山丘區(qū)中小河流灘地時空演化與擾動因子分析

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[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，進而確定不同時間段內(nèi)，擾動因子對灘地演化的貢獻度。

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度?；疑P(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。灰色關(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，在進行灰色關(guān)聯(lián)分析時，需先采用均值變換對數(shù)據(jù)進行無量綱處理。

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度比較大，人為擾動因子的貢獻度則相對較小；擾動度DI≥1.35時，人為擾動因子如采砂強度、平均堰高對灘地格局演化貢獻度比較大，自然擾動因子的貢獻度則相對較小。

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