基于樹木年輪的彎曲河流河灣遷移速率估算

劉 桉，劉 成，何 耘

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研究生院，北京 100048； 2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410014；3.國(guó)際泥沙研究培訓(xùn)中心研究培訓(xùn)處，北京 100048； 4.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院信息中心，北京 100038)

河灣遷移速率為河灣每年擺動(dòng)的距離，多指橫向遷移，即河灣沿河道中心線垂向距離的變化。河灣遷移速率是彎曲河流演變的重要參數(shù)，與河灣的曲率半徑、河寬、流量、輸沙量和濱河植被發(fā)育情況等因素有關(guān)。河灣遷移速率多采用不同年代的地圖、航空照片和遙感影像的比較分析獲取[1-2]。Hickin等[3-6]研究了加拿大Beatton河等河灣遷移速率，指出河灣遷移速率與河流功率、凹岸灘高及其物質(zhì)組成相關(guān)，最大河灣遷移速率可表達(dá)為河灣彎曲度(即河灣曲率半徑與河寬的比值R/W)的函數(shù)。Furbish[7]指出河灣平均遷移速率與河灣彎曲度相關(guān)。Thorne[8]認(rèn)為河岸侵蝕及河灣遷移受到河岸物質(zhì)組成及特性的影響，凹岸物質(zhì)的自然特性影響著河灣遷移速率和方向，從而改變了整個(gè)河道演化形式。Burckhardt等[9]發(fā)現(xiàn)凹岸無森林的河灣平均局部遷移速率比凹岸有森林的高3倍。Hudson等[10]指出最大河灣遷移速率出現(xiàn)在河灣彎曲度為1.0～2.0時(shí)。Shields等[11]研究了建壩對(duì)美國(guó)密蘇里河河灣遷移的影響，結(jié)果表明河灣平均遷移速率從建壩前的6.6 m/a降低至建壩后的1.8 m/a。Micheli等[12]發(fā)現(xiàn)盡管有建壩影響，但由于濱河平原逐漸由森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)植被，臨近河灣遷移速率增加了近50%。Richard等[13]提出河灣遷移速率與單位河寬河流功率成正比。Nicoll等[14]認(rèn)為限制性河灣的遷移速率與自由河灣基本一致，指出河流功率是影響河灣遷移速率的最主要因子，其余為河谷坡度、河寬和洪水量。Giardino等[15]指出河灣遷移速率受土地覆蓋、水文、河岸物質(zhì)組成及地質(zhì)條件的影響，河流流量為最主要的影響因素，河岸是否有植被以及是否存在地下水影響也對(duì)河灣遷移速率有一定的影響。在我國(guó)，李玲[16]計(jì)算了黃河上游寧蒙河段河道擺動(dòng)速率的時(shí)空變化，認(rèn)為河床中值粒徑的大小對(duì)河道擺動(dòng)速率有很大的影響，平灘流量的變化在一定程度上影響了河灣遷移，河灣遷移是對(duì)水沙變化的一個(gè)適應(yīng)。Li等[17]分析了塔里木河的河灣遷移與裁彎取直，認(rèn)為洪水導(dǎo)致河灣遷移速率高。上述河灣遷移速率的研究中，以Hickin等的系列成果較為系統(tǒng)[3-6]，他們?cè)趯?duì)Beatton河研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他河流研究數(shù)據(jù)，給出了對(duì)河灣遷移的通用性描述，將河灣遷移分為4個(gè)階段：①初始階段(R/W>10)，曲率半徑大，河灣發(fā)展緩慢；②增長(zhǎng)階段(3

