黃河龍羊峽以上干流河道形態(tài)特征及空間分異規(guī)律研究

寇曉梅，王玉孝，牛 樂(lè)，楊 濤，胡金明，洪 歡

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065；2.國(guó)家電投黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810008；3.云南大學(xué)，云南 昆明 650091)

0 前 言

黃河龍羊峽以上干流河長(zhǎng)約1 600 km，源頭至鄂陵湖出口長(zhǎng)約200 km，鄂陵湖出口至龍羊峽水電站庫(kù)尾河長(zhǎng)約1 417 km，落差1 677 m，多年平均流量643 m3/s。本文研究對(duì)象是從鄂陵湖出口至龍羊峽水電站庫(kù)尾的河段。

研究河段自上而下地貌特征主要表現(xiàn)為：從鄂陵湖出口—達(dá)日縣，黃河干流穿行于起伏不大的高原丘陵盆地地帶，支流縱橫、沼澤湖泊星羅棋布，河谷開(kāi)闊，河床平坦；從達(dá)日縣—久治縣，河道穿行于巴顏喀拉山東南段與阿尼瑪卿山中段—南段之間，兩岸山勢(shì)漸高，坡度較緩，河谷略有收縮，寬谷和峽谷間有分布；從久治縣—瑪曲縣，河流經(jīng)過(guò)開(kāi)闊的沼澤區(qū)，支流黑河、白河等匯入，水量大增，成為黃河第一大產(chǎn)流區(qū)；從瑪曲以下，河道從高原下切成為深谷，河谷狹窄，水流湍急，落差較大。

1 河型分類(lèi)及特征指標(biāo)

1.1 河型分類(lèi)

河型是指一條河流的平面形態(tài)，它從宏觀上直觀地反映了河流的地貌多樣性，不同河流形態(tài)存在不同的流速、流量、河寬、水深、比降、河床質(zhì)粒徑梯度等，這些構(gòu)成了河流多樣的生境條件，為魚(yú)類(lèi)等水生生物生存繁衍提供了場(chǎng)所。自然條件的變化和人類(lèi)活動(dòng)會(huì)導(dǎo)致河流系統(tǒng)因素的改變，從而引發(fā)水生生態(tài)的改變，因此研究河型具有重要的生態(tài)意義。

目前，河型的分類(lèi)并未完全統(tǒng)一，按照河流平面形態(tài)進(jìn)行分類(lèi)，可分為彎曲、順直、辮狀、單股、分汊、江心洲等類(lèi)型；按河流變動(dòng)特性分類(lèi)，可分為周期增寬、蜿蜒、游蕩、擺動(dòng)等類(lèi)型。本文結(jié)合研究河段內(nèi)河型空間分布特征，將河型分為單河道與多河道兩大類(lèi)型，其中，單河道型包括蜿蜒、順直兩種河型，多河道型包括辮狀、網(wǎng)狀、分汊三種河型。

1.2 河流形態(tài)特征指標(biāo)

為系統(tǒng)地反映研究河段形態(tài)特征，從河段的空間、內(nèi)部、外部形態(tài)特征三個(gè)維度構(gòu)建研究河段的河流形態(tài)特征指標(biāo)體系。河流的空間特征用縱向與橫向的特征表示；河流的內(nèi)部形態(tài)特征用河間地特征表示；河流的外部形態(tài)特征用邊界特征表示。每個(gè)特征下均設(shè)有進(jìn)一步描述相應(yīng)特征的指標(biāo)，基于數(shù)據(jù)的可獲得性，針對(duì)河段特點(diǎn)并借鑒相關(guān)研究指標(biāo)，選取4個(gè)特征7項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行表征，見(jiàn)圖1。

