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    河流5區(qū)分段方法與長江干流分段實踐

    2017-06-19 18:48:59董耀華汪秀麗
    長江科學(xué)院院報 2017年6期
    關(guān)鍵詞:干流分區(qū)分段

    董耀華,汪秀麗

    (1.長江科學(xué)院 水利部江湖治理與防洪重點實驗室,武漢 430010;2.武漢大學(xué) 圖書館,武漢 430072)

    河流5區(qū)分段方法與長江干流分段實踐

    董耀華1,汪秀麗2

    (1.長江科學(xué)院 水利部江湖治理與防洪重點實驗室,武漢 430010;2.武漢大學(xué) 圖書館,武漢 430072)

    基于Schumm河流分區(qū)理論與筆者“最大5河段分段法”,優(yōu)化提出了“河流5區(qū)分段法”,即:以流域分區(qū)為主導(dǎo)(“體”),以干流河道分段為目標(“用”),先按照河源、上游、中游、下游和河口5區(qū)進行流域分區(qū),后選取河勢和(或)匯流控制節(jié)點進行干流河道分段,綜合確定合適的河流分段數(shù);基于10大江河分段實踐,檢驗了“河流5區(qū)分段法”。長江干流分段實踐可總結(jié)為兼顧流域與河道特性、流域特性主導(dǎo)和河道特性主導(dǎo)3類分段方法;基于“河流5區(qū)分段法”,長江干流推薦劃分為5段(長江源—直門達/巴塘河口—宜昌—湖口—徐六涇—長江口)、3段(長江源—宜昌—湖口—長江口)和2段(長江源—宜昌—長江口);長江干流其他分段方法分別基于河流名稱、水系劃分、行政區(qū)界、河流指標和專業(yè)管理等。

    河流分段;流域分區(qū);河流5區(qū)分段法;Schumm河流分區(qū)理論;最大5河段分段法;長江干流

    圖1 Horton河流分級法Fig.1 Horton’s method of stream order classification

    1 研究背景

    河流分段有“狹義”與“廣義”之分?!蔼M義”河流分段具有流域分區(qū)與干流河道分段雙重功能,以流域分區(qū)為主導(dǎo)(“體”)、以干流河道分段為目標(“用”),本文河流分段方法研究采用“狹義”定義;“廣義”河流分段應(yīng)包括所有基于流域特性、河道特性和兼顧兩者的河流分段方法,本文長江干流分段實踐采用“廣義”定義。與此同時,開展分段研究的流域與河道應(yīng)有一定的限制要求,研究流域應(yīng)具有封閉性與獨立性,研究河道應(yīng)為河流級數(shù)最高(基于Horton河流分級法[1])的干流河道。由于Horton法(圖1)具有以河流而非河段為“不分枝的河流”顯著特征,因此分段研究的干流河道應(yīng)為同一河流級數(shù),簡述為“分段河道不分級”;對于多河源或多河口河流,干流河道最多只保留一個河源或河口(如長江干流只保留正源沱沱河,應(yīng)將北源楚瑪爾河與南源當曲視為支流),簡述為“分級河道不分段”。

    研究河流分段具有理論基礎(chǔ)與實踐意義。根據(jù)Schumm[2]地貌臨界條件定義:“當超過某一界限時,地貌現(xiàn)象將出現(xiàn)巨大的質(zhì)的變化”,河流分段可理解為流域特性(氣候、地質(zhì)、地貌、植被、水系等)、河道特性(河道形態(tài)、來水來沙、輸水輸沙、河床邊界、江湖關(guān)系等)及其相互影響下流域分區(qū)與河道分段現(xiàn)象;基于錢寧等[3]的觀點:“河流作為流域的一個組成部分,它的特性,歸根結(jié)底,是流域的特性決定了的”,河流分段中流域分區(qū)應(yīng)處于主導(dǎo)地位,干流河道分段應(yīng)處于從屬地位。河流分段研究的實踐意義包括準確把握流域與河道特性、科學(xué)規(guī)劃與研究河流、協(xié)調(diào)河流治理與開發(fā)保護、有效實施流域綜合管理等。

