(長江科學(xué)院 河流研究所， 武漢 430010)

1 研究背景

長江源區(qū)在青藏高原腹地，平均海拔約4 760 m，直門達(dá)以上流域面積15.7萬km2。長江源區(qū)幅員遼闊，地貌豐富、水系縱橫、形態(tài)萬千。區(qū)域西側(cè)為藏北羌塘內(nèi)陸湖區(qū)[1]，西北部為昆侖山脈東段，西南部為唐古拉山中段和東段，2條山脈平均海拔5 500～6 000 m，山頂均為常年積雪或冰川，兩山之間為廣闊的高原地帶，平均海拔4 500～5 000 m之間，分布著一系列山地和丘陵，相對高度500～600 m，地形相對平坦，高原草甸、濕地、沼澤、湖泊密布。東北側(cè)為巴顏克拉山，海拔4 500～5 000 m，走向為北西—南東，東南側(cè)為唐古拉山東段，海拔5 000～5 500 m，多為高山深谷。

圖1 長江源區(qū)水系分布

整體來看，長江源區(qū)為半封閉狀態(tài)的高原腹地，地勢西高東低，南高北低，河流呈扇形水系分布。受制于當(dāng)?shù)靥厥獾牡刭|(zhì)、氣候條件的強(qiáng)烈影響，新構(gòu)造變形產(chǎn)生的巨型斷裂構(gòu)造及一系列旋卷構(gòu)造和弧形構(gòu)造控制了源區(qū)河流扇形河網(wǎng)水系的發(fā)育[2]。長江源地區(qū)大部分河流目前仍處于天然演變過程中，兩岸河谷地貌保存較為完整，這一方面為研究河流起源和演化提供了很好的佐證，另一方面也為研究河流演變規(guī)律及水沙特性提供了天然的試驗場。但由于長江源海拔高亢、環(huán)境惡劣、交通不便，對深入接觸和實地考察河流地貌帶來諸多困難。目前，針對長江源區(qū)河流地貌的研究多從2個方面入手，一是基于江源地區(qū)水文氣象站實測資料，對降雨量、徑流量、輸沙量等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[3-6]；二是基于遙感影像數(shù)據(jù)，對河流、湖泊等水體的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行量化分析[7-9]。但長江源地區(qū)河流眾多，已有水文觀測資料多集中在沱沱河和通天河干流上，對其他支流水沙觀測甚少。遙感觀測數(shù)據(jù)可以彌補(bǔ)難以接近河流這一不足，但也僅限于對河流形態(tài)特征等的研究上，對河流水沙地貌的現(xiàn)場觀測和研究仍然較少。

本文基于2012—2017年對長江源區(qū)部分河流現(xiàn)場考察和水沙數(shù)據(jù)采集分析結(jié)果，結(jié)合長江源地區(qū)數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)，對長江源楚瑪爾河、沱沱河、當(dāng)曲、布曲、尕爾曲、通天河等河段進(jìn)行河流地貌及水沙特征分析。

2 研究區(qū)域概況

長江源水系可劃分為北源楚瑪爾河水系、正源沱沱河水系、南源當(dāng)曲水系以及干流通天河水系(圖1)。沱沱河發(fā)源于格拉丹東雪山東側(cè)的姜根迪如冰川，以波隴曲匯口為節(jié)點分為上下2段，上段為南北流向，主要接納兩側(cè)冰川融水；下段為西東流向，主要流經(jīng)沱沱河盆地。楚瑪爾河發(fā)源于昆侖山南支可可西里山黑脊山南麓，流域上游分布有諸多高原湖泊，楚瑪爾河水系呈狹長羽毛狀，支流均不長。當(dāng)曲發(fā)源于唐古拉山東段的霞舍日阿巴山東麓的沼澤地，源頭段兩側(cè)對稱平行分布多條支流，下游較大支流有尕爾曲及二級支流冬曲、布曲，當(dāng)曲流域水系呈扇形。直門達(dá)干流起始于當(dāng)曲與沱沱河匯口處囊極巴隴，隨后基本沿一弧形斷裂總體流向北東東，兩側(cè)支流對稱分布，形成平行水系。

