型以辮狀河道為主，如沱沱河、當(dāng)曲下游、楚瑪爾河下游、布曲、尕爾曲、通天河上游段等，共同組成辮狀河群[1-2]。長江源水系的窄谷與寬谷相間，窄谷作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，不僅影響著河道走向，而且對上游寬谷段起控制作用，這種控制作用主要體現(xiàn)在維持上游寬谷辮狀河型和阻止寬谷段泥沙下泄[2]。寬谷段辮狀河道內(nèi)沙洲林立，平面形態(tài)破碎，多汊道無規(guī)則交織，沖淤變化強(qiáng)烈，河道輸沙強(qiáng)度高，特別是通天河的大型辮狀河道形態(tài)復(fù)雜、流路散亂。

辮狀河道作為一種不穩(wěn)定的多汊道河流系統(tǒng)，在全球廣泛分布，如雅魯藏布江中游、塔里木河上游、黃河中游、布拉馬普特拉河下游、加拿大的Fraser River、意大利的Tagliamento River等。早期，Howard等[9]使用汊道數(shù)平均數(shù)來表示辮狀河道分汊強(qiáng)度，并指出分汊強(qiáng)度隨著流量和坡降的乘積增大而增大，通過辮狀河流的形態(tài)統(tǒng)計(jì)分析后，發(fā)現(xiàn)沿程的大部分汊道數(shù)變化都是由局部的流量和泥沙輸移波動(dòng)引起的。通過總結(jié)前人提出的表示辮狀河道分汊強(qiáng)度的指數(shù)，歸類成沙洲指數(shù)、汊道數(shù)指數(shù)、汊道長度指數(shù)3種分汊強(qiáng)度指數(shù)，并通過水槽實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)分汊強(qiáng)度與徑流量存在正相關(guān)的關(guān)系[10]。近期，Bertoldi 等[11]對辮狀河道的平面穩(wěn)定結(jié)構(gòu)進(jìn)行量化，通過辮狀河帶寬度(belt width)和橫截面上的汊道數(shù)與節(jié)點(diǎn)判斷一個(gè)辮狀河道是否達(dá)到了“穩(wěn)定階段”，將辮狀河道的形態(tài)以無量綱流量與無量綱水流功率(stream power)進(jìn)行分類并以相應(yīng)野外調(diào)查驗(yàn)證，進(jìn)而又提出了一種新的形態(tài)參數(shù)(坡降、流量、泥沙粒徑、限制度)以分析辮狀河段尺度的高程分布[12]?；陂L系列航空影像和遙感影像對Tagliamento River的辮狀河段的解譯表明，河道中沙洲與辮狀河道的尺寸存在一定幾何關(guān)系，它們的面積之比保持在約0.08；大部分不穩(wěn)定的沙洲只能發(fā)育或存在約24 a，同時(shí)辮狀河道的平灘岸線長度(bankfull shoreline)與河道長度之比約為6，而且認(rèn)為流量、泥沙粒徑和植被是維持辮狀河道的3個(gè)關(guān)鍵因素[13]。除了研究辮狀河道平面形態(tài)以外，運(yùn)用元胞自動(dòng)模型(cellular model)也可定性模擬辮狀河道的形態(tài)動(dòng)力過程[14-16]，并認(rèn)識辮狀河道的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性。

辮狀河道的河道寬闊，河性散亂，沙洲林立，多汊并行，在不同時(shí)空尺度均存在不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，河道內(nèi)的沙洲發(fā)育與沖切機(jī)制、匯流與分流動(dòng)力過程、洲灘沉積規(guī)律及結(jié)構(gòu)等既是關(guān)鍵科學(xué)問題,也是研究難點(diǎn)[17]。目前，對長江源辮狀河道的形態(tài)參數(shù)表征與復(fù)雜性仍缺少定量認(rèn)識，本文基于長系列的Landsat遙感影像，量化形態(tài)參數(shù)，分析通天河典型辮狀河段的河床與水域面積變化和不同斷面的分汊強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)特征，以定量認(rèn)識長江源辮狀河道的平面形態(tài)規(guī)律及復(fù)雜性。

