基于过程-形式关系的河流地貌单元分类与识别

于子铖,邓 睿,张 晶,赵进勇*,丁 洋,李 轩

(1.河北工程大学水利水电学院,河北 邯郸 056038;2.河北工程大学河北省智慧水利重点实验室,河北 邯郸 056038;3.中国水利水电科学研究院,北京 100038;4.中国地质大学(武汉)环境学院,湖北 武汉 430074)

地貌单元(100～102m)是水流和泥沙输送过程的物理表现形式,是河段的组成部分,在此尺度内能够反映河流生态系统的结构、功能和过程[1-3]。每个地貌单元都有基本的形态计量属性[4],包括特征形状(几何)、底质组成和空间位置。这些属性的混合可用于绘制和识别地貌单元,并对其进行分类[5-6]。由于相关学者考虑科学问题的角度与出发点不同,故而描述地貌单元的术语有多种形式。在景观生态学中,相同的特征被称为斑块[7];在沉积学中,它们被称为结构要素(Architectural Elements)、形态地层单位(Morphostratigrap-hic Units)、形态发生单位(Morphogenetic Units)[8-9]。地貌单元由河流不同位置的不同过程组合形成(河源区以侵蚀过程为主,下游以沉积过程为主),在任何给定的自然河段内,特定位置都有明显的特征,如弯曲河道内侧一般都有深潭单元。地貌单元是地貌动力作用下的离散实体结构,在某些过程中(如侵蚀、冲积)产生了形式,而形式反过来又影响到过程的性质与效果。相邻地貌单元之间存在联系,如深潭与相邻的浅滩相连为水生生物提供了适宜的栖息地[1],这些单元看起来是独立的,实际上相互连通形成动态系统。

明晰地貌单元组合类型及其空间分布为解释河流类型、行为、状况和恢复提供了有力支撑[2]。评估地貌单元的类型、形成或改造的过程,以及不同水流阶段地貌单元之间的相互作用,可以深入了解河流地貌特征的可变性范围。反过来,不同地貌单元的调整难度也为衡量不同类型干扰事件敏感性的提供了依据[10-12]。从地貌演化的角度来看,不同的地貌单元类型,无论是依据沉积物成分,还是依据其空间位置,都能让人深入了解河流如何随着时间的推移而调整[13]。一些河段可能只反映了当前现状,但大多数河段都存有过去遗留下的地貌单元[14-15]。

很长一段时间内,河流地貌学家的相关研究更侧重于较高分辨率的河段与河流平面分类以及构建分级分类框架来理解河流行为,不太注重地貌单元的详细分类[7]。地貌单元的自然多样性是河流栖息地适宜生存的重要决定因素,河段地形越复杂和多样化,地貌异质性越高,生物可利用的栖息地范围就越广[16]。随着研究的深入,近些年国外对地貌单元的分类进行了展开研究,但国内目前相关研究较少。从栖息地角度出发,Bisson[17]为量化鲑鱼的自然栖息地的类型与组成,研究开发了相关区域地貌单元的详细分类。Hawkins等[18]基于Bisson的研究,结合水流状态的变化,构建了小型河流栖息地单元三级分类系统。从地貌单元过程-形式关系出发, Fryirs和Brierley将地貌单元归为河道中段的沉积、滨岸沉积单元等4类[16]。本文归纳总结了 Fryirs和Brierley地貌单元分类体系,对不同地貌单元的过程-形式关系进行了梳理,以其为基础,以长江一级支流大宁河两河口—后溪河汇入口河段为研究区,结合区域水文地貌特征,对研究区域特征相似、较难精细区分的地貌单元进行整合,科学、精准分类识别了研究区的地貌单元空间分布。

