基于過程-形式關(guān)系的河流地貌單元分類與識別

于子鋮,鄧 睿,張 晶,趙進勇*,丁 洋,李 軒

(1.河北工程大學(xué)水利水電學(xué)院,河北 邯鄲 056038;2.河北工程大學(xué)河北省智慧水利重點實驗室,河北 邯鄲 056038;3.中國水利水電科學(xué)研究院,北京 100038;4.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430074)

地貌單元(100～102m)是水流和泥沙輸送過程的物理表現(xiàn)形式,是河段的組成部分,在此尺度內(nèi)能夠反映河流生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能和過程[1-3]。每個地貌單元都有基本的形態(tài)計量屬性[4],包括特征形狀(幾何)、底質(zhì)組成和空間位置。這些屬性的混合可用于繪制和識別地貌單元,并對其進行分類[5-6]。由于相關(guān)學(xué)者考慮科學(xué)問題的角度與出發(fā)點不同,故而描述地貌單元的術(shù)語有多種形式。在景觀生態(tài)學(xué)中,相同的特征被稱為斑塊[7];在沉積學(xué)中,它們被稱為結(jié)構(gòu)要素(Architectural Elements)、形態(tài)地層單位(Morphostratigrap-hic Units)、形態(tài)發(fā)生單位(Morphogenetic Units)[8-9]。地貌單元由河流不同位置的不同過程組合形成(河源區(qū)以侵蝕過程為主,下游以沉積過程為主),在任何給定的自然河段內(nèi),特定位置都有明顯的特征,如彎曲河道內(nèi)側(cè)一般都有深潭單元。地貌單元是地貌動力作用下的離散實體結(jié)構(gòu),在某些過程中(如侵蝕、沖積)產(chǎn)生了形式,而形式反過來又影響到過程的性質(zhì)與效果。相鄰地貌單元之間存在聯(lián)系,如深潭與相鄰的淺灘相連為水生生物提供了適宜的棲息地[1],這些單元看起來是獨立的,實際上相互連通形成動態(tài)系統(tǒng)。

明晰地貌單元組合類型及其空間分布為解釋河流類型、行為、狀況和恢復(fù)提供了有力支撐[2]。評估地貌單元的類型、形成或改造的過程,以及不同水流階段地貌單元之間的相互作用,可以深入了解河流地貌特征的可變性范圍。反過來,不同地貌單元的調(diào)整難度也為衡量不同類型干擾事件敏感性的提供了依據(jù)[10-12]。從地貌演化的角度來看,不同的地貌單元類型,無論是依據(jù)沉積物成分,還是依據(jù)其空間位置,都能讓人深入了解河流如何隨著時間的推移而調(diào)整[13]。一些河段可能只反映了當前現(xiàn)狀,但大多數(shù)河段都存有過去遺留下的地貌單元[14-15]。

很長一段時間內(nèi),河流地貌學(xué)家的相關(guān)研究更側(cè)重于較高分辨率的河段與河流平面分類以及構(gòu)建分級分類框架來理解河流行為,不太注重地貌單元的詳細分類[7]。地貌單元的自然多樣性是河流棲息地適宜生存的重要決定因素,河段地形越復(fù)雜和多樣化,地貌異質(zhì)性越高,生物可利用的棲息地范圍就越廣[16]。隨著研究的深入,近些年國外對地貌單元的分類進行了展開研究,但國內(nèi)目前相關(guān)研究較少。從棲息地角度出發(fā),Bisson[17]為量化鮭魚的自然棲息地的類型與組成,研究開發(fā)了相關(guān)區(qū)域地貌單元的詳細分類。Hawkins等[18]基于Bisson的研究,結(jié)合水流狀態(tài)的變化,構(gòu)建了小型河流棲息地單元三級分類系統(tǒng)。從地貌單元過程-形式關(guān)系出發(fā), Fryirs和Brierley將地貌單元歸為河道中段的沉積、濱岸沉積單元等4類[16]。本文歸納總結(jié)了 Fryirs和Brierley地貌單元分類體系,對不同地貌單元的過程-形式關(guān)系進行了梳理,以其為基礎(chǔ),以長江一級支流大寧河兩河口—后溪河匯入口河段為研究區(qū),結(jié)合區(qū)域水文地貌特征,對研究區(qū)域特征相似、較難精細區(qū)分的地貌單元進行整合,科學(xué)、精準分類識別了研究區(qū)的地貌單元空間分布。

