入湖河流尾閭河段河型問題研究進展

陳 珺, 李 斌, 鄧麗華,于明田,晏成明

(1.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2. 河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098；3.廣東水利電力職業技術學院水利工程系，廣東 廣州 510635)

入湖河流尾閭河段位于河流近河口地區,下接湖泊。尾閭河段的演變不僅關系到河道入湖水流排泄是否通暢,而且還影響河口處湖泊地形和濕地面積,因而河湖地區的防洪安全和生態環境保護與其息息相關[1-2]。河型問題是研究尾閭河段演變的基礎問題,對其進行研究具有重要的理論和應用價值。多年來,國內外學者對入湖河流尾閭以上河段的河型關注較多[3-5],對尾閭河段的河型研究不多。筆者從入湖河流尾閭河段范圍、河型特征、河型成因及轉化等方面對已有研究成果進行分析和總結,并對需進一步深入研究的內容作出展望。

1 尾閭河段范圍的界定

關于入湖河流尾閭河段的范圍,目前還未有一個明確、統一的定義。多數學者通常從地理區域劃分的角度界定其范圍:彭文啟等[6]指出一般入湖河流下游近河口段為尾閭河段;聶芳容等[7-9]給出了湘江、資江、沅江尾閭河段的范圍,即從株洲、益陽、德山以下至入湖口河段。此外,也有學者把近河口處主要水文測站以下河段界定為尾閭河段:雷聲等[10]在研究鄱陽湖流域五河尾閭時指出,贛江外洲水文站、撫河李家渡水文站、信江梅港水文站等以下河段為尾閭河段。近年來,王旭等[11]指出尾閭河段的范圍是一個動態的概念,由入湖河流與湖泊之間的水動力學變化關系所決定,可利用水動力數學模型分別計算出入湖河流在有湖泊高水位頂托和無湖泊頂托作用下的流速沿程分布,通過對比確定流速突變點,從而動態界定出入湖河流尾閭河段距離,并通過該方法界定出了湘江入洞庭湖尾閭河段的范圍,即湘潭水文站位置至入湖口河段。該方法在前人的研究基礎上有所發展,考慮了尾閭河段的水動力變化,將入湖河流下游受到湖泊水位頂托的河段視為尾閭河段。

圖1 鳥足狀三角洲及尾閭河段

圖2 扇形三角洲及尾閭河段

圖3 鳥嘴狀三角洲及尾閭河段

2 尾閭河段河型特征

2.1 平面形態特征

入湖河流尾閭河段位于湖泊三角洲平原上,沉積和地貌學界稱之為三角洲分流河道,認為是三角洲平原亞相的重要組成部分[12-14]。由于尾閭河段的演變受到湖泊三角洲的影響,其形態與三角洲的類型具有較大的相關性。目前湖泊三角洲的分類方法很多[15-17],按照三角洲的平面形態可分為鳥足狀(伸長型)、扇形(舌形或朵形)、鳥嘴狀(尖頭形)和平直濱岸型4類三角洲[18]。根據以上類型,筆者選取了國內外多個典型湖泊的入湖河流,總結了河流尾閭河段平面形態特征和與之對應的湖泊三角洲類型,見圖1～4和表1。

由圖1～4和表1可見,不同類型的湖泊三角洲存在對應的尾閭河段平面形態特征,例如，哈薩克斯坦境內的烏拉爾河(入里海)在河口發育有鳥足狀三角洲[19],位于其上的河流尾閭汊道分流不多,呈長條形大沙嘴伸入湖中,且延伸較遠,外形呈鳥足狀河網;俄羅斯境內的伏爾加河(入里海)在河口發育有扇形三角洲[20],其尾閭河段汊道分流較多,呈朵狀或半圓狀向湖方向展開,各方向的汊道長度接近,形態呈扇形河網;瑞士境內的羅訥河(入日內瓦湖)在河口發育有鳥嘴狀三角洲,其上的尾閭河段表現為單一河流入湖,沙壩堆積于河口兩側,使河口向湖突出,平面形狀似鳥嘴;俄羅斯境內的沃爾霍夫河(入拉多加湖)在河口發育有平直濱岸型三角洲,尾閭河段呈單一河流入湖,沙壩平行于河口岸線堆積,岸線較為平直。

圖4 平直濱岸型三角洲及尾閭河段

表1 尾閭河段平面形態特征與湖泊三角洲類型的對應關系

綜上可見,當入湖河流在河口形成鳥足狀或扇形三角洲時,其尾閭河段常形成鳥足狀或扇形河網,若在河口形成鳥嘴狀或平直濱岸型三角洲,則其尾閭河段常形成單一的河道形態。此外,注入同一湖泊的不同河流,其尾閭河段的平面形態也不一定相同,如注入青海湖的布哈河和哈爾蓋河分別為鳥足狀河網和平直濱岸型單一河道;注入鄱陽湖的贛江和信江,則分別為扇形河網和鳥足狀河網。

