陳 珺, 李 斌, 鄧麗華,于明田,晏成明

(1.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 2. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098；3.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利工程系，廣東 廣州 510635)

入湖河流尾閭河段位于河流近河口地區(qū),下接湖泊。尾閭河段的演變不僅關(guān)系到河道入湖水流排泄是否通暢,而且還影響河口處湖泊地形和濕地面積,因而河湖地區(qū)的防洪安全和生態(tài)環(huán)境保護(hù)與其息息相關(guān)[1-2]。河型問(wèn)題是研究尾閭河段演變的基礎(chǔ)問(wèn)題,對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的理論和應(yīng)用價(jià)值。多年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)入湖河流尾閭以上河段的河型關(guān)注較多[3-5],對(duì)尾閭河段的河型研究不多。筆者從入湖河流尾閭河段范圍、河型特征、河型成因及轉(zhuǎn)化等方面對(duì)已有研究成果進(jìn)行分析和總結(jié),并對(duì)需進(jìn)一步深入研究的內(nèi)容作出展望。

1 尾閭河段范圍的界定

關(guān)于入湖河流尾閭河段的范圍,目前還未有一個(gè)明確、統(tǒng)一的定義。多數(shù)學(xué)者通常從地理區(qū)域劃分的角度界定其范圍:彭文啟等[6]指出一般入湖河流下游近河口段為尾閭河段;聶芳容等[7-9]給出了湘江、資江、沅江尾閭河段的范圍,即從株洲、益陽(yáng)、德山以下至入湖口河段。此外,也有學(xué)者把近河口處主要水文測(cè)站以下河段界定為尾閭河段:雷聲等[10]在研究鄱陽(yáng)湖流域五河尾閭時(shí)指出,贛江外洲水文站、撫河李家渡水文站、信江梅港水文站等以下河段為尾閭河段。近年來(lái),王旭等[11]指出尾閭河段的范圍是一個(gè)動(dòng)態(tài)的概念,由入湖河流與湖泊之間的水動(dòng)力學(xué)變化關(guān)系所決定,可利用水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型分別計(jì)算出入湖河流在有湖泊高水位頂托和無(wú)湖泊頂托作用下的流速沿程分布,通過(guò)對(duì)比確定流速突變點(diǎn),從而動(dòng)態(tài)界定出入湖河流尾閭河段距離,并通過(guò)該方法界定出了湘江入洞庭湖尾閭河段的范圍,即湘潭水文站位置至入湖口河段。該方法在前人的研究基礎(chǔ)上有所發(fā)展,考慮了尾閭河段的水動(dòng)力變化,將入湖河流下游受到湖泊水位頂托的河段視為尾閭河段。

圖1 鳥足狀三角洲及尾閭河段

圖2 扇形三角洲及尾閭河段

圖3 鳥嘴狀三角洲及尾閭河段

2 尾閭河段河型特征

2.1 平面形態(tài)特征

入湖河流尾閭河段位于湖泊三角洲平原上,沉積和地貌學(xué)界稱之為三角洲分流河道,認(rèn)為是三角洲平原亞相的重要組成部分[12-14]。由于尾閭河段的演變受到湖泊三角洲的影響,其形態(tài)與三角洲的類型具有較大的相關(guān)性。目前湖泊三角洲的分類方法很多[15-17],按照三角洲的平面形態(tài)可分為鳥足狀(伸長(zhǎng)型)、扇形(舌形或朵形)、鳥嘴狀(尖頭形)和平直濱岸型4類三角洲[18]。根據(jù)以上類型,筆者選取了國(guó)內(nèi)外多個(gè)典型湖泊的入湖河流,總結(jié)了河流尾閭河段平面形態(tài)特征和與之對(duì)應(yīng)的湖泊三角洲類型,見(jiàn)圖1～4和表1。

