都柳江上中下游急流—深潭—沙(砂)滩系统河道参数调查研究

马振，王震洪，陈晨

(贵州大学生命科学学院，贵州贵阳550025)

都柳江上中下游急流—深潭—沙(砂)滩系统河道参数调查研究

马振，王震洪*，陈晨

(贵州大学生命科学学院，贵州贵阳550025)

以贵州省境内人工干扰较少的都柳江为研究对象，对普遍存在于天然河道中的急流－深潭－沙(砂)滩系统河道参数进行调查和分析。结果表明，都柳江从上游到下游，海拔和纵比降逐渐减小，整个河流逐渐变得平缓; 3个考察河段的弯曲系数差异不明显;在上游普安和中游的三都，河段的急流－深潭－沙(砂)滩的面积和比例接近;上中下游河段各测点的急流－深潭－沙(砂)滩系统中，沙(砂)滩面积与深潭和急流的面积呈现正相关关系，急流与深潭的长度与宽度也呈正相关关系，一条河道上下游不同河段急流－深潭－沙(砂)滩系统之间每个单元所占的比例接近。

都柳江;急流;深潭;河道;形态结构

纵观人类文明的发展历程可以看出，世界上大多数文明的发展都是沿天然河流发展起来的。随着生产力的提高，人们与河流的关系也在不断地发生变化，其相互关系先后经历了依赖河流、改造河流以及修复河流三大阶段。对于河流的改造，主要形式是兴修水利，以此来满足人们生产生活的需求。但是随着人们对自然改造能力的不断增强，使得很多河流被过度开发，导致河道空间发生畸变，引起水环境质量下降，威胁人类的生存［1］。河流的环境质量直接影响到沿河城市的质量，在河流遭到过度开发和严重污染的今天，人们需要对已被人工改造和遭到过度开发的河流进行生态修复，以维持河流环境的可持续发展。

河流是自然界中水的重要载体，在河流生态系统修复中如何处理水与河道环境的相互作用与关系就显得十分重要［2］。针对河道已有的改造方式以及利用程度，对河流进行生态修复的模式也多种多样。但是无论国内还是国外，只要涉及河流生态修复，就必然要以自然河流环境为模版。人工生态修复后的河流，其模式基本上都是以自然或者仿自然形态的河流为主，再辅以少量必要的人工设施，完善或增加河流的功能。因此，对天然河道的形态结构进行研究是非常必要的。

通过调查发现，天然河流一般由形态上具有差异的急流、深潭和沙(砂)滩构成，并在河流中不断重复出现，急流—深潭—沙(砂)滩系统是天然河流生态系统的基本单位。急流—深潭—沙(砂)滩系统是河流生态动力学作用的结果，同时在形态上具有差异又影响着河流生态动力学过程。本文以贵州省人类干扰轻微的都柳江为研究对象，对都柳江上中下游天然河流或人工影响较小的河流的急流、深潭、沙(砂)滩系统的河道参数进行调查，分析形态结构。

1 研究方法

1.1 概况

都柳江发源于贵州省独山县西北，在贵州境内流经独山、三都、榕江、从从江县进入广西，在广西境内称融江。整条河流位于云贵高原向湘、桂丘陵过渡的斜坡地带［3］，从地势可以看出，整条河流的走向是由西到东，海拔逐渐降低。河流流经的地区大部分为少数民族地区，喀斯特地貌发育，河道蜿蜒曲折，森林植被茂密，人类干扰较轻，河流形态结构天然性良好。

1.2 研究方法

选取都柳江上游的普安、中游的三都以及下游的榕江3个河段进行调查研究，每个河段至少包括3个急流－深潭－沙(砂)滩系统。普安河段位于北纬26°04'31.14″～26°04'10.08″，东经107°48' 31.41″～107°48'31.91″。三都河段位于北纬25° 58'49.71″～25°59'04.13″，东经107°53'26.39″～107°53'34.73″。榕江河段位于北纬25°54'27.68″～25°54'36.94″，东经108°29'51.56″～108°29'38.24″。

采用Google Earth软件，对上述3个河段进行卫星定位，对宏观指标进行数据提取。包括河段两个端点间的直线距离、河道中心线的总长度和河道中心线的海拔。根据河道弯曲系数的定义，河道中心线长度与海拔差值的比值即为该河段的河道弯曲系数。野外开展工作是在每个河段上各选取3个急流—深潭—沙(砂)滩系统作为研究样本，实测河道参数，描述河道形态特征。