2.2 河段演變特征

扇形河網尾閭河段在向下游持續不斷的分流演變過程中,上下兩級汊道存在一定的相關關系。Yalin[21]在假設流量平均分配到下游分支河道的基礎上,估算得到連續上下兩級河道寬度和深度的函數關系分別為Bk+1≈0.7Bk,hk+1≈0.8hk,其中：B為河道寬度;h為河道深度;k和k+1分別為河道連續上下兩級。段冬平等[22]經實測與計算發現,處于不同位置的兩處尾閭河段的連續上下兩級河道寬度比也近似為0.7(分別為0.72和0.73)。 Olariu[23]通過收集和分析國外扇形河網尾閭河段,得到出現頻率最高的河道寬度為200～400 m,深度為1～3 m;河道寬度的出現頻率與河道寬度值之間呈非對稱關系,大部分樣本的數據集中在河道寬度中間值偏左的區域。Syvitski等[24]指出扇形河網尾閭河段的河道寬度出現頻率與河道寬度值多數呈對數正態分布。此外,在沉積物特征方面,扇形河網尾閭河段發育的沉積單元種類以及數目較多,例如,贛江尾閭河段發育有邊灘、心灘、江心洲、天然堤、河道間濕地、廢棄河道、決口河道及決口扇等諸多沉積單元[25]。

河道型尾閭河段通常表現為單一河道形態,其中鳥嘴狀尾閭河段的平面形態較為順直,河道內發育的心灘和沙洲較少;而平直濱岸型尾閭河段曲度相對更大,部分河段存在心灘、邊灘及沙洲等沉積單元,但種類和數目較河網型尾閭河段少[26]。

2.3 尾閭河段河型與沖積河流河型的異同

入湖河流尾閭河段有河網型(鳥足狀或扇形)和河道型(鳥嘴狀或平直濱岸型)兩種大類型,這是尾閭河段平面形態的總體格局,錢寧等[27]將尾閭河段以外的沖積河流分為順直、彎曲、分汊和游蕩型4種河型,以下分別就尾閭河段河型和沖積河流4種河型的異同進行探討。

尾閭河段河型具有的平面形態特征、水力特征及沉積特征在一定程度上與沖積河流河型有相似之處。例如，鳥嘴狀尾閭河型在平面形態上與沖積河流的順直河型較為相似;而平直濱岸型尾閭河型在平面形態(河道彎曲度)上與沖積河流的彎曲河型較為相似,同時有些河道的局部河段也存在心灘、邊灘及沙洲等沉積特征,類似于沖積河流中的分汊河型,例如烏爾遜河、哈爾蓋河的尾閭河段等。

對于扇形河網尾閭河段,國內外部分學者將其歸為入湖三角洲平原網狀河型[28-30]。以我國贛江尾閭河段為例,謝慶賓等[29-31]認為贛江尾閭河段具備網狀河流所必需的基本要素,是典型的入湖三角洲平原網狀河型。在水動力特性方面,贛江尾閭河段較低的坡降(0.011 6%)、小于40的寬深比、小于1.5的河道彎曲度符合網狀河流的基本特性[30-31]; 在河岸組成方面,以高黏結性的粉砂質和泥質細粒物質為主也是網狀河流的顯著特征[29]；在沉積物特征方面,贛江尾閭河段發育了典型的網狀河流地貌單元,且河道內多以沙礫石和中細沙為主,其他地貌單元如河漫灘、沼澤則以細粒沉積物為主,這些沉積物特征正是網狀河流的主要特點。王隨繼等[32]進一步對比了網狀河流和分汊河流,指出網狀河流呈現多個河道相互連接或彼此分離而構成的不規則河道網,其間是面積相對廣闊的河間地,且河間地的寬度遠大于河道寬度,河岸主要由一元細顆粒結構組成;而分汊河流的江心洲的寬度與河道寬度一般比較相近,河岸主要由泥質和砂質的二元結構組成;另外,網狀河流比分汊河流具有更小的寬深比和河道比降等,綜合分析表明兩種河型有著明顯的區別。

而對于鳥足狀河網尾閭河段,其整體形態與沖積河流的4類河型無明顯相似性,若從單支汊道來看,因其河型屬于河流作用極強的河控型,故其單支汊道的特征介于順直型與彎曲型河型之間。

3 尾閭河段河型成因與轉化影響因素

3.1 河型成因

圖5 三角洲類型與河流和湖泊的作用關系

入湖河流尾閭河段作為湖泊三角洲的重要組成部分,其河型成因與三角洲密切相關[23,33]。湖泊三角洲的形成和演變主要受河流和湖泊作用的影響,Fisher等[34-35]依據河流和湖泊作用強弱將三角洲分為河控(建設型)三角洲及湖控(破壞型)三角洲,如圖5所示,河控(建設型)三角洲包括鳥足狀、扇形三角洲;湖控三角洲(破壞型)包括鳥嘴狀、平直濱岸型三角洲。河流作用越強時,三角洲越向湖泊延伸發展,三角洲規模越大;湖泊作用越強時,三角洲越容易被湖泊動力搬運和改造,僅在入湖口附近形成較小規模的三角洲。由于三角洲受到河流和湖泊的雙重作用,所以發育其上的尾閭河段(分流河道)形態各異,演變成復雜河網和單一河道等不同的平面形態。

