白河河灣遷移速率及影響因素分析

劉 成，劉 桉，徐夢珍

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100048；2.國際泥沙研究培訓(xùn)中心，北京 100048；3.中國電建集團(tuán) 中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014；4.清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

1 引言

彎曲河流是自然界中最為常見的河流形態(tài)，具有蜿蜒蠕動(dòng)的動(dòng)態(tài)地貌演變特征，是最具活力的地表過程系統(tǒng)之一。彎曲河流在沖積平原或河谷內(nèi)隨時(shí)間不斷地遷移、擺動(dòng)和迂回，產(chǎn)生曲折回旋的平面形態(tài)［1-2］。由于水流、泥沙、濱河植物、人類活動(dòng)等因素影響，彎曲河流的形態(tài)演變過程具有一定復(fù)雜性和非線性特征［3］。彎曲河流演變的研究對河流修復(fù)、航道整治和河流生態(tài)等都具有科學(xué)意義和工程價(jià)值［4-5］。黃河源區(qū)位于青藏高原東北部，是黃河上游的主要產(chǎn)流區(qū)之一，彎曲河流在這里廣泛發(fā)育，其徑流量變化對黃河中下游水資源綜合利用有重要影響［6］。白河是黃河源區(qū)典型的彎曲河流，流域內(nèi)發(fā)育形成優(yōu)質(zhì)的草原，受人為因素干擾較小，研究其遷移特性和植被作用，對認(rèn)識(shí)彎曲河流演變規(guī)律，并對黃河上游河流生態(tài)保護(hù)具有重要的科學(xué)價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義［7］。

河灣的形成和遷移是多個(gè)因素共同作用的結(jié)果，各種影響因素之間的權(quán)重也可能不同。Swamee等［8］對Ganges河形態(tài)變化情況進(jìn)行分析，認(rèn)為地質(zhì)、水沙和河床條件是控制其彎曲度的主要因素；Howard等［9］測量了33條彎曲河流，分析得出河灣形態(tài)主要與河灣波長、河灣不規(guī)則程度、彎曲系數(shù)、橫向振幅4個(gè)參數(shù)相關(guān)；Chang等［10］對印度兩條彎曲河流的研究得出，流域內(nèi)土壤、地質(zhì)條件和水流流速及比降是彎曲河流演變和遷移的主要控制因素。此外，濱河植被對彎曲河流河灣的遷移和幾何形態(tài)的穩(wěn)定性也具有重要作用，在河灣凹岸植被加固河岸，在凸岸植被降低了近岸流速，攔截了部分泥沙，是河流地貌形成的參與者和調(diào)控者，其作用強(qiáng)弱取決于植被的種類、密度和分布等因素。本文主要研究白河河灣的形態(tài)和凸岸濱河植被特征，通過樹輪采樣研究河灣的遷移速率，并分析影響河灣遷移速率的主要因素。

2 研究區(qū)域與方法

2.1 研究區(qū)域概況白河位于黃河源區(qū)西南部，發(fā)源于四川省紅原縣查勒肯，呈南北走向，流經(jīng)四川省紅原縣和若爾蓋縣，為高寒山區(qū)流域，整體高程超過3400 m，年平均氣溫為0.7～1.1℃，極端最低氣溫可達(dá)-33.7℃。白河干流全長約270 km，平均比降為0.61‰，流域面積為5488 km2，沿程有數(shù)條支流入?yún)R，在唐克鎮(zhèn)附近匯入黃河，入黃口附近形成分汊河道。

白河流域上游降雨充沛，河道沿岸蓄水能力較強(qiáng)，為高原地區(qū)罕見的平原河流，沿程大量植被發(fā)育，覆蓋度較高。印度洋濕暖空氣沿青藏高原東部橫斷山脈河谷流動(dòng)，與青藏高原冷鋒相遇，產(chǎn)生切變和低渦形成大量降水，使白河流域成為整個(gè)黃河流域內(nèi)雨量最大的地區(qū)之一。白河流域年平均降水量為640～750 mm，夏季降水量約占全年降水量的三分之二，流域內(nèi)沼澤密布，蓄水性強(qiáng)，暴雨造成的水土流失較微弱，形成的洪水較小。白河沿岸沼澤地區(qū)泥炭層發(fā)育較弱，河水相對于鄰近的黑河較為清澈，因而得名為白河［7］。