    盡管世界上大江大河大多數(shù)已形成了常見或習慣的河流分段實踐,但是分段方法研究卻非常少見,Schumm[2]河流分區(qū)理論是最早的河流分段相關(guān)理論;基于Schumm河流分區(qū)理論與10大江河分段實踐,筆者總結(jié)提出過“最大5河段分段法”[4]。筆者其它的相關(guān)前期研究成果包括:基于改進河流分級Horton法和長江水系推薦劃分,初步研究了長江水系劃分與河流分級[5];以長江干流為背景,研究了長江輸水輸沙特性與變化[6];通過韓國京仁阿拉航道泥沙技術(shù)咨詢,總結(jié)了流域產(chǎn)水產(chǎn)沙特性與疏導(dǎo)措施[7]?;谝陨虾恿鞣侄畏椒ㄅc流域河道特性的初步研究,提出本文研究內(nèi)容:①基于Schumm河流分區(qū)理論與筆者“最大5河段分段法”,優(yōu)化提出“河流5區(qū)分段法”;②基于10大江河分段實踐,檢驗“河流5區(qū)分段法”;③基于流域特性、河道特性和兼顧兩者3類分段方法,初步總結(jié)長江干流分段實踐。

    圖2 Schumm河流分區(qū)理論Fig.2 Schumm’s theoryon river subsections

    2 河流5區(qū)分段方法

    2.1 Schumm河流分區(qū)理論

    20世紀70年代,Schumm[2]基于流域產(chǎn)沙與河道輸沙特性,提出了河流3區(qū)分區(qū)理論(圖2):1區(qū)為產(chǎn)沙區(qū);2區(qū)為泥沙輸送區(qū)(進、出泥沙量基本相等);3區(qū)為泥沙沉積區(qū)。Schumm的貢獻是首次將河流輸沙理論引入河流分段研究,并本質(zhì)上體現(xiàn)了河流分段的雙重功能——流域分區(qū)與干流河道分段。

    基于Schumm河流分區(qū)理論,可以將河流劃分為3區(qū)3段;但這既可理解為“河源、干流、河口”,也可理解為“上游、中游、下游”;Schumm理論存在的其它問題還有:忽略了水量變化與水系對河流分段的影響,對于大江大河3區(qū)3段數(shù)量偏少,流域分區(qū)與河道分段之間主次關(guān)系有待辨識等。

    2.2 最大5河段分段法

    筆者曾總結(jié)提出過“最大5河段分段法”[4],其分段思想為:基于河勢和(或)匯流控制節(jié)點,將河流按河源、上游、中游、下游和河口5區(qū)進行分段,最大分段數(shù)不超過5段。該方法理論與實踐基礎(chǔ)包括如下幾個方面。

    (1) Schumm河流分區(qū)理論。

    (2) 張瑞瑾“河勢”定義[8]:“河道水流的流態(tài)(或河勢),具有很廣的含義,一切標志河道水流總體傾向的現(xiàn)象,都被納入這一概念之中”。

    (3) 錢寧“節(jié)點”分類[3]:“節(jié)點是指那些分布在河道兩岸的控制點,…對河勢及其演變起著很大的控制作用?!恿魃系墓?jié)點具有兩種不同的類型?!瓋砂督杂幸劳?,位置固定,長年靠流,稱之為一級節(jié)點。…只有一岸有依托,…稱作二級節(jié)點。”

    (4) 筆者河流分段節(jié)點特性分析[4]:基于10大江河分段實踐,可以將河流分段控制節(jié)點劃分為2類——河勢控制節(jié)點(流域特性、河道特性等發(fā)生質(zhì)變的地貌臨界點)與匯流控制節(jié)點(重要支流、湖泊的分、匯流點),由此將河流分段方法區(qū)分為“河勢節(jié)點分段”、“匯流節(jié)點分段”與“混合節(jié)點分段”(包含河勢與匯流控制節(jié)點)3類。