2 研究區(qū)域和研究方法

2.1 研究區(qū)域

沱沱河與當(dāng)曲在沱沱河大橋下游60 km的囊極巴隴地區(qū)匯合后稱為通天河起點(diǎn)(34°05′38″N，92°54′48″E)，終點(diǎn)為青海省玉樹藏族自治州附近的巴塘河匯入口(32°58′34″N，97°14′48″E)。通天河是萬里長江源頭的干流部分，長約813 km，河床平均比降1.2‰，年徑流量130億m3。通天河左岸有日阿尺曲、北麓河、勒池曲、楚瑪爾河、色吾曲和德曲等支流，右岸有莫曲、牙哥曲、科欠曲、寧恰曲、登艾龍曲和葉曲等支流(圖1)[2]。本文的研究河段即為通天河的寬谷辮狀河段。為了減少支流匯入的影像，研究河段(圖1)選為通天河的勒池曲匯入點(diǎn)(34°44′58.61″N，94°30′53.29″E)至楚瑪爾河匯入點(diǎn)(34°40′28.18″N，94°55′40.42″E)河段。該河段為典型的辮狀河段，河床寬度為2～3 km，寬谷河道整體較順直，河段長約36 km，河床平均比降1.94‰。

長江源辮狀河群的水系密布，空間尺度大小不同，河道形態(tài)變化萬千，年內(nèi)與年際的河道演變過程較難以捕捉。而且，長江源只有部分可接近的沖積河段(青藏公路兩側(cè))，目前只能依賴衛(wèi)星遙感影像或低空航空攝影以窺全貌。同時(shí)，長江源區(qū)缺少長系列的水文數(shù)據(jù)，更缺少高精度的河床地形數(shù)據(jù)，野外調(diào)查也存在諸多困難(高寒缺氧、交通不便、惡劣天氣、交通成本等)，難以長期堅(jiān)持。由于以上諸多原因，本文采用遙感圖像技術(shù)對長江源的通天河段辮狀河道開展平面形態(tài)及復(fù)雜性研究。

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)據(jù)獲取

為研究楚瑪爾河匯入通天河處的辮狀河段，從Landsat的TM/ETM/OLI_TRIS遙感影像中選出研究河段無云霧遮擋且不處于結(jié)冰期的多期多光譜遙感圖像，獲取1987—2016年間共56期影像數(shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

利用ENVI和ArcGIS等軟件對遙感影像進(jìn)行裁剪、分類提取、河道簡化等處理。裁剪是將研究河段從原圖像中截取出來，排除了非研究區(qū)域的影響；分類提取是利用各種地物的光譜特性的區(qū)別對地物進(jìn)行分類，將需要研究的水體部分提取出來，經(jīng)過對比選用了水體提取效果較好的改進(jìn)歸一化差異水體指數(shù)MNDWI[18]，對這些多光譜圖像進(jìn)行分類提?。粚⒉眉舫鰜淼暮拥绤^(qū)域的地物分類成水域和非水域2部分(圖2)，再將每幅圖像的水域面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖2 通天河辮狀河段水體提取前后對比(Landsat遙感影像，2016年6月16日)Fig.2 Water boundary of local braided reach in the Tongtian River before and after extraction (Landsat images, June 16, 2016)

定量辮狀形態(tài)參數(shù)時(shí)，需要對河道形態(tài)進(jìn)行簡化，即不考慮辮狀河道的汊道寬度將其簡化成線條，以便得到辮狀河道的分汊強(qiáng)度。為了表示辮狀河道的分汊強(qiáng)度，已經(jīng)有很多分汊強(qiáng)度指數(shù)被提出來[9-10]，在總結(jié)前人的基礎(chǔ)上將其歸類為3類分汊強(qiáng)度指數(shù)，本文選取汊道數(shù)指數(shù)BIT3和汊道長度指數(shù)PT研究本河段的分汊強(qiáng)度。汊道數(shù)指數(shù)BIT3表示河段內(nèi)各橫截面(XS)上汊道數(shù)(NL)的平均值，如圖3(a)；汊道長度指數(shù)PT=∑LL/Lr，表示河段內(nèi)汊道總長與單位河段長度之比，其中LL為河段內(nèi)汊道總長度，Lr為單位河段長度，見圖3(b)。分汊強(qiáng)度指數(shù)是相對一個(gè)河段來說，而且與汊道寬度與面積無關(guān)。本研究需要先將研究河段分成中心線等長的若干段，并將汊道簡化為線條，再研究每段的分汊強(qiáng)度(圖4)。