樹木年輪保存了當(dāng)?shù)氐牡匦?、水文、氣候條件變化等歷史數(shù)據(jù)，有定年精確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高和易于獲取多個(gè)相似樣本等特點(diǎn)，樹木年輪分析廣泛應(yīng)用于考古、氣候變化、生態(tài)演變、水文歷史、地貌變遷、歷史災(zāi)害等多學(xué)科的研究中。美國(guó)天文學(xué)家Douglass[18]于20世紀(jì)初建立起樹輪年代學(xué)(dendrochronology)，之后樹木年輪分析有了長(zhǎng)足的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于氣溫、降水量、干濕度等多項(xiàng)環(huán)境因子的歷史重建工作[19]。在河灣遷移速率研究中，Hickin等[3]和Burckhardt等[9]應(yīng)用了樹輪年代學(xué)分析方法；Hickin等[3]假定10處河灣新淤積而成的沙洲與沙洲上新生長(zhǎng)樹木的時(shí)間間隔較短且基本一致，在每個(gè)沙洲選擇約10株樹木采集樹芯樣本，其中樹齡最大的年數(shù)代表沙洲形成的時(shí)間，結(jié)合航空照片繪制樹齡分布地圖，得出河灣遷移速率。

筆者在黃河源區(qū)實(shí)地考察時(shí)發(fā)現(xiàn)，白河多處河灣的凸岸植被發(fā)育良好，樹木呈條帶分布，層次分明，離岸遠(yuǎn)的樹木較離岸近的樹木更為高大，呈現(xiàn)出明顯的隨凸岸淤進(jìn)而植被漸進(jìn)演替現(xiàn)象。基于這一發(fā)現(xiàn)，本文通過采集樹木樣本，嘗試?yán)脴淠灸贻喎治龉浪惆缀雍訛尺w移速率。

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，由南向北流經(jīng)紅原縣的龍日壩、安曲、縣城和阿木，至若爾蓋縣唐克鎮(zhèn)附近匯入黃河。白河干流全長(zhǎng)約270 km，河道平均比降為0.061%，沿程有數(shù)條支流匯入。白河流域地處高寒山區(qū)，流域面積為5 488 km2，高程超過3 400 m，年平均氣溫為0.7～1.1 ℃，極端最低氣溫達(dá)-33.7 ℃。流域上游降雨充沛，年平均降水量為640～750 mm，為整個(gè)黃河流域內(nèi)雨量最大的地區(qū)之一。圖1為白河流域及中游9處研究河灣分布圖，流域內(nèi)沼澤密布，蓄水性強(qiáng)，為高原地區(qū)罕見的平原型河流，沿程植被豐富，覆蓋度較高[20]。

圖1 研究區(qū)域及研究河灣

圖2為利用Google Earth遙感影像提取得到的白河自龍日壩至唐克的河寬、河谷寬與高程沿程變化(圖中橫軸坐標(biāo)以龍日壩為起點(diǎn)，河寬通過測(cè)量遙感影像中水面寬度獲得，河谷寬為河底以上10 m處的寬度)，可見白河上游局部河段河寬較窄、河床比降較大，中下游河床比降較小且比較穩(wěn)定。河寬沿程呈下凹型曲線逐漸增大，白河下游唐克鎮(zhèn)附近匯入黃河處河寬急劇增大，最寬處超過500 m。白河河谷呈藕節(jié)狀變化，沿程總體呈增大趨勢(shì)。下游河段河谷寬迅速增大，但存在不少山口和收縮地帶。9處研究河灣位于白河中游，河谷寬均不超過3 km。

圖2 白河河谷寬、河寬與高程沿程變化

2016年7—8月和2017年7月，筆者對(duì)白河進(jìn)行了實(shí)地考察與取樣?？紤]彎曲程度不同、受歷史河道裁彎影響較小、植被茂盛以及便于取樣等因素，選取了白河中游9處河灣采樣。在各河灣采集樹木年輪樣本和濱河植被樣本，測(cè)量得到水動(dòng)力、河灣幾何形態(tài)、濱河植被分布、河岸泥沙粒徑、河道比降等數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 白河中游研究河灣測(cè)量數(shù)據(jù)

白河9處河灣凸岸為明顯的淤進(jìn)灘地，灣頂發(fā)育有寬闊的月牙形卵礫石帶，最大垂向?qū)挾葹?8～43 m。淤進(jìn)灘地上逐漸開始進(jìn)行植被的演替，近岸側(cè)形成2個(gè)或3個(gè)圓弧形植被帶，一般為稀疏草本植被帶、密集草本植被帶和木本植物帶，或僅有草本植被帶和木本植物帶。木本植物的主要物種為奇花柳，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(zhǎng)需水量大[21]。