由圖1～4和表1可見(jiàn),不同類型的湖泊三角洲存在對(duì)應(yīng)的尾閭河段平面形態(tài)特征,例如，哈薩克斯坦境內(nèi)的烏拉爾河(入里海)在河口發(fā)育有鳥足狀三角洲[19],位于其上的河流尾閭汊道分流不多,呈長(zhǎng)條形大沙嘴伸入湖中,且延伸較遠(yuǎn),外形呈鳥足狀河網(wǎng);俄羅斯境內(nèi)的伏爾加河(入里海)在河口發(fā)育有扇形三角洲[20],其尾閭河段汊道分流較多,呈朵狀或半圓狀向湖方向展開,各方向的汊道長(zhǎng)度接近,形態(tài)呈扇形河網(wǎng);瑞士境內(nèi)的羅訥河(入日內(nèi)瓦湖)在河口發(fā)育有鳥嘴狀三角洲,其上的尾閭河段表現(xiàn)為單一河流入湖,沙壩堆積于河口兩側(cè),使河口向湖突出,平面形狀似鳥嘴;俄羅斯境內(nèi)的沃爾霍夫河(入拉多加湖)在河口發(fā)育有平直濱岸型三角洲,尾閭河段呈單一河流入湖,沙壩平行于河口岸線堆積,岸線較為平直。

圖4 平直濱岸型三角洲及尾閭河段

表1 尾閭河段平面形態(tài)特征與湖泊三角洲類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系

綜上可見(jiàn),當(dāng)入湖河流在河口形成鳥足狀或扇形三角洲時(shí),其尾閭河段常形成鳥足狀或扇形河網(wǎng),若在河口形成鳥嘴狀或平直濱岸型三角洲,則其尾閭河段常形成單一的河道形態(tài)。此外,注入同一湖泊的不同河流,其尾閭河段的平面形態(tài)也不一定相同,如注入青海湖的布哈河和哈爾蓋河分別為鳥足狀河網(wǎng)和平直濱岸型單一河道;注入鄱陽(yáng)湖的贛江和信江,則分別為扇形河網(wǎng)和鳥足狀河網(wǎng)。

2.2 河段演變特征

扇形河網(wǎng)尾閭河段在向下游持續(xù)不斷的分流演變過(guò)程中,上下兩級(jí)汊道存在一定的相關(guān)關(guān)系。Yalin[21]在假設(shè)流量平均分配到下游分支河道的基礎(chǔ)上,估算得到連續(xù)上下兩級(jí)河道寬度和深度的函數(shù)關(guān)系分別為Bk+1≈0.7Bk,hk+1≈0.8hk,其中：B為河道寬度;h為河道深度;k和k+1分別為河道連續(xù)上下兩級(jí)。段冬平等[22]經(jīng)實(shí)測(cè)與計(jì)算發(fā)現(xiàn),處于不同位置的兩處尾閭河段的連續(xù)上下兩級(jí)河道寬度比也近似為0.7(分別為0.72和0.73)。 Olariu[23]通過(guò)收集和分析國(guó)外扇形河網(wǎng)尾閭河段,得到出現(xiàn)頻率最高的河道寬度為200～400 m,深度為1～3 m;河道寬度的出現(xiàn)頻率與河道寬度值之間呈非對(duì)稱關(guān)系,大部分樣本的數(shù)據(jù)集中在河道寬度中間值偏左的區(qū)域。Syvitski等[24]指出扇形河網(wǎng)尾閭河段的河道寬度出現(xiàn)頻率與河道寬度值多數(shù)呈對(duì)數(shù)正態(tài)分布。此外,在沉積物特征方面,扇形河網(wǎng)尾閭河段發(fā)育的沉積單元種類以及數(shù)目較多,例如,贛江尾閭河段發(fā)育有邊灘、心灘、江心洲、天然堤、河道間濕地、廢棄河道、決口河道及決口扇等諸多沉積單元[25]。