長江源地區(qū)河流徑流補(bǔ)給主要來源于降水和冰川雪山融水，直門達(dá)水文站多年(1956—2016年)平均徑流量128億m3，多年平均輸沙量949萬t。

3 研究河段分布及數(shù)據(jù)來源

3.1 研究河流分布

本文基于野外觀測成果及長江源區(qū)DEM數(shù)據(jù)，對長江源干流通天河、北源楚瑪爾河、正源沱沱河、南源當(dāng)曲、當(dāng)曲流域布曲、尕爾曲進(jìn)行分析，各研究河流上分布的至少一個考察斷面。各考察斷面平面位置見圖1，縱剖面位置見圖2。

圖2 考察河流縱剖面及考察點縱向位置

通天河沿程布置3個考察斷面，T-1位于當(dāng)曲與沱沱河匯口下游2 km處，為通天河起點，T-2位于曲麻萊縣通天河大橋下游800 m處，T-3為直門達(dá)水文站斷面；楚瑪爾河布置2個考察斷面，C-1位于青藏鐵路五道梁大橋附近，C-2位于曲麻河鄉(xiāng)水文站；沱沱河考察斷面(Tuo-1)位于沱沱河水文站斷面；當(dāng)曲布置多朝能匯口斷面(D-1)和上游大橋斷面(D-2)；布曲和尕爾曲分別在匯口上游200 m處布置了B-1和G-1考察斷面。

3.2 數(shù)據(jù)來源

本文中河流地貌基于2012年8月—2017年6月現(xiàn)場實拍照片或航拍照片并結(jié)合歷史文獻(xiàn)資料進(jìn)行分析，水流特性采用2012—2017年現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，泥沙特性采用現(xiàn)場采樣加室內(nèi)測驗方法確定。DEM數(shù)據(jù)基于美國SRTM3(Shuttle Radar Topography Mission)雷達(dá)影像數(shù)據(jù)制成的數(shù)字地形高程模型DEM(分辨率90 m)，并運(yùn)用ArcGIS 9.3地理信息系統(tǒng)軟件提取研究河流縱剖面及河谷橫剖面。

4 河流地貌及水沙特征

4.1 河流地貌及河谷形態(tài)

本節(jié)繪制了考察河段的河谷剖面圖，結(jié)合斷面實拍照片，對各河段特性及河谷形態(tài)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析，成果見圖3及表1。

圖3 各河段考察點河谷剖面形態(tài)及地貌照片

通天河自囊極巴隴至直門達(dá)水文站，全長約886 km，河道坡降沿程逐漸變陡。T-1斷面河谷寬淺，兩側(cè)谷坡平緩，左側(cè)為囊極巴隴山體，右側(cè)則無明顯約束，此處河道床面寬超過4 km，水流散亂，汊道縱橫，洲灘密布，平面呈現(xiàn)游蕩性，洲灘組成多為砂礫石且無植被；T-2河谷相對寬淺，兩側(cè)有山體約束，河道平面呈彎曲分汊形態(tài)，河漫灘及兩岸階地發(fā)育完整，河道中部有江心洲分布，洲灘上均有植被；直門達(dá)斷面(T-3考察點)河谷窄深，兩側(cè)谷坡傾角>60°，河道平面形態(tài)單一順直，河道寬僅200 m，河床組成為卵礫石及漂石。

表1 考察河段河谷地貌形態(tài)特征值

沱沱河全長約358 km，平均比降為2.69‰，比降沿程逐漸變緩。Tuo-1斷面河谷寬4 km，兩側(cè)無明顯約束，河道寬1 500 m，水流散亂，洲灘及岸坡植被稀少，平面形態(tài)為游蕩型。