2.2 研究方法2016年7—8月和2017年7月，對白河進(jìn)行了實(shí)地考察。挑選了9處彎曲程度各異，受歷史裁彎影響小，植被密集且方便到達(dá)的河灣，采樣河灣的分布及其編號(hào)如圖1所示，使用樹木生長錐（樹芯取樣器）、手鋸和差分GPS獲取了河灣凸岸的樹木年輪樣本和位置信息，并測量獲得濱河植被分布、河流幾何形態(tài)、河道比降、河岸泥沙粒徑等數(shù)據(jù)。

圖1 白河沿程研究河灣分布

在研究河段，上游安曲鄉(xiāng)附近河寬為30 m左右，下游瓦切鄉(xiāng)附近最寬處達(dá)150 m，河灣凸岸發(fā)育有大量木本植被，多為奇花柳，高度不超過6 m。選取距離河灣凸岸不同距離的奇花柳條帶進(jìn)行采樣，對于枝干較細(xì)、年齡較小的樣本，使用木鋸采集圓盤樣本；對于較粗的不易鋸斷的樹木，使用樹木生長錐獲取樹芯。樹芯采集于樹干根部，為便于操作生長錐，采樣位置一般在地面以上20～30 cm范圍，對于同一株樹木，從不同方向取1～2個(gè)樹芯作為樣本，將采集到的樹芯樣本標(biāo)號(hào)并放入紙筒中保存，以防止樹芯發(fā)霉和折斷。使用差分GPS對每顆采樣樹木進(jìn)行定位，獲取經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。在白河沿程9處河灣，共采集到奇花柳圓盤58個(gè)，樹芯80個(gè)。對樣本進(jìn)行固定、打磨和交叉定年，剔除了部分樣本的個(gè)別偽輪，獲取了樣本的樹齡數(shù)據(jù)［11-12］。樣本的構(gòu)成情況如圖2所示，在白河8號(hào)河灣采集到的樣本樹齡最大達(dá)41年。

河灣測量的數(shù)據(jù)包括河寬、流速、灘高、中值粒徑和比降。在凸岸頂端使用激光測距儀測量河寬，精度為0.1 m，測量多次后取平均值。由于河流寬度較大，無法下水測量，因此流速的測量使用浮標(biāo)法，在上游將浮標(biāo)拋入河道中間，記錄距離和時(shí)間，每個(gè)河灣至少測量3次，去除有明顯旋渦影響的數(shù)據(jù)并取平均值。在河灣凹岸測量灘高并在土壤下方采集泥沙樣本。河灣縱比降使用差分GPS測量，在河灣凸岸沿程定點(diǎn)，少數(shù)河灣沒有差分GPS測量數(shù)據(jù)則使用鄰近河灣的首末數(shù)據(jù)取平均值代替。其他可能影響河灣遷移速率的因素如河灣曲率半徑、彎曲系數(shù)和河谷寬則直接在Google Earth軟件提取，精度達(dá)0.5 m。在河灣凸岸，對各個(gè)植被帶進(jìn)行形態(tài)測量，借助差分GPS儀器沿植被帶邊緣定點(diǎn)，記錄經(jīng)緯度和高程數(shù)據(jù)，測點(diǎn)間距離為2～4 m，并通過ArcGIS軟件描繪出植被帶分布圖。

圖2 白河沿程采集樣本分布情況

隨著河灣凹岸的崩岸蝕退和凸岸的淤進(jìn)，木本植物和草本植物均向前推進(jìn)生長，由于植被的原生演替，前端木本植物的生長滯后于凸岸的形成，但同一河灣內(nèi)植被原生演替至木本植物開始生長的時(shí)長基本一致，樹木的年輪記錄了其開始生長的時(shí)間。木本植物在泥沙沉積形成邊灘若干年后開始生長，凸岸前端的樹木比后方的樹木更小，有一定的樹高和樹齡差異，結(jié)合凸岸內(nèi)側(cè)和外側(cè)的木本植物年齡差和沿灣頂方向上的距離，可以計(jì)算出凸岸植被推移的速率，即為河灣遷移速率。計(jì)算公式如下：

式中：V為河灣遷移速率；L為兩處關(guān)鍵樣本之間沿凸岸彎頂軸線方向上的長度；a2、a1分別為樹齡較大樣本和樹齡較小樣本的樹齡。

河灣凸岸內(nèi)不同大小的奇花柳呈帶狀分布，樹木密集，需要選擇樹木帶內(nèi)樹齡最大的樹木進(jìn)行測量，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 濱河植被分布特征