圖3為白河3號(hào)河灣的平面圖和凸岸剖面圖，可見河灣近岸側(cè)高程整體呈上升趨勢(shì)，存在多處起伏。距河灣頂端34 m內(nèi)為卵礫石河灘，坡度較大，此區(qū)域?qū)儆谛掠俜e而成的灘地，無植被發(fā)育。其后高程起伏上升，出現(xiàn)較為明顯的3個(gè)植被帶，依次為：①稀疏草本植被帶，主要物種為賴草和狗牙根；②密集草本植被帶，主要物種為高原毛茛、金露梅、葛縷子；③木本植物帶，以奇花柳為主。奇花柳叢后側(cè)發(fā)育有大片密集草本植被，僅有少量低矮的灌木類植被分布。

圖3 白河3號(hào)河灣卵礫石河灘及植被分布

2 研究方法

2.1 樹木年輪采樣及分析

研究河段河灣凸岸灘地發(fā)育的木本植被以奇花柳居多，樹高均低于6 m。選取距離河灣頂端不同距離的樹木進(jìn)行采樣，使用差分GPS進(jìn)行定位。樹木年輪樣本以樹芯為主，使用樹木生長(zhǎng)錐采集。對(duì)于部分死樹或較細(xì)的樹木，用木鋸采集底部圓盤。樹芯采集位置為樹干根部，為便于操作，一般選取地面以上20～30 cm范圍進(jìn)行樣品鉆取。對(duì)于同一株樹木，從不同方向采集2個(gè)或3個(gè)樹芯。9處河灣共采集了80個(gè)樹芯和58個(gè)圓盤。

樹芯樣本自然干燥后放置在定做的凹槽內(nèi)，固定后使用不同粒度的砂紙打磨至顯微鏡下早材、晚材細(xì)胞的分界輪廓清晰可見。以靠近樹皮部分為采樣年份，從外圍向髓心進(jìn)行定年。一般情況下樹木年輪與樹齡一致，但也存在不一致現(xiàn)象。當(dāng)樹木一年生長(zhǎng)的年輪超過一圈，額外生長(zhǎng)的年輪稱作偽輪；一年內(nèi)沒生長(zhǎng)年輪稱作缺輪。為獲取準(zhǔn)確的年輪值，需對(duì)樹芯樣本進(jìn)行交叉定年以剔除偽輪、補(bǔ)上缺輪的年數(shù)。交叉定年是將一棵樹與另一棵樹的年輪進(jìn)行比對(duì)的過程，兩棵樹同一時(shí)段的寬年輪及窄年輪分布應(yīng)當(dāng)完全吻合。采用美國(guó)亞利桑那大學(xué)樹木年輪研究實(shí)驗(yàn)室的交叉定年方法，通過畫骨架示意圖方法對(duì)樹木年輪進(jìn)行交叉定年[22]，檢查出偽輪或缺輪現(xiàn)象，得出準(zhǔn)確的年輪數(shù)據(jù)。最后使用專用軟件COFECHA[23]對(duì)交叉定年的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，確認(rèn)每個(gè)年輪的有效性。樹干圓盤樣的年輪數(shù)據(jù)獲取方法與樹芯樣基本一致。

2.2 河灣遷移速率估算方法

在彎曲河流的河灣中，隨著河灣凹岸的崩岸蝕退，凸岸灘地逐漸淤長(zhǎng)，草本植物和木本植物依次在不斷淤進(jìn)的灘地上發(fā)育、生長(zhǎng)。一般而言，新淤積形成的灘地經(jīng)過一定的時(shí)間后會(huì)生長(zhǎng)出樹木。在同一河灣內(nèi)，新淤積帶的形成與該淤積帶上最早發(fā)育同種木本植物的時(shí)間間隔基本一致，因此前后兩個(gè)淤積帶上最早生長(zhǎng)樹木的樹齡差相當(dāng)于兩個(gè)淤積帶形成的時(shí)間差，據(jù)此可依據(jù)凸岸樹木的樹齡分析推算凸岸淤長(zhǎng)的速率[24]。假定河灣凸岸灘地同一淤積帶上樹齡最大的樹木為關(guān)鍵樣本，選取2個(gè)樹木關(guān)鍵樣本，則此2個(gè)樣本的垂向距離與樹齡差之比相當(dāng)于凸岸淤長(zhǎng)速率，即河灣遷移速率。據(jù)此，可得河灣遷移速率估算公式如下：