楚瑪爾河全長約530 km，平均比降1.27‰，為平均比降最緩的支流，流域上游坡降尤其緩，分布有多個次高原湖泊、沼澤。C-1斷面河谷寬淺，谷底坦蕩，河水呈紅色，水流散亂、汊道眾多，平面形態(tài)為游蕩型，兩岸植被稀少，洲灘組成為多沙質(zhì)。C-2斷面位于楚瑪爾盆地邊緣山區(qū)地帶，兩岸崗丘低緩錯落，河谷相對寬淺，兩側(cè)受山體控制，河道寬約1 km，水流流路不一，洲灘縱橫，平面形態(tài)為多股分汊型，洲灘上主要為卵礫石且無植被。

當(dāng)曲全長約357 km，河床平均坡降1.62‰，D-1考察斷面河谷較窄，河道呈溝谷形態(tài)，河床為砂礫，主要為灰?guī)r、砂巖、花崗巖與石英巖[10]；D-2考察斷面位于D-1下游15 km處，此處河谷寬淺，兩側(cè)基本無約束，河道水流散亂，呈多股分汊態(tài)勢，河床仍為砂礫石，洲灘無植被。

尕爾曲及布曲均發(fā)源于冰川，河流平均縱比降較陡，其中尕爾曲平均坡降4.65‰，為考察河流之最。G-1、B-1河谷形態(tài)類似，河床相對較寬，平面呈單一微彎河型。

根據(jù)以上分析，可將觀測河段的河谷地貌分為3類：高原沖積河型、丘陵寬谷河型和高山峽谷河型。其中：高原沖積河型河谷寬淺、兩岸無明顯約束，河床寬也多在1 km以上，平面為游蕩型或多股分汊型，包括T-1、C-1、Tuo-1、D-2；丘陵寬谷河型河谷相對寬淺、兩側(cè)或一側(cè)有低矮山體，限制了河道的平面擺動，但由于河道相對較寬，平面除單一河型外，還可發(fā)育彎曲分汊或多股分汊形態(tài)，包括T-2、C-2、D-1、B-1、G-1；高山峽谷河型則河谷窄深，河道受兩側(cè)山體控制，平面形態(tài)單一，T-3為典型峽谷河型。

4.2 河段水沙特性

4.2.1 徑流輸沙特征

長江源地區(qū)直門達(dá)水文站5月份多年平均流量為278 m3/s，6月份多年平均流量為607.5 m3/s。根據(jù)歷次野外觀測數(shù)據(jù)，統(tǒng)計了研究河段水沙情況，見表2。2017年5月底，通天河直門達(dá)段(T-3)流量為388 m3/s，上游T-1流量為158 m3/s，沱沱河及楚瑪爾河匯口附近河段流量約20～30 m3/s，經(jīng)推算當(dāng)曲流量約100 ～120 m3/s，為流量最大的源頭支流；通天河T-1、T-2斷面主汊流速相對較大，當(dāng)曲干支流各斷面流速均不大；通天河各斷面懸移質(zhì)輸沙率相差不大，直門達(dá)輸沙率為38.8 kg/s；源頭支流中楚瑪爾河、沱沱河懸移質(zhì)輸沙率分別約2.4 kg/s和5 kg/s，當(dāng)曲源頭河段基本不輸沙，尕爾曲及布曲輸沙率也很小。

4.2.2 懸沙及床沙特征

由表2可知，通天河T-1斷面懸移質(zhì)含沙量為0.3 kg/m3，懸沙中值粒徑為97.3 μm，泥沙組成主要為粉砂，分選相對較好；下游2個河段含沙量逐漸下降，且懸沙成分也不同于T-1斷面，這2個河段懸沙中值粒徑很細(xì)，僅10 μm左右。通天河干流各考察斷面懸沙分選比均不大，組成比較均勻，表層新淤床沙相對較粗，中值粒徑在20 mm以上，分選情況相對較好。

楚瑪爾河C-1斷面含沙量為0.3 kg/m3，懸沙中值粒徑為138.4 μm，分選比僅為1.6，即懸沙粗且均勻，C-1含沙量及懸沙中值粒徑相對較小。兩個考察斷面的床沙中值粒徑均很小，接近懸沙中值粒徑，分選比也相對比較小。

