入湖河流尾闾河段河型问题研究进展

2019-03-26邓丽华于明田晏成明

水利水电科技进展 2019年2期

陈珺, 李斌, 邓丽华,于明田,晏成明

(1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098; 2. 河海大学水利水电学院,江苏南京 210098；3.广东水利电力职业技术学院水利工程系，广东广州 510635)

入湖河流尾闾河段位于河流近河口地区,下接湖泊。尾闾河段的演变不仅关系到河道入湖水流排泄是否通畅,而且还影响河口处湖泊地形和湿地面积,因而河湖地区的防洪安全和生态环境保护与其息息相关[1-2]。河型问题是研究尾闾河段演变的基础问题,对其进行研究具有重要的理论和应用价值。多年来,国内外学者对入湖河流尾闾以上河段的河型关注较多[3-5],对尾闾河段的河型研究不多。笔者从入湖河流尾闾河段范围、河型特征、河型成因及转化等方面对已有研究成果进行分析和总结,并对需进一步深入研究的内容作出展望。

1 尾闾河段范围的界定

关于入湖河流尾闾河段的范围,目前还未有一个明确、统一的定义。多数学者通常从地理区域划分的角度界定其范围:彭文启等[6]指出一般入湖河流下游近河口段为尾闾河段;聂芳容等[7-9]给出了湘江、资江、沅江尾闾河段的范围,即从株洲、益阳、德山以下至入湖口河段。此外,也有学者把近河口处主要水文测站以下河段界定为尾闾河段:雷声等[10]在研究鄱阳湖流域五河尾闾时指出,赣江外洲水文站、抚河李家渡水文站、信江梅港水文站等以下河段为尾闾河段。近年来,王旭等[11]指出尾闾河段的范围是一个动态的概念,由入湖河流与湖泊之间的水动力学变化关系所决定,可利用水动力数学模型分别计算出入湖河流在有湖泊高水位顶托和无湖泊顶托作用下的流速沿程分布,通过对比确定流速突变点,从而动态界定出入湖河流尾闾河段距离,并通过该方法界定出了湘江入洞庭湖尾闾河段的范围,即湘潭水文站位置至入湖口河段。该方法在前人的研究基础上有所发展,考虑了尾闾河段的水动力变化,将入湖河流下游受到湖泊水位顶托的河段视为尾闾河段。

图1 鸟足状三角洲及尾闾河段

图2 扇形三角洲及尾闾河段

图3 鸟嘴状三角洲及尾闾河段

2 尾闾河段河型特征

2.1 平面形态特征

入湖河流尾闾河段位于湖泊三角洲平原上,沉积和地貌学界称之为三角洲分流河道,认为是三角洲平原亚相的重要组成部分[12-14]。由于尾闾河段的演变受到湖泊三角洲的影响,其形态与三角洲的类型具有较大的相关性。目前湖泊三角洲的分类方法很多[15-17],按照三角洲的平面形态可分为鸟足状(伸长型)、扇形(舌形或朵形)、鸟嘴状(尖头形)和平直滨岸型4类三角洲[18]。根据以上类型,笔者选取了国内外多个典型湖泊的入湖河流,总结了河流尾闾河段平面形态特征和与之对应的湖泊三角洲类型,见图1～4和表1。

由图1～4和表1可见,不同类型的湖泊三角洲存在对应的尾闾河段平面形态特征,例如，哈萨克斯坦境内的乌拉尔河(入里海)在河口发育有鸟足状三角洲[19],位于其上的河流尾闾汊道分流不多,呈长条形大沙嘴伸入湖中,且延伸较远,外形呈鸟足状河网;俄罗斯境内的伏尔加河(入里海)在河口发育有扇形三角洲[20],其尾闾河段汊道分流较多,呈朵状或半圆状向湖方向展开,各方向的汊道长度接近,形态呈扇形河网;瑞士境内的罗讷河(入日内瓦湖)在河口发育有鸟嘴状三角洲,其上的尾闾河段表现为单一河流入湖,沙坝堆积于河口两侧,使河口向湖突出,平面形状似鸟嘴;俄罗斯境内的沃尔霍夫河(入拉多加湖)在河口发育有平直滨岸型三角洲,尾闾河段呈单一河流入湖,沙坝平行于河口岸线堆积,岸线较为平直。

图4 平直滨岸型三角洲及尾闾河段

表1 尾闾河段平面形态特征与湖泊三角洲类型的对应关系

综上可见,当入湖河流在河口形成鸟足状或扇形三角洲时,其尾闾河段常形成鸟足状或扇形河网,若在河口形成鸟嘴状或平直滨岸型三角洲,则其尾闾河段常形成单一的河道形态。此外,注入同一湖泊的不同河流,其尾闾河段的平面形态也不一定相同,如注入青海湖的布哈河和哈尔盖河分别为鸟足状河网和平直滨岸型单一河道;注入鄱阳湖的赣江和信江,则分别为扇形河网和鸟足状河网。

