游宇馳,李志威,余國(guó)安,胡旭躍
(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利與環(huán)境工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114;2. 武漢大學(xué)水資源工程與調(diào)度全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430072;3. 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所中國(guó)科學(xué)院陸地水循環(huán)與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101)
辮狀河道的辮狀結(jié)構(gòu)變化通過(guò)河道內(nèi)沙洲的形成、局部沖刷、沉積和分割過(guò)程表現(xiàn)出來(lái),河道和沙洲地形幾乎不斷被塑造和調(diào)整,尤其是在輸沙強(qiáng)度較大或洪水流量較大的水文過(guò)程中[1]。在全球氣候變化和干支流的梯級(jí)水庫(kù)運(yùn)行、河道內(nèi)人工植樹(shù)造林等人類活動(dòng)的多重影響下,雅魯藏布江(簡(jiǎn)稱雅江)流域1980年以來(lái)水沙情勢(shì)已發(fā)生不同程度的變化[2-6],并促進(jìn)了雅江流域辮狀河流演變過(guò)程的復(fù)雜性。目前,雅江流域中下游因?qū)捳嚅g的河谷約束,辮狀河流的地貌形態(tài)演變已引起重大關(guān)注與研究[7-8]。
米林—派鎮(zhèn)河段是雅江中游最后一段典型辮狀河道,受兩側(cè)峽谷限制,約束河道橫向展寬,洲灘形態(tài)各異。同時(shí),由于支流尼洋河從左岸匯入,支流不僅在匯入口擠壓主河道,而且補(bǔ)充較多泥沙,使得下游辮狀河道演變的影響因素更為復(fù)雜。與一般河流匯合處相比,在來(lái)沙量較大的匯合處更易發(fā)生顯著的泥沙淤積,從而影響下游河道形態(tài)演變[9]。近期針對(duì)雅江辮狀河道的不穩(wěn)定狀態(tài)[5],采用野外一手觀測(cè)資料以及遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)開(kāi)展了河道-沙洲特征及結(jié)構(gòu)變化、局部水動(dòng)力觀測(cè)及生態(tài)河流動(dòng)力學(xué)應(yīng)用等方面[7,10-12]的研究。由于雅江地處青藏高原南部高海拔區(qū)域,野外測(cè)量數(shù)據(jù)獲取較困難,水文數(shù)據(jù)稀缺,涉及雅江中游辮狀河道形態(tài)演變的研究較難開(kāi)展,研究成果較少,尤其對(duì)雅江-尼洋河交匯段辮狀河道的時(shí)空差異以及變化過(guò)程中影響因素的作用模式缺少清晰認(rèn)識(shí)。
基于前人對(duì)青藏高原辮狀河流形成與演變的總結(jié)與歸納[13],本研究結(jié)合野外觀測(cè)與水沙數(shù)據(jù),篩選多年遙感數(shù)據(jù),通過(guò)遙感水體指數(shù)提取辮狀河流參數(shù),系統(tǒng)地研究1986—2021年雅江中游米林—派鎮(zhèn)段及與尼洋河交匯段的復(fù)雜辮狀河道形態(tài)特征,以及不同空間的河道-沙洲-植被的協(xié)同演變過(guò)程,探討尼洋河入?yún)R前后的雅江干流河道結(jié)構(gòu)差異性及其主要控制因素,以期深入認(rèn)識(shí)雅魯藏布大峽谷上游河段的辮狀河道現(xiàn)狀及未來(lái)演變趨勢(shì)。