1 Fryirs和Brierley地貌单元分类体系

该体系将地貌单元分为冲积与侵蚀的基岩和巨石单元(Sculpted,Erosional Bedrock And Boulder Units)、河道中段沉积单元(Mid-Channel,Depositional Units)、滨岸沉积单元(Bank-Attached,Depositional Units)、冲积与侵蚀的细粒单元(Sculpted,Erosional Fine-Grained Units)[16]。其中冲积与侵蚀的基岩和巨石单元包括台阶跌水(Bedrock step)、跌水-深潭(Step-pool)、串联跌水(Cascade)、急滩(Rapid)、滑水或平坦河床(Run、Glide、Plane-bed)、强制性浅滩(Forced riffle)、强制性深潭(Forced pool)、跌水潭(Plunge pool)、壶穴(Pot hole)9种地貌单元,冲积与侵蚀的基岩和巨石单元通常是不可改变的,水流和泥沙堆积体只能在其周围进行局部调整,相对于自由形成的河段,该类地貌单元往往形成于坡度陡(高运输能力)、泥沙供应量低的河段;河道中段沉积单元包括深潭(Pool)、浅滩(Riffle)、心滩(Medial bar)、横向沙滩或舌状沙滩(Transverse bar or linguoid bar)、对角滩或菱形滩(Diagonal bar or diamond bar)、伸缩滩(Expansion bar)、江心洲(Island)、巨石丘(Boulder mound)、基岩核心滩(Bedrock core bar)、小砂层(Sand sheet)、碎石垫层(Gravel sheet)、强制中心滩(Forced mid-channel bar)、复合中心滩(Compound mid-channel bar)13种地貌单元,河道中段的地貌单元往往是相对于它们所形成的河道尺寸而言的,这些特征与河流的其他形态属性,特别是河道断面形状和河型有着密切的关系,该类地貌单元长度往往与河宽相同或更大,高度与所在断面平均水深相当,沉积物形状与组成是促进该类地貌单元形成的重要影响因素,其反映了河道输送不同粒径沉积物的能力;滨岸沉积单元包括侧向滩(Lateral bar)、点滩(Point bar)、滚动滩(Scroll bar)、支流汇流滩(Tributary confluence bar)、脊槽和泄槽(Ridge and chute channels)、坡道和点沙丘(Ramp and point dune)、阶梯和点阶梯(Bench and point bench)、岩架(Ledge)、块石护岸(Boulder berm)、凹形护岸台阶(Concave bank bench)、组合附加滩(Compound bank-attached bar)、强制附加滩(Forced bank-attached bar)15种地貌单元,河道滨岸的几何形状反映了河岸侵蚀、沉积过程的综合作用,河道对漫滩沉积特征形成影响,沉积过程产生了一系列滨岸沉积单元;冲积与侵蚀的细粒单元包括侧向侵蚀滩(Sculpted lateral bar)、冲刷潭(Scour pool)、砂架(Ledge)、平滑流动区(Sculpted run)、冲刷潭(Scour pool)5种地貌单元,冲积与侵蚀的细粒单元缺乏可被塑造成不同形式的底质材料,因此范围有限,当沉积物从河岸顶部被侵蚀,河岸底部的底质被冲刷时,形成了与河岸相连的特征。经归纳梳理,将常见地貌单元过程—形式进行详细介绍,具体见表1。

2 大宁河地貌单元分类识别

大宁河位于重庆市东北部巫溪、巫山两县境内,系长江上游下段左岸一级支流(属三峡库区支流),全长162.0 km。本次研究区域为大宁河两河口—后溪河汇入口河段,具体位置见图1,该河段共长9.85 km。基于实地调研,摸清地貌单元的过程、形式是识别的关键。因此,于2021年6月进行实地调研,整体河床比降约为3.76‰,水面比降约为3.05‰,且沿程分布极不均匀,绝大部分落差集中在河段上游位置。河段内无水工建筑物,中游有支流汇入,水流较为湍急。

