馬振，王震洪，陳晨

(貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽550025)

都柳江上中下游急流—深潭—沙(砂)灘系統(tǒng)河道參數(shù)調(diào)查研究

馬振，王震洪*，陳晨

(貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴州貴陽550025)

以貴州省境內(nèi)人工干擾較少的都柳江為研究對(duì)象，對(duì)普遍存在于天然河道中的急流－深潭－沙(砂)灘系統(tǒng)河道參數(shù)進(jìn)行調(diào)查和分析。結(jié)果表明，都柳江從上游到下游，海拔和縱比降逐漸減小，整個(gè)河流逐漸變得平緩; 3個(gè)考察河段的彎曲系數(shù)差異不明顯;在上游普安和中游的三都，河段的急流－深潭－沙(砂)灘的面積和比例接近;上中下游河段各測(cè)點(diǎn)的急流－深潭－沙(砂)灘系統(tǒng)中，沙(砂)灘面積與深潭和急流的面積呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，急流與深潭的長(zhǎng)度與寬度也呈正相關(guān)關(guān)系，一條河道上下游不同河段急流－深潭－沙(砂)灘系統(tǒng)之間每個(gè)單元所占的比例接近。

都柳江;急流;深潭;河道;形態(tài)結(jié)構(gòu)

縱觀人類文明的發(fā)展歷程可以看出，世界上大多數(shù)文明的發(fā)展都是沿天然河流發(fā)展起來的。隨著生產(chǎn)力的提高，人們與河流的關(guān)系也在不斷地發(fā)生變化，其相互關(guān)系先后經(jīng)歷了依賴河流、改造河流以及修復(fù)河流三大階段。對(duì)于河流的改造，主要形式是興修水利，以此來滿足人們生產(chǎn)生活的需求。但是隨著人們對(duì)自然改造能力的不斷增強(qiáng)，使得很多河流被過度開發(fā)，導(dǎo)致河道空間發(fā)生畸變，引起水環(huán)境質(zhì)量下降，威脅人類的生存［1］。河流的環(huán)境質(zhì)量直接影響到沿河城市的質(zhì)量，在河流遭到過度開發(fā)和嚴(yán)重污染的今天，人們需要對(duì)已被人工改造和遭到過度開發(fā)的河流進(jìn)行生態(tài)修復(fù)，以維持河流環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

河流是自然界中水的重要載體，在河流生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)中如何處理水與河道環(huán)境的相互作用與關(guān)系就顯得十分重要［2］。針對(duì)河道已有的改造方式以及利用程度，對(duì)河流進(jìn)行生態(tài)修復(fù)的模式也多種多樣。但是無論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，只要涉及河流生態(tài)修復(fù)，就必然要以自然河流環(huán)境為模版。人工生態(tài)修復(fù)后的河流，其模式基本上都是以自然或者仿自然形態(tài)的河流為主，再輔以少量必要的人工設(shè)施，完善或增加河流的功能。因此，對(duì)天然河道的形態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究是非常必要的。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，天然河流一般由形態(tài)上具有差異的急流、深潭和沙(砂)灘構(gòu)成，并在河流中不斷重復(fù)出現(xiàn)，急流—深潭—沙(砂)灘系統(tǒng)是天然河流生態(tài)系統(tǒng)的基本單位。急流—深潭—沙(砂)灘系統(tǒng)是河流生態(tài)動(dòng)力學(xué)作用的結(jié)果，同時(shí)在形態(tài)上具有差異又影響著河流生態(tài)動(dòng)力學(xué)過程。本文以貴州省人類干擾輕微的都柳江為研究對(duì)象，對(duì)都柳江上中下游天然河流或人工影響較小的河流的急流、深潭、沙(砂)灘系統(tǒng)的河道參數(shù)進(jìn)行調(diào)查，分析形態(tài)結(jié)構(gòu)。

1 研究方法

1.1 概況

都柳江發(fā)源于貴州省獨(dú)山縣西北，在貴州境內(nèi)流經(jīng)獨(dú)山、三都、榕江、從從江縣進(jìn)入廣西，在廣西境內(nèi)稱融江。整條河流位于云貴高原向湘、桂丘陵過渡的斜坡地帶［3］，從地勢(shì)可以看出，整條河流的走向是由西到東，海拔逐漸降低。河流流經(jīng)的地區(qū)大部分為少數(shù)民族地區(qū)，喀斯特地貌發(fā)育，河道蜿蜒曲折，森林植被茂密，人類干擾較輕，河流形態(tài)結(jié)構(gòu)天然性良好。