2.2 河段演变特征

扇形河网尾闾河段在向下游持续不断的分流演变过程中,上下两级汊道存在一定的相关关系。Yalin[21]在假设流量平均分配到下游分支河道的基础上,估算得到连续上下两级河道宽度和深度的函数关系分别为Bk+1≈0.7Bk,hk+1≈0.8hk,其中：B为河道宽度;h为河道深度;k和k+1分别为河道连续上下两级。段冬平等[22]经实测与计算发现,处于不同位置的两处尾闾河段的连续上下两级河道宽度比也近似为0.7(分别为0.72和0.73)。 Olariu[23]通过收集和分析国外扇形河网尾闾河段,得到出现频率最高的河道宽度为200～400 m,深度为1～3 m;河道宽度的出现频率与河道宽度值之间呈非对称关系,大部分样本的数据集中在河道宽度中间值偏左的区域。Syvitski等[24]指出扇形河网尾闾河段的河道宽度出现频率与河道宽度值多数呈对数正态分布。此外,在沉积物特征方面,扇形河网尾闾河段发育的沉积单元种类以及数目较多,例如,赣江尾闾河段发育有边滩、心滩、江心洲、天然堤、河道间湿地、废弃河道、决口河道及决口扇等诸多沉积单元[25]。

河道型尾闾河段通常表现为单一河道形态,其中鸟嘴状尾闾河段的平面形态较为顺直,河道内发育的心滩和沙洲较少;而平直滨岸型尾闾河段曲度相对更大,部分河段存在心滩、边滩及沙洲等沉积单元,但种类和数目较河网型尾闾河段少[26]。

2.3 尾闾河段河型与冲积河流河型的异同

入湖河流尾闾河段有河网型(鸟足状或扇形)和河道型(鸟嘴状或平直滨岸型)两种大类型,这是尾闾河段平面形态的总体格局,钱宁等[27]将尾闾河段以外的冲积河流分为顺直、弯曲、分汊和游荡型4种河型,以下分别就尾闾河段河型和冲积河流4种河型的异同进行探讨。

尾闾河段河型具有的平面形态特征、水力特征及沉积特征在一定程度上与冲积河流河型有相似之处。例如，鸟嘴状尾闾河型在平面形态上与冲积河流的顺直河型较为相似;而平直滨岸型尾闾河型在平面形态(河道弯曲度)上与冲积河流的弯曲河型较为相似,同时有些河道的局部河段也存在心滩、边滩及沙洲等沉积特征,类似于冲积河流中的分汊河型,例如乌尔逊河、哈尔盖河的尾闾河段等。

对于扇形河网尾闾河段,国内外部分学者将其归为入湖三角洲平原网状河型[28-30]。以我国赣江尾闾河段为例,谢庆宾等[29-31]认为赣江尾闾河段具备网状河流所必需的基本要素,是典型的入湖三角洲平原网状河型。在水动力特性方面,赣江尾闾河段较低的坡降(0.011 6%)、小于40的宽深比、小于1.5的河道弯曲度符合网状河流的基本特性[30-31]; 在河岸组成方面,以高黏结性的粉砂质和泥质细粒物质为主也是网状河流的显著特征[29]；在沉积物特征方面,赣江尾闾河段发育了典型的网状河流地貌单元,且河道内多以沙砾石和中细沙为主,其他地貌单元如河漫滩、沼泽则以细粒沉积物为主,这些沉积物特征正是网状河流的主要特点。王随继等[32]进一步对比了网状河流和分汊河流,指出网状河流呈现多个河道相互连接或彼此分离而构成的不规则河道网,其间是面积相对广阔的河间地,且河间地的宽度远大于河道宽度,河岸主要由一元细颗粒结构组成;而分汊河流的江心洲的宽度与河道宽度一般比较相近,河岸主要由泥质和砂质的二元结构组成;另外,网状河流比分汊河流具有更小的宽深比和河道比降等,综合分析表明两种河型有着明显的区别。

而对于鸟足状河网尾闾河段,其整体形态与冲积河流的4类河型无明显相似性,若从单支汊道来看,因其河型属于河流作用极强的河控型,故其单支汊道的特征介于顺直型与弯曲型河型之间。