    2.3 河流5區(qū)分段法

    基于Schumm河流分區(qū)理論和筆者“最大5河段分段法”,本文優(yōu)化提出了“河流5區(qū)分段法”,其分段思想為:以流域分區(qū)為主導(dǎo)(“體”),以干流河道分段為目標(“用”),先按照河源、上游、中游、下游和河口5區(qū)進行流域分區(qū),后選取河勢和(或)匯流控制節(jié)點進行干流河道分段,綜合確定合適的河流分段數(shù)?!昂恿?區(qū)分段法”的優(yōu)化與改進主要體現(xiàn)在如下3個方面。

    2.3.1 分段思想

    以“體用論”為指導(dǎo)思想,辨識并強化了流域分區(qū)的主導(dǎo)作用(“體”)和干流河道分段的目標功能(“用”),強調(diào)先分區(qū)、后分段;弱化了河勢和(或)匯流控制節(jié)點的分段作用,控制節(jié)點分段是必要條件而非充分條件。

    圖3 《易經(jīng)》乾卦Fig.3 Ideas of space andtime in line statements ofhexagram Qian in Yijing,the Book of Changes

    2.3.2 分段數(shù)量

    只限制流域分區(qū)數(shù),不限制河道分段數(shù),允許流域分區(qū)數(shù)與河道分段數(shù)不一致。主張合適的河流分段數(shù),避免以分段數(shù)評判河流分段方法優(yōu)劣,糾正“分段數(shù)越多越科學(xué)”的片面認識;為河流分段方法的指導(dǎo)性與靈活性預(yù)留了更多空間。

    2.3.3 方法命名

    借用《易經(jīng)》中乾卦爻辭中“初九”(凸顯時間)與“上九”(凸顯空間)命名思想(圖3),以“5區(qū)”凸顯流域分區(qū)的主導(dǎo)作用、以“分段”表征干流河道的分段目標,融入了“易經(jīng)”思想[9]。

    3 10大江河分段檢驗

    筆者曾采用10大江河常見分段方法檢驗了“最大5河段分段法”的適用性與有效性[4]。為比較方便,本文仍采用10大江河進行“河流5區(qū)分段法”檢驗。所選10大江河涵蓋世界各大洲,按英文字母排序分別為:亞馬孫河、長江、剛果河、多瑙河、恒河、密西西比河、墨累河、尼羅河、萊茵河、伏爾加河。10大江河的常見分段方法主要以《世界江河與大壩》[10]、“長江流域綜合規(guī)劃(2012—2030年)”[11]等為依據(jù)。

    表1 10大江河常見分段方法與河流5區(qū)分段法檢驗

    表1和圖4給出了10大江河常見分段方法、分段節(jié)點及分段特性,并與“河流5區(qū)分段法”進行了比較,本文初步檢驗與分析結(jié)論如下:

    (1) 分段特性方面。10大江河常見分段方法涉及2段至5段劃分,其中3段劃分最為常見;分段節(jié)點均可歸入河勢與匯流控制節(jié)點2類,分段方法可相應(yīng)地歸入“河勢節(jié)點分段”、“匯流節(jié)點分段”和“混合節(jié)點分段”3類,且2類節(jié)點與3類分段的采用頻率大致相當;10大江河常見分段方法中流域分區(qū)與河流分段之間存在“1區(qū)1段”、“多區(qū)1段”、“1區(qū)多段”對應(yīng)關(guān)系,其中“1區(qū)多段”最少采用。

    (2) 檢驗分析結(jié)果?;赟chumm河流分區(qū)理論的3區(qū)3段方法顯然無法涵蓋10大江河的常見分段方法,而筆者以往提出的“最大5河段分段法”和本文推薦的“河流5區(qū)分段法”均適用和有效;其中,“河流5區(qū)分段法”的優(yōu)點表現(xiàn)為:先分區(qū)(主導(dǎo))、后分段(目標),允許分區(qū)數(shù)與分段數(shù)不一致,不以分段數(shù)評判分段方法優(yōu)劣,更具“普適”指導(dǎo)意義等。