1 Fryirs和Brierley地貌單元分類體系

該體系將地貌單元分為沖積與侵蝕的基巖和巨石單元(Sculpted,Erosional Bedrock And Boulder Units)、河道中段沉積單元(Mid-Channel,Depositional Units)、濱岸沉積單元(Bank-Attached,Depositional Units)、沖積與侵蝕的細粒單元(Sculpted,Erosional Fine-Grained Units)[16]。其中沖積與侵蝕的基巖和巨石單元包括臺階跌水(Bedrock step)、跌水-深潭(Step-pool)、串聯(lián)跌水(Cascade)、急灘(Rapid)、滑水或平坦河床(Run、Glide、Plane-bed)、強制性淺灘(Forced riffle)、強制性深潭(Forced pool)、跌水潭(Plunge pool)、壺穴(Pot hole)9種地貌單元,沖積與侵蝕的基巖和巨石單元通常是不可改變的,水流和泥沙堆積體只能在其周圍進行局部調(diào)整,相對于自由形成的河段,該類地貌單元往往形成于坡度陡(高運輸能力)、泥沙供應(yīng)量低的河段;河道中段沉積單元包括深潭(Pool)、淺灘(Riffle)、心灘(Medial bar)、橫向沙灘或舌狀沙灘(Transverse bar or linguoid bar)、對角灘或菱形灘(Diagonal bar or diamond bar)、伸縮灘(Expansion bar)、江心洲(Island)、巨石丘(Boulder mound)、基巖核心灘(Bedrock core bar)、小砂層(Sand sheet)、碎石墊層(Gravel sheet)、強制中心灘(Forced mid-channel bar)、復(fù)合中心灘(Compound mid-channel bar)13種地貌單元,河道中段的地貌單元往往是相對于它們所形成的河道尺寸而言的,這些特征與河流的其他形態(tài)屬性,特別是河道斷面形狀和河型有著密切的關(guān)系,該類地貌單元長度往往與河寬相同或更大,高度與所在斷面平均水深相當,沉積物形狀與組成是促進該類地貌單元形成的重要影響因素,其反映了河道輸送不同粒徑沉積物的能力;濱岸沉積單元包括側(cè)向灘(Lateral bar)、點灘(Point bar)、滾動灘(Scroll bar)、支流匯流灘(Tributary confluence bar)、脊槽和泄槽(Ridge and chute channels)、坡道和點沙丘(Ramp and point dune)、階梯和點階梯(Bench and point bench)、巖架(Ledge)、塊石護岸(Boulder berm)、凹形護岸臺階(Concave bank bench)、組合附加灘(Compound bank-attached bar)、強制附加灘(Forced bank-attached bar)15種地貌單元,河道濱岸的幾何形狀反映了河岸侵蝕、沉積過程的綜合作用,河道對漫灘沉積特征形成影響,沉積過程產(chǎn)生了一系列濱岸沉積單元;沖積與侵蝕的細粒單元包括側(cè)向侵蝕灘(Sculpted lateral bar)、沖刷潭(Scour pool)、砂架(Ledge)、平滑流動區(qū)(Sculpted run)、沖刷潭(Scour pool)5種地貌單元,沖積與侵蝕的細粒單元缺乏可被塑造成不同形式的底質(zhì)材料,因此范圍有限,當沉積物從河岸頂部被侵蝕,河岸底部的底質(zhì)被沖刷時,形成了與河岸相連的特征。經(jīng)歸納梳理,將常見地貌單元過程—形式進行詳細介紹,具體見表1。

2 大寧河地貌單元分類識別

大寧河位于重慶市東北部巫溪、巫山兩縣境內(nèi),系長江上游下段左岸一級支流(屬三峽庫區(qū)支流),全長162.0 km。本次研究區(qū)域為大寧河兩河口—后溪河匯入口河段,具體位置見圖1,該河段共長9.85 km?；趯嵉卣{(diào)研,摸清地貌單元的過程、形式是識別的關(guān)鍵。因此,于2021年6月進行實地調(diào)研,整體河床比降約為3.76‰,水面比降約為3.05‰,且沿程分布極不均勻,絕大部分落差集中在河段上游位置。河段內(nèi)無水工建筑物,中游有支流匯入,水流較為湍急。