由于洪水的影響，白河河灣凸岸頂端均發(fā)育有寬闊的卵礫石帶，研究河灣的彎頂處卵礫石帶寬度為18～43 m。河灣凸岸在淤進(jìn)的過程中，逐漸形成邊灘并開始進(jìn)行植被的原生演替，草本植物逐漸生長，內(nèi)側(cè)形成2～3個(gè)植被帶，植被帶環(huán)繞著整個(gè)凸岸，一般分為稀疏草本植被帶、密集草本植被帶和奇花柳叢，或者僅有草本植被帶和奇花柳叢兩個(gè)植被帶。若干年后凸岸演替出現(xiàn)木本植物，木本植物主要物種為奇花柳，為楊柳科柳屬灌木，在高原地區(qū)廣泛分布，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，幼苗生長需水量大［13］。圖3（a）為白河3號(hào)河灣的植被分布圖，該河灣有3個(gè)植被帶，第1個(gè)植被帶為稀疏草本植被帶，由狗牙根、賴草兩種植被；第2個(gè)植被帶為密集植被帶，主要為金露梅、高原毛茛、葛縷子等植被；奇花柳叢為第3個(gè)植被帶，呈規(guī)則的帶狀分布，其中外側(cè)的奇花柳較小，內(nèi)側(cè)的較大，如圖3（b）所示。奇花柳叢內(nèi)側(cè)為草原，植被十分密集，僅有少量低矮的灌木分布。

汛期稀疏草本植被帶時(shí)常被淹沒，水流挾帶的泥沙沉積在凸岸，覆蓋了表層植被，影響植被的生長，因此該條帶植被較少。圖4為白河3號(hào)河灣和9號(hào)河灣的凸岸剖面圖，剖面圖的起點(diǎn)為凸岸彎頂處，剖面高程整體呈上升趨勢，但存在多處起伏。汛期洪水挾帶的大量泥沙沉積于凸岸地勢相對較高的位置，形成環(huán)形沙脊條帶；非汛期水位較低，泥沙沉積量相對較少，形成高程相對較低的環(huán)形低洼條帶，該過程在彎曲河流發(fā)育時(shí)不斷往復(fù)進(jìn)行，在河灣凸岸形成了高低相間的地勢，同時(shí)也記錄了彎曲河流水文過程的周期性變化［14］。

圖3 白河3號(hào)河灣植被分布

圖4 典型河灣剖面

4 河灣遷移速率的估算

樹芯和圓盤樣本經(jīng)過處理后可得到樹齡，差分GPS測量獲得了樹木的位置信息，使用MATLAB軟件將樹木位置和樹齡信息繪制成矩形邊界的分布云圖，并繪制樹齡與凸岸距離的分布圖，可以較為直觀地看到樹木分布特征。以白河1號(hào)河灣和9號(hào)河灣做具體分析。

4.1 白河1號(hào)河灣白河1號(hào)河灣位于安曲鄉(xiāng)與紅原縣城之間，是最靠上游的采樣河灣，該河灣與鄰近的幾個(gè)河灣形成較規(guī)則的S形彎曲，曲率半徑為204 m，凸岸前端是寬度為18.5 m的沙灘，表面覆蓋有薄層淤泥，時(shí)常被水流淹沒。凸岸卵礫石灘后方分為3個(gè)植被條帶，第1個(gè)植被條帶為稀疏草本植被帶，寬度為22 m，被洪水帶來的淤泥覆蓋了表面，植被難以大量生長；第2帶為密集草本植被帶，寬度為14.5 m，從凸岸頂端沿軸線方向密度逐漸增大；第3帶為奇花柳叢，從此處到河谷兩側(cè)均有大量奇花柳分布，奇花柳叢前端較為低矮，樹齡較小。在1號(hào)河灣對16顆奇花柳進(jìn)行了采樣，將樣本位置、距凸岸頂端距離和樹齡繪制成圖5所示的樹齡分布云圖和樹齡與凸岸頂端距離分布圖。

