王金平，夏繼紅，汪穎俊，竇傳彬，周之悅，葉繼兵，劉 瀚

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；2.龍游縣水利局，浙江 龍游 324400)

0 引 言

河流灘地作為河道水域與陸域的過渡區(qū)域，具有調(diào)蓄洪水、穩(wěn)固河道等功能，對河流生態(tài)健康保護(hù)具有重要意義[1-3]。近年來，在對河流資源開發(fā)利用時，出現(xiàn)河流灘地面積減小、破碎化程度增加等現(xiàn)象引起不少學(xué)者的關(guān)注。例如：Crosato[4]基于河流形態(tài)二階線性物理模型，以河道中灘地發(fā)育的數(shù)量，來預(yù)測蜿蜒型河道和辮狀型河道的相互轉(zhuǎn)換；Defina[5]基于無黏性河道二維形態(tài)動力演變有限元模型，模擬自由沙洲的形成和演變過程；李志威等[6]基于長江、漢江等7條河流不同河段的沙洲形態(tài)，將沙洲形態(tài)概化為橢圓形、竹葉形和鐮刀形3種典型沙洲，并分析典型沙洲的平面形態(tài)與河道的關(guān)系；高進(jìn)[7]對沙洲形狀的概化，提出沙洲的發(fā)育長度公式；孫昭華等[8]通過順直和分汊兩種河型交界位置的洲灘和淺灘動態(tài)特征分析灘地形態(tài)演化；伊紫函等[9]通過形態(tài)指數(shù)定量劃分灘地類型，分析不同類型灘地的時空演化等。然而，現(xiàn)有研究大多針對大型骨干河流單一灘地類型和形態(tài)特征，而對中小河流多灘地時空演化及擾動分析的定量研究則相對較少。本文以浙江省龍游縣靈山港灘地為研究對象，應(yīng)用景觀格局指數(shù)分析分析灘地的時空演化，并在計算擾動度的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討主要擾動因子，以期為河道治理規(guī)劃提供參考。

1 研究區(qū)概況

靈山港位于浙江省西部的仙霞嶺山系東北緣，介于 E119°07′～119°12′，N28°49′～29°03′之間，是錢塘江上游衢江右岸的一條支流，發(fā)源于海拔1 265 m的遂昌縣高坪鄉(xiāng)和尚嶺，流域總面積726. 9 km2。靈山港流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，雨量豐沛，四季明顯。靈山港在龍游縣境內(nèi)的流域面積為367.6 km2，主流長43.79 km，河道平均比降為2.45‰。河道自南往北流經(jīng)沐塵、溪口、靈山、官潭、寺后、上圩頭、龍游縣城，在驛前村附近注入衢江。河道上游沐塵村處建有大(二) 型水庫——沐塵水庫，流域內(nèi)年平均降水量為1 815 mm，年平均徑流總量為4.49 億m3，多年平均徑流深1 037.3 mm，徑流系數(shù)為0.62。該河道灘地資源較為豐富，為維護(hù)河流健康發(fā)揮了重要作用。但是近年來，由于河流資源過度的開發(fā)利用，尤其是河流灘地采砂，灘地的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性遭到破壞，在水流沖刷的作用下灘地總體面積減小，破碎化程度增高，空間分布發(fā)生明顯變化，河流生態(tài)功能退化嚴(yán)重。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)獲取方法

本文分別選取1982年、2003年龍游縣地形圖(1∶10 000)以及2010、2013年Google Earth影像圖(1∶10 000)均用AutoCAD處理圖像，并讀取靈山港不同位置的河寬、主槽寬、河長等基本參數(shù)，讀取河道沿線各灘地的面積、周長、縱徑、橫徑、間距等幾何參數(shù)以及各灘地的位置信息。通過對龍游縣靈山港的現(xiàn)場勘測及相關(guān)資料整理，靈山港上游沐塵村建有沐塵水庫，沿線建有16座堰且兩岸有不同形式的護(hù)坡。在1982-2013年間，靈山港河岸線和河道走勢未發(fā)生明顯變化，河道灘地變化明顯，此次選取的圖像資料均是在10-11月，為枯水期；確定不同典型年份區(qū)間的擾動因子：水力坡度、彎曲度、主槽寬/河寬、平均堰高、水庫距離和采砂強(qiáng)度。

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析方法

將靈山港研究區(qū)域按水力坡降劃分為上游、中游和下游，分別計算流域和區(qū)段的灘地景觀格局指數(shù)，借鑒土地利用動態(tài)度模型，引入灘地擾動度。采用灰色關(guān)聯(lián)分析法計算區(qū)段間在1982-2003年、2003-2010年、2010-2013年擾動度與各擾動因子之間的關(guān)聯(lián)度，進(jìn)而確定不同時間段內(nèi)，擾動因子對灘地演化的貢獻(xiàn)度。