圖3 分汊強(qiáng)度指數(shù)的形態(tài)參數(shù)示意圖Fig.3 Morphological parameters of branching intensity index

圖4 研究河段的辮狀河道每1 km等距分段(Landsat，1994年9月24日)Fig.4 Equidistant sections (each 1 km) of braided river reach (Landsat images, September 24, 1994)

3 辮狀河段水域面積變化規(guī)律

研究河段缺乏水文數(shù)據(jù)，無法直接得到徑流量數(shù)據(jù)，所以本文計(jì)算水域面積變化未與水位波動(dòng)建立聯(lián)系。56幅圖像中有部分圖像并不是全河段且有云遮擋，所以從研究河段中又選取了其中一段河道作水域面積分析，河道中心線長度約為12 km。通過對圖像進(jìn)行分類提取，可得到56個(gè)時(shí)間點(diǎn)的河道水域面積。

為了減少夏季水位波動(dòng)的影響，從56幅圖像中選取某一年的冬季至翌年冬季，即2014年11月到2015年11月內(nèi)(表 1)的圖像，從而獲得年內(nèi)水域面積變化。為了便于比較，將水域面積數(shù)據(jù)無量綱化為水域面積與河床面積比(圖5)，此處河床面積是指整個(gè)辮狀河道的面積，包括了水域加上洲灘。而且對56幅圖像進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，河床近30 a都沒有變化。水域面積與河床面積之比在0.087～0.241之間，水域面積夏天大，冬天小，間接反映年內(nèi)水位波動(dòng)情況。

表1 2014—2015年的水域面積與河床面積比Table 1 Ratio of water area to riverbed area in 2014-2015

圖5 1 a內(nèi)水域面積與河床面積比的變化(2014—2015)Fig.5 Change of ratio of water area to riverbed area within one year (2014-2015)

除了以上方法，也可通過將56幅圖像按月份區(qū)分，并分別求出各個(gè)月份圖像的水域面積與河床面積比平均值(圖6)，來進(jìn)一步說明水域面積的年內(nèi)變化。除1—3月份處于結(jié)冰期未選取圖像之外，從以上2種水域面積年內(nèi)變化分析中可知，1 a中，7—9月份水域面積最大，11—12月份水域面積最小，年內(nèi)水域面積基本呈現(xiàn)單峰單谷的周期性波動(dòng)形式。

圖6 各月份水域面積與河床面積之比Fig.6 Ratio of water area to riverbed area in each month

為了研究徑流量在最近30 a的變化，將56幅圖像按月份區(qū)分，分別作出汛期與非汛期水域面積與河床面積之比隨時(shí)間的變化圖(圖7)。

圖7 1987—2016年不同月份水域面積與河床面積比變化Fig.7 Change of ratio of water area to riverbed area in different months (1987-2016)

從圖7可以看出，汛期的水域面積在2005年前逐漸減小，2005年之后顯著增加，到2009—2013年間除8月份以外的其他月份水域面積達(dá)到最大值后又逐漸減小。分析8月份折線波動(dòng)很大的原因可能是8月份水域面積變化范圍較大。非汛期10月份水域面積經(jīng)歷了一個(gè)先下降再上升的過程，在1994年左右達(dá)到最小值，其他幾個(gè)月份(1—3月份處于結(jié)冰期，沒有選擇遙感圖像進(jìn)行水域面積計(jì)算)的圖像全都在2001年以后，且水域面積逐漸增加。另外，對各月份的水域面積變化進(jìn)行線性回歸分析后的結(jié)果表明各月份水域面積都呈增長趨勢。根據(jù)前人對長江源徑流量變化的研究結(jié)果[19-21]，2005年前長江源區(qū)年徑流量持續(xù)下降，2005年之后持續(xù)增加，總體呈增長趨勢?？梢钥闯?，研究河段水域面積與長江源徑流量的變化趨勢存在比較強(qiáng)的相似性，所以利用水域面積來反映徑流量變化的設(shè)想是可行的。