1.2 研究方法

選取都柳江上游的普安、中游的三都以及下游的榕江3個(gè)河段進(jìn)行調(diào)查研究，每個(gè)河段至少包括3個(gè)急流－深潭－沙(砂)灘系統(tǒng)。普安河段位于北緯26°04'31.14″～26°04'10.08″，東經(jīng)107°48' 31.41″～107°48'31.91″。三都河段位于北緯25° 58'49.71″～25°59'04.13″，東經(jīng)107°53'26.39″～107°53'34.73″。榕江河段位于北緯25°54'27.68″～25°54'36.94″，東經(jīng)108°29'51.56″～108°29'38.24″。

采用Google Earth軟件，對(duì)上述3個(gè)河段進(jìn)行衛(wèi)星定位，對(duì)宏觀指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。包括河段兩個(gè)端點(diǎn)間的直線距離、河道中心線的總長(zhǎng)度和河道中心線的海拔。根據(jù)河道彎曲系數(shù)的定義，河道中心線長(zhǎng)度與海拔差值的比值即為該河段的河道彎曲系數(shù)。野外開展工作是在每個(gè)河段上各選取3個(gè)急流—深潭—沙(砂)灘系統(tǒng)作為研究樣本，實(shí)測(cè)河道參數(shù)，描述河道形態(tài)特征。

2 結(jié)果與分析

2.13 個(gè)河段海拔及縱比降

3個(gè)地區(qū)的海拔測(cè)量主要采用Google Earth軟件對(duì)所考察的河段河道中心線進(jìn)行測(cè)定。上中下游的考察河段各選取6個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)點(diǎn)之間的間隔為80 m左右。3個(gè)地區(qū)的海拔變化如圖1所示。由圖可以看出，普安河段的海拔落差最為顯著，達(dá)到了23 m;其次為三都河段，海拔落差為9 m;而榕江海拔河段落差僅為3 m。都柳江從上游到下游其海拔數(shù)值的波動(dòng)逐漸減小，整個(gè)河流逐漸變得平緩。

圖1 3個(gè)河段的海拔變化Fig．1 Altitude change of three river sections

縱比降是指水面水平距離內(nèi)垂直尺度的變化，是水面上的兩點(diǎn)高差與這兩點(diǎn)間的水平距離的比值，它在一定程度上能夠說明河流的垂直走向。結(jié)合圖1的海拔變化，3個(gè)河段各測(cè)點(diǎn)之間的縱比降值如表1所示。由表可以看出，普安河段的比降無論在變化上還是數(shù)值上都是最大的，三都河段次之，榕江河段最小?？v比降能說明河流在該河段的流速大小，比降值越大，則流速越大。

表1 考察河段海拔測(cè)點(diǎn)間的縱比降值Tab．1 Vertical gradient between the measured points of three sections

2.23 個(gè)河段彎曲系數(shù)的變化

彎曲系數(shù)是描述一條河流在某一河段的河道彎曲程度的指標(biāo)。計(jì)算公式為Ka=L/i，其中，L是河段兩處端點(diǎn)間的河道中心線長(zhǎng)度，i為該兩點(diǎn)之間的直線距離，Ka是彎曲系數(shù)。Ka值越大說明河道越彎曲。根據(jù)所研究的河段的具體情況，河道彎曲處兩側(cè)的端點(diǎn)選擇為河道開始出現(xiàn)明顯彎曲的地點(diǎn)，如果相鄰之間出現(xiàn)連續(xù)的彎道，則以兩個(gè)彎道間河道中心線的中點(diǎn)為端點(diǎn)。經(jīng)過測(cè)量計(jì)算，3個(gè)考察河段的彎曲系數(shù)差異不明顯(表2)。

表2 3個(gè)考察河段彎曲系數(shù)mTab．2 Tortuosity of three investigated river sections

2.3 河道中急流－深潭－沙(砂)灘的面積關(guān)系

表3為不同河段急流－深潭－沙(砂)灘的面積大小。在上游普安地區(qū)，三者間面積最為均衡。中游三都地區(qū)急流所占面積偏大，但是三者間的比例差距并不太大。在榕江河段，沙(砂)灘面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了急流與深潭的面積，甚至是后兩者面積之和。結(jié)合比降變化和實(shí)地情況看，榕江河段比降小，河道寬，深潭－沙(砂)灘面積明顯比中上游要大，再加上考察的榕江河段上游不遠(yuǎn)處有一處人工堤壩，減小了河水流量，因此急流面積小，沙灘出露多，面積就變得非常大。通過計(jì)算，各個(gè)河段急流—深潭—沙(砂)灘系統(tǒng)面積比例見表4。由表4可以看出，在考察河段上游沒有水壩，河道水體可自由流動(dòng)的普安和三都河段，急流、深潭、沙(砂)灘之間的比例很接近，而在榕江河段則差異很大，主要是受上游人工堤壩的影響。