图1 研究区域

具体分类识别步骤:①明确河流类型,考虑研究对象的实际状况,结合地貌单元分类体系,明晰研究区域可能存在的地貌单元类型;②利用遥感影像-无人机-RTK、流速仪、水深仪等形成空-天-地一体化监测体系开展地貌单元实地调查;③由遥感影像明确河流边界,由无人机明晰植物覆盖程度、水域分布,利用RTK、流速仪、水深仪、标准方孔筛等调查基础水文地貌特征,利用照相法、标尺法、筛分法并结合SL 42—2010《河流泥沙颗粒分析规程》对底质状况进行分类分析,精细识别地貌单元类型及其水动力特征等;④结合分类体系中不同地貌单元类型的过程-形式,对研究区域特征相似、较难精细区分的地貌单元进行整合,如将Fryirs和Brierley地貌单元分类体系中滨岸沉积单元中的侧向滩、点滩统一称为边滩单元,将强制性深潭也归为深潭单元;⑤最后,在空间分析软件Arcgis中进行地貌单元制图。具体流程见图2。

图2 基于过程-形式关系的河流地貌单元分类识别流程

最终所识别的地貌单元类型有:串联跌水、急滩、滑水、深潭、浅滩、缓流区、边滩、心滩。其中,缓流区定义为水较浅、流速较缓,底质组成无组织性,包括漂石、卵石、砾石、沙。结合无人机航拍数据,对局部河段的地貌单元进行示意,具体见图3。

图3 局部段地貌单元分布

基于调研数据,发现串联跌水的水深范围为0～1.2 m、流速范围为大于1.5 m/s,底质组成主要为漂石、卵石、砾石,其中漂石可占40%～60%;深潭的水深范围为大于1.2 m、流速范围为0～1.0 m/s,底质组成主要为漂石、卵石、砾石,其中卵石可占40%～70%;浅滩的水深范围为0～1.2 m、流速范围为0.5～1.5 m/s,底质组成主要为漂石、卵石、砾石,其中卵石可占20%～80%;急滩的水深范围为1.2～2.0 m、流速范围为大于1.5 m/s,底质组成主要为漂石、卵石、砾石,其中卵石可占20%～70%;滑水、平滑流动区的水深范围为1.2～2.0 m、流速范围为1.0～1.5 m/s,底质组成主要为漂石、卵石、砾石,其中卵石可占20%～50%;缓流区的水深范围为0～1.2 m、流速范围为0～0.5 m/s,底质组成主要为漂石、卵石、砾石、沙,其中卵石可占20%～70%。利用ArcGIS软件,得到研究河段的地貌单元类型及空间分布,见图4。

图4 研究河段地貌单元空间分布

串联跌水占河道平面面积的16.43%,深潭占21.51%,浅滩占7.21%,急滩占20.45%,滑水或平滑流动区占16.90%,边滩、心滩占13.59%,缓流区占3.91%。深潭、急滩占比较大,缓流区、浅滩占比较小。由图知,串联跌水多与深潭、急滩相连,形成山区河流常见的跌水-深潭单元,该单元增大了河床阻力与抗冲刷力,稳定了河床与岸坡,在一定的温度和降雨条件下两岸可以发育良好的植被[19]。明确地貌单元可快速识别鱼类栖息地,如该区域特有鱼类为齐口裂腹鱼,其产卵场为急流浅滩区域[20],在2021年6月份实地调研时,在急滩单元发现较多数量的齐口裂腹鱼。

3 结论

关于地貌单元分类与识别的体系,存在国际上不统一、国内研究较少等一系列问题。本文总结归纳了国外成熟的Fryirs和Brierley地貌单元分类体系,并以长江一级支流大宁河作为研究对象,结合研究河流的具体特征,进行了实践及运用。结果表明,基于过程-形式关系可以科学、快速的识别地貌单元类型及其分布。由于分类体系中一些地貌单元的过程、形式关系较为相近,在实际河流、河段的地貌单元分类识别过程中可以根据实际状况进行整合汇总。