圖1 黃河上游河流形態(tài)特征指標(biāo)體系

河流形態(tài)特征指標(biāo)體系中，各指標(biāo)的定義、內(nèi)涵及計(jì)算方法如下。

(1)蜿蜒度(a1)：表征河流彎曲程度，反映河段縱向特征。蜿蜒度定義為河段內(nèi)河流中心線長(zhǎng)度(LC)與河段起止點(diǎn)間距離(L)比值，即a1=LC/L，為無(wú)量綱量。一般認(rèn)為蜿蜒度大于1.5的河流為蜿蜒型河流。

(2)縱剖面(a2)：河流中心線高程沿程變化，反映河段縱向特征?？v剖面本文定義為研究河段每隔5 km提取中心線高程進(jìn)行繪制。

(3)比降(a3)：沿水流方向上河段起止點(diǎn)高程差，反映河段縱向特征。河道比降定義為河段兩端高程差(Δh)與河段起止點(diǎn)間距離(L)之比，a3=Δh/L。

(4)河寬(a4)：河流總寬度，包括河道水面寬度與河間地寬度，反映河段橫向特征。本文河寬由遙感目視解譯得到河流邊界線，每隔100 m左右取河流寬度。

(5)橫斷面(a5)：反映河段橫向特征，如河岸坡度、河漫灘多寡、河谷大小等，同時(shí)又表征河流橫向連通性。本研究取河段典型斷面14處。

(6)面積比(a6)：特定河段單位面積內(nèi)發(fā)育的河間地面積，用河段內(nèi)河間地面積(AI)與河段總面積(A)之比來(lái)表示：a6=AI/A。河段總面積為河間地面積與水面面積之和。面積比用來(lái)反映不同河段分布的河間地相對(duì)差異及各個(gè)河段內(nèi)河間地的發(fā)育狀況，面積比大表明河段內(nèi)分布的河間地密度大，河間地發(fā)育良好，反之，說(shuō)明河間地發(fā)育少，密度小。

(7)坡度比(a7)：斜坡坡面與水平面夾角的度數(shù)。河岸的坡度在一定程度上反映了河段的邊界條件。本文沿河道左右兩岸各向外擴(kuò)3 km作為緩沖區(qū)，將緩沖區(qū)內(nèi)的坡度劃分成6個(gè)等級(jí)，分別是0°～8°、8°～15°、15°～25°、25°～35°、35°～45°、大于45°，每個(gè)河段緩沖區(qū)內(nèi)各個(gè)坡度等級(jí)所占百分比即為河段的坡度比。

2 河段河道形態(tài)特征及空間分異

2.1 河段河型

本研究將黃河龍羊峽以上河段劃分成14個(gè)部分，其中單河道型7段，編號(hào)為SCi(i為1～7)，多河道型7段，編號(hào)為MCi(i為1～7)，各河段位置見(jiàn)表1及圖2。

表1 黃河龍羊峽以上河段河型分段示意

2.2 河段縱向特征——蜿蜒度

研究黃河上游龍羊峽以上干流河段蜿蜒度(見(jiàn)圖3)，整體而言，蜿蜒度大于1.5的河段有5段，總長(zhǎng)約953 km，占總河長(zhǎng)的67%。其中，單河道中蜿蜒度最大的是SC5段，其次是SC3段，再次是SC1段；多河道中，蜿蜒度最大的河段是MC6段，其次是MC5段；其余河段的蜿蜒度均在1.2～1.4之間，較為順直。

2.3 河段縱向特征——縱剖面

研究河段干支流縱剖面(見(jiàn)圖4)，河段從下游至上游干流海拔高程沿程升高明顯，比降達(dá)1.17‰，但分段上升幅度有差異，總體上可分為四段。

第一段：從龍羊峽庫(kù)尾至澤曲匯入口段，河段縱剖面上升幅度明顯，為整個(gè)河段中最大，比降為4.34‰，其中巴溝匯入口至澤曲匯入口縱剖面發(fā)生顯著轉(zhuǎn)折，是黃河龍羊峽以上干流河床下切幅度最大的河段。根據(jù)河流裂點(diǎn)(nick point)理論，該河段應(yīng)是黃河龍羊峽以上干流的“裂點(diǎn)”。