2.2.1 景觀格局指數(shù)計算方法

利用景觀格局指數(shù)可以定量描述景觀格局分布，結(jié)合景觀格局與景觀過程在時間維上的聯(lián)系，來更好地闡述景觀空間格局動態(tài)演化過程[10]。龍游縣靈山港灘地屬于典型的景觀斑塊，本文主要計算灘地密度PD、平均形態(tài)分形維數(shù)FD、平均鄰近度指數(shù)MPI等灘地景觀格局指數(shù)[10,11]。

PD=n/A

式中：A、n分別為研究區(qū)灘地總面積、數(shù)量；Pi和Ai分別為灘地i的周長、面積；h為灘地i與其相鄰灘地的最小鄰近距離。

2.2.2 擾動度計算方法

為尋求能反映灘地的面積、數(shù)量、邊界形狀及空間關(guān)系的變化的指數(shù)，本文借鑒土地利用動態(tài)度模型[12]，引入河流灘地擾動度(DI)。該指數(shù)以PD、FD、MPI三個景觀格局指數(shù)相對變化值乘以一個權(quán)重系數(shù)，最后進(jìn)行求和即可，擾動度大小反映灘地的面積、數(shù)量、邊界形狀及空間關(guān)系的變化程度，計算公式如下。該指數(shù)能反映出河流灘地所受擾動的程度大小。

(1)

式中：DI為擾動度指數(shù)；PDa和PDb分別為研究開始時期及結(jié)束時期灘地斑塊密度；FDa和FDb分別為研究開始時期及結(jié)束時期斑塊分形維數(shù)；MPIa和MPIb分別為研究開始時期及結(jié)束時期鄰近度指數(shù)；T為研究時間范圍；α、β和γ為權(quán)重系數(shù)。

2.2.3 影響因子分析方法

本文采用灰色關(guān)聯(lián)分析法測1982-2003，2003-2010，2010-2013年灘地擾動度變量與擾動因子變量間的關(guān)聯(lián)度，并進(jìn)行綜合比較和排序，確定各擾動因子在灘地時空演化的貢獻(xiàn)度。灰色關(guān)聯(lián)分析法是通過計算灰色關(guān)聯(lián)度來確定系統(tǒng)因素間的影響程度或因子對系統(tǒng)主要行為的貢獻(xiàn)測度的一種方法，其基本思想是根據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯(lián)系是否緊密[13,14]。它對樣本量的多少和樣本有無規(guī)律都同樣適用，不會出現(xiàn)量化結(jié)果與定性分析不符合的情況?；疑P(guān)聯(lián)分析方法計算公式如下：

X0=[x0(1),x0(2),…,x0(n)]

X1=[x1(1),x1(2),…,x1(n)]

Xm=[xm(1),xm(2),…,xm(n)]

(2)

(3)

式中：X0和Xi分別為系統(tǒng)行為特征序列和相關(guān)因素序列；ξi為相關(guān)因素序列Xi的第k個元素與系統(tǒng)行為特征序列X0的第k個元素間的關(guān)聯(lián)系數(shù)；ri為關(guān)聯(lián)度；ρ為分辨率，用來減小Δ(max)過大而使關(guān)聯(lián)系數(shù)失真的影響，人為引入此系數(shù)來提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的顯著性；參數(shù)min和max的取值通過對各個比較序列不同時刻的絕對差值的比較來確定。

由于灰色關(guān)聯(lián)分析系統(tǒng)中各數(shù)列數(shù)據(jù)量綱不同，不便比較或難以得到正確的結(jié)論，為保證結(jié)果的可靠性，在進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析時，需先采用均值變換對數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 灘地演化分析

3.1.1 總體演化特征

在1982-2013年間，靈山港灘地數(shù)量明顯增加，面積大幅度減少。靈山港灘地數(shù)量從1982年的78個增加到2013年的112個，灘地數(shù)量增加43.59%。灘地總面積呈現(xiàn)不斷下降的趨勢，從1982年的208.29 萬m3下降到2013年的120.88 萬m3，灘地總面積減少了41.97%。這說明從1982-2013的31年間，靈山港灘地資源嚴(yán)重萎縮，灘地對河道蓄洪、凈化水質(zhì)、生物棲息等生態(tài)功能在減弱。