(1)

式中：v為河灣遷移速率，m/a；L為2個(gè)關(guān)鍵樣本沿河道中心線垂向距離，m；a1、a2分別為2個(gè)關(guān)鍵樣本的樹齡，a。

計(jì)算中，河灣遷移的主方向選擇在各淤積帶和植被帶中部且垂向?qū)挾茸畲筇幩B的直線上，如圖3(a)中紅色線所示。

3 河灣遷移速率估算

研究河段河灣凸岸內(nèi)奇花柳呈帶狀分布，每個(gè)樹木帶的大多數(shù)奇花柳粗細(xì)相近，近岸樹木帶的奇花柳較為細(xì)矮，遠(yuǎn)岸的奇花柳較為粗高。為了較為準(zhǔn)確地估算河灣遷移速率，選取同一樹木帶內(nèi)目測(cè)樹干最粗、樹齡最大的樹木進(jìn)行取樣，并在同一凸岸多處取樣。根據(jù)樹木年輪分析獲得的樣本樹齡和差分GPS測(cè)量得到的樣本位置信息，繪制河灣采樣樹木位置與樹齡的關(guān)系圖。通過樹齡分布確定用于估算河灣遷移速率的關(guān)鍵樣本，利用式(1)可估算出河灣遷移速率。

表2為研究河段河灣采樣樹木數(shù)量、樹齡及估算的河灣遷移速率。白河2號(hào)和5號(hào)河灣由于凸岸樹木稀少，僅采樣3或4棵奇花柳，其他河灣采樣8～16棵。樹齡分布為4～41 a，估算的河灣遷移速率為0.38～6.10 m/a。以下以白河1號(hào)河灣和8號(hào)河灣為例具體分析。

表2 白河河灣采樣樹木情況及估算的河灣遷移速率

3.1 1號(hào)河灣遷移速率

1號(hào)河灣臨近紅原縣安曲鄉(xiāng)，為研究河灣中最靠上游的河灣(圖4(a))。該河灣為較規(guī)則的半圓形，曲率半徑為204 m，凸岸前端是最大垂向?qū)挾葹?8.5 m的月牙形卵礫石河灘。卵礫石河灘后方分布有3個(gè)植被條帶，第1個(gè)為稀疏草本植被帶，最大垂向?qū)挾葹?2 m；第2個(gè)為密集草本植被帶，最大垂向?qū)挾葹?4.5 m；第3個(gè)為奇花柳叢，由前至后樹木從低矮到高大逐漸變化。目測(cè)選擇同一樹木帶內(nèi)最高、最粗的奇花柳進(jìn)行取樣，總計(jì)16棵。

圖4 河灣形狀

由圖5(a)可知，1號(hào)河灣采樣樹木的樹齡在5～14 a之間，基本上距灣頂越遠(yuǎn)樹齡越大。但離灣頂距離不同的多個(gè)樣本樹齡一樣，說明僅依靠目測(cè)判斷樹齡大小存在誤差。由關(guān)鍵樣本的定義可判斷圖中樹1-1和樹1-5為關(guān)鍵樣本，根據(jù)式(1)利用兩處關(guān)鍵樣本估算的河灣遷移速率即為圖5(a)中所有樣本的下包絡(luò)線斜率，則1號(hào)河灣遷移速率約為2.52 m/a。包絡(luò)線上方的樣本應(yīng)是在演替出現(xiàn)首批木本植被之后開始生長(zhǎng)的，說明樹木樣本采集數(shù)量越多，估算得出的河灣遷移速率結(jié)果越準(zhǔn)確。