雅江中游的米林—派鎮(zhèn)段為辮狀沖積河道,河道擺動(dòng)幅度最寬達(dá)3.57 km,最窄僅為194 m。如圖1(a),根據(jù)主支流匯流區(qū)位置將研究區(qū)分為4個(gè)河段,即雅江匯流段上游(R1)、尼洋河匯流段上游(R2)、主支流交匯段(R3)及雅江匯流段下游(R4),見(jiàn)圖1(b)—圖1(e)(2022年5月拍攝)。雅江干流由河段R1、R3和R4組成,其中,R1河谷長(zhǎng)約29.46 km,寬為1.42~3.16 km,面積約69.32 km2,坡降為0.19‰;R3的面積約11.79 km2,由尼洋河多條汊道形成的尼洋河三角洲和雅江干流組成;R4河谷長(zhǎng)約37.32 km,面積約87.58 km2,坡降為0.15‰,相比于雅江匯流段上游的東北流向,該段河道方向由于地貌條件的限制從東北流向發(fā)生4次改向,并且有3處受峽谷或沖積扇的雙重邊界限制而形成狹窄的單河道。R2長(zhǎng)10 km,河谷面積約32.39 km2,谷寬可達(dá)3 km,落差相對(duì)較大,坡降為1.79‰。
圖1 雅江中游與尼洋河交匯的上下游辮狀河道分段概況及野外考察照片F(xiàn)ig.1 Study reaches of braided channel of the confluence at the Middle Yarlung Tsangpo River and Nyang River and four photos in different sites by field survey in May 2022
遙感影像數(shù)據(jù)采用地理空間數(shù)據(jù)云平臺(tái)提供的Landsat系列數(shù)據(jù)(http:∥www.gscloud.cn)??紤]到洪峰過(guò)程后,辮狀河流形態(tài)經(jīng)過(guò)高流量沖刷作用可以代表所在年份的河流地貌特征,且枯水期研究河段的河流流量相對(duì)較低,這一時(shí)期的衛(wèi)星圖像保證了辮狀河道和洲灘的大部分出露,便于提取,并盡量減少因水位不同造成的誤差。因此,經(jīng)過(guò)篩選遙感影像,本研究根據(jù)使用的數(shù)據(jù)及相應(yīng)的目的可分為5組:
(1) 篩選1986—2021年枯水期(11月的15期影像)遙感影像,用于提取河段有水河道特征數(shù)據(jù);
(2) 篩選1995-11-07和1995-11-23的遙感影像,對(duì)比小差別流量時(shí)河道和沙洲形態(tài)的差別,2個(gè)日期的河道面積和沙洲面積分別相差1.57%和8.18%;
(3) 篩選1995-11-07和1996-11-09,以及2001-05-15和2001-11-15的遙感影像,對(duì)比汛期前后及不同汛期流量下的沙洲差異;
(4) 篩選1998-09-12、2002-08-06和2013-08-04的遙感影像,用于探討河道-沙洲-植被結(jié)構(gòu)中植被的作用方式;
(5) 使用12.5 m空間分辨率的DEM數(shù)據(jù)(https:∥search.asf.alaska.edu)提取沙洲及植被分布范圍的高程。
歸一化植被指數(shù)(INDV)可以反映植被覆蓋情況和植物冠層的背景影響,可提取河道、洲灘及植被覆蓋情況[14],計(jì)算方法見(jiàn)式(1)。后文中沙洲(或植被)穩(wěn)定區(qū)是將1986—2021年的沙洲(或植被)圖層進(jìn)行疊置得到多年重合范圍,即沙洲(或植被)多年一直出露的區(qū)域。而其他受影響而變化的沙洲區(qū)域?yàn)榛顒?dòng)區(qū),處理過(guò)程為1986—2021年的沙洲數(shù)據(jù)做合并操作,然后基于該圖層選取沙洲穩(wěn)定區(qū)之外的范圍,即可得到多年易受沖刷或沉積的活動(dòng)區(qū)。
(1)
式中:INDV≥0為不同植被覆蓋程度的非水體,INDV<0為水體;INIR為遙感數(shù)據(jù)中的近紅外波段,IRED為紅外波段,在Landsat 5和Landsat 7中分別對(duì)應(yīng)band 4和band 3,在Landsat 8中分別對(duì)應(yīng)band 5和band 4。
圖2 河道中心線遷移率計(jì)算示意Fig.2 Diagram of river centerline migration
野外考察發(fā)現(xiàn),辮狀河道即使在高辮狀強(qiáng)度的河段,也有一條較明顯的主河道,次級(jí)河道從中分支。因此,本研究通過(guò)遙感數(shù)據(jù)提取主河道中心線,并將其相鄰遙感年份的變化通過(guò)遷移率進(jìn)行量化(圖2),即定義河道中心線遷移率的計(jì)算公式,如下:
(2)
式中:Mij為i和j年主河道變化形成的第n個(gè)多邊形的遷移率;Ajn為i和j年主河道線相交形成的第n個(gè)相交多邊形面積;Lij為i年主河道中心線形成多邊形的長(zhǎng)度。
計(jì)算各年主河道的平均彎曲率,來(lái)對(duì)河道形態(tài)定量化描述,公式如下:
S=l/L
(3)
式中:S為平均彎曲率;l為主河道中心線彎曲長(zhǎng)度;L為河谷彎曲長(zhǎng)度。
雅江主河道的河道中心線在1986—2021年擺動(dòng)變化如圖3(a),發(fā)生明顯擺動(dòng)變化區(qū)域標(biāo)為S1—S8河段(圖3(b)—圖3(i))。其中,S1主河道線(圖3(b))擺動(dòng)主要發(fā)生在左側(cè)且擺動(dòng)范圍寬約524 m,2013年從河谷左側(cè)擺動(dòng)到右側(cè)。S2主河道線(圖3(c))在1986—1999年靠河谷左側(cè)擺動(dòng),擺動(dòng)范圍最寬約354 m;在2000—2001年河道改向?yàn)榭坑覀?cè)擺動(dòng),主河道遷移約462 m;而2002—2021年河道又回到左側(cè)擺動(dòng),主河道多年最大擺動(dòng)寬度占谷寬的31.33%。S3主河道線(圖3(d))變化形態(tài)類似S1,主要在左岸以小于40 m的幅度擺動(dòng),僅在2021年向右岸偏移188 m,主河道多年最大擺動(dòng)寬度占河谷的11.64%。S4(圖3(g))為順直河段,主河道線在3個(gè)局部發(fā)生小擺動(dòng),最大擺動(dòng)范圍約839 m(占谷寬22.68%)。因此,S1—S4的主河道中心線主要是橫向擺動(dòng),多年擺動(dòng)范圍占谷寬的11.64%~31.33%。
如圖3(h),雅江與尼洋河交匯段下游的S5主河道由右岸逐漸往左岸單向遷移,3次遷移距離為65~338 m,2021年遷移到離右岸1/7河谷寬的位置。S6河道中心線(圖3(e))遷移過(guò)程相對(duì)復(fù)雜多變,不僅發(fā)生左右擺動(dòng),并且河道曲線向下游遷移;變化過(guò)程中最大橫向遷移達(dá)3 084 m,最大縱向遷移1 945 m,最終主河道呈現(xiàn)2個(gè)凸向左岸的連續(xù)彎曲形態(tài)。S7主河道(圖3(f))遷移方式及過(guò)程和S5相似,均是由河谷右側(cè)逐漸遷移到左側(cè),主河道多年擺動(dòng)范圍約443 m,占河谷寬度的28.61%。S8主河道(圖3(i))發(fā)生多年左右震蕩擺動(dòng),1986—2002年基本靠河谷左側(cè)流動(dòng),主河道彎曲形態(tài)沿著河谷邊界形狀分布;2008—2021年河道則改道流向河谷右側(cè),被右岸山體限制后再流向左側(cè),并在下游仍靠左側(cè)擺動(dòng)。
圖3 1986—2021年干流主河道8個(gè)局部河段遷移過(guò)程Fig.3 Migration processes of eight local reaches of the main channel from 1986 to 2021
圖4(a)是相鄰年份河道中心線遷移率(M)變化過(guò)程,橫軸時(shí)段1—14是根據(jù)已獲取的15期遙感數(shù)據(jù)設(shè)定的年限代號(hào),即時(shí)段1為1986—1990年,時(shí)段2為1990—1993年,以此類推。1986—1993年(時(shí)段1和時(shí)段2)主河道遷移率較小,M=21.0 m/a。1993—2002年主河道平均遷移率達(dá)82.2 m/a,其中2001—2002年時(shí)段河道整體擺動(dòng)速率達(dá)148.1 m/a,S6以M=483.0 m/a發(fā)生最強(qiáng)烈的主河道遷移過(guò)程。2002—2021年河道遷移速率為中等程度(M=42.7 m/a),該階段最大遷移率仍然發(fā)生在2008—2009年的S6。圖4(b)表明主河道曲率(S)隨時(shí)間呈2段階梯式減小趨勢(shì)。