黄河源区弯曲河群分布与形态及边界条件

2020-02-28李志威

水利水电科技进展 2020年1期

汤韬，李志威,2

(1.长沙理工大学水利工程学院，湖南长沙 410114； 2. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，湖南长沙 410114)

弯曲河流是地球表面分布最广和形态最美的冲积河型，具有蜿蜒曲折的形态、周期性的演变和广泛的适应性。弯曲河流广泛发育于冲积平原、干旱或半干旱草原、热带雨林、极地冻土、沙漠边缘，甚至在冰原、深海、火星也有非冲积弯道的行踪或遗迹[1-3]，是自然河流的内禀性质之一。近60余年以来激起众多国内外学者持续探究其发育条件、形态特征、形成原因、弯道水流、泥沙输移、演变规律和裁弯机理等诸多问题。弯曲河流在世界各地分布广泛，如南美的亚马孙河、美国的密西西比河、我国的渭河、辽河、荆江、汉江、塔里木河和黄河源等[1,3-4]。

黄河源区冲积河谷的地势较平坦，高寒草原、草甸和泥炭广泛分布，如黄南草原、甘南草原和若尔盖湿地；弯曲河流多，如兰木错曲、吉曲、贾曲、白河、黑河、泽曲、麦曲、哈曲、格曲等，这些河流及其支流在玛多-达日草原、若尔盖盆地、黄南草原和甘南草原组成4个弯曲河群。这些数量众多的弯曲河群河岸组成为草地、草甸或泥炭二元结构(上层为根土复合体，下层为非黏性卵石夹沙层或粉沙层)[5]，平面形态蜿蜒迂回，弯曲度高，牛轭湖比比皆是，这是青藏高原河流最美的自然景观之一。弯曲河流在凹岸侵蚀和凸岸淤积的驱动下，弯道经历微弯-弯曲-裁弯-微弯的周期性演变过程，自然裁弯在弯曲河流演变中具有关键作用[1,6]。

黄河源地处青藏高原东北部，区域内遍布弯曲和辫状河流[7-9]，河流地貌特征及河型具有多样性[10]。滨河植被对黄河源弯曲河流的长期演变和维持有重要作用，水沙变化与滨河植被相互作用促使源区内呈现多样的河流地貌单元[11-12]。在全球气候变暖的大背景下，黄河源近几十年的气温呈现上升趋势，气温升高会使黄河源的径流量减少，这将对该区域的生态环境和河道演变造成影响，如辫状河道萎缩、弯曲河道滨河草地退化等问题[13-18]。黄河源的弯曲河流主要是草甸型和泥炭型，如玛曲干流、白河和黑河干流中下游[5, 19-20]。为了综合比较黄河源弯曲河流之间的共性与差异，提出了一个关于弯曲河流分布的新概念——弯曲河群[3]。弯曲河群是指某个区域彼此分别为支流或具有从属关系的干支流，具有相同的弯曲河道类型，共同组成的弯曲河流的一个集合。弯曲河群的定义与河群内弯曲河流的数量无关，但是与区域分布、河流类型、河道形态等有关。深入研究黄河源的弯曲河群，对于认识青藏高原弯曲河流的独特性和保护河流湿地[21-22]具有较重要意义。

本文利用遥感影像和2011—2019年的黄河源野外调查，统计并分析黄河源弯曲河群的河曲带宽度、河道平均弯曲度、牛轭湖分布以及临近颈口裁弯的数量等参数，旨在揭示黄河源弯曲河群的分布与形态特征和探讨其边界条件。

1 研究区域与方法

1.1 研究区域

黄河源区是指黄河流域唐乃亥水文站上游地区，位于青藏高原东北部，涉及青海、四川、甘肃3省，总面积约为13.2万km2，年均径流量约为200亿m3，年均输沙量约为1 000万t。黄河源的水系格局属于树枝型。黄河干流从扎陵湖和鄂陵湖西边流出，左侧的主要支流有优尔曲、西柯曲、东柯曲、尕麻、曲什安河、切木曲、西科河和大河坝河，大部分发源于阿尼玛卿山；右侧主要支流有热曲、东柯曲、柯曲、达日河、吉曲吉昂、哈曲、白河和黑河，大部分发源于巴颜喀拉山和岷山(图1)。

