劉 桉,劉 成,2,冀自青,徐夢珍,李志威

(1.中國水利水電科學研究院,北京 100048; 2.國際泥沙研究培訓中心,北京 100048;3.清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室,北京 100084; 4.長沙理工大學水利工程學院,湖南 長沙 410114)

中小尺度彎曲河流的濱河植被對河灣橫向遷移及河岸穩(wěn)定性具有重要影響。河灣平面形態(tài)的變化由近岸水流引起的河岸侵蝕驅(qū)動。水流對河灣凹岸的頂沖作用和彎道環(huán)流引起的橫向輸沙,使河灣凹岸崩塌,崩塌帶來的部分泥沙被水流帶到下游凸岸[1]。由于植被根系對河岸土體的加固作用,濱河植被的存在一定程度降低了河岸失穩(wěn)崩塌的速率,限制了河道的橫向展寬[2]。同時,濱河植被能夠增大河岸的糙率,降低河道的橫向遷移速率,在彎曲河流凹岸土體表面的植被覆蓋層與水流交界面附近形成強烈紊動,阻礙水流的通暢行進,減弱水流沖刷[3-4]。草本植物根系部分對減少土體沖刷量起著決定性作用[5]。在彎曲河流主要濱河植被面密度大的位置,河岸遷移速率明顯降低[6]。Micheli等[7-8]的野外調(diào)查表明,同一彎曲河流,濱河干旱草場地區(qū)河灣遷移速率為濱河濕潤草場地區(qū)的6倍。由此可見,濱河植被與河灣橫向遷移存在密切聯(lián)系。

不同類型植被對河灣遷移的影響有所差異。黃河源區(qū)彎曲河流發(fā)育密實的高寒草甸型濱河植被,物種豐富,覆蓋度高。濱河植被可有效降低洪水期間凹岸蝕退速率和水流輸沙量,洪水期過后大量泥沙沉積于凸岸,構成新的河岸部分。高寒草甸型彎曲河流的濱河植被主要為莎草科和禾本科植被,具有密集的根系網(wǎng)絡,能夠固定土壤和抵抗水流沖刷[9，11]。根系范圍以下的砂卵石層易受近岸水流淘刷,下部砂卵石層被大量淘刷后,上部植被層懸空,在自重作用下達到臨界狀況并崩塌,崩塌塊在水中將受到浸泡和沖刷,直到植被根系腐爛和分解,失去根土咬合作用后才被水流沖走。河岸土體失穩(wěn)崩塌作用持續(xù)進行,使河灣凹岸不斷遷移延伸,并與凸岸泥沙沉積速率基本保持一致,以維持河灣橫向遷移的整體性。以往的研究集中于河灣塌岸機理的分析和數(shù)值模擬,本文主要側(cè)重于對濱河植被特征與河灣遷移關系的研究,通過實地采樣和統(tǒng)計分析,探討草甸型彎曲河流濱河植被對河灣遷移的影響及其在河床演變過程中的分布特性。

圖1 蘭木錯曲位置及研究河段

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域概況

以黃河源區(qū)河南蒙古族自治縣的蘭木錯曲為研究區(qū)域,于2012—2016年6—7月對該河進行考察和采樣。蘭木錯曲位于青藏高原東緣地形開闊的低丘寬谷區(qū),是黃河上游右岸的一級支流,具有高寒半濕潤的氣候特征,屬于高寒森林草甸帶,河谷區(qū)域廣泛分布著高山嵩草和華扁穗草草甸。蘭木錯曲上游和中游為彎曲河段,下游為限制基巖河段。中下游河段基本與澤曲平行,從瑪曲縣下游多松鄉(xiāng)附近匯入黃河。該區(qū)海拔為3 400～4 200 m,年均氣溫低于-4 ℃,多年平均降水量為329～505 mm[10-12]。蘭木錯曲的植被類型以山地草甸、高寒草甸和高山草原化草甸為主[9],植被覆蓋度高,是典型的草甸型彎曲河流。采樣位置位于蘭木錯曲中游(圖1),該河段全長1.5 km,彎曲系數(shù)為3.4,為卵礫石河床,實測河床中值粒徑為5～40 mm。研究區(qū)域以中生、濕中生植物為優(yōu)勢種,草地植物以莎草科、禾本科、毛茛科、薔薇科、菊科、豆科等植物為主,并有少量灌木分布。