階段一為1986—2001年,曲率先增后減,平均曲率為1.15;其中1994—1995年達(dá)到峰值(S=1.17),2000年河道因高流量被淹沒(méi)而擴(kuò)寬或合并,從而彎曲程度減小到1.13。階段二2002—2021年的曲率變化趨勢(shì)類似,平均曲率為1.13,低于階段一的曲率,并在2013年達(dá)到最大曲率(S=1.14),2021年主河道曲率減小至1.11,達(dá)到近40 a最低。因此,主河道的曲率呈階梯式減小趨勢(shì),曲率減小3.48%,主河道形態(tài)逐漸扁平化,河道結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)由復(fù)雜到簡(jiǎn)單的變化趨勢(shì)。
圖4 干流主河道遷移率及曲率變化Fig.4 Migration rate and sinuosity change of the mainstream over year
河段S1—S8中,每個(gè)河段的上下端點(diǎn)均是河谷收窄的地形節(jié)點(diǎn)。為綜合對(duì)比局部河段,將各段的特征及參數(shù)進(jìn)行匯總,見(jiàn)表1。邊界面積相對(duì)較小的是S1—S3和S7,這4個(gè)局部河谷均較順直,沙洲較小,中心線僅沿著左右岸橫向擺動(dòng);邊界面積較大的S4—S6和S8河段內(nèi)的沙洲形態(tài)均較大,其中S4河谷順直,S5、S6和S8河谷呈彎曲形態(tài)。對(duì)比主河道平均曲率(表1),S1河段內(nèi)的主河道平均曲率最大(1.33),但其曲率多年標(biāo)準(zhǔn)差和其他低彎曲程度的河段均低于0.1。而S6河段主河道平均曲率不僅大(1.3),且多年平均曲率標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)0.14。各河段內(nèi)的沙洲形態(tài)參數(shù)長(zhǎng)寬比(R)均在2.5以上,因此沙洲整體為長(zhǎng)條形,其中S3河段中沙洲較大,即該段沙洲更為細(xì)長(zhǎng)。對(duì)1986—2021年提取的沙洲空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量圖層運(yùn)算,得到沙洲穩(wěn)定區(qū)和活動(dòng)區(qū)。S1、S2、S4、S5的沙洲穩(wěn)定面積占河道面積均大于10%,S3、S6—S8則低于10%,尤其是S6的多年穩(wěn)定沙洲面積(0.53 km2)僅占河段面積的2.03%。相反地,S1—S5沙洲活動(dòng)面積低于40%,其中S3的比例最小,僅有10%的沙洲活動(dòng)區(qū);S6—S8的沙洲活動(dòng)面積均大于50%,S6的沙洲活動(dòng)面積最大,達(dá)到63.55%。因此,雅江匯流區(qū)下游整體河段變化幅度大于上游,且河道及沙洲相比上游更不穩(wěn)定。
表1 交匯段的上下游S1—S8局部河段的基本特征
選取研究時(shí)段的代表年份(1986年、2000年、2021年)對(duì)比雅江匯流段上游和雅江匯流段下游的河道形態(tài),如圖5所示。整體上,河道面積變化趨勢(shì)不明顯,多年平均河道面積為45.34 km2;多年平均沙洲面積為42.44 km2,且局部結(jié)構(gòu)變化較大;洲內(nèi)的植被面積由1986年的4.47 km2增加到2021年的8.05 km2。R1河谷較為順直且走向穩(wěn)定,植被覆蓋程度基本不變,河道形態(tài)在1986—2021年變化不大,擺動(dòng)幅度較小,沙洲以小面積的心灘為主,形態(tài)變化較小。R4河谷寬窄相間,走向發(fā)生4次改變,河道的局部遷移和沙洲形態(tài)也隨之顯著變化,且該河段內(nèi)植被面積逐漸增加,尤其在R4河段的S5—S6,主河道彎曲程度由高彎曲(S=1.52)逐漸變的平坦(S=1.17),曲率減小了23%。且R4段內(nèi)沙洲型體較大,S5右岸沙洲面積自1986年逐漸擴(kuò)大,S6左岸沙洲在2021年因河道退化而與S5左岸沙洲合并形成更大型的沙洲,1986年S6右岸沙洲體型較大,在2000年受洪水斜槽切割破碎成4個(gè)沙洲,到2021年該部分沙洲的形態(tài)和分布完全改變。因此,R4段河道形態(tài)變化及差異性大于R1河段。