3.1.2 格局演化特征

斑塊密度反映景觀破碎化程度，斑塊密度越大，景觀破碎化程度越高，反之則越低。從流域尺度分析，靈山港灘地斑塊密度從1982年的0.374一直增加至2013年的0.960，說明1982-2013年，龍游縣靈山港灘地呈現(xiàn)破碎化演變，空間分布不均勻性在逐漸增加。從區(qū)域尺度分析，由圖1可得各區(qū)段灘地演化各有不同：上游段灘地斑塊密度增加主要在2003-2010年間，灘地斑塊密度由0.548(2003年)增加至0.936(2010年)，中游段灘地斑塊密度一直在增加，灘地斑塊密度由0.384(1982年)增加至1.236(2013年)，下游段灘地斑塊密度從0.252(1982年)增加至0.799(2010年)，在2010-2013年間無明顯增加。從統(tǒng)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析，上游段灘地破碎化表現(xiàn)為灘地數(shù)量增加，灘地的面積有輕微的減少；下游段灘地破碎化主要表現(xiàn)在灘地面積的急劇減少，中游段灘地破碎化在灘地數(shù)量的增加同時伴隨著灘地面積減少。

圖1 斑塊密度演化特征Fig.1 Patch density evolution characteristics

形態(tài)分維數(shù)反映了景觀斑塊的形狀復(fù)雜程度，分形維數(shù)越大，灘地形態(tài)變得越復(fù)雜、越不規(guī)則，在空間上呈擴(kuò)張態(tài)勢，反之則相反。從流域尺度分析，靈山港灘地形態(tài)分維數(shù)由1982年的1.118增加至2010年的1.151、再下降到2013年的1.142，總體呈現(xiàn)上升趨勢，這表明灘地外圍形態(tài)呈現(xiàn)復(fù)雜、不規(guī)則化發(fā)展，在空間上呈窄長化。從區(qū)段尺度分析，由圖2可得上游段灘地形態(tài)分形維數(shù)在1982-2003年間減小，在2003-2013年間增加；中、下游段灘地形態(tài)分維數(shù)在1982-2010年間增加，在2010-2013年間減小，中游區(qū)段的形態(tài)分維數(shù)變化更顯著。各區(qū)段灘地形態(tài)分維數(shù)在時間維度上雖然有減少的情況出現(xiàn)，但是各區(qū)段灘地的形態(tài)分形維數(shù)總體呈現(xiàn)增加的趨勢。靈山港灘地外圍形態(tài)呈現(xiàn)不規(guī)則、窄長化發(fā)展，尤其是2003-2010年間更加明顯。2003-2010年間，對靈山港開發(fā)、建設(shè)與利用過程中，如河道灘地采砂、疏浚河道等，增加了灘地外圍形態(tài)的不規(guī)則化，同時破壞灘地整體尤其是灘地邊坡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，灘地外圍形態(tài)在河道水流沖刷下呈現(xiàn)不規(guī)則、窄長化發(fā)展。

圖2 形態(tài)分形維數(shù)演化特征Fig.2 fractal dimension evolution characteristics

平均鄰近度指數(shù)既可以度量斑塊的分離度也可以度量給定空間范圍內(nèi)斑塊的破碎度，斑塊面積越小且稀疏分布時，平均鄰近度指數(shù)的值越小，反之斑塊面積越大且聚集分布時，平均鄰近度指數(shù)的值越大。從流域尺度分析，靈山港灘地平均鄰近度指數(shù)由1982年的197.68增加到2013年的672.46，又灘地數(shù)量的增加和灘地面積減少，這說明灘地平均鄰近度指數(shù)增加并非是灘地的分離度減小而是由于灘地破碎所致，灘地破碎后灘地的面積雖然在減小，但是灘地最小鄰近距離減小使得平均鄰近度指數(shù)在增加。從區(qū)段尺度分析，由圖3可知上游段灘地平均鄰近度指數(shù)先增加、后減小再增加的現(xiàn)象，中游段灘地平均鄰近度指數(shù)一直在增加，下游段灘地平均鄰近度指數(shù)在1982-2003年間減小，在2003-2013年間增大。在1982-2003年間，靈山港上游段灘地的面積和數(shù)量有少量的減少，但是在姜家至梅村的右岸由于泥沙淤積形成一個面積為0.135 km2，長軸長為1.77 km的灘地。下游區(qū)段平均鄰近度指數(shù)在1982-2003年減小，主要是灘地面積減少使得在空間上表現(xiàn)稀疏分布。其余各區(qū)段灘地平均鄰近度指數(shù)隨時間呈現(xiàn)增加趨勢，主要是由灘地破碎增加所致，而非灘地聚集分布趨勢。

圖3 平均鄰近度指數(shù)演化特征Fig.3 Mean proximity evolution characteristics

通過分析1982-2013年靈山港灘地的斑塊密度、形態(tài)分維數(shù)等景觀格局指數(shù)的演化特征，靈山港灘地格局變化明顯且在2003-2010年變化更顯著，從上游到下游，灘地呈現(xiàn)窄長化的變化趨勢，灘地分布均勻性減弱，破碎程度呈增大趨勢。