图1 黄河源区主要水系分布

1.2 研究方法

基于Google Earth[21]影像，同时以2011—2018年连续8年黄河源弯曲河流实地考察作为参考，采用河曲带宽度、牛轭湖数量、河道平均弯曲度和河道比降定量描述弯曲河群的形态特征。

河曲带是指弯曲河流周期性演变发展时，由于发生自然裁弯等因素，河道横向迁移的最大范围。河曲带宽度可反映弯曲河流在长时间尺度下对洪泛平原的塑造状况。基于Google Earth 影像，根据河曲带上遗留的牛轭湖、迂回扇等地貌类型，可确定黄河源每条弯曲河流的河曲带宽度。牛轭湖是冲积平原弯曲河流一种常见的地貌形态，也是弯曲河道长期演变的重要标志，是河道演变过程中自然裁弯所遗留的痕迹，其包含的信息往往对于弯曲河道的演变过程有指示作用[24]。对黄河源每条弯曲河流沿程的牛轭湖数量进行统计，牛轭湖的选取原则为其影像清晰可辨，已经消亡及距离河道太远(20倍河宽)的牛轭湖不参与统计。

河道平均弯曲度和河道比降是弯曲河流的重要形态参数。平均弯曲度M可定量表征河流的弯曲程度：

(1)

式中：Lm是河流实际弯曲长度，m；Ls是用ArcGIS将弯曲河段处理后得到的简化曲线长度，视为河流简化曲线距离，m。使用ArcGIS 10.5 Simplify line工具时，将Simplification Tolerance设定为300 m。

河道比降J的计算公式为

(2)

式中：ΔH为河流起点与终点断面的水面高程差，m。

2 黄河源区弯曲河群的分布

弯曲河群是指在某个地区具有相同弯曲河型，且不会相互干扰的支流或者具有从属关系的干支流，由这些河流所组成的河群即为弯曲河群[3]。本文主要针对我国黄河源区的弯曲河群。通过遥感影像的解译与实地考察表明，黄河源区存在4个弯曲河群，沿黄河干流自上而下依次为玛多-达日弯曲河群(a)、若尔盖盆地弯曲河群(b)、甘南草原弯曲河群(c)、黄南草原弯曲河群(d)。统计河流总数为206条，各河群包含河流数依次为31、114、26、31条，其中数量最多、空间分布最广、形态特征最复杂的是若尔盖盆地弯曲河群。4个弯曲河群是黄河源的重要自然河流特征，可以从中等空间尺度分析河群内部弯曲河流的共同特性与边界条件。

黄河源区的地形变化趋势明显，从东向西海拔高程逐渐降低 (从6 254 m下降至2 509 m)。扎陵湖至沙曲区段存在众多山谷，绝大部分支流为辫状河流或者山谷限制性河流(图2)。但是仍然有一小部分支流随着河谷变宽，河曲带也变宽，这些支流在靠近黄河干流时发展成为弯曲河流，比如东曲、多曲、勒那曲、吉曲吉昂等支流，其弯曲河流分布相对分散，大多集中在玛多到达日河段，多为山体限制性弯曲河流，共同组成玛多-达日弯曲河群。夏容曲至黑河区段弯曲河流发育较好，数量较多。在以白河、黑河及其众多支流为主的若尔盖盆地，形成了若尔盖盆地弯曲河群。

图2 黄河源区的弯曲河流分布

兰木错曲至龙羊峡水库段，除主要由泽曲及其二级支流与相邻流域的兰木错曲、永曲等共同组成的黄南草原弯曲河群外，主要是山谷限制性河流和少数辫状河流。在甘肃省西南部，由大夏河和洮河的支流共同组成了甘南草原弯曲河群，主要分布在玛曲、夏河、碌曲，此弯曲河群仅有一部分分布在黄河源区域内，主要在弯曲第一弯内侧的泥炭湿地和高寒草甸地区。