河道型尾閭河段通常表現(xiàn)為單一河道形態(tài),其中鳥嘴狀尾閭河段的平面形態(tài)較為順直,河道內(nèi)發(fā)育的心灘和沙洲較少;而平直濱岸型尾閭河段曲度相對(duì)更大,部分河段存在心灘、邊灘及沙洲等沉積單元,但種類和數(shù)目較河網(wǎng)型尾閭河段少[26]。

2.3 尾閭河段河型與沖積河流河型的異同

入湖河流尾閭河段有河網(wǎng)型(鳥足狀或扇形)和河道型(鳥嘴狀或平直濱岸型)兩種大類型,這是尾閭河段平面形態(tài)的總體格局,錢寧等[27]將尾閭河段以外的沖積河流分為順直、彎曲、分汊和游蕩型4種河型,以下分別就尾閭河段河型和沖積河流4種河型的異同進(jìn)行探討。

尾閭河段河型具有的平面形態(tài)特征、水力特征及沉積特征在一定程度上與沖積河流河型有相似之處。例如，鳥嘴狀尾閭河型在平面形態(tài)上與沖積河流的順直河型較為相似;而平直濱岸型尾閭河型在平面形態(tài)(河道彎曲度)上與沖積河流的彎曲河型較為相似,同時(shí)有些河道的局部河段也存在心灘、邊灘及沙洲等沉積特征,類似于沖積河流中的分汊河型,例如烏爾遜河、哈爾蓋河的尾閭河段等。

對(duì)于扇形河網(wǎng)尾閭河段,國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者將其歸為入湖三角洲平原網(wǎng)狀河型[28-30]。以我國(guó)贛江尾閭河段為例,謝慶賓等[29-31]認(rèn)為贛江尾閭河段具備網(wǎng)狀河流所必需的基本要素,是典型的入湖三角洲平原網(wǎng)狀河型。在水動(dòng)力特性方面,贛江尾閭河段較低的坡降(0.011 6%)、小于40的寬深比、小于1.5的河道彎曲度符合網(wǎng)狀河流的基本特性[30-31]; 在河岸組成方面,以高黏結(jié)性的粉砂質(zhì)和泥質(zhì)細(xì)粒物質(zhì)為主也是網(wǎng)狀河流的顯著特征[29]；在沉積物特征方面,贛江尾閭河段發(fā)育了典型的網(wǎng)狀河流地貌單元,且河道內(nèi)多以沙礫石和中細(xì)沙為主,其他地貌單元如河漫灘、沼澤則以細(xì)粒沉積物為主,這些沉積物特征正是網(wǎng)狀河流的主要特點(diǎn)。王隨繼等[32]進(jìn)一步對(duì)比了網(wǎng)狀河流和分汊河流,指出網(wǎng)狀河流呈現(xiàn)多個(gè)河道相互連接或彼此分離而構(gòu)成的不規(guī)則河道網(wǎng),其間是面積相對(duì)廣闊的河間地,且河間地的寬度遠(yuǎn)大于河道寬度,河岸主要由一元細(xì)顆粒結(jié)構(gòu)組成;而分汊河流的江心洲的寬度與河道寬度一般比較相近,河岸主要由泥質(zhì)和砂質(zhì)的二元結(jié)構(gòu)組成;另外,網(wǎng)狀河流比分汊河流具有更小的寬深比和河道比降等,綜合分析表明兩種河型有著明顯的區(qū)別。

而對(duì)于鳥足狀河網(wǎng)尾閭河段,其整體形態(tài)與沖積河流的4類河型無(wú)明顯相似性,若從單支汊道來(lái)看,因其河型屬于河流作用極強(qiáng)的河控型,故其單支汊道的特征介于順直型與彎曲型河型之間。

