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        基于樹(shù)木年輪的彎曲河流河灣遷移速率估算

        2021-09-14 09:51:18桉,劉成,何
        水利水電科技進(jìn)展 2021年3期
        關(guān)鍵詞:白河河灣樹(shù)齡

        劉 桉,劉 成,何 耘

        (1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院研究生院,北京 100048; 2.中國(guó)電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410014;3.國(guó)際泥沙研究培訓(xùn)中心研究培訓(xùn)處,北京 100048; 4.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院信息中心,北京 100038)

        河灣遷移速率為河灣每年擺動(dòng)的距離,多指橫向遷移,即河灣沿河道中心線垂向距離的變化。河灣遷移速率是彎曲河流演變的重要參數(shù),與河灣的曲率半徑、河寬、流量、輸沙量和濱河植被發(fā)育情況等因素有關(guān)。河灣遷移速率多采用不同年代的地圖、航空照片和遙感影像的比較分析獲取[1-2]。Hickin等[3-6]研究了加拿大Beatton河等河灣遷移速率,指出河灣遷移速率與河流功率、凹岸灘高及其物質(zhì)組成相關(guān),最大河灣遷移速率可表達(dá)為河灣彎曲度(即河灣曲率半徑與河寬的比值R/W)的函數(shù)。Furbish[7]指出河灣平均遷移速率與河灣彎曲度相關(guān)。Thorne[8]認(rèn)為河岸侵蝕及河灣遷移受到河岸物質(zhì)組成及特性的影響,凹岸物質(zhì)的自然特性影響著河灣遷移速率和方向,從而改變了整個(gè)河道演化形式。Burckhardt等[9]發(fā)現(xiàn)凹岸無(wú)森林的河灣平均局部遷移速率比凹岸有森林的高3倍。Hudson等[10]指出最大河灣遷移速率出現(xiàn)在河灣彎曲度為1.0~2.0時(shí)。Shields等[11]研究了建壩對(duì)美國(guó)密蘇里河河灣遷移的影響,結(jié)果表明河灣平均遷移速率從建壩前的6.6 m/a降低至建壩后的1.8 m/a。Micheli等[12]發(fā)現(xiàn)盡管有建壩影響,但由于濱河平原逐漸由森林轉(zhuǎn)變?yōu)檗r(nóng)業(yè)植被,臨近河灣遷移速率增加了近50%。Richard等[13]提出河灣遷移速率與單位河寬河流功率成正比。Nicoll等[14]認(rèn)為限制性河灣的遷移速率與自由河灣基本一致,指出河流功率是影響河灣遷移速率的最主要因子,其余為河谷坡度、河寬和洪水量。Giardino等[15]指出河灣遷移速率受土地覆蓋、水文、河岸物質(zhì)組成及地質(zhì)條件的影響,河流流量為最主要的影響因素,河岸是否有植被以及是否存在地下水影響也對(duì)河灣遷移速率有一定的影響。在我國(guó),李玲[16]計(jì)算了黃河上游寧蒙河段河道擺動(dòng)速率的時(shí)空變化,認(rèn)為河床中值粒徑的大小對(duì)河道擺動(dòng)速率有很大的影響,平灘流量的變化在一定程度上影響了河灣遷移,河灣遷移是對(duì)水沙變化的一個(gè)適應(yīng)。Li等[17]分析了塔里木河的河灣遷移與裁彎取直,認(rèn)為洪水導(dǎo)致河灣遷移速率高。上述河灣遷移速率的研究中,以Hickin等的系列成果較為系統(tǒng)[3-6],他們?cè)趯?duì)Beatton河研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合其他河流研究數(shù)據(jù),給出了對(duì)河灣遷移的通用性描述,將河灣遷移分為4個(gè)階段:①初始階段(R/W>10),曲率半徑大,河灣發(fā)展緩慢;②增長(zhǎng)階段(3