玛多-达日弯曲河群沿黄河干流分布，相比其他3个弯曲河群来说更为分散，从上游至下游，左岸包括扎曲、优尔曲等，右岸包括约古宗列曲、多曲、勒那曲、黑河曲、夏曲、柯曲和吉曲等。玛多-达日弯曲河群的特点是由黄河干流的主要支流组成，与辫状河流混合，是一个较分散的弯曲河群(图3(a))。

图3 黄河源弯曲河群

若尔盖盆地弯曲河群，主要分布于四川的若尔盖、红原和阿坝县，是黄河源的最大的弯曲河群，分布于黄河干流的右岸，从上游至下游依次是夏容曲、贾曲、达日曲、沃木曲、白河、玛尔莫曲、合纳曲和黑河(图3(b))。以白河的弯曲支流从上游至下游有朗米曲、岔布枕曲、龙日曲、达青曲、阿木曲、佐曲、欧木涅曲等。黑河作为若尔盖盆地的最大弯曲河流水系，从上游至下游有德讷合曲、格曲、哈曲、麦曲、热曲、达水曲等，主要分布于若尔盖县城以上，其下游只有少量弯曲河流(如达水曲)。若尔盖盆地弯曲河群是以黑河和白河的干流与支流的弯曲河流为主，还包括少量黄河干流沿程支流，即以相互独立的干流与支流共同组成弯曲河群。

黄南草原位于黄河一弯下游的右岸，面积约为1.27万km2，海拔在3 500 m以上，其弯曲河群以泽曲为主流，泽库县的上游段主要的弯曲支流有左岸的多切河、日俄冬曲和夏德日河，右岸的则曲，河南县的下游段主要的弯曲支流有左岸的浩斗曲、措火日曲，右岸的切儿切河、下五曲、干马儿曲、洞五曲，以及相邻流域的赛欠曲、沃合特曲、兰木错曲和永曲等，共同组成一个弯曲河群(图3(c))。黄南草原的弯曲河群多为干支流的弯曲河流，也包括少量相邻流域独立的黄河一级支流。

甘南草原位于甘肃省西南部，南临四川，西接青海，面积约为2.51万km2，主要分布在甘肃省西南部的玛曲、夏河、碌曲三县。这里地处青藏高原东北部边缘，以高寒阴湿的高寒草甸草原为主，海拔多在3 000 m以上，年平均降水量600～810 mm，年平均气温4℃。甘南草原地处青藏高原的东北边缘，地形复杂，地势西高东低。地貌可分高山草原区、高山森林区和低山丘陵区。在黄河源区域内的甘南草原弯曲河群，主要分布于弯曲第一弯内侧的泥炭湿地和高寒草甸地区，从上游至下游包括赛尔曲、贡曲、尔则曲、纳艾曲、唐迪曲、娘伊曲、朗曲、姚达尔曲、纳尔玛曲、那合地曲等，而且黄河干流有局部河段也是弯曲河道(图3(d))。甘南草原弯曲河群基本都是黄河干流的支流，弯曲河流的长度和宽度都较小。

3 弯曲河群的形态特征

3.1 河曲带宽度

对Google Earth 影像上清晰可辨的黄河自扎陵湖至龙羊峡97条弯曲河流的干流和支流进行统计分析(图4)，发现河曲带宽度超过1 000 m的弯曲河流有贾曲、白河、黑河、热曲。自黄河出扎陵湖之后直至沙曲，20条支流的河曲带都较狭窄，其中河曲带宽度最大为787 m，最小为50 m。这主要是因为沿程左侧的阿尼玛卿山和右侧的巴颜喀拉山对黄河源支流起到明显的限制作用，弯曲河流只能在山谷里发展。