3 尾閭河段河型成因與轉(zhuǎn)化影響因素

3.1 河型成因

圖5 三角洲類型與河流和湖泊的作用關(guān)系

入湖河流尾閭河段作為湖泊三角洲的重要組成部分,其河型成因與三角洲密切相關(guān)[23,33]。湖泊三角洲的形成和演變主要受河流和湖泊作用的影響,Fisher等[34-35]依據(jù)河流和湖泊作用強(qiáng)弱將三角洲分為河控(建設(shè)型)三角洲及湖控(破壞型)三角洲,如圖5所示,河控(建設(shè)型)三角洲包括鳥足狀、扇形三角洲;湖控三角洲(破壞型)包括鳥嘴狀、平直濱岸型三角洲。河流作用越強(qiáng)時(shí),三角洲越向湖泊延伸發(fā)展,三角洲規(guī)模越大;湖泊作用越強(qiáng)時(shí),三角洲越容易被湖泊動(dòng)力搬運(yùn)和改造,僅在入湖口附近形成較小規(guī)模的三角洲。由于三角洲受到河流和湖泊的雙重作用,所以發(fā)育其上的尾閭河段(分流河道)形態(tài)各異,演變成復(fù)雜河網(wǎng)和單一河道等不同的平面形態(tài)。

河流作用的強(qiáng)弱主要取決于流量和輸沙量。Olariu[23]認(rèn)為尾閭河段河型的形成受到季節(jié)性河流流量的變化、推移質(zhì)與懸移質(zhì)之比的影響。Roberts等[36]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出河網(wǎng)型尾閭河段的出現(xiàn)是由于高強(qiáng)度洪水時(shí)期水流攜帶大量泥沙所導(dǎo)致。Geleynse等[37]用數(shù)值模擬得到當(dāng)含沙量較高且變輻不大時(shí),河網(wǎng)趨向于徑向均勻地延伸,呈扇形分布;而高含沙量下形成的鳥足狀河網(wǎng),則是由于初始時(shí)岸堤的不穩(wěn)定性使得旁側(cè)河道出現(xiàn),隨后上游流量及含沙量減小使得水沙主要集中在主支河道,而旁側(cè)河道淤?gòu)U,便形成典型鳥足狀河網(wǎng)[38]。

湖泊作用主要受風(fēng)、波浪和沿岸流的影響。朱海虹等[18]在研究滇池、洱海及其入湖河流時(shí)指出,當(dāng)盛行風(fēng)向與河流流向一致時(shí),波浪、沿岸流微弱,尾閭河段易形成鳥足狀、扇形河網(wǎng),例如滇池的柴河、大河及洱海的彌苴河;而當(dāng)盛行風(fēng)向與入湖河流呈高角度相交時(shí),風(fēng)形成的波浪作用及沿岸流則較強(qiáng),河流難以展布,三角洲呈鳥嘴狀或平直濱岸型,尾閭河段為單一河道,例如滇池的梁王河、撈魚河。宋春暉等[39]在研究入青海湖河流時(shí)也同樣指出,風(fēng)向與河流流向一致的布哈河,受到的波浪作用及沿岸流作用較弱,故尾閭河段形成鳥足狀河網(wǎng);而流向幾乎與風(fēng)向相反的哈爾蓋河,濱岸帶形成較大的波浪,波浪以一定角度與湖岸相交,進(jìn)而形成沿岸流,受波浪和沿岸流的強(qiáng)烈作用,三角洲呈平直濱岸型,河流不能直接向湖區(qū)伸展,尾閭河段對(duì)應(yīng)為單一河道。

3.2 河型轉(zhuǎn)化影響因素

河型轉(zhuǎn)化是河床演變量變的積累達(dá)到一定的臨界條件下的質(zhì)變過(guò)程。為了塑造某一特定的河型,必須分析該種河型的控制變量與河型要素之間的因果關(guān)系[40]。當(dāng)控制因素發(fā)生改變時(shí),河型也會(huì)有與之對(duì)應(yīng)的反饋,從而使其趨向平衡。