        樹(shù)木年輪保存了當(dāng)?shù)氐牡匦?、水文、氣候條件變化等歷史數(shù)據(jù),有定年精確、連續(xù)性強(qiáng)、分辨率高和易于獲取多個(gè)相似樣本等特點(diǎn),樹(shù)木年輪分析廣泛應(yīng)用于考古、氣候變化、生態(tài)演變、水文歷史、地貌變遷、歷史災(zāi)害等多學(xué)科的研究中。美國(guó)天文學(xué)家Douglass[18]于20世紀(jì)初建立起樹(shù)輪年代學(xué)(dendrochronology),之后樹(shù)木年輪分析有了長(zhǎng)足的發(fā)展,已廣泛應(yīng)用于氣溫、降水量、干濕度等多項(xiàng)環(huán)境因子的歷史重建工作[19]。在河灣遷移速率研究中,Hickin等[3]和Burckhardt等[9]應(yīng)用了樹(shù)輪年代學(xué)分析方法;Hickin等[3]假定10處河灣新淤積而成的沙洲與沙洲上新生長(zhǎng)樹(shù)木的時(shí)間間隔較短且基本一致,在每個(gè)沙洲選擇約10株樹(shù)木采集樹(shù)芯樣本,其中樹(shù)齡最大的年數(shù)代表沙洲形成的時(shí)間,結(jié)合航空照片繪制樹(shù)齡分布地圖,得出河灣遷移速率。

        筆者在黃河源區(qū)實(shí)地考察時(shí)發(fā)現(xiàn),白河多處河灣的凸岸植被發(fā)育良好,樹(shù)木呈條帶分布,層次分明,離岸遠(yuǎn)的樹(shù)木較離岸近的樹(shù)木更為高大,呈現(xiàn)出明顯的隨凸岸淤進(jìn)而植被漸進(jìn)演替現(xiàn)象?;谶@一發(fā)現(xiàn),本文通過(guò)采集樹(shù)木樣本,嘗試?yán)脴?shù)木年輪分析估算白河河灣遷移速率。

        1 研究區(qū)域概況

        白河位于黃河源區(qū)西南部,發(fā)源于四川省紅原縣查勒肯,由南向北流經(jīng)紅原縣的龍日壩、安曲、縣城和阿木,至若爾蓋縣唐克鎮(zhèn)附近匯入黃河。白河干流全長(zhǎng)約270 km,河道平均比降為0.061%,沿程有數(shù)條支流匯入。白河流域地處高寒山區(qū),流域面積為5 488 km2,高程超過(guò)3 400 m,年平均氣溫為0.7~1.1 ℃,極端最低氣溫達(dá)-33.7 ℃。流域上游降雨充沛,年平均降水量為640~750 mm,為整個(gè)黃河流域內(nèi)雨量最大的地區(qū)之一。圖1為白河流域及中游9處研究河灣分布圖,流域內(nèi)沼澤密布,蓄水性強(qiáng),為高原地區(qū)罕見(jiàn)的平原型河流,沿程植被豐富,覆蓋度較高[20]。

        圖1 研究區(qū)域及研究河灣

        圖2為利用Google Earth遙感影像提取得到的白河自龍日壩至唐克的河寬、河谷寬與高程沿程變化(圖中橫軸坐標(biāo)以龍日壩為起點(diǎn),河寬通過(guò)測(cè)量遙感影像中水面寬度獲得,河谷寬為河底以上10 m處的寬度),可見(jiàn)白河上游局部河段河寬較窄、河床比降較大,中下游河床比降較小且比較穩(wěn)定。河寬沿程呈下凹型曲線逐漸增大,白河下游唐克鎮(zhèn)附近匯入黃河處河寬急劇增大,最寬處超過(guò)500 m。白河河谷呈藕節(jié)狀變化,沿程總體呈增大趨勢(shì)。下游河段河谷寬迅速增大,但存在不少山口和收縮地帶。9處研究河灣位于白河中游,河谷寬均不超過(guò)3 km。

        圖2 白河河谷寬、河寬與高程沿程變化

        2016年7—8月和2017年7月,筆者對(duì)白河進(jìn)行了實(shí)地考察與取樣??紤]彎曲程度不同、受歷史河道裁彎影響較小、植被茂盛以及便于取樣等因素,選取了白河中游9處河灣采樣。在各河灣采集樹(shù)木年輪樣本和濱河植被樣本,測(cè)量得到水動(dòng)力、河灣幾何形態(tài)、濱河植被分布、河岸泥沙粒徑、河道比降等數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 白河中游研究河灣測(cè)量數(shù)據(jù)

        白河9處河灣凸岸為明顯的淤進(jìn)灘地,灣頂發(fā)育有寬闊的月牙形卵礫石帶,最大垂向?qū)挾葹?8~43 m。淤進(jìn)灘地上逐漸開(kāi)始進(jìn)行植被的演替,近岸側(cè)形成2個(gè)或3個(gè)圓弧形植被帶,一般為稀疏草本植被帶、密集草本植被帶和木本植物帶,或僅有草本植被帶和木本植物帶。木本植物的主要物種為奇花柳,為楊柳科柳屬灌木,在高原地區(qū)廣泛分布,環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),幼苗生長(zhǎng)需水量大[21]。