表3 3個(gè)考察河段急流、深潭、沙(砂)灘面積比較m2Tab．3 Area comparison of riffle，deep fool and sand bank among the investigated river sections

表4 急流、深潭、砂灘在各考察河段的面積比例Tab．4 Area proportion of riffle，deep fool and sand bank of the investigated sections

急流－深潭－沙(砂)灘系統(tǒng)是天然河流最常見的結(jié)構(gòu)單元，三者都是由于河道走勢(shì)以及河水作用而產(chǎn)生的自然現(xiàn)象。盡管都是一個(gè)結(jié)構(gòu)單元里的組成部分，但在河道比降變化、河道彎曲變化及季節(jié)氣候變化以及由此而產(chǎn)生的河水流速的變化等因素的綜合作用下，三者在結(jié)構(gòu)單元里所占的比例會(huì)出現(xiàn)很大的變化。但是，一條河道上下游不同河段每個(gè)單元所占的比例應(yīng)該是比較接近的，通過河流上、中、下游沙灘面積分別與急流和深潭面積進(jìn)行回歸分析證明了這一點(diǎn)。由圖2表明，急流與相鄰沙(砂)灘面積的回歸方程為y=1.491 6x+ 215 4.4，決定系數(shù)為0.29，屬于不相關(guān)，主要原因是由于受此段人工堤壩影響，水量減少，沙(砂)灘面積增大，急流面積減少。如果去除榕江河段受水庫(kù)堤壩影響的這兩點(diǎn)的話，則回歸方程:y= 0.933 9x+50.901，其決定系數(shù)為0.92，屬于高度相關(guān)。由于人工堤壩對(duì)下游深潭面積減少的影響較小，深潭與相鄰沙(砂)灘面積的回歸方程為y= 3.304 2x－1 965.9，決定系數(shù)為0.92，呈高度相關(guān)。

2.4 急流與相鄰深潭區(qū)域長(zhǎng)度與寬度的相關(guān)性分析

利用急流長(zhǎng)度和寬度與深潭長(zhǎng)度進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，它們之間具有很好的相關(guān)性(圖3)，其中，急流長(zhǎng)度與深潭長(zhǎng)度的回歸方程為y=0.987 6x+ 10.028，其決定系數(shù)為0.65;急流長(zhǎng)度與深潭寬度的回歸方程為y=1.078 9x－8.062 9，其決定系數(shù)為0.61，它們之間都為中度相關(guān)。

圖2 沙(砂)灘面積分別和相鄰的急流(A)和深潭(B)面積的關(guān)系分析Fig．2 Regressive analyses between the riffle area and the areas of the adjacent sand banks and deep pools．

圖3 急流長(zhǎng)度寬度與相鄰深潭長(zhǎng)度寬度的回歸分析Fig．3 Regressive analysis of length and width between riffle and its adjacent deep pool

3 討論

從整體來看，海拔高度與河道結(jié)構(gòu)決定了河流水勢(shì)的變化，而水勢(shì)的變化反過來又可以在長(zhǎng)期的作用下改變河道原有的結(jié)構(gòu)。本次實(shí)地考察都柳江的3個(gè)河段，從河道外形上看，都屬于蜿蜒擺動(dòng)形態(tài)。坡降以及河道形態(tài)決定了河水的流向及速度的變化，而河水的長(zhǎng)期沖刷也能改變河道的形態(tài)。急流、深潭、沙(砂)灘就是河水與河道長(zhǎng)期相互作用而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)。急流的產(chǎn)生是河中水流與河道礫石的共同作用的結(jié)果，其形態(tài)主要取決于河水水流的大小以及河道礫石的堆積形態(tài)。在急流處，河水的水勢(shì)相比起平緩的河段來是比較大的，水流的沖刷力往往會(huì)在急流下游方向的河道中沖刷出一個(gè)槽狀或者碗狀的凹地，即為深潭。在天然河流中，急流與深潭往往是相鄰的，并且會(huì)在整個(gè)河流中反復(fù)出現(xiàn)。急流—深潭結(jié)構(gòu)反復(fù)出現(xiàn)的河段會(huì)使河底往往會(huì)出現(xiàn)階梯的形態(tài)，急流則是連接這些“階梯”的通道與紐帶。在河流彎曲處，由于河道擺動(dòng)形態(tài)的變化，使得河水的勢(shì)能發(fā)生改變，進(jìn)而對(duì)河岸以及河中的礫石產(chǎn)生作用，使得礫石在河水沖刷下產(chǎn)生位移和堆積，在河流中就會(huì)出現(xiàn)急流—深潭結(jié)構(gòu)，而在河岸上，則會(huì)出現(xiàn)由礫石與細(xì)沙構(gòu)成的沙(砂)灘。