4 辮狀河段分汊強(qiáng)度變化規(guī)律

對辮狀河道的分汊強(qiáng)度分析著眼于其在時(shí)間上和沿河道的縱向變化。在時(shí)間上，從56幅圖像中選取水域面積非常接近且時(shí)期相近的1994年9月24日、2005年10月24日、2015年10月4日3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的圖像。由于在一定流量變化范圍內(nèi)分汊強(qiáng)度與流量存在正相關(guān)關(guān)系[10]，為排除流量對分汊強(qiáng)度的影響，選擇水域面積相近的時(shí)間點(diǎn)。在沿河道縱向上，將整個(gè)研究河段分成中心線1 km等距的36段，即可分析分汊強(qiáng)度沿河道的變化特征。而且在獲得汊道數(shù)指數(shù)的同時(shí)，又將36個(gè)等分河段再次3等分，將每個(gè)河段的3個(gè)橫截面上的平均汊道數(shù)作為該河段的汊道數(shù)指數(shù)。

對辮狀河道進(jìn)行分段和簡化后，統(tǒng)計(jì)每個(gè)河段的汊道強(qiáng)度指數(shù)，得到各河段的分汊強(qiáng)度指數(shù)(圖8)。同時(shí)，對3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的分汊指數(shù)進(jìn)行平均值的特征數(shù)計(jì)算，如圖9。

圖9 1 km等距分段的分汊強(qiáng)度指數(shù)特征數(shù)Fig.9 Characteristic number of branching intensity index in 1 km isometric segmented reach

圖8和圖9給出的2種分汊強(qiáng)度指數(shù)結(jié)果相近，都表明分汊強(qiáng)度沿河道在一定范圍內(nèi)不斷波動(dòng)，即汊道數(shù)指數(shù)BIT3∈[4,10]，均值為6.79，汊道長度指數(shù)PT∈[5,12]，均值為8.87。在1994—2015年的21 a間，分汊強(qiáng)度在研究河段的上游部分變化明顯，在下游部分則變化較小，特別是在第22—27河段，分汊強(qiáng)度變化很小。分汊強(qiáng)度指數(shù)在3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的平均值、最大值和最小值幾乎相同，這在一定程度上驗(yàn)證了Egozi等[10]關(guān)于分汊強(qiáng)度與流量存在正相關(guān)關(guān)系的結(jié)論。分汊強(qiáng)度指數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差在2種指數(shù)上的變化趨勢相同，都是先增大后減小，且數(shù)值都較小，說明研究河段內(nèi)的分汊強(qiáng)度變化較小，整個(gè)河段具有整體相似性。

5 結(jié)論與展望

長江源辮狀河道的形態(tài)動(dòng)力過程是來水來沙條件與河床相互作用的結(jié)果，其單個(gè)、群體和辮狀河段的洲灘發(fā)育、沖刷切割與淤積合并，以及多汊道系統(tǒng)此消彼長，既在短時(shí)間尺度和局部河段具有復(fù)雜性、不規(guī)則性和不穩(wěn)定性，又在長時(shí)間尺度和整體河段具有周期性、自相似性和亞穩(wěn)定性。

通天河局部辮狀河段的年內(nèi)水域面積與河床面積之比在汛期變大，非汛期變小，與年內(nèi)水文周期同步。由于近30 a江源區(qū)徑流量增加，水域面積與河床面積之比呈增加趨勢。辮狀河段內(nèi)36個(gè)等距橫斷面的汊道數(shù)指數(shù)和汊道長度指數(shù)變化分別為4～10和5～12，而且時(shí)期、水域面積相近的1994年9月24日、2005年10月24日、2015年10月4日3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的汊道數(shù)指數(shù)和汊道長度指數(shù)的均值變化和標(biāo)準(zhǔn)差都較小，說明辮狀河道的多汊道系統(tǒng)具有整體相似性且河性維持不變。

下一步工作仍將基于不同分辨率的遙感影像，以及沱沱河的日徑流量和直門達(dá)的月徑流量數(shù)據(jù)，研究長江源不同空間尺度下形態(tài)動(dòng)力過程及其與徑流量周期變化的對應(yīng)關(guān)系，特別關(guān)注未來在徑流量減少條件下，局部辮狀河道有無可能向網(wǎng)狀或分汊轉(zhuǎn)化及其臨界條件，回答這個(gè)問題將促進(jìn)對長江源辮狀河道演變的科學(xué)認(rèn)識。