1.2 采樣與分析方法

蘭木錯曲河灣的演變主要受水流、泥沙、植被以及其他自然條件影響,人為干擾較少。進行了河灣凹岸崩塌塊、凹岸植被生物量統(tǒng)計和凸岸植被多樣性統(tǒng)計。在蘭木錯曲研究河段選取7處河灣,如圖1所示,從上游至下游依次編號為1～7。所選擇河段河寬較窄且變化不大,僅3.5～6.0 m,水深小于1.5 m,且河段內(nèi)不同河灣的水流條件、彎曲系數(shù)、曲率半徑和灘槽高差總體變化不大。由于河灣在橫向演變過程中來回遷移,使各河灣凹岸植被有所差異,處于不同的植被演替階段。

草甸型彎曲河流邊岸在水流沖刷作用下發(fā)生破壞,形成崩塌塊。河灣遷移速率的計算通過崩塌塊的總面積除以崩塌時間得到。崩塌塊表面基本呈矩形,其面積由實測獲得。統(tǒng)計的崩塌大多是1 a內(nèi)發(fā)生的,崩塌塊河岸植被與未崩塌的基本一致,崩塌塊側(cè)面開裂位置基本沒有植被生長,在部分傾斜崩塌的崩塌塊表面可見植物彎曲后豎直向上生長。崩塌塊內(nèi)植物根系纏繞土體產(chǎn)生的咬合作用使水流難以將其直接破壞,上一年產(chǎn)生的崩塌塊在秋冬季的凍融循環(huán)和植物自身枯萎腐爛等作用下發(fā)生分解,被次年水流沖刷帶走,即崩塌塊對河岸的保護作用約為1 a[10，13]。小部分崩塌塊由于破碎嚴重、植被較少且有枯萎根系殘留,崩塌時間為2 a。河灣平均遷移速率v定義為

(1)

式中:N為崩塌塊數(shù)量;li、di分別為第i崩塌塊的平均長度和平均寬度;ai為第i崩塌塊的崩塌年限;L為河灣崩塌帶的長度。

草甸型植被發(fā)達的地下根系是影響河流邊岸抗沖刷性能的主要因素,可作為邊岸穩(wěn)定性的指示變量。凹岸植被生物量的采樣方法:在研究河段的7處河灣挖取樣方,選取的樣方位于河灣邊緣2 m內(nèi),大小為30 cm×30 cm,深度為30 cm,以保證獲得的生物量數(shù)據(jù)具有可比性。首先調(diào)查樣方植被組成及物種多樣性等,其次將樣方洗凈后進行晾曬風干,分離出植被根系,并按照植被類型分為草本植被、灌木植被和零碎根系,分別稱重,計算植被生物量。由于野外試驗條件有限,且植被與土壤分離后不易保存,因此未能將植被完全烘干。采樣過程中,當?shù)貧庀髼l件變化較小,采樣時間均為11:00—14:00,且植被根系與土壤的分離方法相同,可用于比較該河段不同凹岸植被生物量對河灣遷移速率的影響。在河灣凹岸頂部附近測得灘槽高差,通過崩塌斷面出露的根系測得平均根系長度,研究河段7個河灣采樣點的統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1。

表1 蘭木錯曲的河灣基本特征

植被多樣性統(tǒng)計方法:從凸岸邊灘頂端向外側(cè)原生草原方向設立基線,在基線兩側(cè)各個植被帶內(nèi)隨機抽取2～4個樣點,用相同方法對各個采樣點進行植被調(diào)查。植被調(diào)查的內(nèi)容包括植被覆蓋度、植被種類、植株數(shù)目,選取物種豐度、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Shannon均勻度指數(shù)作為分析指標[13，15]。樣點的面積為30 cm×30 cm或100 cm×100 cm,由于灌木植被的單株占地面積較大,因此在含有灌木植被的區(qū)域采用100 cm×100 cm的網(wǎng)格進行統(tǒng)計。對各個植被帶做形態(tài)測量,借助差分GPS儀器沿植被帶邊緣定點,記錄經(jīng)緯度數(shù)據(jù),測點間距離為2～4 m,并通過ArcGIS軟件描繪出植被帶分布圖。