圖1 研究區(qū)域

具體分類識別步驟:①明確河流類型,考慮研究對象的實際狀況,結(jié)合地貌單元分類體系,明晰研究區(qū)域可能存在的地貌單元類型;②利用遙感影像-無人機-RTK、流速儀、水深儀等形成空-天-地一體化監(jiān)測體系開展地貌單元實地調(diào)查;③由遙感影像明確河流邊界,由無人機明晰植物覆蓋程度、水域分布,利用RTK、流速儀、水深儀、標準方孔篩等調(diào)查基礎(chǔ)水文地貌特征,利用照相法、標尺法、篩分法并結(jié)合SL 42—2010《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》對底質(zhì)狀況進行分類分析,精細識別地貌單元類型及其水動力特征等;④結(jié)合分類體系中不同地貌單元類型的過程-形式,對研究區(qū)域特征相似、較難精細區(qū)分的地貌單元進行整合,如將Fryirs和Brierley地貌單元分類體系中濱岸沉積單元中的側(cè)向灘、點灘統(tǒng)一稱為邊灘單元,將強制性深潭也歸為深潭單元;⑤最后,在空間分析軟件Arcgis中進行地貌單元制圖。具體流程見圖2。

圖2 基于過程-形式關(guān)系的河流地貌單元分類識別流程

最終所識別的地貌單元類型有:串聯(lián)跌水、急灘、滑水、深潭、淺灘、緩流區(qū)、邊灘、心灘。其中,緩流區(qū)定義為水較淺、流速較緩,底質(zhì)組成無組織性,包括漂石、卵石、礫石、沙。結(jié)合無人機航拍數(shù)據(jù),對局部河段的地貌單元進行示意,具體見圖3。

圖3 局部段地貌單元分布

基于調(diào)研數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)串聯(lián)跌水的水深范圍為0～1.2 m、流速范圍為大于1.5 m/s,底質(zhì)組成主要為漂石、卵石、礫石,其中漂石可占40%～60%;深潭的水深范圍為大于1.2 m、流速范圍為0～1.0 m/s,底質(zhì)組成主要為漂石、卵石、礫石,其中卵石可占40%～70%;淺灘的水深范圍為0～1.2 m、流速范圍為0.5～1.5 m/s,底質(zhì)組成主要為漂石、卵石、礫石,其中卵石可占20%～80%;急灘的水深范圍為1.2～2.0 m、流速范圍為大于1.5 m/s,底質(zhì)組成主要為漂石、卵石、礫石,其中卵石可占20%～70%;滑水、平滑流動區(qū)的水深范圍為1.2～2.0 m、流速范圍為1.0～1.5 m/s,底質(zhì)組成主要為漂石、卵石、礫石,其中卵石可占20%～50%;緩流區(qū)的水深范圍為0～1.2 m、流速范圍為0～0.5 m/s,底質(zhì)組成主要為漂石、卵石、礫石、沙,其中卵石可占20%～70%。利用ArcGIS軟件,得到研究河段的地貌單元類型及空間分布,見圖4。

圖4 研究河段地貌單元空間分布

串聯(lián)跌水占河道平面面積的16.43%,深潭占21.51%,淺灘占7.21%,急灘占20.45%,滑水或平滑流動區(qū)占16.90%,邊灘、心灘占13.59%,緩流區(qū)占3.91%。深潭、急灘占比較大,緩流區(qū)、淺灘占比較小。由圖知,串聯(lián)跌水多與深潭、急灘相連,形成山區(qū)河流常見的跌水-深潭單元,該單元增大了河床阻力與抗沖刷力,穩(wěn)定了河床與岸坡,在一定的溫度和降雨條件下兩岸可以發(fā)育良好的植被[19]。明確地貌單元可快速識別魚類棲息地,如該區(qū)域特有魚類為齊口裂腹魚,其產(chǎn)卵場為急流淺灘區(qū)域[20],在2021年6月份實地調(diào)研時,在急灘單元發(fā)現(xiàn)較多數(shù)量的齊口裂腹魚。

3 結(jié)論

關(guān)于地貌單元分類與識別的體系,存在國際上不統(tǒng)一、國內(nèi)研究較少等一系列問題。本文總結(jié)歸納了國外成熟的Fryirs和Brierley地貌單元分類體系,并以長江一級支流大寧河作為研究對象,結(jié)合研究河流的具體特征,進行了實踐及運用。結(jié)果表明,基于過程-形式關(guān)系可以科學(xué)、快速的識別地貌單元類型及其分布。由于分類體系中一些地貌單元的過程、形式關(guān)系較為相近,在實際河流、河段的地貌單元分類識別過程中可以根據(jù)實際狀況進行整合匯總。