3.2 影響因子分析

3.2.1 擾動度變化分析

靈山港灘地區(qū)段擾動度隨時間上均呈現(xiàn)增加趨勢，在2003-2010年時各區(qū)段擾動度均最大，1982-2003年間最小。由圖4可知，在1982-2003年間，由于對靈山港的河流資源的開發(fā)在其自然承載力范圍內(nèi)，此時擾動度DI介于0.16～0.59；2003- 2010年間靈山港新建沐塵水庫、桐子堰、橡膠壩等水利設(shè)施，全線河道在疏浚過程中且存在河流灘地大范圍的采砂，此時擾動度DI介于1.53～3.25；2010年以后靈山港全面禁止采砂，但是由于之前的對灘地采砂，使得原有的灘地結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到破化，在2010-2013年間的灘地的擾動度依舊較大，此時擾動度DI介于0.65～1.26。從1982-2013年，靈山港灘地數(shù)量與面積變化的主要原因是水利設(shè)施建設(shè)以及對河流灘地采砂。結(jié)合靈山港的實(shí)際，河流灘地擾動度能較好的反映靈山港灘地所受擾動程度。

圖4 擾動度指數(shù)變化Fig.4 Disturbance index changes

3.2.2 影響因子分析

關(guān)聯(lián)系數(shù)反映了兩比較序列在某一時刻的緊密程度，關(guān)聯(lián)度則反映了兩比較序列計算時段內(nèi)的平均緊密程度。在灘地演化過程中，關(guān)聯(lián)度越大，表明該擾動因子對灘地格局演化的影響越大，反之則越小。由表1可得：研究區(qū)在1982-2003年間灘地擾動度關(guān)聯(lián)系數(shù)由大到小排序，彎曲度(2.002)>主槽寬/河寬(1.861)>平均堰高(1.725)>水力坡度(1.546)；在2003-2010年間灘地擾動度關(guān)聯(lián)系數(shù)由大到小排序，采砂強(qiáng)度(2.846)>平均堰高(2.811)>主槽寬/河寬(2.633)>彎曲度(2.464)>水力坡度(2.288)>水庫距離(1.413)；在2010-2013年間灘地擾動度關(guān)聯(lián)系數(shù)由大到小排序，主槽寬/河寬(2.787)>彎曲度(2.699)>水力坡度(2.548)>平均堰高(2.506)>水庫距離(1.479)。

表1 典型年份影響因子的關(guān)聯(lián)系數(shù)Tab.1 Correlation coefficient of typical year period

通過灘地擾動度關(guān)聯(lián)系數(shù)的大小可以得出，在不同時間段水庫距離對灘地格局演化貢獻(xiàn)度都很低，其他擾動因子則相差不大。因而選取彎曲度、主槽寬/河寬及水力坡降的擾動度關(guān)聯(lián)系數(shù)均值和采砂強(qiáng)度、平均堰高的擾動度關(guān)聯(lián)系數(shù)均值分別來反映自然和人為擾動因子對河流灘地演化的貢獻(xiàn)度。在1982-2003年和2010-2013年這兩個時間段擾動度DI≤1.26，自然擾動因子對河流灘地演化的貢獻(xiàn)度大；在2003-2010年時擾動度DI≥1.53，人為擾動因子對河流灘地演化的貢獻(xiàn)度大；通過DI為1.26和1.53的自然和人為擾動因子對灘地演化的貢獻(xiàn)度采用線性擬合求出擾動度DI臨界值為1.35。

4 結(jié) 語

(1)1982-2013年間，靈山港灘地數(shù)量增加43.59%，灘地總面積減少41.97%，表明靈山港灘地發(fā)生了較為嚴(yán)重的萎縮和退化。

(2)1982-2013年間，斑塊密度、形態(tài)分維數(shù)、平均鄰近度指數(shù)等景觀格局指數(shù)均增加，表面靈山港灘地格局變化明顯，且在2003-2010年變化更顯著，從上游到下游，灘地呈現(xiàn)窄長化發(fā)展趨勢，灘地分布均勻性減弱，破碎程度呈增大趨勢。

(3)靈山港灘地各區(qū)段擾動度隨時間上均呈現(xiàn)先增加后減少，各個區(qū)段擾動度均表現(xiàn)在2003-2010年間最大，1982-2003年間最小。擾動度DI<1.35時，自然擾動因子如彎曲度、主槽寬/河寬和水力坡度對灘地的格局演化貢獻(xiàn)度比較大，人為擾動因子的貢獻(xiàn)度則相對較小；擾動度DI≥1.35時，人為擾動因子如采砂強(qiáng)度、平均堰高對灘地格局演化貢獻(xiàn)度比較大，自然擾動因子的貢獻(xiàn)度則相對較小。

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