2 植被分布格局與特征

河灣凸岸在洪水過后,泥沙沉積產(chǎn)生淤進,植被在凸岸的原生演替開始。對凸岸邊灘植被類型和數(shù)目的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),河岸植被呈帶狀分布,不同的植被帶對應于不同洪水位。凸岸植被的演替主要形成了5種植物群落類型,按照群落演替的階段排列分別為:近岸水草群落、華扁穗草群落、華扁穗草-高原毛茛群落、華扁穗草-高山嵩草群落、金露梅-鵝絨委陵菜群落。群落名稱對應于各群落中的優(yōu)勢種,各群落植被組成見表2。

表2 蘭木錯曲的河灣植被群落組成

凸岸相鄰植被條帶之間高程有一定躍升,條帶邊緣的不同海拔高度對應于不同重現(xiàn)期的洪水,對于典型的凸岸邊灘,不同植被群落呈月牙形分布。代表性河灣3和河灣7的群落分布表明，植被群落寬度對應于不同的演替時長。兩處河灣中,華扁穗草-高山嵩草群落面積最大,表明其向金露梅-鵝絨委陵菜群落的演替需要漫長的時間(圖2)。由于彎曲河流河床演變過程中裁彎的大量發(fā)生,植被演替后期的群落形狀較不規(guī)則。

圖2 濱河植被群落分布

凸岸邊灘頂端附近區(qū)域,由于水面的浮動,時常被淹沒,邊灘表面有卵礫石覆蓋,植被較少,僅稀疏分布,發(fā)育有單一的耐水植被,如狗牙根或水葫蘆苗。凸岸邊灘頂端起第2條植被帶為華扁穗草群落,發(fā)育有低矮的單一植物,且離河岸越遠密度越大,植株相對越高,實測得該區(qū)域華扁穗草密度超過9 000株/m2。華扁穗草-高原毛茛群落有多種多年生植物發(fā)育,植被總體比較低矮。華扁穗草-高山嵩草群落邊緣位置有明顯躍升,更高重現(xiàn)期的洪水發(fā)生時才會淹沒,物種數(shù)達到最大值,發(fā)育有大量多年生植被,且有少量灌木,其中華扁穗草和高山嵩草的密度均在6 000株/m2以上,形成穩(wěn)定的植被群落。金露梅-鵝絨委陵菜群落一般距河岸較遠,長時間內(nèi)未受洪水干擾,有大量金露梅發(fā)育,植被覆蓋度接近100%,金露梅面積約占植被總面積的50%,牧草類植物較少,說明在此條帶中,由于植被演替的推進,草場功能逐漸退化。灌木植被的增加意味著適宜放牧的牧草類植被減少,草場開始向灌叢結構方向演進,該區(qū)域?qū)砜赡馨l(fā)展為灌叢地。

圖3 河灣2凸岸邊灘剖面

沿河灣頂點向外側(cè)植被方向延伸,植被群落逐漸成熟,群落間交界處地形有明顯變化,圖3為河灣2凸岸邊灘剖面。河灣2形狀較為規(guī)則,受到歷史裁彎的影響較小,因此僅列舉河灣2凸岸邊灘植被多樣性統(tǒng)計數(shù)據(jù)。近岸水草群落、華扁穗草群落和華扁穗草-高原毛茛群落帶相對較窄。河灣2凸岸遷移速率為0.2 m/a,由遷移速率和各植被條帶寬度可估算出原生演替至某一類型群落所需的時間。凸岸邊灘原生演替至密集的單一華扁穗草群落需要15 a左右;演替至以華扁穗草為主、其他植被種類較少的華扁穗草-高原毛茛群落需要40 a左右;形成植物豐度最大、植物充分生長、草皮密集的華扁穗草-高山嵩草群落需要60 a左右。圖4為河灣2各條帶植被群落的植被多樣性變化,Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)和Shannon均勻度指數(shù)(E)總體呈增長趨勢,由于華扁穗草群落僅有1種植物,所以H和E均為零。