圖5（a）為白河1號(hào)河灣樹齡分布云圖，采集的樣本均位于奇花柳植被帶前端，后方奇花柳比前方的更高，在50 m×50 m區(qū)域內(nèi)，云圖中的顏色對應(yīng)于樹齡。從云圖中可知奇花柳沒有按照年齡順序依次排列，前端一處樣本樹齡最小為5年，后方樣本年齡大多為8～9年，但中間有少數(shù)樣本樹齡超過十年，因此造成了云圖中出現(xiàn)顯著波動(dòng)的情況。說明樣本中有部分樹木不是河灣植被演替出現(xiàn)灌木的最初時(shí)期生長的，僅通過樹高來判斷是否采樣的方法準(zhǔn)確性并不夠，找到具有指示作用的樣本是采樣的關(guān)鍵。

測量沿河灣軸線方向上各樣本與凸岸彎頂?shù)木嚯x，繪制成圖5（b）所示的樹齡-距凸岸頂端距離分布圖，軸線方向上樹木的推進(jìn)生長速率與凸岸淤積速率一致，樹木生長滯后于凸岸形成，兩者之間的間隔為演替時(shí)長［15］。在樹木推進(jìn)生長的過程中，相同樹齡的樣本中距凸岸頂端最近的樣本最為關(guān)鍵，即為植被演替至該植被帶時(shí)最早生長的樹，因此圖5（b）中樹1-1和樹1-5為關(guān)鍵樣本，兩處樣本之間的連線為植被演替中樹木推進(jìn)生長的軌跡，在圖中所有樣本的下方形成一條包絡(luò)線，該線段的斜率為樹木推進(jìn)生長的速率，即河灣遷移速率，得出白河1號(hào)河灣遷移速率為2.52 m/a。線段上方的樹木大多是在演替出現(xiàn)木本植被之后生長的，因此采集的樹木樣本越多，估算得到的河灣遷移速率越準(zhǔn)確，但往往工作量比較大。

圖5 白河1號(hào)河灣樹齡分布圖

4.2 白河9號(hào)河灣9號(hào)河灣位于阿木鄉(xiāng)下游，是最靠下游的采樣河灣。從遙感影像判斷，該河灣的遷移速率很大，相鄰幾個(gè)河灣呈S形。凸岸頂端是寬度為43 m的卵礫石邊灘；內(nèi)側(cè)第1個(gè)植被帶為稀疏草本植被帶，寬度為32 m；第2帶為密集植被帶，寬度為20 m，主要為草本植物，有零星的奇花柳分布；第3帶為奇花柳叢，呈帶狀分布，條帶之間的大小差別不明顯。凹岸灘高2.3 m，表層土壤厚30 cm，下層為卵礫石，有少量崩塌塊。

圖6 白河9號(hào)河灣樹齡分布圖

白河9號(hào)河灣的樣本分布在60 m×100 m范圍內(nèi)，樹齡為4～11年，圖6（a）分布云圖中有規(guī)則樹齡變化梯度，凸岸植被呈帶狀分布，基本平行于河道，內(nèi)側(cè)奇花柳的樹齡比外側(cè)的大。圖6（b）中關(guān)鍵樣本為樹9-1和樹9-2，由連線的斜率得出河灣遷移速率為6.1 m/a。

4.3 其他河灣圖7為其他幾處采樣河灣的樹齡-凸岸頂端距離分布圖，其中白河2號(hào)和5號(hào)河灣由于凸岸奇花柳樹木稀少，因此僅采集了3～4個(gè)樣本。

河灣凸岸奇花柳樹齡的分布顯示出植被的推進(jìn)生長并不是完全規(guī)則的，在采樣過程中，雖然都是選取奇花柳叢前端最高大的樹木進(jìn)行采樣，但仍有部分樹齡較小樹木混雜，因此樹木樣本的甄別尤為關(guān)鍵。

圖7 其他河灣樹齡與凸岸頂端距離的關(guān)系

4.4 河灣遷移速率的驗(yàn)證根據(jù)奇花柳樣本的樹齡分布情況，分析得出各研究河灣的遷移速率如表1所示。在中科院“地理空間數(shù)據(jù)云”網(wǎng)站下載遙感TM影像，在研究區(qū)域內(nèi)，可獲取到30 m精度的Landsat 4—Landsat 8影像，日期最早且清晰可用的影像為1989年1月2日，截止考察前最新的影像日期為2016年12月22日，中間跨度約為28年。通過ENVI軟件拉伸校正和對比，可粗略判斷出28年內(nèi)河灣的位置變化，但遙感影像的分辨率有限，精度較低，無法獲得準(zhǔn)確的遷移速率數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證樹齡分析得出的遷移速率數(shù)據(jù)的可靠性，將遙感影像判斷出的遷移速率分為大、中、小3個(gè)梯度，分別對應(yīng)于數(shù)值3、2、1，“3”表示遷移速率大于5 m/a，“2”表示遷移速率在2～5 m/a之間，“1”表示遷移速率小于2 m/a。