图4 弯曲河群的河曲带宽度

在玛多-达日弯曲河群，山谷是限制这些河流自由发展最主要的因素。在以白河、黑河及其众多支流为主的若尔盖盆地，其地形为冲积平原，坡降比之前要小，适合弯曲河流的发育，形成了若尔盖盆地弯曲河群，河曲带宽度超过1 000 m的弯曲河流都在其中。在这中间最具有代表性的就是黑河和白河，河曲带宽度分别为3 300 m和2 498 m，河群平均河曲带宽度为565 m，是4个河群中最大的。2016年7月实地考察发现，该冲积平原的主要植被是高寒草甸，上层为草本，中间为较厚的泥炭层(0.5～3.0 m)，下层为湖相的粉沙，夹杂河流相的粗沙或卵石，有层理结构。较小坡降的平原、充足的水量及发育的滨河植被使得该地区发育大量的弯曲河流，形成弯曲河群。

位于黄河弯曲第一弯内侧的黄南草原弯曲河群主要由黄河干流的一级支流组成，河流发育与某些若尔盖盆地的河流类似，但是由于地形原因，河曲带宽度相比若尔盖盆地的河流较小，未形成河曲带宽度大于1 000 m的河流。从兰木错曲往下游走，基本地貌为山地，因此主要是山谷限制性河道。在泽曲处形成的黄南草原弯曲河群，其河曲带宽度比之前的两大弯曲河群都要窄，除了泽曲的河曲带宽度为936 m外，各二级支流的河曲带宽度的平均值仅有253 m。黄南草原的弯曲河流形态蜿蜒，滨河草甸密集，属于典型的草甸型弯曲河流。

图5 典型牛轭湖的遥感影像

3.2 牛轭湖分布

对Google Earth 影像上清晰可辨的黄河自扎陵湖至龙羊峡97条弯曲河流牛轭湖分布及临界裁弯情况统计，结果如图5所示。玛多-达日弯曲河群的牛轭湖数量普遍偏低，所有弯曲河流的牛轭湖数量均小于40，其原因仍然与两侧山脉的限制有关。相比之下黄南草原弯曲河群和甘南草原弯曲河群的牛轭湖数量略大，当黄河流至若尔盖盆地时，在广阔的冲积平原上发育众多的弯曲河流，相对平坦和开阔的地形是弯曲河流发展的重要因素。由于有着适合弯曲河流发育的地形条件，若尔盖盆地弯曲河群的牛轭湖数量普遍较多，其中数量最多的河流是黑河，牛轭湖数量达到284，排在其后三位的是黑河的支流哈曲、格曲和德讷河曲，牛轭湖数量分别为177、168和124。此外，若尔盖盆地弯曲河群的临近裁弯口数量也比其他3个河群多。

临近裁弯口的数量可反映弯曲河流生成牛轭湖的速率，在单位时间内，临近裁弯口越多，牛轭湖生成速率也越快。在黄河进入沙曲之后的冲积平原上牛轭湖数量大量增加(图6)，牛轭湖为草原和湿地储存了一定量的水资源，有利于若尔盖草原与湿地的生态环境保护。

图6 弯曲河群的牛轭湖与临界裁弯数量统计

3.3 河道平均弯曲度

图7 弯曲河群的河道平均弯曲度与河道比降的关系

河道平均弯曲度和河道比降是弯曲河流的重要形态参数，通过黄河源弯曲河群206条河流的统计和计算，得到各弯曲河流的弯曲度和比降的关系(图7)。若尔盖盆地的弯曲河道平均弯曲度最大，为2.36；而玛多-达日弯曲河群的平均弯曲度普遍较小，平均仅为1.19。4个弯曲河群的最小弯曲度均接近，约为1.11，但是若尔盖盆地弯曲河群的弯曲度平均值最大，其次是黄南草原、甘南草原、玛多-达日弯曲河群，这说明若尔盖盆地弯曲河群发育最好，同时其弯曲度变化范围也最宽(1.11～2.36)。玛多-达日弯曲河群的河道比降平均最大且每条河流差异性较大，河道比降变化很大(0.002～0.05)，这主要是因为该河群分布在海拔4 000 m以上的地区。其次是黄南草原弯曲河群，有少数弯曲河流的比降超过0.03，而若尔盖盆地弯曲河群和甘南草原弯曲河群比降都较小且有相似的变化规律。若尔盖盆地弯曲河群的最大河宽是其他3个弯曲河群的1.9～4.1倍，而最小河宽相差不大，同样地4个弯曲河群的平均河宽接近(表1)。