圖4 河灣2凸岸植被群落多樣性

3 濱河植被與河灣遷移速率的關系

蘭木錯曲河岸土壤分為上下兩層,上層為50～70 cm的土壤層,主要為根土復合體;下層為粗砂和卵礫石,黏性較小。河岸下層易受水流破壞,崩塌塊一方面對河岸具有一定的保護作用,阻止了水流對河岸下層的直接掏刷,使河岸糙率增大[16];另一方面,蘭木錯曲河流尺度較小,大規(guī)模崩塌塊的產(chǎn)生使河流主流偏離凹岸,減小了河岸的近壁切應力,因此崩塌塊不需要完全覆蓋河岸就能減小水流對河岸下層的侵蝕[17-18]。

河灣凹岸在坍岸蝕退的同時,凸岸發(fā)生相應的淤進,且兩者的遷移速率基本一致,彎曲河流在遷移過程中能保持河寬基本穩(wěn)定,河岸的黏性土壤和濱河植被為凸岸的泥沙沉積提供了條件。對于缺乏植被的無黏性土壤河岸而言,凸岸不易形成穩(wěn)定持續(xù)的泥沙沉積,當較大洪水發(fā)生時,凸岸易產(chǎn)生切灘,河道可能會朝分叉或辮狀河道方向演變[3]。

在河灣凸岸,洪水過后水位下降使邊灘出露,邊灘泥沙的沉積為植被生長提供了條件,植被在加固邊灘的同時也攔截泥沙,使凸岸邊灘高度不斷增加,形成一種循環(huán),使得邊灘在洪水作用下不易受到切灘而破壞,從而使凸岸持續(xù)淤進。河灣的遷移同時受到凹岸蝕退和凸岸淤進的影響,保持一個總體穩(wěn)定的河寬。Pizzuto[19]通過長期觀測,認為大洪水對河灣凹岸的侵蝕作用大于凸岸的沉積作用;小洪水使沉積作用大于侵蝕作用,并略使河道束窄。不同重現(xiàn)期洪水規(guī)律性地循環(huán),是導致河寬穩(wěn)定的因素之一。

由于研究河流的尺度較小,無法從遙感影像中獲取遷移速率,本研究通過塌塊統(tǒng)計,采用式(1)估算了遷移速率(表1)。在高寒草甸型植被的控制下,彎曲河流的遷移速率極慢,實測得到的速率為0.02～0.2 m/a,略低于朱海麗等[10]的估計。河灣遷移速率與凹岸植被生物量呈指數(shù)關系(圖5),即凹岸植被生物量越大,河灣遷移速率越小，與國內(nèi)外學者關于植被對河灣遷移速率影響的研究結果基本一致[6-7，20]。由于河流長期演變形成的自然裁彎使河谷不同區(qū)域處于不同的植被演替階段,植物群落組成有所差異,因此生物量是較為恰當?shù)奶娲笜?但受到采樣數(shù)量和儀器的限制,還需要進一步深入研究。

圖5 河灣遷移速率與凹岸植被生物量的關系

灘槽高差和植被覆蓋度與河灣遷移速率無顯著趨勢性關系,但在灘槽高差超過1.5 m的幾個河灣,遷移速率明顯較大,平均根系長度均為50～60 cm。對于灘槽高差較大的河灣,表面植被可能由于河水補給不足而出現(xiàn)水分脅迫的現(xiàn)象,河灣1和河灣2凹岸有大量干枯的金露梅,草本植被的種類較單一。此外,草甸型彎曲河流的濱河植被發(fā)育茂盛,植被覆蓋度與采樣點的選擇密切相關,區(qū)分度有限,這是造成植被覆蓋度對河灣遷移速率的指示效果不明顯的主要原因。