表1 各河灣遷移速率

樹齡分析得到白河1號(hào)河灣的速率比影像判斷的稍大，其他河灣的遷移速率基本相符。白河9號(hào)河灣的遷移速率最快，達(dá)6.1 m/a，從影像中可以分辨出該河灣遷移最快，凸岸的卵礫石邊灘最長。因此本研究中將樹齡分析的結(jié)果作為河灣遷移的速率，采樣河灣的遷移速率為0.38～6.10 m/a。

5 河灣遷移速率的主要影響因素

白河凹岸灘高超過1.5 m，灘槽高差超過2 m，而表層根土復(fù)合體厚度僅有0.3～0.6 m，且河岸崩塌后形成的崩塌塊容易被水流破壞和沖走，因此白河凹岸只有零星分布的崩塌塊，表層植被的影響較小，在分析過程中不作為影響因素。白河研究河灣測量數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 白河河灣測量數(shù)據(jù)

在河灣遷移速率的影響因素分析中考慮的潛在影響因素有9個(gè)，分別為河寬（X1）、曲率半徑（X2）、流速（X3）、灘高（X4）、中值粒徑（X5）、彎曲系數(shù)（X6）、河谷寬（X7）、河寬/河谷寬（X8）、比降（X9），但采樣的河灣數(shù)量太少，無法直接進(jìn)行回歸分析，因此先檢測各自變量與因變量遷移速率之間的相關(guān)性和顯著性，挑選出有效的因素。分析得出水流流速、凹岸灘高、河谷寬和比降與遷移速率的相關(guān)系數(shù)分別為0.806、0.625、0.619、0.710，顯著性均小于0.05，因此排除其他變量，用這4個(gè)變量進(jìn)行回歸分析。

采用多元線性回歸模型，使用SPSS軟件中回歸分析模塊進(jìn)行分析，由于因變量之間可能存在相關(guān)性，需要消除共線性對回歸模型的影響，采用逐步回歸方法建立模型，剔除影響小的影響因素。根據(jù)回歸參數(shù)表，得出多元線性回歸方程為：

式中：Y為白河河灣遷移速率；X3為水流流速；X9為比降，兩者均與遷移速率成正比，是白河河灣遷移速率的主要影響因素，其他的因素沒有顯示有顯著相關(guān)關(guān)系。

雖然河谷寬度被排除在模型之外，但其對河道的遷移具有明顯的限制作用，當(dāng)河道遷移至河谷邊緣或山腳下時(shí)，由于山體基巖的影響其凹岸掏刷的阻力增大，遷移速率會(huì)明顯降低，并逐漸向其他方向發(fā)展。由于測量儀器和采樣數(shù)量的限制，影響河灣遷移速率的潛在因素可能沒有充分考慮，其他因素的影響作用還需要進(jìn)一步深入研究。

6 結(jié)論

對白河河灣濱河植被與河灣遷移的研究得到以下結(jié)論：（1）白河河灣凸岸植被呈環(huán)形條帶狀分布，一般分為2～3個(gè)植被帶，凸岸頂端為卵礫石灘，草本植被的密度受水流的影響顯著，凸岸邊灘剖面呈起伏狀。凸岸樹木存在大小梯度變化，前端的樹木比較矮小，后方較高大。（2）根據(jù)植被演替的方向和凸岸樹木的分布情況，提出了通過樹木年輪和距離計(jì)算河灣遷移速率的方法。選取凸岸軸線方向某一位置附近樹齡最大的樹木為關(guān)鍵樣本，關(guān)鍵樣本之間沿軸線方向上的距離差除以樹齡差即為河灣遷移速率。根據(jù)關(guān)鍵樣本得出的河灣遷移速率為0.38～6.10 m/a，與遙感影像分析得到的遷移速率等級基本一致。白河河灣遷移速率與潛在影響因素的多元線性回歸分析表明，河灣遷移速率的主要影響因素為水流流速和河道比降，且均呈正相關(guān)關(guān)系。