圖5 1986年、2000年和2021年雅江干流河道結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.5 Comparison of channel morphology in the mainstream Yarlung Tsangpo River in 1986,2000 and 2021
圖6 匯流段上下游河道主河道中心線曲率變化Fig.6 Sinuosity change of main channel centerline in reach R1 and R4
R1和R4分別代表雅江未受尼洋河匯流影響和受影響河段,R1和R4段的主河道彎曲度及變化過(guò)程差異較大。如圖6(虛線為多年平均值線),R1段曲率多年平均值為1.17±0.007,在1995年曲率達(dá)到相對(duì)較大的峰值,S=1.18,因此R1曲率變化較平穩(wěn)。R4段主河道的曲率變化起伏較顯著,曲率多年平均值為1.12±0.03,其標(biāo)準(zhǔn)差是R1段的4倍。1994年R4的曲率為多年最大值,S=1.17,隨后曲率變化幅度較大并逐漸減小;在2000年減小到第1個(gè)低值,S=1.09;2001年S增加到1.13;2002年的曲率則減小到多年最低值,僅有1.07,主河道形態(tài)達(dá)到最平坦;2002年后河道擺動(dòng)幅度變大,曲率逐漸增加到2013年的1.14,高于多年平均曲率;2021年主河道曲率低于平均值,S=1.09。因此,河段R4的辮狀河道的活動(dòng)比R2段更為活躍,R1的主河道曲率大于R4,其中R1曲率多年變化不大,R4曲率在1996年之后變化波動(dòng)較大。
通過(guò)對(duì)比圖7的R1和R4沙洲面積分布情況可知,整體上R4段沙洲面積、沙洲面積差異以及面積變化程度均大于R1段的沙洲。1986—2021年R1段多年平均沙洲面積為0.44 km2,且各沙洲的面積差異不大,主要集中在0~1 km2。1986—2015年均有1~3個(gè)大沙洲面積遠(yuǎn)大于沙洲平均面積,尤其是2002年最大沙洲面積達(dá)8.43 km2,該沙洲的形成是由于河道淤積未連通而使相鄰沙洲合并成為1個(gè)沙洲。而在2021年則沒(méi)有異常大面積沙洲,河道內(nèi)沙洲面積均在1 km2內(nèi)。R4段沙洲面積普遍比R1段大,1986—2021年該段沙洲平均面積為0.73 km2。各年份均分布著1~4個(gè)相對(duì)大型沙洲,沙洲面積分布范圍相對(duì)分散,分布在0~4 km2,尤其在2008—2021年沙洲面積分布范圍主要因面積高值逐漸變大而進(jìn)一步擴(kuò)大,到2021年沙洲面積上限達(dá)4.03 km2,特大沙洲面積為8.09 km2,是其他年份沙洲面積上限的1.22~9.83倍。尤其在1993年、1995年和2002年沙洲面積分布集中,除了3~4個(gè)大于1 km2的大沙洲,其他沙洲面積均集中在0~0.7 km2。
圖7 R1和R4沙洲面積離散程度Fig.7 Dispersion of bar area
尼洋河匯流區(qū)上游的辮狀形態(tài)較為復(fù)雜,且河道匯入雅江干流的角度近乎垂直,因此尼洋河來(lái)水來(lái)沙直接影響著匯流區(qū)的形態(tài)變化。圖8是尼洋河匯流段上游辮狀河道和主支流交匯段不同年份的對(duì)比??臻g形態(tài)上,R3河谷呈彎曲弧形,主河道先靠左岸,受右岸山體限制后轉(zhuǎn)向左岸流去,隨著尼洋河逐漸靠近雅江干流,尼洋河辮狀形態(tài)發(fā)育顯著,主河道特征逐漸減弱,由1股逐漸演變?yōu)?股,最后通過(guò)多條河道匯入雅江干流。在雅江中上游和尼洋河來(lái)水來(lái)沙變化條件下,匯流區(qū)的尼洋河三角洲淤積狀態(tài)發(fā)生變化,并對(duì)匯流區(qū)河道產(chǎn)生不同程度的擠壓。1986年匯流區(qū)的沙洲分布左右寬為4.45 km,2000年兩側(cè)沙洲因河道未連通而與邊灘合并導(dǎo)致河道內(nèi)沙洲寬為3.84 km,2021年沙洲更趨于合并,匯流區(qū)兩側(cè)河道進(jìn)一步斷連,沙洲范圍僅寬3.06 km。