    圖4 10大江河常見分段方法特性分析Fig.4 Characteristics of segmentation often big rivers

    4 長江干流分段實踐

    長江流域水系示意圖與干流河道剖面圖見圖5和圖6,本文長江干流分段實踐采用的是“廣義”河流分段定義。筆者首先將長江干流目前采用的各種分段方法歸納為兼顧流域與河道特性、流域特性主導(dǎo)和河道特性主導(dǎo)3類,并以此對長江干流河道的各類與各種分段方法與實踐進行了初步總結(jié)。

    圖6 長江干流河道剖面圖Fig.6 Profile of mainstream Changjiang River

    4.1 流域河道兼顧分段法

    流域河道特性兼顧的河流分段法包括以流域分區(qū)主導(dǎo)、以河道分段為目標的“河流5區(qū)分段法”和流域特性與河道特性“混合”的河流名稱分段法等。

    4.1.1 河流5區(qū)分段法

    基于本文推薦的“河流5區(qū)分段法”,可以將長江干流河道區(qū)分為5段、3段與2段3類劃分方法。本文推薦的長江干流5段劃分為“長江源—直門達/巴塘河口—宜昌—湖口—徐六涇—長江口”,與筆者基于“最大5河段分段法”的劃分方法一致[4]。其中,分段節(jié)點直門達/巴塘河口、湖口為匯流控制節(jié)點,宜昌、徐六涇為河勢控制節(jié)點,該方法凸顯了長江源河段(某些河段具有“游蕩河型”特性[3])與長江口河段(徑流與潮流雙重作用)的特殊性與重要性。

    推薦的長江干流3段劃分為“長江源—宜昌—湖口—長江口”分段方法,這是目前最普遍接受的長江干流分段方法,且為長江流域綜合規(guī)劃所采用[11]。長江中下游分段及選擇“湖口”而非“武漢”節(jié)點的理由包括:長江中下游重要支流最后匯入點是湖口而非武漢,長江復(fù)雜江湖關(guān)系(洞庭湖、鄱陽湖)止于湖口;宜昌—湖口河段以彎曲、雙分汊、一級節(jié)點控制為主,湖口以下河段以多分汊、二級節(jié)點南岸控制為主;中游河槽歷史擺動南北交替、下游自北向南,擺幅自中游向下游逐漸增大等[3]。

    推薦的長江干流2段劃分為“長江源—宜昌—長江口”。從長江干流剖面(圖6)可以十分明顯地看出干流河道高程在宜昌上下存在“質(zhì)的變化”,這也佐證了流域分區(qū)的重要性與合理性。

    最后需要強調(diào)指出的是,本文推薦的長江干流5段、3段和2段劃分方法是互相依存與相互和諧的。

    4.1.2 河流名稱分段法

    該方法依照長江干流河段的歷史或習慣稱謂進行河流分段,具體劃分為:沱沱河(長江源—當曲河口),通天河(當曲河口—巴塘河口),金沙江(巴塘河口—宜賓),川江(宜賓—宜昌),荊江(枝城—城陵磯),揚子江(揚州以下—長江口,也可稱長江)。該方法結(jié)合了流域特性主導(dǎo)分段(如沱沱河、金沙江等)與河道特性主導(dǎo)分段(如川江、荊江等);該方法存在分段不連續(xù)(如川江、荊江與揚子江之間)、干流河道整體性認知不強等問題,同時有悖于作者倡導(dǎo)的“分段河道不分級,分級河道不分段”原則等。

    4.2 流域特性主導(dǎo)分段法

    長江干流很多分段方法可以歸并為以流域水系的自然或(和)社會特性主導(dǎo)的分段方法,主要包括水系劃分和行政區(qū)界等分段法。

    4.2.1 水系劃分分段法

    以主要支流或湖泊水系的干流河道入?yún)R點為分段依據(jù),如:筆者曾將長江水系推薦劃分為干流水系與雅礱江、岷江、嘉陵江、烏江、洞庭湖、漢江、鄱陽湖、太湖等8個支流水系[5],依此可將長江干流分段為長江源—雅礱江河口—岷江河口—嘉陵江河口—烏江河口—洞庭湖匯口—漢江河口—鄱陽湖匯口—太湖虞望河口—長江口。這一分段方法依賴于水系劃分方法且實際分段數(shù)偏多。