4 河灣遷移作用下的草場更新過程

蘭木錯曲河谷地形開闊,在高寒氣候條件下,耐寒旱的草原植被可以存活和生長,但植被類型較簡單。植株矮小的中旱生華扁穗草和高山嵩草在整個流域占優(yōu)勢,高度為3～10 cm。區(qū)域內(nèi)草甸根系密集,草皮堅實,富有彈性,能耐牲畜踐踏,是良好的天然草場[21]，且此類牧草柔軟,營養(yǎng)價值高,蛋白質(zhì)含量高,具有發(fā)展畜牧業(yè)的有利條件。草場雖然經(jīng)過長期放牧,但總體依然保持較旺盛的生命力,不見大規(guī)模的牧草減少,這與河灣在發(fā)育過程中的遷移密切相關。研究區(qū)域河灣的遷移速率為0.02～0.2 m/a,單個河灣從開始形成到最后自然裁彎需要上百年的時間,未受到河流洪水干擾的區(qū)域內(nèi)植被有充分的時間進行演替。

在河灣凸岸邊灘形成之后,先鋒植物開始少量生長,在十余年內(nèi)演變?yōu)閱我坏牟莸樾腿郝?在此之后多種葉形小、莖少分支的典型高山植物生長,后來灌木類植物演替形成,并逐漸擴展,占據(jù)大部分面積。隨著河灣凸岸植被群落的演替,以高山嵩草和華扁穗草為代表的牧草類植被密度呈先增大后減小的趨勢。在金露梅尚未發(fā)育的區(qū)域,牧草在演替過程中密度逐漸增大,河灣2各植被群落中牧草的密度分別為2 832、9 152、7 500、12 600、425顆/m2,其他植被的密度分別為48、0、1 128、2 192、2 160顆/m2，金露梅作為研究區(qū)域內(nèi)典型的灌木植被,具有叢生植物的特征,為河谷中植被演替后期群落的優(yōu)勢種。金露梅的根系相對較長,發(fā)育有大量須根,在與其他植物的競爭中明顯占據(jù)優(yōu)勢地位。在金露梅-鵝絨委陵菜群落內(nèi),草本植物主要為鵝絨委陵菜,其他高山植物的種類少、密度小,牧草的生長在競爭中受到抑制。

河灣的遷移以凹岸侵蝕崩塌的形式將土壤和植被破壞并分解,水面高差較大的河灣凹岸多數(shù)為金露梅占優(yōu)勢的植被群落。河流遷移和截彎,將破壞不適宜放牧的植被帶并在凸岸形成邊灘,開始新的原生演替。因此,形成了一種牧草先增多后減少再增多的草場更新機制,使得河谷中植被演替長期不斷循環(huán)進行,灌木無法占據(jù)整個河谷的優(yōu)勢地位，給牧草的生長提供了有利條件,但不同位置更新時長有所差別。在亞馬遜河彎曲河段的研究中,存在類似的循環(huán)機制,研究認為秘魯境內(nèi)亞馬遜河的彎曲河段的演變對平原植被具有更新作用,每年約有130 km2的濱河森林被侵蝕破壞,占總面積的0.2%,同理也形成了同等面積的原生演替植被[22]。

5 結 語

對黃河源區(qū)草甸型彎曲河流蘭木錯曲的河灣崩塌塊進行調(diào)查統(tǒng)計和估算,得到河灣遷移速率為0.02～0.2 m/a,遷移速率與河灣凹岸植被生物量呈指數(shù)關系,凹岸植被生物量越大,河灣遷移速率越小。凸岸邊灘植被在演替過程中對應于不同的演替階段形成5種植被群落,呈5個帶狀分布,植被帶之間高程有明顯的躍升。由河灣遷移速率可粗略估計原生演替至各植被群落階段需要的時間:演替至單一華扁穗草群落需要15 a左右,演替至華扁穗草-高原毛茛群落需要40 a左右,演替至華扁穗草-高山嵩草群落需要60 a左右。濱河植被從凸岸邊灘頂端向草原方向多樣性和均勻度總體呈增加趨勢。河床演變造成的凹岸淘刷將演替至后期的植被群落破壞,開始新的原生演替,使牧草類植被重新占據(jù)優(yōu)勢,形成一種草場更新機制,對草場的長期可持續(xù)放牧具有重要意義。鑒于采樣數(shù)據(jù)和研究時間所限,蘭木錯曲的橫向演變與濱河植被規(guī)律并不全面,僅可為同一流域或類似河流尺度、植被條件下彎曲河流的研究提供參考,機制層面還需要進一步深入調(diào)查研究。

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