急流、深潭、沙(砂)灘是天然河流的基本單元，是河流及其河岸共同呈現(xiàn)的自然景觀。在恢復(fù)天然河流以及構(gòu)建生態(tài)河流中，急流—深潭—沙(砂)灘結(jié)構(gòu)是必不可少的。不僅僅只是一種景觀，更是一種河流與河岸相互連接的生態(tài)平臺(tái)。作為一個(gè)天然系統(tǒng)的3個(gè)構(gòu)成要素，這三者之間也存在一些聯(lián)系。

首先，急流和深潭之間的范圍是可以大致劃定的，這主要取決于河流水面的變化。但是，單從急流這一個(gè)因素來看，整個(gè)急流區(qū)域內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)一些小的急流—深潭結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)榧绷飨碌暮拥?，其礫石之間和礫石堆之間同樣會(huì)出現(xiàn)間隙使河水發(fā)生變化。其表現(xiàn)形式就是在急流區(qū)域內(nèi)的河水表面有張有弛，出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。

其次，一個(gè)河段內(nèi)的急流、深潭以及沙(砂)灘之間所占的比例并非一成不變，隨著氣候變化以及河水水位變化，三者在一個(gè)結(jié)構(gòu)單元內(nèi)所占的比例存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，但是一條河道上下游不同河段急流－深潭－沙(砂)灘系統(tǒng)之間每個(gè)單元所占的比例比較接近;上游河段的急流－深潭－沙(砂)灘系統(tǒng)坡降比較大，而下游較小;上游河段的急流－深潭－沙(砂)灘系統(tǒng)河段彎曲系數(shù)沒有明顯的規(guī)律性。

通過研究還發(fā)現(xiàn)，急流－深潭－沙(砂)灘系統(tǒng)中，沙(砂)灘的變化能夠改變河道的彎曲度、深度、寬度等，從而使河水水流發(fā)生變化，進(jìn)而也會(huì)影響到急流與深潭的形態(tài)變化，而急流與深潭的長(zhǎng)期作用也會(huì)使沙(砂)灘發(fā)生形狀和面積上的變化，三者間的變化是相輔相成的，其中一個(gè)因素的變化必然會(huì)帶動(dòng)另外因素，使三者重新達(dá)到一個(gè)新的形態(tài)結(jié)構(gòu)。

［1］趙鵬程，陳東田，劉雪，等.河道生態(tài)建設(shè)的技術(shù)研究［J］.中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)，2011，27(8):291－295.

［2］王西琴，張遠(yuǎn)，劉昌明.河道生態(tài)及環(huán)境需水理論探討［J］.自然資源學(xué)報(bào)，2003，18(2):241－246.

［3］池再香，楊紹洪.黔東南州都柳江流域秋冬春連旱的物理成因分析［J］.貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2000，28(6):30－31.

Investigation in River Channel Parameters of Riffle－Deep and Pool－Sand Pank System in Duliujiang River

MA Zhen，WANG Zhen-hong*，CHEN Chen
(College of Life Sciences，Guizhou University，Guiyang Guizhou 50025，China)

In this study，the Duliujiang River，which had been less affected by human being in Guizhou Province，was selected to as a representive of natural rivers and investigated to understand channel parameters of riffle－deep and pool－sand bank system．The results showed that，from upstream to downstream，the altitude and vertical gradient decrease，and the whole river tends to gradually flatten out．There was no obvious difference in tortuosity among the tested sections．Also，the area and proportion of riffle，deep pool and sand bank did not vary between Pu’an and Sandu．Furthermore，the area of sand bank was positively correlated to that of deep pool and sand bank．The same correlation was also obtained between length and width of the measured points of riffle and deep pool．The proportions of each unite of riffle，deep pool and sand bank were similar among the tested sections．

Dulijiang river;riffle;deep pool;river section;morphological structure

TV147

A

1008－0457(2014)01－0049－04

2013－11－09;

2013－12－03

貴陽市農(nóng)業(yè)農(nóng)村面源污染治理技術(shù)研究與新農(nóng)村建設(shè)示范［筑科農(nóng)合同字(2009－0342)號(hào)］

*通訊作者:E－mail:w_zhenhong@126.com