第二段：從澤曲匯入口至沙曲入口段，河段上升幅度變緩，比降為0.46‰。

第三段：從沙曲入口到吉邁段，河段上升幅度又有增加，比降為1.2‰。

第四段：從吉邁口到鄂陵湖口，上升幅度變緩，比降僅為0.80‰。

圖2 黃河上游龍羊峽以上干流河型分布

圖3 黃河上游龍羊峽以上干流各河段蜿蜒度值

圖4 黃河上游龍羊峽以上干支流縱剖面示意

較大支流中，除了瑪曲黃河第一彎處的幾條河流的中下游河段上升幅度較小外，其余支流海拔高程上升幅度均大于相應(yīng)干流河段，特別是澤曲入河口下游的支流(沙溝、茫拉河、大河壩河、曲什安河、巴溝、切木曲)，支流比降在3.8‰～13.0‰。

2.4 河段縱向特征——比降

各河段比降見(jiàn)表2～3。單河道段中，除了SC2和SC6段的河道比降較小外，其余河段的河道比降均大于1‰，其中SC1段河道比降為所有河段中最大，達(dá)到3.46‰。多河道段中，MC5段河道比降最大，達(dá)到2.27‰，位于柯生鄉(xiāng)、歐拉鄉(xiāng)段的MC1和位于瑪多附近的MC7段河道比降大于1‰，其余河段的河道比降均小于0.5‰，其中MC3與MC2段河道比降最小，小于0.3‰?？傮w而言，位于上游多河道段的河道比降均要小于緊連的單河道段的河道比降。

表2 黃河上游龍羊峽以上干流各河段單河道比降

表3 黃河上游龍羊峽以上干流各河段多河道比降

2.5 河段橫向特征——河寬

各河段河寬的特征值見(jiàn)表4。研究河段平均河寬為428 m，多河道段的平均河寬遠(yuǎn)大于單河道段。單河道SC3段達(dá)到最大，SC7段達(dá)到最??；多河道段平均河寬最大的河段在黃河第一彎處的兩個(gè)網(wǎng)狀河段MC3和MC4，平均河寬最小的河段在最上游的MC7段。研究區(qū)內(nèi)最大河寬出現(xiàn)在位于瑪曲采日瑪鄉(xiāng)附近的MC4段，該段有發(fā)育規(guī)模較大河間地，河寬達(dá)到5 988 m；最小河寬出現(xiàn)在靠近瑪多的單河道SC7段，約為10 m。

表4 黃河上游龍羊峽以上干流河段河寬特征值

變差系數(shù)(CV)反映了各河段中河寬的相對(duì)離散程度，CV值越小表明河段內(nèi)河寬相對(duì)越一致。總體來(lái)看，多河道段的河寬變差系數(shù)要大于單河道段，其中SC4段和MC2段的變差系數(shù)小，河寬相對(duì)一致；河寬變差系數(shù)較大的河段是MC6段與MC7段，這兩個(gè)河段內(nèi)河寬變化差異較大，河型變化豐富。

2.6 河段橫向特征——橫斷面

各河段的典型橫斷面(見(jiàn)圖5)可以看出，黃河龍羊峽以上干流各河段典型橫斷面形態(tài)多樣，不僅有位于峽谷、河谷區(qū)V型、U型斷面，還有位于平原區(qū)的開(kāi)闊斷面。

從下游至上游看，SC1段位于下切河谷區(qū)，河流深切，兩岸間或有沖積扇分布；MC1、SC2段河谷開(kāi)始變得較為開(kāi)闊，出現(xiàn)大面積階地，階地以下有少量河濱濕地；MC2、SC3、MC3段兩岸極為開(kāi)闊，有大面積河漫灘，地勢(shì)平緩，發(fā)育有河漫灘濕地，周?chē)植加猩城鸷团＼椇z留痕跡；SC4段河漫灘較少，斷面呈U型；MC4段附近有低于河道高程的湖泊濕地，河岸極為開(kāi)闊；SC5河谷較為開(kāi)闊，兩岸分布有河漫灘濕地，斷面呈U型；MC5段河谷更為開(kāi)闊，發(fā)育有很多河漫灘濕地；SC6、MC6段兩岸地勢(shì)較平緩，兩岸發(fā)育有大量與河相連的湖泊濕地；SC7斷面呈V型，屬V型峽谷段；MC7段兩岸極其平緩，兩岸分布有與河道相連的大型湖泊。