    4.2.2 行政區(qū)界分段法

    以行政的省界或城市為分段依據(jù),如四川段、重慶段、湖北段、湖南段、江西段、安徽段、江蘇段和上海段等省界河段,重慶市江段、武漢市江段、南京市江段、上海市江段等重要城市江段。這類方法完全沒有考慮河道特性,雖然可能有利于河流管理,但明顯不利于河流研究。

    4.3 河道特性主導(dǎo)分段法

    基于河道特性進行長江干流分段的實踐方法也很多,既可采用河勢、水質(zhì)、水功能等河流指標分段方法,也可采用水利、航道、環(huán)保、農(nóng)業(yè)等專業(yè)管理分段方法,本文分別列舉了河勢和航道分段實例。

    4.3.1 河流指標分段法(以河勢分段為例)

    河流指標分段法是基于干流河道形態(tài)、河床演變與控制節(jié)點等河勢指標的分段方法,如長河段分段實例:長江流域綜合規(guī)劃將長江中下游干流河道劃分為宜枝、上荊江、下荊江、岳陽、陸溪口、嘉魚、簰洲灣、武漢、葉家洲、團風、鄂黃、韋源口、田家鎮(zhèn)、龍坪、九江、馬垱、東流、安慶、太子磯、貴池、大通、銅陵、黑沙洲、蕪裕、馬鞍山、南京、鎮(zhèn)揚、揚中、澄通、長江口30個河段[11]。又如次河段分段實例:長江三峽河段(奉節(jié)—南津關(guān))劃分為瞿塘峽(奉節(jié)—大寧河口)、巫峽(大寧河口—香溪河口)和西陵峽(香溪河口—南津關(guān))。

    4.3.2 專業(yè)管理分段法(以航道分段為例)

    專業(yè)管理分段法之一,是基于干流河道的通航條件與航道整治等而采用的航道分段方法,如長江航道部門將長江干流武漢(陽邏)—安慶(皖河口)航道劃分為陽邏、牧鵝洲、湖廣、羅湖洲、沙洲、巴河、戴家洲、黃石、牯牛沙、蘄春、擱排洲、鯉魚山、武穴、新洲、九江、九江大橋、張家洲、湖口、東北、馬垱南、馬垱阻、東流直、東流、官洲24個水道[12]。

    最后,本文將長江干流各類和各種分段方法與實踐匯總成表2,以供讀者參考。

    表2 長江干流分段方法與實踐

    5 結(jié) 論

    “狹義”河流分段具有流域分區(qū)與干流河道分段雙重功能,本文河流分段方法研究采用“狹義”定義;“廣義”河流分段包括所有的基于流域特性、河道特性和兼顧兩者的河流分段方法,本文長江干流分段實踐采用“廣義”定義。河流分段研究流域應(yīng)具有封閉性與獨立性;研究河道應(yīng)為河流Horton分級數(shù)最高的干流河道,筆者倡導(dǎo)“分段河道不分級,分級河道不分段”。

    基于Schumm河流分區(qū)理論和筆者“最大5河段分段法”,本文優(yōu)化提出了“河流5區(qū)分段法”,其分段思想為:以流域分區(qū)為主導(dǎo)(“體”),以干流河道分段為目標(“用”),先按照河源、上游、中游、下游和河口5區(qū)進行流域分區(qū),后選取河勢和(或)匯流控制節(jié)點進行干流河道分段,綜合確定合適的河流分段數(shù)?!昂恿?區(qū)分段法”在分段思想、分段數(shù)量和方法命名等3個方面對“最大5河段分段法”進行了優(yōu)化與改進,融入了“易經(jīng)”、“體用論”思想。

    以亞馬孫河、長江、剛果河、多瑙河、恒河、密西西比河、墨累河、尼羅河、萊茵河、伏爾加河世界10大江河為例,對本文推薦的“河流5區(qū)分段法”進行了檢驗。結(jié)果表明:10大江河常見分段方法涉及2段至5段劃分,其中3段劃分最為常見;流域分區(qū)與河流分段之間存在“1區(qū)1段”、“多區(qū)1段”、“1區(qū)多段”對應(yīng)關(guān)系,其中“1區(qū)多段”最少采用;“最大5河段分段法”和“河流5區(qū)分段法”均適用和有效,其中“河流5區(qū)分段法”具有先分區(qū)(主導(dǎo))、后分段(目標),允許分區(qū)數(shù)與分段數(shù)不一致,不以分段數(shù)評判分段方法優(yōu)劣,更具“普適”指導(dǎo)意義等優(yōu)點。