圖8 尼洋河R2段辮狀河道形態(tài)變化及對(duì)主河道R3的擠壓過(guò)程Fig.8 Morphology change of R2 and pushing process by the Niyang River
1986—2021年尼洋河匯流段上游和主支流交匯段河道面積分別在6 km2和2 km2上下波動(dòng),并未呈現(xiàn)趨勢(shì)變化(圖9(a))。R2河道面積在1994年和2015年相對(duì)較大,分別為6.41 km2和7.20 km2。R3河道面積在2000年為2.76 km2,主河道平均寬569 m,明顯寬于1986年的419 m和2021年的362 m,且2021年河道因沙洲擠壓致使寬度最小。如圖9(b),尼洋河入?yún)R雅江干流的連通河道與未連通河道均呈波形減小趨勢(shì),連通河道數(shù)總體大于未連通河道數(shù)。連通河道數(shù)由1986年的8條減少到2021年的4條,未連通河道由6條減少到3條。因此,整體上尼洋河下游匯入雅江的辮狀河道數(shù)量減少,河道淤積使得河道兩側(cè)沙洲與邊灘合并,河道內(nèi)沙洲與沙洲合并或擴(kuò)大,從而擠壓R3內(nèi)的主河道。
圖9 R2和R3河道形態(tài)變化Fig.9 River morphology change of R2 and R3
雅江中游米林—派鎮(zhèn)段的兩側(cè)山體是河道橫向遷移的邊界限制,河道流向改變主要發(fā)生在山體凸面或凹面基點(diǎn)處,如S5、S6、S8等局部河段。圖10為S5的左岸大型沙洲在1986—2021年受徑流沖刷及邊界限制的變化過(guò)程,圖10(a)底圖為1986年11月14日,圖10(b)為2021年11月14日,點(diǎn)A和B是右岸邊界與水流相互頂沖的2個(gè)作用點(diǎn)。Yuan等[11]研究表明S5入水口斷面的流速分布均勻且水下地形左高右低,因此,S5的沙洲靠左側(cè)分布,而河道流向因右岸山體邊界限制由東北轉(zhuǎn)為東南流向,偏轉(zhuǎn)約38°。同時(shí)水流與點(diǎn)A和B對(duì)沖后,沖擊沙洲西南角該區(qū)域邊界從紅色逐漸消退至綠線處。沿著沖刷方向,1986—1995年洲體被沖刷219 m,1995—2002年沙洲向后移動(dòng)357 m,2002—2021年沙洲邊界后移274 m,最終沙洲面積損失0.95 km2。而點(diǎn)A所在的凹面逐漸淤積,1986—2021年新增0.31 km2邊灘。
河岸對(duì)河道的相對(duì)約束性是河道形態(tài)變化的重要影響因素,而河道的變化與沙洲的變化相輔相成,S5左岸沙洲正是因河岸的約束性作用使河道方向和水流結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而使得沙洲受到?jīng)_刷并與水沙變化過(guò)程協(xié)同演變,達(dá)到新的穩(wěn)定狀況。根據(jù)以上分析的邊界特點(diǎn),即河谷兩側(cè)的山體凹凸特點(diǎn)使得洲體淤積或被沖刷,統(tǒng)計(jì)全河段,類似于A-B的邊界基點(diǎn)共有9處,改變河流走向的邊界長(zhǎng)度約占河谷邊界長(zhǎng)度的6.38%。
圖10 S5左側(cè)沙洲變化受邊界限制Fig.10 Bar change of S5 constrained by boundary condition
為探討河道-沙洲形態(tài)在枯水期—洪水期—枯水期的水文周期中的變化程度,選擇水沙數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)匹配的1996年為代表年,使用1995年11月和1996年11月遙感數(shù)據(jù)對(duì)比1996年洪水前后的沙洲結(jié)構(gòu)變化,并增加2001年5月和2001年11月的對(duì)比數(shù)據(jù)。1995年11月和1996年11月的河道面積分別為47.69 km2和46.95 km2,差別僅為1.5%,說(shuō)明這2個(gè)日期的流量接近,則2個(gè)日期的沙洲形態(tài)差異可進(jìn)行對(duì)比。如圖11,沙洲未變區(qū)域表示沙洲在1995年11月和1996年11月均出露的區(qū)域;沙洲沖刷區(qū)域代表該區(qū)域在1995年11月存在,在1996年11月不存在或未出露;相反地,沙洲沉積區(qū)域表示該區(qū)域在1995年11月不存在或未出露,而1996年11月存在。