2 结果与分析

2.13 个河段海拔及纵比降

3个地区的海拔测量主要采用Google Earth软件对所考察的河段河道中心线进行测定。上中下游的考察河段各选取6个点进行测量，每个点之间的间隔为80 m左右。3个地区的海拔变化如图1所示。由图可以看出，普安河段的海拔落差最为显著，达到了23 m;其次为三都河段，海拔落差为9 m;而榕江海拔河段落差仅为3 m。都柳江从上游到下游其海拔数值的波动逐渐减小，整个河流逐渐变得平缓。

图1 3个河段的海拔变化Fig．1 Altitude change of three river sections

纵比降是指水面水平距离内垂直尺度的变化，是水面上的两点高差与这两点间的水平距离的比值，它在一定程度上能够说明河流的垂直走向。结合图1的海拔变化，3个河段各测点之间的纵比降值如表1所示。由表可以看出，普安河段的比降无论在变化上还是数值上都是最大的，三都河段次之，榕江河段最小。纵比降能说明河流在该河段的流速大小，比降值越大，则流速越大。

表1 考察河段海拔测点间的纵比降值Tab．1 Vertical gradient between the measured points of three sections

2.23 个河段弯曲系数的变化

弯曲系数是描述一条河流在某一河段的河道弯曲程度的指标。计算公式为Ka=L/i，其中，L是河段两处端点间的河道中心线长度，i为该两点之间的直线距离，Ka是弯曲系数。Ka值越大说明河道越弯曲。根据所研究的河段的具体情况，河道弯曲处两侧的端点选择为河道开始出现明显弯曲的地点，如果相邻之间出现连续的弯道，则以两个弯道间河道中心线的中点为端点。经过测量计算，3个考察河段的弯曲系数差异不明显(表2)。

表2 3个考察河段弯曲系数mTab．2 Tortuosity of three investigated river sections

2.3 河道中急流－深潭－沙(砂)滩的面积关系

表3为不同河段急流－深潭－沙(砂)滩的面积大小。在上游普安地区，三者间面积最为均衡。中游三都地区急流所占面积偏大，但是三者间的比例差距并不太大。在榕江河段，沙(砂)滩面积远远超过了急流与深潭的面积，甚至是后两者面积之和。结合比降变化和实地情况看，榕江河段比降小，河道宽，深潭－沙(砂)滩面积明显比中上游要大，再加上考察的榕江河段上游不远处有一处人工堤坝，减小了河水流量，因此急流面积小，沙滩出露多，面积就变得非常大。通过计算，各个河段急流—深潭—沙(砂)滩系统面积比例见表4。由表4可以看出，在考察河段上游没有水坝，河道水体可自由流动的普安和三都河段，急流、深潭、沙(砂)滩之间的比例很接近，而在榕江河段则差异很大，主要是受上游人工堤坝的影响。

表3 3个考察河段急流、深潭、沙(砂)滩面积比较m2Tab．3 Area comparison of riffle，deep fool and sand bank among the investigated river sections

表4 急流、深潭、砂滩在各考察河段的面积比例Tab．4 Area proportion of riffle，deep fool and sand bank of the investigated sections

急流－深潭－沙(砂)滩系统是天然河流最常见的结构单元，三者都是由于河道走势以及河水作用而产生的自然现象。尽管都是一个结构单元里的组成部分，但在河道比降变化、河道弯曲变化及季节气候变化以及由此而产生的河水流速的变化等因素的综合作用下，三者在结构单元里所占的比例会出现很大的变化。但是，一条河道上下游不同河段每个单元所占的比例应该是比较接近的，通过河流上、中、下游沙滩面积分别与急流和深潭面积进行回归分析证明了这一点。由图2表明，急流与相邻沙(砂)滩面积的回归方程为y=1.491 6x+ 215 4.4，决定系数为0.29，属于不相关，主要原因是由于受此段人工堤坝影响，水量减少，沙(砂)滩面积增大，急流面积减少。如果去除榕江河段受水库堤坝影响的这两点的话，则回归方程:y= 0.933 9x+50.901，其决定系数为0.92，属于高度相关。由于人工堤坝对下游深潭面积减少的影响较小，深潭与相邻沙(砂)滩面积的回归方程为y= 3.304 2x－1 965.9，决定系数为0.92，呈高度相关。