流量是影響河型轉(zhuǎn)化的重要因素,Syvitski等[41]指出長(zhǎng)時(shí)間的流量變化決定著尾閭河段汊道的數(shù)量,具體表現(xiàn)為已有河道的淤?gòu)U及新河道的產(chǎn)生。流量增大時(shí),對(duì)于原本受波浪影響的單一河道,近河口處的泥沙遷移使得尾閭河段向河流作用為主導(dǎo)的河網(wǎng)轉(zhuǎn)化[24];而當(dāng)流量減小時(shí),尾閭分支汊道易不穩(wěn)定,河道淤?gòu)U與流量減小成正相關(guān),進(jìn)而汊道數(shù)量減少[42]。不同類型的尾閭河段對(duì)于流量改變的響應(yīng)也有所不同,單一路徑為主流的河段受流量改變影響較大,而存在多分汊的河段影響較小,最靠下游的出口段河段受到影響最大[43]。

湖盆水深的變化也是影響河型轉(zhuǎn)化的重要因素。朱筱敏等[44]指出湖平面變化控制著尾閭河段的形態(tài)與分布，湖盆水位降低時(shí),水面比降變大,河流作用增強(qiáng),順流沉積加速,其上河道形態(tài)從朵形河網(wǎng)過(guò)渡為扇形,最后形成鳥足狀河網(wǎng)[45]。當(dāng)湖平面上升時(shí),水面比降減小,湖泊可容納空間增大,湖泊作用增強(qiáng),河道汊道數(shù)量減少[46],此現(xiàn)象在伏爾加河200年前的尾閭河段演變中可以證實(shí):在里海湖平面下降期間,其尾閭河段的汊道數(shù)量顯著增加;而近年來(lái)里海湖平面以每年15 cm的速度上升,導(dǎo)致尾閭河段的汊道數(shù)量由1 000條下降到800條左右[23]。湖平面的變化速率對(duì)河道演變也有影響,湖平面上升速率越快,河道轉(zhuǎn)化演變?cè)讲幻黠@;湖平面下降速率越快,河道演變?cè)矫黠@[47]。

近年來(lái)人類對(duì)河湖開發(fā)活動(dòng)的影響也受到了較多的關(guān)注。相比于其他影響因素,如短、中時(shí)間跨度內(nèi)變化幅度很小的湖盆水深,人類活動(dòng)如興建堤壩、濫伐森林等所造成的影響可以在短時(shí)間內(nèi)急劇地改變輸沙量及流量,進(jìn)而導(dǎo)致尾閭河段河型的轉(zhuǎn)化[48]。

4 研究展望

鑒于目前對(duì)入湖河流尾閭河段河型問(wèn)題的相關(guān)研究成果略少,理論不夠系統(tǒng),建議進(jìn)一步加大尾閭河段原型資料的觀測(cè)工作,為河型研究提供可靠資料,同時(shí)可從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)理論研究:

a. 尾閭河段河型特征。應(yīng)進(jìn)一步研究河網(wǎng)型尾閭河段的汊道結(jié)構(gòu)的幾何分形特征,探討河網(wǎng)形態(tài)遵循的規(guī)律;通過(guò)原型實(shí)測(cè)資料或模型試驗(yàn)揭示尾閭河段的水沙輸移及演變特征等。

b. 河型成因機(jī)理。河網(wǎng)型尾閭河段的形成與三角洲及河口沙壩的演化密切相關(guān),河口沙壩引起河道不斷分汊,形成河網(wǎng)。亦有學(xué)者指出,尾閭河段的“沖裂作用”是河網(wǎng)汊道形成的直接原因[32,49],但目前尚缺乏理論解釋和試驗(yàn)驗(yàn)證,有必要對(duì)有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入探討。

c. 河型影響因素的定量化。當(dāng)前對(duì)于尾閭河段河型成因、河型轉(zhuǎn)化的影響因素,多以定性研究為主,缺乏定量分析,有必要將現(xiàn)有河型影響因素及其作用效果定量化,為揭示河型成因與判別河型轉(zhuǎn)化提供依據(jù)。