結(jié)果表明,1996年沙洲未變區(qū)域面積為33.48 km2,沖刷區(qū)域面積為4.21 km2,沉積區(qū)域面積為5.25 km2。因此,在1996年11月9日之前日平均含沙量為0.14 kg/m3,日平均流量為2 010 m3/s,且洪峰流量是11月9日流量的6倍的來(lái)水來(lái)沙條件下,沙洲凈增加面積僅為未變區(qū)域面積的3.11%。類似地,2001年5月15日和2001年11月15日是汛期前后2個(gè)徑流相似的日期,且汛期最大流量是該日期的8倍,沙洲凈增加面積為未變區(qū)域面積的6.1%,該比例是1996年的2倍。這些沙洲的淤積或者被沖刷過(guò)程是來(lái)水來(lái)沙與河道相互作用的反映[15],更大的汛期來(lái)水來(lái)沙量對(duì)沙洲的改造和塑造能力更強(qiáng)[16-17]。從而導(dǎo)致在枯水期與上一個(gè)枯水期的對(duì)比中沙洲發(fā)生結(jié)構(gòu)變化,即1995年的沙洲邊緣在1996年被小幅度沖刷,且1996年新生成小面積沙洲,并且原有相鄰的沙洲連接在一起。
圖11 1996年汛期前后沙洲變化Fig.11 Change of sandbar before and after flood period in 1996
雅江米林—派鎮(zhèn)段河道內(nèi)的大型沙洲較多,植被多分布于沙洲內(nèi)部或側(cè)邊(圖12)。多年未變動(dòng)的穩(wěn)定沙洲面積總計(jì)15.55 km2,平均面積為0.17 km2,其中最大沙洲穩(wěn)定區(qū)在S6,達(dá)3.45 km2。沙洲多年活動(dòng)變化面積為54.71 km2,活動(dòng)變化最大的仍然在S6(21.15 km2)。同理,植被長(zhǎng)期穩(wěn)定面積約2.72 km2,均分布在沙洲穩(wěn)定區(qū)內(nèi),其中R1和R4河段的穩(wěn)定植被面積各占河谷面積的2.57%和1.34%。根據(jù)以上3類分布情況疊加DEM數(shù)據(jù),可以發(fā)現(xiàn)沙洲穩(wěn)定區(qū)平均高程為2 891 m,沙洲活動(dòng)區(qū)平均高程為2 886 m,植被穩(wěn)定區(qū)平均高程為2 897 m。因此,河段內(nèi)植被主要基于較高的沙洲生長(zhǎng)擴(kuò)張,且尼洋河匯入雅江前的河道穩(wěn)定植被的占比與分布更高。
圖12 沙洲及植被的分布Fig.12 Distribution of bars and vegetation
植被根系固著于沉積物之上,可抵抗洪水期的水流沖刷,降低水流速度,有助于泥沙沉積,為植被創(chuàng)造更加穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境,從而進(jìn)一步利于泥沙加積和沙洲穩(wěn)定。篩選汛期1998-09-12、2002-08-06和2013-08-04的遙感數(shù)據(jù)探討河段內(nèi)植被—河道關(guān)系。如圖13,洪水期河道面積約79~85 km2,是同年11月的1.66~2.01倍,且沙洲面積比同年11月減少了66.8%~79.1%。洪水期植被面積呈增加趨勢(shì),分別為1.89、3.39和5.77 km2。與各年枯水期的植被面積相比,2002年11月植被面積比8月增加了46.7%,而2013年11月與8月的植被面積僅相差3%。這說(shuō)明在洪水期植被增加對(duì)水沙緩沖攔截并穩(wěn)固沙洲的作用在生效,如S6區(qū)域左岸在2013-08-04有3個(gè)植被斑塊,由1998年的洪水淹沒(méi)狀態(tài)發(fā)展到植被覆蓋而穩(wěn)定在洪水河道中(圖13)。這種作用模式的植被占2013-08-04植被面積的11.8%,主要分布在R4河段。該比例較小,可能是由于尼洋河匯入雅江后,增大了來(lái)水來(lái)沙,并受限于彎曲的邊界,使得水沙的運(yùn)動(dòng)方向及分布更加復(fù)雜多變,從而沙洲變化幅度較大,不利于植被和沙洲的穩(wěn)定。