    將長江干流分段方法歸納為兼顧流域與河道特性、流域特性主導(dǎo)和河道特性主導(dǎo)3類;基于“河流5區(qū)分段法”,長江干流推薦劃分為5段(長江源—直門達/巴塘河口—宜昌—湖口—徐六涇—長江口)、3段(長江源—宜昌—湖口—長江口)與2段(長江源—宜昌—長江口),3種分段方法互相依存且相互和諧。長江干流的其它分段方法包括:基于流域特性與河道特性“混合”的河流名稱分段法,基于流域特性主導(dǎo)的水系劃分分段法和行政區(qū)界分段法,基于河道特性主導(dǎo)的河流指標分段法和專業(yè)管理分段法等。

    最后需要指出的是:①應(yīng)用“河流5區(qū)分段法”進行河流分段時,最為關(guān)鍵的是需要對具體河流的流域與河道特性有充分的認識與研究;②由于天然河流既有大江大河與中小河流之分、“沿程沖刷”(陸地侵蝕)河流與“朔源沖刷”(海侵海退)河流之分,又存在放射狀或環(huán)狀等特殊水系形態(tài)河流,再加上攔河大壩、跨流域調(diào)水等重大人類活動干擾等,因此“河流5區(qū)分段法”是否普遍適用,還有待進一步的檢驗;③目前河床演變分析方法主要基于河型(如:順直、彎曲、分汊和游蕩等),河道治理規(guī)劃研究主要基于河流分段,今后應(yīng)加強兩者之間的交叉與融合。

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    (編輯:趙衛(wèi)兵)

    Method of River Segmentation with Five Subzones andIts Application to the Changjiang River Segmentation

    DONG Yao-hua1, WANG Xiu-li2

    (1.Key Laboratory of River Regulation and Flood Control of Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 2.Library of Wuhan University, Wuhan 430072, China)

    On the basis of Schumm’s theory of river subsections and the method of river segmentation with a maximum of five reaches proposed by the author earlier, we present an optimized method of river segmentation with five subzones. Subzoning of watershed is regarded as essence and segmentation of main channel as objective. Watershed is partitioned into five subzones in line with river source, upstream, middle stream, downstream and estuary. Subsequently, the main channel is segmented according to selected knickpoints of river regime and/or tributary confluence, hence the proper number of river segments can be determined. The present method is verified through comparison with the segmentation practices of ten large rivers worldwide, among which the methods for the Changjiang River segmentation can be classified as watershed-and-channel dominated, watershed-feature dominated, and channel-feature dominated. Furthermore, by using the present method, we recommend to divide the Changjiang River into five segments as river source-Zhimenda/Batang river estuary-Yichang-Hukou-Xuliujing-Changjiang River estuary; or three segments as river source-Yichang-Hukou-Changjiang River estuary; or two segments as river source-Yichang-Changjiang River estuary. We also summarized other methods for the segmentation of mainstream Changjiang River, which are based on conventional river names for reaches, confluences of sub-basins divisions, administration zones, river index and professional management etc.

    river segmentation; watershed subzoning; method of river segmentation with five subzones; Schumm’s theory on river subsections; method of river segmentation with a maximum of five reaches; mainstream Changjiang River

    2016-03-18;

    2016-04-08

    中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費項目(CKSF2017069+YB2)

    董耀華(1966-),男,湖北蘄春人,教授級高級工程師,碩士,從事水力學(xué)及河流動力學(xué)研究,(電話)027-82820010(電子信箱)DONG_YH04@hotmail.com。

    10.11988/ckyyb.20160252

    2017,34(6):1-6

    TV854

    A

    1001-5485(2017)06-0001-06

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