3 尾闾河段河型成因与转化影响因素

3.1 河型成因

图5 三角洲类型与河流和湖泊的作用关系

入湖河流尾闾河段作为湖泊三角洲的重要组成部分,其河型成因与三角洲密切相关[23,33]。湖泊三角洲的形成和演变主要受河流和湖泊作用的影响,Fisher等[34-35]依据河流和湖泊作用强弱将三角洲分为河控(建设型)三角洲及湖控(破坏型)三角洲,如图5所示,河控(建设型)三角洲包括鸟足状、扇形三角洲;湖控三角洲(破坏型)包括鸟嘴状、平直滨岸型三角洲。河流作用越强时,三角洲越向湖泊延伸发展,三角洲规模越大;湖泊作用越强时,三角洲越容易被湖泊动力搬运和改造,仅在入湖口附近形成较小规模的三角洲。由于三角洲受到河流和湖泊的双重作用,所以发育其上的尾闾河段(分流河道)形态各异,演变成复杂河网和单一河道等不同的平面形态。

河流作用的强弱主要取决于流量和输沙量。Olariu[23]认为尾闾河段河型的形成受到季节性河流流量的变化、推移质与悬移质之比的影响。Roberts等[36]通过现场试验得出河网型尾闾河段的出现是由于高强度洪水时期水流携带大量泥沙所导致。Geleynse等[37]用数值模拟得到当含沙量较高且变辐不大时,河网趋向于径向均匀地延伸,呈扇形分布;而高含沙量下形成的鸟足状河网,则是由于初始时岸堤的不稳定性使得旁侧河道出现,随后上游流量及含沙量减小使得水沙主要集中在主支河道,而旁侧河道淤废,便形成典型鸟足状河网[38]。

湖泊作用主要受风、波浪和沿岸流的影响。朱海虹等[18]在研究滇池、洱海及其入湖河流时指出,当盛行风向与河流流向一致时,波浪、沿岸流微弱,尾闾河段易形成鸟足状、扇形河网,例如滇池的柴河、大河及洱海的弥苴河;而当盛行风向与入湖河流呈高角度相交时,风形成的波浪作用及沿岸流则较强,河流难以展布,三角洲呈鸟嘴状或平直滨岸型,尾闾河段为单一河道,例如滇池的梁王河、捞鱼河。宋春晖等[39]在研究入青海湖河流时也同样指出,风向与河流流向一致的布哈河,受到的波浪作用及沿岸流作用较弱,故尾闾河段形成鸟足状河网;而流向几乎与风向相反的哈尔盖河,滨岸带形成较大的波浪,波浪以一定角度与湖岸相交,进而形成沿岸流,受波浪和沿岸流的强烈作用,三角洲呈平直滨岸型,河流不能直接向湖区伸展,尾闾河段对应为单一河道。

3.2 河型转化影响因素

河型转化是河床演变量变的积累达到一定的临界条件下的质变过程。为了塑造某一特定的河型,必须分析该种河型的控制变量与河型要素之间的因果关系[40]。当控制因素发生改变时,河型也会有与之对应的反馈,从而使其趋向平衡。

流量是影响河型转化的重要因素,Syvitski等[41]指出长时间的流量变化决定着尾闾河段汊道的数量,具体表现为已有河道的淤废及新河道的产生。流量增大时,对于原本受波浪影响的单一河道,近河口处的泥沙迁移使得尾闾河段向河流作用为主导的河网转化[24];而当流量减小时,尾闾分支汊道易不稳定,河道淤废与流量减小成正相关,进而汊道数量减少[42]。不同类型的尾闾河段对于流量改变的响应也有所不同,单一路径为主流的河段受流量改变影响较大,而存在多分汊的河段影响较小,最靠下游的出口段河段受到影响最大[43]。

湖盆水深的变化也是影响河型转化的重要因素。朱筱敏等[44]指出湖平面变化控制着尾闾河段的形态与分布，湖盆水位降低时,水面比降变大,河流作用增强,顺流沉积加速,其上河道形态从朵形河网过渡为扇形,最后形成鸟足状河网[45]。当湖平面上升时,水面比降减小,湖泊可容纳空间增大,湖泊作用增强,河道汊道数量减少[46],此现象在伏尔加河200年前的尾闾河段演变中可以证实:在里海湖平面下降期间,其尾闾河段的汊道数量显著增加;而近年来里海湖平面以每年15 cm的速度上升,导致尾闾河段的汊道数量由1 000条下降到800条左右[23]。湖平面的变化速率对河道演变也有影响,湖平面上升速率越快,河道转化演变越不明显;湖平面下降速率越快,河道演变越明显[47]。

近年来人类对河湖开发活动的影响也受到了较多的关注。相比于其他影响因素,如短、中时间跨度内变化幅度很小的湖盆水深,人类活动如兴建堤坝、滥伐森林等所造成的影响可以在短时间内急剧地改变输沙量及流量,进而导致尾闾河段河型的转化[48]。