        圖3為白河3號(hào)河灣的平面圖和凸岸剖面圖,可見(jiàn)河灣近岸側(cè)高程整體呈上升趨勢(shì),存在多處起伏。距河灣頂端34 m內(nèi)為卵礫石河灘,坡度較大,此區(qū)域?qū)儆谛掠俜e而成的灘地,無(wú)植被發(fā)育。其后高程起伏上升,出現(xiàn)較為明顯的3個(gè)植被帶,依次為:①稀疏草本植被帶,主要物種為賴草和狗牙根;②密集草本植被帶,主要物種為高原毛茛、金露梅、葛縷子;③木本植物帶,以奇花柳為主。奇花柳叢后側(cè)發(fā)育有大片密集草本植被,僅有少量低矮的灌木類植被分布。

        圖3 白河3號(hào)河灣卵礫石河灘及植被分布

        2 研究方法

        2.1 樹(shù)木年輪采樣及分析

        研究河段河灣凸岸灘地發(fā)育的木本植被以奇花柳居多,樹(shù)高均低于6 m。選取距離河灣頂端不同距離的樹(shù)木進(jìn)行采樣,使用差分GPS進(jìn)行定位。樹(shù)木年輪樣本以樹(shù)芯為主,使用樹(shù)木生長(zhǎng)錐采集。對(duì)于部分死樹(shù)或較細(xì)的樹(shù)木,用木鋸采集底部圓盤(pán)。樹(shù)芯采集位置為樹(shù)干根部,為便于操作,一般選取地面以上20~30 cm范圍進(jìn)行樣品鉆取。對(duì)于同一株樹(shù)木,從不同方向采集2個(gè)或3個(gè)樹(shù)芯。9處河灣共采集了80個(gè)樹(shù)芯和58個(gè)圓盤(pán)。

        樹(shù)芯樣本自然干燥后放置在定做的凹槽內(nèi),固定后使用不同粒度的砂紙打磨至顯微鏡下早材、晚材細(xì)胞的分界輪廓清晰可見(jiàn)。以靠近樹(shù)皮部分為采樣年份,從外圍向髓心進(jìn)行定年。一般情況下樹(shù)木年輪與樹(shù)齡一致,但也存在不一致現(xiàn)象。當(dāng)樹(shù)木一年生長(zhǎng)的年輪超過(guò)一圈,額外生長(zhǎng)的年輪稱作偽輪;一年內(nèi)沒(méi)生長(zhǎng)年輪稱作缺輪。為獲取準(zhǔn)確的年輪值,需對(duì)樹(shù)芯樣本進(jìn)行交叉定年以剔除偽輪、補(bǔ)上缺輪的年數(shù)。交叉定年是將一棵樹(shù)與另一棵樹(shù)的年輪進(jìn)行比對(duì)的過(guò)程,兩棵樹(shù)同一時(shí)段的寬年輪及窄年輪分布應(yīng)當(dāng)完全吻合。采用美國(guó)亞利桑那大學(xué)樹(shù)木年輪研究實(shí)驗(yàn)室的交叉定年方法,通過(guò)畫(huà)骨架示意圖方法對(duì)樹(shù)木年輪進(jìn)行交叉定年[22],檢查出偽輪或缺輪現(xiàn)象,得出準(zhǔn)確的年輪數(shù)據(jù)。最后使用專用軟件COFECHA[23]對(duì)交叉定年的結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),確認(rèn)每個(gè)年輪的有效性。樹(shù)干圓盤(pán)樣的年輪數(shù)據(jù)獲取方法與樹(shù)芯樣基本一致。

        2.2 河灣遷移速率估算方法

        在彎曲河流的河灣中,隨著河灣凹岸的崩岸蝕退,凸岸灘地逐漸淤長(zhǎng),草本植物和木本植物依次在不斷淤進(jìn)的灘地上發(fā)育、生長(zhǎng)。一般而言,新淤積形成的灘地經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后會(huì)生長(zhǎng)出樹(shù)木。在同一河灣內(nèi),新淤積帶的形成與該淤積帶上最早發(fā)育同種木本植物的時(shí)間間隔基本一致,因此前后兩個(gè)淤積帶上最早生長(zhǎng)樹(shù)木的樹(shù)齡差相當(dāng)于兩個(gè)淤積帶形成的時(shí)間差,據(jù)此可依據(jù)凸岸樹(shù)木的樹(shù)齡分析推算凸岸淤長(zhǎng)的速率[24]。假定河灣凸岸灘地同一淤積帶上樹(shù)齡最大的樹(shù)木為關(guān)鍵樣本,選取2個(gè)樹(shù)木關(guān)鍵樣本,則此2個(gè)樣本的垂向距離與樹(shù)齡差之比相當(dāng)于凸岸淤長(zhǎng)速率,即河灣遷移速率。據(jù)此,可得河灣遷移速率估算公式如下:

        (1)

        式中:v為河灣遷移速率,m/a;L為2個(gè)關(guān)鍵樣本沿河道中心線垂向距離,m;a1、a2分別為2個(gè)關(guān)鍵樣本的樹(shù)齡,a。

        計(jì)算中,河灣遷移的主方向選擇在各淤積帶和植被帶中部且垂向?qū)挾茸畲筇幩B的直線上,如圖3(a)中紅色線所示。

        3 河灣遷移速率估算

        研究河段河灣凸岸內(nèi)奇花柳呈帶狀分布,每個(gè)樹(shù)木帶的大多數(shù)奇花柳粗細(xì)相近,近岸樹(shù)木帶的奇花柳較為細(xì)矮,遠(yuǎn)岸的奇花柳較為粗高。為了較為準(zhǔn)確地估算河灣遷移速率,選取同一樹(shù)木帶內(nèi)目測(cè)樹(shù)干最粗、樹(shù)齡最大的樹(shù)木進(jìn)行取樣,并在同一凸岸多處取樣。根據(jù)樹(shù)木年輪分析獲得的樣本樹(shù)齡和差分GPS測(cè)量得到的樣本位置信息,繪制河灣采樣樹(shù)木位置與樹(shù)齡的關(guān)系圖。通過(guò)樹(shù)齡分布確定用于估算河灣遷移速率的關(guān)鍵樣本,利用式(1)可估算出河灣遷移速率。

        表2為研究河段河灣采樣樹(shù)木數(shù)量、樹(shù)齡及估算的河灣遷移速率。白河2號(hào)和5號(hào)河灣由于凸岸樹(shù)木稀少,僅采樣3或4棵奇花柳,其他河灣采樣8~16棵。樹(shù)齡分布為4~41 a,估算的河灣遷移速率為0.38~6.10 m/a。以下以白河1號(hào)河灣和8號(hào)河灣為例具體分析。

        表2 白河河灣采樣樹(shù)木情況及估算的河灣遷移速率

        3.1 1號(hào)河灣遷移速率

        1號(hào)河灣臨近紅原縣安曲鄉(xiāng),為研究河灣中最靠上游的河灣(圖4(a))。該河灣為較規(guī)則的半圓形,曲率半徑為204 m,凸岸前端是最大垂向?qū)挾葹?8.5 m的月牙形卵礫石河灘。卵礫石河灘后方分布有3個(gè)植被條帶,第1個(gè)為稀疏草本植被帶,最大垂向?qū)挾葹?2 m;第2個(gè)為密集草本植被帶,最大垂向?qū)挾葹?4.5 m;第3個(gè)為奇花柳叢,由前至后樹(shù)木從低矮到高大逐漸變化。目測(cè)選擇同一樹(shù)木帶內(nèi)最高、最粗的奇花柳進(jìn)行取樣,總計(jì)16棵。

        圖4 河灣形狀

        由圖5(a)可知,1號(hào)河灣采樣樹(shù)木的樹(shù)齡在5~14 a之間,基本上距灣頂越遠(yuǎn)樹(shù)齡越大。但離灣頂距離不同的多個(gè)樣本樹(shù)齡一樣,說(shuō)明僅依靠目測(cè)判斷樹(shù)齡大小存在誤差。由關(guān)鍵樣本的定義可判斷圖中樹(shù)1-1和樹(shù)1-5為關(guān)鍵樣本,根據(jù)式(1)利用兩處關(guān)鍵樣本估算的河灣遷移速率即為圖5(a)中所有樣本的下包絡(luò)線斜率,則1號(hào)河灣遷移速率約為2.52 m/a。包絡(luò)線上方的樣本應(yīng)是在演替出現(xiàn)首批木本植被之后開(kāi)始生長(zhǎng)的,說(shuō)明樹(shù)木樣本采集數(shù)量越多,估算得出的河灣遷移速率結(jié)果越準(zhǔn)確。