S1—S3的河道-沙洲-植被結(jié)構(gòu)中沙洲邊界主要與植被邊界接近,如S1區(qū)域,該區(qū)域高程為2 897~2 905 m,沙洲淤積高度較高,同時(shí)植被范圍自1985年一直屬于沙洲穩(wěn)定區(qū)。這種作用模式的植被在2013年8月4日的河段植被中占88.2%,主要分布在R1河段。因此,R1河段的植被對(duì)來(lái)水來(lái)沙的阻力作用非常有限,主要因河段較大的沉積量[5]形成的大沙洲,反過(guò)來(lái)為植被提供穩(wěn)定的生長(zhǎng)環(huán)境。S4—S7的植被主要在未淹沒(méi)的沙洲內(nèi)逐漸擴(kuò)張。
圖13 汛期河道結(jié)構(gòu)與植被覆蓋的關(guān)系Fig.13 Relationship between river structure and vegetation cover in flood seasons
綜上可知,雅江米林—派鎮(zhèn)段的河道-植被-沙洲的協(xié)同作用包括2種過(guò)程:① 沙洲自身已發(fā)育至具有一定高度和規(guī)模后,一般洪水僅能淹沒(méi)沙洲的低灘處,而沙洲內(nèi)部不易受到洪水干擾,進(jìn)一步促進(jìn)植被發(fā)育,這種模式主要發(fā)生在R1河段;② 植被的促淤維穩(wěn)效果使得沙洲邊緣穩(wěn)定沉積,這種模式主要發(fā)生在R4河段。
本文基于野外調(diào)查和遙感影像數(shù)據(jù),通過(guò)遙感處理技術(shù)分析雅江與尼洋河交匯段上下游辮狀河道的變化特征,主要結(jié)論如下:
(1) 雅江中游米林—派鎮(zhèn)段的主河道曲率呈一定程度的減小趨勢(shì)且趨于扁平化。6.38%的邊界長(zhǎng)度限制并主導(dǎo)該辮狀河道的基本走向,下游河道受尼洋河水沙匯入以及山體邊界限制,形態(tài)變化比上游更為活躍,主河道曲率及變化幅度、沙洲面積及離散度均大于上游河道。
(2) 尼洋河下游辮狀河道復(fù)雜多變,但面積變化不明顯,匯入雅江干流的連通河道數(shù)量由8條減少到4條,匯流區(qū)的主河道在枯水期受洲灘淤積而擠壓,汛期則被洪水淹沒(méi),即河寬及洲灘面積在不同來(lái)水條件下波動(dòng)變化。
(3) 米林—派鎮(zhèn)段辮狀河道形態(tài)變化的動(dòng)力主要是汛期的水沙過(guò)程,且水沙活動(dòng)以沉積為主,更大的來(lái)水來(lái)沙會(huì)增加新出露的沙洲或者連接相近出露沙洲。未來(lái)雅魯藏布江下游水電開(kāi)發(fā)在該河段修建梯級(jí)水庫(kù)等工程將會(huì)進(jìn)一步減小河段的水沙流速,促進(jìn)泥沙沉積過(guò)程,沙洲形態(tài)可能持續(xù)變大。
(4) 米林—派鎮(zhèn)段辮狀河道內(nèi)河道-沙洲-植被結(jié)構(gòu)變化主要有2種模式:一是較大或地形較高的沙洲形態(tài)在汛期基本不被洪水影響,給植被提供生長(zhǎng)及擴(kuò)張空間,并可能進(jìn)一步向低地形的枯水期出露沙洲部分?jǐn)U張,在以后洪水期逐漸對(duì)水沙產(chǎn)生抑沖促淤的反饋,該模式的植被覆蓋占88.2%;二是新生植被在枯水期裸露的沙洲上逐步扎根穩(wěn)定,在洪水期攔截水沙的能力逐漸加強(qiáng),并可促進(jìn)沙洲的穩(wěn)定,從而新生植被逐漸伴生新生沙洲的形成,該模式的植被覆蓋僅占11.8%。
未來(lái)需繼續(xù)對(duì)雅江辮狀河流持續(xù)關(guān)注研究,并加強(qiáng)完善野外測(cè)量數(shù)據(jù),如河道的實(shí)測(cè)地形和水沙實(shí)測(cè)等數(shù)據(jù)等,進(jìn)一步探討全要素對(duì)河道-沙洲-植被綜合影響的理論基礎(chǔ)和過(guò)程。