2.4 急流与相邻深潭区域长度与宽度的相关性分析

利用急流长度和宽度与深潭长度进行回归分析发现，它们之间具有很好的相关性(图3)，其中，急流长度与深潭长度的回归方程为y=0.987 6x+ 10.028，其决定系数为0.65;急流长度与深潭宽度的回归方程为y=1.078 9x－8.062 9，其决定系数为0.61，它们之间都为中度相关。

图2 沙(砂)滩面积分别和相邻的急流(A)和深潭(B)面积的关系分析Fig．2 Regressive analyses between the riffle area and the areas of the adjacent sand banks and deep pools．

图3 急流长度宽度与相邻深潭长度宽度的回归分析Fig．3 Regressive analysis of length and width between riffle and its adjacent deep pool

3 讨论

从整体来看，海拔高度与河道结构决定了河流水势的变化，而水势的变化反过来又可以在长期的作用下改变河道原有的结构。本次实地考察都柳江的3个河段，从河道外形上看，都属于蜿蜒摆动形态。坡降以及河道形态决定了河水的流向及速度的变化，而河水的长期冲刷也能改变河道的形态。急流、深潭、沙(砂)滩就是河水与河道长期相互作用而产生的结构。急流的产生是河中水流与河道砾石的共同作用的结果，其形态主要取决于河水水流的大小以及河道砾石的堆积形态。在急流处，河水的水势相比起平缓的河段来是比较大的，水流的冲刷力往往会在急流下游方向的河道中冲刷出一个槽状或者碗状的凹地，即为深潭。在天然河流中，急流与深潭往往是相邻的，并且会在整个河流中反复出现。急流—深潭结构反复出现的河段会使河底往往会出现阶梯的形态，急流则是连接这些“阶梯”的通道与纽带。在河流弯曲处，由于河道摆动形态的变化，使得河水的势能发生改变，进而对河岸以及河中的砾石产生作用，使得砾石在河水冲刷下产生位移和堆积，在河流中就会出现急流—深潭结构，而在河岸上，则会出现由砾石与细沙构成的沙(砂)滩。

急流、深潭、沙(砂)滩是天然河流的基本单元，是河流及其河岸共同呈现的自然景观。在恢复天然河流以及构建生态河流中，急流—深潭—沙(砂)滩结构是必不可少的。不仅仅只是一种景观，更是一种河流与河岸相互连接的生态平台。作为一个天然系统的3个构成要素，这三者之间也存在一些联系。

首先，急流和深潭之间的范围是可以大致划定的，这主要取决于河流水面的变化。但是，单从急流这一个因素来看，整个急流区域内也会出现一些小的急流—深潭结构，这是因为急流下的河道，其砾石之间和砾石堆之间同样会出现间隙使河水发生变化。其表现形式就是在急流区域内的河水表面有张有弛，出现明显的波动。

其次，一个河段内的急流、深潭以及沙(砂)滩之间所占的比例并非一成不变，随着气候变化以及河水水位变化，三者在一个结构单元内所占的比例存在此消彼长的关系，但是一条河道上下游不同河段急流－深潭－沙(砂)滩系统之间每个单元所占的比例比较接近;上游河段的急流－深潭－沙(砂)滩系统坡降比较大，而下游较小;上游河段的急流－深潭－沙(砂)滩系统河段弯曲系数没有明显的规律性。

通过研究还发现，急流－深潭－沙(砂)滩系统中，沙(砂)滩的变化能够改变河道的弯曲度、深度、宽度等，从而使河水水流发生变化，进而也会影响到急流与深潭的形态变化，而急流与深潭的长期作用也会使沙(砂)滩发生形状和面积上的变化，三者间的变化是相辅相成的，其中一个因素的变化必然会带动另外因素，使三者重新达到一个新的形态结构。

［1］赵鹏程，陈东田，刘雪，等.河道生态建设的技术研究［J］.中国农学通报，2011，27(8):291－295.

［2］王西琴，张远，刘昌明.河道生态及环境需水理论探讨［J］.自然资源学报，2003，18(2):241－246.

［3］池再香，杨绍洪.黔东南州都柳江流域秋冬春连旱的物理成因分析［J］.贵州农业科学，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

贵阳市农业农村面源污染治理技术研究与新农村建设示范［筑科农合同字(2009－0342)号］

*通讯作者:E－mail:w_zhenhong@126.com