        圖5 采樣樹(shù)木位置與樹(shù)齡關(guān)系

        3.2 8號(hào)河灣遷移速率

        白河8號(hào)河灣位于白河阿木鄉(xiāng)上游,呈規(guī)則的半圓形(圖4(b)),曲率半徑較大,達(dá)424 m。凸岸卵礫石河灘最大垂向?qū)挾葹?9 m,此后為奇花柳叢,無(wú)單一的草本植被帶。奇花柳叢呈帶條狀分布,條帶之間的樹(shù)木大小差異較為明顯。采樣樹(shù)木總共16棵,樹(shù)齡為6~41 a。由圖5(b)可確定關(guān)鍵樣本為樹(shù)8-3和樹(shù)8-16,河灣遷移速率為0.70 m/a。

        3.3 討論

        1~9號(hào)河灣遷移速率的估算值為0.38~6.10 m/a,其中2號(hào)和5號(hào)河灣的估算值因采樣樹(shù)木量少可能存在較大誤差。由于采樣的河灣數(shù)量少,難以得出可靠的河灣遷移速率與潛在影響因素統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的關(guān)系,因此本文僅作粗略分析。檢測(cè)表1所列10個(gè)潛在影響因素與河灣遷移速率估算值之間的相關(guān)性和顯著性,可得出水流流速、河道比降、凹岸灘高和河谷寬與河灣遷移速率的相關(guān)系數(shù)分別為0.806、0.710、0.625和0.619,顯著性均小于0.05,說(shuō)明這4個(gè)因素在一定程度上與河灣遷移速率相關(guān)[25]。其他因素均未顯示明顯的相關(guān)性。水流流速和河道比降與河灣遷移速率的相關(guān)性與相關(guān)研究[5,13-14]得到的河灣遷移速率與河流功率相關(guān)的結(jié)論一致,凹岸灘高與河灣遷移速率的相關(guān)性與文獻(xiàn)[5]結(jié)論一致。1~8號(hào)河灣彎曲度在3~10之間,9號(hào)河灣彎曲度為2.31,分別屬于河灣“增長(zhǎng)階段”和“遷移階段”[3-6],最大河灣遷移速率出現(xiàn)在9號(hào)河灣,與“遷移階段”河灣遷移速率最大的結(jié)論一致,與文獻(xiàn)[10]得出的最大河灣遷移速率出現(xiàn)在彎曲度為1.0~2.0時(shí)的結(jié)論相近?,F(xiàn)場(chǎng)考察情況也佐證了9號(hào)河灣遷移速率最大,其凸岸的卵礫石河灘發(fā)育最長(zhǎng),凹岸灘高2.3 m,卵礫石層上有30 cm厚的表層土壤,能觀察到多處崩塌塊,說(shuō)明該河灣凹岸侵蝕、凸岸淤進(jìn)速率高。

        白河河灣凹岸灘高均大于1.5 m,灘槽高差大于2 m,而河岸表層植被根土復(fù)合體厚度僅0.3~0.6 m,河岸崩塌后形成的根土復(fù)合體崩塌塊易被水流破壞并沖走,因此表層植被對(duì)河灣遷移速率的影響較小。相比較而言,同期考察的蘭木錯(cuò)曲河灣由于河流尺度小(河寬小于5m),濱河草甸型植被分布茂密,其凹岸植被生物量對(duì)河灣遷移速率影響明顯[26]。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        本文通過(guò)樹(shù)木年輪分析估算河流源區(qū)缺乏實(shí)測(cè)資料河灣的遷移速率,在河灣凸岸灘地生長(zhǎng)有條帶分布、層次分明樹(shù)木的彎曲河流中,依據(jù)樹(shù)木位置和樹(shù)齡的關(guān)系確定關(guān)鍵樣本,關(guān)鍵樣本的垂向距離與樹(shù)齡差之比為河灣遷移速率。估算得出白河9處河灣遷移速率為0.38~6.10 m/a,遷移速率與水流流速、河道比降、凹岸灘高和河谷寬相關(guān)。1~8號(hào)河灣處于河灣的“增長(zhǎng)階段”,9號(hào)河灣彎曲度為2.31,處于“遷移階段”,遷移速率最大(6.10 m/a)。本文對(duì)將樹(shù)木年輪分析應(yīng)用于彎曲河流演變研究進(jìn)行了有益的嘗試,可為缺乏長(zhǎng)期實(shí)測(cè)資料的河流進(jìn)行河流演變研究提供參考。

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