圖5 黃河上游龍羊峽以上各河段典型橫斷面

2.7 河間地

河間地是指包括河心洲、沙洲、邊灘等在內(nèi)的河道間未被水淹沒(méi)的部分，河間地作為濕地最重要的組成部分，具有獨(dú)特的生態(tài)功能及價(jià)值。通常認(rèn)為魚(yú)類(lèi)傾向于在河間地較多的河段產(chǎn)卵，所以河間地的存在與面積數(shù)對(duì)魚(yú)類(lèi)等水生生物有重要影響?？傮w來(lái)看，研究河段的河間地大多分布在多河道段。用面積比來(lái)分析河間地的發(fā)育情況，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

單河道段中，SC4與SC1河段的面積比最小，接近0；而SC2、SC3與SC5面積比較大，占總河段總面積的20%左右，這表明這些河段相比其他單河道河段，河道中分布了較多的河心洲。多河道河段中，MC7段面積比最大，達(dá)到83%，其次是MC6段和MC4、MC3，面積比在73%左右，面積比最小的是MC2段。除MC2段外，多河道河段河間地的面積比均大于50%，表明黃河龍羊峽以上干流多河道段內(nèi)河間地發(fā)育普遍良好。

表5 各河段河間地特征

2.8 邊界特征——坡度比

各河段邊界的坡度比(見(jiàn)圖6)總體來(lái)看，多河道段邊界分布在0°～8°和8°～15°這兩個(gè)范圍的坡度所占比例較單河道段多。單河道段中，SC1段和SC5段的邊界坡度在25°～35°、35°～45°、大于45°范圍所占比例較大，這與SC1段高原面抬升，河流深切作用有關(guān)。SC2段、SC3段和MC2段90%以上的邊界坡度都位于0°～8°和8°～15°這兩個(gè)范圍區(qū)間，這3段所處區(qū)域沼澤濕地發(fā)育。MC6與MC7段95%以上的邊界坡度小于15°，這兩個(gè)河段兩岸地勢(shì)平坦，湖泊密布。

圖6 黃河龍羊峽以上干流各河段邊界不同等級(jí)坡度比例

3 結(jié) 論

黃河龍羊峽以上干流河型總體上呈單河道型與多河道型相間分布形態(tài)，其中在研究河段下游段澤曲入口以下的SC1段及沙曲至達(dá)日的SC5段，單河道型河段距離較長(zhǎng)，河道比降較陡，是研究河段中水力資源蘊(yùn)藏較為豐富的河段；多河道型河段主要分布在黃河第一灣瑪曲河段及研究河段的上游段鄂陵湖口至達(dá)日河段，該區(qū)域河谷較為開(kāi)闊，河網(wǎng)較發(fā)育，河道比降小，生物多樣性相對(duì)較豐富，是高原魚(yú)類(lèi)生境條件較為適宜的區(qū)域。

本文構(gòu)建了研究河道形態(tài)的縱向特征指標(biāo)(蜿蜒度、縱坡面、比降)、橫向特征指標(biāo)(河寬、橫斷面)、河間地特征指標(biāo)(面積比)、邊界特征指標(biāo)(坡度)等7項(xiàng)指標(biāo)，較為全面、系統(tǒng)地定量分析了黃河龍羊峽以上河道的自然形態(tài)特征，表征了研究河段形態(tài)的空間分異規(guī)律，這些研究能夠?yàn)榻窈髮?duì)黃河上游干流合理利用資源和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供較為充分的技術(shù)依據(jù)和參考。