圖5 采樣樹木位置與樹齡關(guān)系

3.2 8號(hào)河灣遷移速率

白河8號(hào)河灣位于白河阿木鄉(xiāng)上游，呈規(guī)則的半圓形(圖4(b))，曲率半徑較大，達(dá)424 m。凸岸卵礫石河灘最大垂向?qū)挾葹?9 m，此后為奇花柳叢，無單一的草本植被帶。奇花柳叢呈帶條狀分布，條帶之間的樹木大小差異較為明顯。采樣樹木總共16棵，樹齡為6～41 a。由圖5(b)可確定關(guān)鍵樣本為樹8-3和樹8-16，河灣遷移速率為0.70 m/a。

3.3 討論

1～9號(hào)河灣遷移速率的估算值為0.38～6.10 m/a，其中2號(hào)和5號(hào)河灣的估算值因采樣樹木量少可能存在較大誤差。由于采樣的河灣數(shù)量少，難以得出可靠的河灣遷移速率與潛在影響因素統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的關(guān)系，因此本文僅作粗略分析。檢測(cè)表1所列10個(gè)潛在影響因素與河灣遷移速率估算值之間的相關(guān)性和顯著性，可得出水流流速、河道比降、凹岸灘高和河谷寬與河灣遷移速率的相關(guān)系數(shù)分別為0.806、0.710、0.625和0.619，顯著性均小于0.05，說明這4個(gè)因素在一定程度上與河灣遷移速率相關(guān)[25]。其他因素均未顯示明顯的相關(guān)性。水流流速和河道比降與河灣遷移速率的相關(guān)性與相關(guān)研究[5,13-14]得到的河灣遷移速率與河流功率相關(guān)的結(jié)論一致，凹岸灘高與河灣遷移速率的相關(guān)性與文獻(xiàn)[5]結(jié)論一致。1～8號(hào)河灣彎曲度在3～10之間，9號(hào)河灣彎曲度為2.31，分別屬于河灣“增長(zhǎng)階段”和“遷移階段”[3-6]，最大河灣遷移速率出現(xiàn)在9號(hào)河灣，與“遷移階段”河灣遷移速率最大的結(jié)論一致，與文獻(xiàn)[10]得出的最大河灣遷移速率出現(xiàn)在彎曲度為1.0～2.0時(shí)的結(jié)論相近?，F(xiàn)場(chǎng)考察情況也佐證了9號(hào)河灣遷移速率最大，其凸岸的卵礫石河灘發(fā)育最長(zhǎng)，凹岸灘高2.3 m，卵礫石層上有30 cm厚的表層土壤，能觀察到多處崩塌塊，說明該河灣凹岸侵蝕、凸岸淤進(jìn)速率高。

白河河灣凹岸灘高均大于1.5 m，灘槽高差大于2 m，而河岸表層植被根土復(fù)合體厚度僅0.3～0.6 m，河岸崩塌后形成的根土復(fù)合體崩塌塊易被水流破壞并沖走，因此表層植被對(duì)河灣遷移速率的影響較小。相比較而言，同期考察的蘭木錯(cuò)曲河灣由于河流尺度小(河寬小于5m)，濱河草甸型植被分布茂密，其凹岸植被生物量對(duì)河灣遷移速率影響明顯[26]。

4 結(jié) 語

本文通過樹木年輪分析估算河流源區(qū)缺乏實(shí)測(cè)資料河灣的遷移速率，在河灣凸岸灘地生長(zhǎng)有條帶分布、層次分明樹木的彎曲河流中，依據(jù)樹木位置和樹齡的關(guān)系確定關(guān)鍵樣本，關(guān)鍵樣本的垂向距離與樹齡差之比為河灣遷移速率。估算得出白河9處河灣遷移速率為0.38～6.10 m/a，遷移速率與水流流速、河道比降、凹岸灘高和河谷寬相關(guān)。1～8號(hào)河灣處于河灣的“增長(zhǎng)階段”，9號(hào)河灣彎曲度為2.31，處于“遷移階段”，遷移速率最大(6.10 m/a)。本文對(duì)將樹木年輪分析應(yīng)用于彎曲河流演變研究進(jìn)行了有益的嘗試，可為缺乏長(zhǎng)期實(shí)測(cè)資料的河流進(jìn)行河流演變研究提供參考。