河流作用的強弱主要取決于流量和輸沙量。Olariu[23]認為尾閭河段河型的形成受到季節性河流流量的變化、推移質與懸移質之比的影響。Roberts等[36]通過現場試驗得出河網型尾閭河段的出現是由于高強度洪水時期水流攜帶大量泥沙所導致。Geleynse等[37]用數值模擬得到當含沙量較高且變輻不大時,河網趨向于徑向均勻地延伸,呈扇形分布;而高含沙量下形成的鳥足狀河網,則是由于初始時岸堤的不穩定性使得旁側河道出現,隨后上游流量及含沙量減小使得水沙主要集中在主支河道,而旁側河道淤廢,便形成典型鳥足狀河網[38]。

湖泊作用主要受風、波浪和沿岸流的影響。朱海虹等[18]在研究滇池、洱海及其入湖河流時指出,當盛行風向與河流流向一致時,波浪、沿岸流微弱,尾閭河段易形成鳥足狀、扇形河網,例如滇池的柴河、大河及洱海的彌苴河;而當盛行風向與入湖河流呈高角度相交時,風形成的波浪作用及沿岸流則較強,河流難以展布,三角洲呈鳥嘴狀或平直濱岸型,尾閭河段為單一河道,例如滇池的梁王河、撈魚河。宋春暉等[39]在研究入青海湖河流時也同樣指出,風向與河流流向一致的布哈河,受到的波浪作用及沿岸流作用較弱,故尾閭河段形成鳥足狀河網;而流向幾乎與風向相反的哈爾蓋河,濱岸帶形成較大的波浪,波浪以一定角度與湖岸相交,進而形成沿岸流,受波浪和沿岸流的強烈作用,三角洲呈平直濱岸型,河流不能直接向湖區伸展,尾閭河段對應為單一河道。

3.2 河型轉化影響因素

河型轉化是河床演變量變的積累達到一定的臨界條件下的質變過程。為了塑造某一特定的河型,必須分析該種河型的控制變量與河型要素之間的因果關系[40]。當控制因素發生改變時,河型也會有與之對應的反饋,從而使其趨向平衡。

流量是影響河型轉化的重要因素,Syvitski等[41]指出長時間的流量變化決定著尾閭河段汊道的數量,具體表現為已有河道的淤廢及新河道的產生。流量增大時,對于原本受波浪影響的單一河道,近河口處的泥沙遷移使得尾閭河段向河流作用為主導的河網轉化[24];而當流量減小時,尾閭分支汊道易不穩定,河道淤廢與流量減小成正相關,進而汊道數量減少[42]。不同類型的尾閭河段對于流量改變的響應也有所不同,單一路徑為主流的河段受流量改變影響較大,而存在多分汊的河段影響較小,最靠下游的出口段河段受到影響最大[43]。

湖盆水深的變化也是影響河型轉化的重要因素。朱筱敏等[44]指出湖平面變化控制著尾閭河段的形態與分布，湖盆水位降低時,水面比降變大,河流作用增強,順流沉積加速,其上河道形態從朵形河網過渡為扇形,最后形成鳥足狀河網[45]。當湖平面上升時,水面比降減小,湖泊可容納空間增大,湖泊作用增強,河道汊道數量減少[46],此現象在伏爾加河200年前的尾閭河段演變中可以證實:在里海湖平面下降期間,其尾閭河段的汊道數量顯著增加;而近年來里海湖平面以每年15 cm的速度上升,導致尾閭河段的汊道數量由1 000條下降到800條左右[23]。湖平面的變化速率對河道演變也有影響,湖平面上升速率越快,河道轉化演變越不明顯;湖平面下降速率越快,河道演變越明顯[47]。

近年來人類對河湖開發活動的影響也受到了較多的關注。相比于其他影響因素,如短、中時間跨度內變化幅度很小的湖盆水深,人類活動如興建堤壩、濫伐森林等所造成的影響可以在短時間內急劇地改變輸沙量及流量,進而導致尾閭河段河型的轉化[48]。

4 研究展望

鑒于目前對入湖河流尾閭河段河型問題的相關研究成果略少,理論不夠系統,建議進一步加大尾閭河段原型資料的觀測工作,為河型研究提供可靠資料,同時可從以下幾個方面加強理論研究:

a. 尾閭河段河型特征。應進一步研究河網型尾閭河段的汊道結構的幾何分形特征,探討河網形態遵循的規律;通過原型實測資料或模型試驗揭示尾閭河段的水沙輸移及演變特征等。

b. 河型成因機理。河網型尾閭河段的形成與三角洲及河口沙壩的演化密切相關,河口沙壩引起河道不斷分汊,形成河網。亦有學者指出,尾閭河段的“沖裂作用”是河網汊道形成的直接原因[32,49],但目前尚缺乏理論解釋和試驗驗證,有必要對有關問題進行深入探討。

c. 河型影響因素的定量化。當前對于尾閭河段河型成因、河型轉化的影響因素,多以定性研究為主,缺乏定量分析,有必要將現有河型影響因素及其作用效果定量化,為揭示河型成因與判別河型轉化提供依據。