沱沱河Tuo-1斷面的懸移質(zhì)含沙量為0.15 kg/m3，懸沙中值粒徑與床沙中值粒徑基本相等，約0.2 mm，且懸沙與床沙均比較均勻，與楚瑪爾河C-1斷面非常相同。

當(dāng)曲干流源頭2個河段水流含沙量非常小，水流中主要為粒徑<0.063 mm的懸浮黏粒。而床沙則較粗，均值粒徑約為20 mm。

布曲和尕爾曲含沙量均比較小，布曲懸沙很細(xì)且非常不均勻，尕爾曲懸沙較布曲更細(xì)。2個河段床沙很接近，均比較粗，磨圓度也差。

4.2.3 各河段懸沙級配曲線分布特征

圖4繪制了2017年各考察點的懸沙級配曲線。

表2 研究河段水沙情況

注：泥沙分選比采用D75/D25。

除布曲B-1考察點外，其余考察點的懸沙級配曲線分布在2個區(qū)域，右側(cè)區(qū)域懸沙較細(xì)且不均勻，主要為丘陵坦谷河型和高山峽谷河型，河道相對較窄，水流相對集中；左側(cè)區(qū)域懸沙相對較粗且比較均勻，主要為高原沖積河型，河段平面形態(tài)相對不規(guī)則，水流分汊多，含沙量也相對較大。

圖4 各河段懸沙級配曲線

由此可知，河流水沙與斷面形態(tài)有一定的相關(guān)性，圖5點繪了各河段床面寬度與河流含沙量關(guān)系曲線。圖5顯示，含沙量與河床寬呈現(xiàn)較明顯的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.82。結(jié)合前述分析，水流含沙量越大，懸移質(zhì)粒徑往往也大、分選比相對較好，水流與河床之間產(chǎn)生泥沙交換比較頻繁，亦即河床容易產(chǎn)生沖淤調(diào)整，而寬河床給水流橫向侵蝕提供了充足的空間，從而導(dǎo)致游蕩或分汊河型發(fā)育。

圖5 各河段河床寬與含沙量相關(guān)關(guān)系

5 結(jié) 論

(1)長江源地區(qū)河流地貌有高原沖積河型、丘陵坦谷河型、高山峽谷型。其中:高原沖積型河谷寬數(shù)公里，河道平面多發(fā)育為游蕩或多股分汊；丘陵坦谷河型平面則發(fā)育為彎曲分汊、多股分汊以及單一河型，河漫灘和階地比較明顯；高山峽谷型河道則受兩側(cè)山體嚴(yán)格控制，平面形態(tài)多沿山體走向，發(fā)育為順直或彎曲河道。

(2)長江3個源頭支流當(dāng)曲流量最大，沱沱河匯口處流量大于楚瑪爾河；輸沙率分布則表現(xiàn)為沱沱河最大、楚瑪爾河其次、當(dāng)曲最小。

(3)幾個典型游蕩型河道均表現(xiàn)為懸移質(zhì)含沙量較大，粒徑較粗，分選好，而床沙相對較細(xì)，中值粒徑接近懸沙；同時，含沙量與河床寬呈正相關(guān)關(guān)系。這在一定程度上解釋了游蕩河型產(chǎn)生的原因：水流造床能力大，懸沙和床沙的交換導(dǎo)致河床不斷處于沖淤調(diào)整之中，而兩岸無明顯約束導(dǎo)致河床可以橫向拓展，不斷發(fā)展新的水流流路。

本文結(jié)論多基于近期野外查勘資料初步分析得出，具有一定的針對性和特殊性。對于整個長江源區(qū)的河流地貌及其他河流的水沙特征總結(jié)歸納尚需進(jìn)一步收集資料、補(bǔ)充觀測頻次和河道斷面。

致謝：感謝長江科學(xué)院江源科考隊徐平和王東為本文提供圖片，閔鳳陽等人參與泥沙樣品檢測分析。