表1 弯曲河群的形态参数

4 弯曲河群的边界条件

黄河源弯曲河群的地表覆盖主要是高寒草甸、湿地和草原，因此弯曲河群的来沙量较少，主要来自坡面过程和崩岸入河的泥沙，既有粗颗粒推移质，也有细颗粒悬移质。弯曲河流在发育过程中，水流冲刷和侵蚀凹岸，并在凸岸发生淤积。一般认为，弯曲河流河型的影响因素有水沙条件、床沙粒径、河床比降、滨河植被等，但对于黄河源弯曲河流，最主要的边界条件是滨河植被作用下的河岸二元结构物质组成。为了探究河群之间的异同，对4个弯曲河群进行滨河植被和河岸组成归类(表2)。

表2 黄河源滨河植被种类及河岸物质组成

黄河源的弯曲河流主要有3种：泥炭型弯曲河流、草甸型弯曲河流以及玛曲干流、白河和黑河干流中下游流域的草原型弯曲河流。泥炭型弯曲河流主要分布在若尔盖盆地，弯曲度高，裁弯形式全为颈口裁弯(图8(a),麦曲)。泥炭型河岸上层为草本，中间为泥炭层较厚，下层为湖相的粉沙，夹杂河流相的粗沙或卵石，有层理结构。抵抗近岸水流侵蚀主要依靠河岸的泥炭层和土体能力，植被作用可忽略，崩岸形式为悬挂式张拉破坏。具体来说，洪水期水流淘刷泥炭层下部的粉沙层，直至泥炭层被破坏后，倾倒在河岸坡角，对河岸具有一定的保护作用，特别在中低水位，迫使水流远离近岸。因此，黄河源若尔盖盆地弯曲河群的麦曲、格曲、热曲、哈曲等属泥炭型弯曲河流的支流，依靠由高强度泥炭层和湖相粉沙组成的二元结构抵抗水流冲刷，维持河岸稳定。

草甸型弯曲河流河岸上层为密集的草本，中间为黏土和细沙层，下层为卵石层，其广泛分布于甘南草原，如兰木错曲、泽曲、吉曲等(图8(b),兰木错曲)，弯曲度高，裁弯全为颈口裁弯，少量为斜槽裁弯。其滨河植被多为高寒草甸，这类植被根系发达，与土体结合形成紧密的根土复合体，具有很强的抗剪和抗冲能力。其次，上部根土复合层崩落入河后贴附于坡脚，可减小近岸流速以保护近岸土体受水流直接冲刷。在洪水期，植被的存在能增加水流阻力，截留细颗粒泥沙，抑制凹岸冲刷，同时对凸岸的淤积也起到关键作用。故对草甸型弯曲河流而言，弯曲河型的稳定依赖于由紧密的根土复合体和卵石夹沙组成的二元结构河岸。

对于玛曲干流、白河和黑河干流中下游的草原型弯曲河流(图8(c),黑河下游河段)，弯曲度高，裁弯多为颈口裁弯，极少为斜槽裁弯。凹岸上层为草本根系层，河岸物理组成为湖相的粉沙和河流相的粗沙或卵石，有层理结构，抵抗近岸水流侵蚀主要依靠河岸土体自身的抗冲能力，上层植被根系具有一定作用，崩岸形式为剪切破坏。这类河流基本为河宽较大的干流，河型维持较稳定。