松花江干流中下游河型轉(zhuǎn)化控制因素研究

劉警陽(yáng) 劉宗堡 曹蘭柱 劉性全 胡賽寅 潘國(guó)輝 劉芳

摘 要 河型轉(zhuǎn)化機(jī)制研究對(duì)于分析河流沉積特征具有重要意義。以中國(guó)松花江干流中下游為研究對(duì)象，利用Google Earth和Arc GIS軟件對(duì)河流形態(tài)參數(shù)進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，進(jìn)而對(duì)不同河段河型發(fā)育特征及轉(zhuǎn)化控制因素進(jìn)行研究，結(jié)果表明：1）松花江干流中下游存在曲流河、辮狀河和直流河3種類型，依據(jù)地貌特征、平面形態(tài)和彎曲度自上而下劃分為3段，其中上段為低坡度背景下河流逐漸加寬且植被密度逐漸降低的曲辮共存型河流，中A段為低坡度背景下河流較寬且植被密度高的簡(jiǎn)單辮狀河，中B 段為高坡度背景下河流寬度集中且植被密度低的直流河，下段為高坡度背景下河流寬度頻繁變化的復(fù)雜辮狀河；2）曲流河向辮狀河轉(zhuǎn)化控制因素為植被密度降低引起的堤岸抗侵蝕能力減弱，辮狀河向直流河轉(zhuǎn)化控制因素為河流被兩側(cè)山谷夾持且伴隨坡度陡增造成河流下蝕能力增強(qiáng)，直流河向辮狀河轉(zhuǎn)化控制因素為支流注入導(dǎo)致流量和輸沙量增大；3）建立了松花江干流中下游3種河型轉(zhuǎn)化模式，上段為漸變曲—辮轉(zhuǎn)化，中段為突變辮—直轉(zhuǎn)化，下段為突變直—辮轉(zhuǎn)化。

關(guān)鍵詞 河流；河型轉(zhuǎn)化；發(fā)育特征；沉積模式；松花江

第一作者簡(jiǎn)介 劉警陽(yáng)，男，1997年出生，碩士研究生，儲(chǔ)層沉積學(xué)，E-mail： liujingyang0306@163.com

通信作者 劉宗堡，男，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail： lzbdqpi@163.com

中圖分類號(hào) P512.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

河型轉(zhuǎn)化作為河流沉積學(xué)研究的重要內(nèi)容之一，其是指由于地質(zhì)地貌條件改變引起的各種河流類型之間的相互轉(zhuǎn)化過程[1-2]，而這種轉(zhuǎn)化過程發(fā)生在地質(zhì)歷史時(shí)期則表現(xiàn)為不同河流體系的沉積演變[3]，因此，河型轉(zhuǎn)化在現(xiàn)代水利防治和地下儲(chǔ)層預(yù)測(cè)中均具有重要意義。近年來，隨著現(xiàn)代沉積類比、水槽物理模擬、野外露頭解剖和沉積數(shù)值模擬等技術(shù)方法的大量應(yīng)用，河流地質(zhì)條件和堤岸邊界條件控制河型轉(zhuǎn)化已成為不爭(zhēng)的事實(shí)[4-6]。河流地質(zhì)條件中坡度和流量對(duì)于河型轉(zhuǎn)化的控制作用最為顯著，因?yàn)楹恿餍螒B(tài)對(duì)構(gòu)造作用相對(duì)敏感[7]，而流量改變則會(huì)引起水流沖刷能力變化[8-9]，進(jìn)而可以利用坡度與流量的函數(shù)定量判別河流類型及其轉(zhuǎn)化[10-11]；同時(shí)，沉積物供給和水沙條件匹配對(duì)河型轉(zhuǎn)化的控制作用也被廣泛認(rèn)知，如錢寧[12]和陸中臣等[13]認(rèn)為當(dāng)細(xì)粒沉積物增多時(shí)曲流河特征增強(qiáng)。相比于河流地質(zhì)條件，堤岸邊界條件則是通過外力作用引起河型發(fā)生轉(zhuǎn)化[14-16]，如堤岸植被影響水流編織強(qiáng)度和相對(duì)流動(dòng)性，進(jìn)而控制河流樣式[17]，這是由于植被根系與泥沙有機(jī)組合增強(qiáng)堤岸強(qiáng)度和水流阻力[18-19]，特別是不同植被根系對(duì)堤岸抗侵蝕性的影響差異較大[20]。同期，關(guān)于地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖石強(qiáng)度和山谷限制對(duì)河型轉(zhuǎn)化的控制作用研究也取得了大量進(jìn)展[21-22]。

目前，河型轉(zhuǎn)化控制因素研究對(duì)象主要為大型河流，而對(duì)于中小型河流研究卻十分薄弱，同時(shí)采用的技術(shù)手段多以河流地貌學(xué)為基礎(chǔ)的定性描述，缺少系統(tǒng)性河型轉(zhuǎn)化控制因素的定量分析。本文選取中國(guó)東北松花江干流中下游河段，利用Google Earth和Arc GIS軟件獲取河流衛(wèi)星影像并對(duì)其進(jìn)行幾何形態(tài)參數(shù)測(cè)量，同時(shí)結(jié)合地質(zhì)地貌特征和沉積動(dòng)力學(xué)機(jī)制，最終建立不同河段河型轉(zhuǎn)化的控制因素。其成果不僅可以應(yīng)用于河流平面形態(tài)預(yù)測(cè)及水利災(zāi)害預(yù)防，還可以類比于地下河流相儲(chǔ)層沉積體系分析。

1 松花江流域地質(zhì)概況

松花江是黑龍江在中國(guó)境內(nèi)的最大支流，流域面積557 200 km2，涵蓋黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古四個(gè)省區(qū)。松花江南源（正源）發(fā)源于長(zhǎng)白山天池，全長(zhǎng)約1 930 km；北源嫩江發(fā)源于大興安嶺伊勒呼里山，是松花江最大支流，與南源松花江在吉林省松原市三岔河口交匯后向東流出統(tǒng)稱松花江干流，最終注入黑龍江。根據(jù)松花江干流流域地形及水系特征，可劃分為上游、中游和下游，松原市—哈爾濱市為上游，哈爾濱市—佳木斯市為中游，佳木斯市—同江市為下游。松花江流域范圍內(nèi)共分布5座重要水文測(cè)量站，分別為扶余站、江橋站、大賚站、哈爾濱站和佳木斯站（圖1a）。

本次研究區(qū)域?yàn)樗苫ń闪髦邢掠魏佣危ㄒ韵陆y(tǒng)稱河段），河段西南起哈爾濱市巴彥縣，東北至佳木斯市同江市，全長(zhǎng)約560 km。河段位于北溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，為濕潤(rùn)—半濕潤(rùn)氣候，年平均降水量在500 mm左右，全年降水量的70%～80%集中在6—9月，該時(shí)間段是河段的洪水多發(fā)期，洪峰一般出現(xiàn)在每年的8月[23]。河段內(nèi)堤岸植被豐富，在哈爾濱市、通河縣等相對(duì)低緯度區(qū)域植被類型為沼澤和淺灘植被；依蘭縣、湯原縣等山區(qū)的植被類型為闊葉林和少量栽培植被；隨著緯度增加，在佳木斯市和同江市區(qū)域植被類型轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅吭耘嘀脖缓蜕倭酷樔~林。河段的年徑流量主要來自大氣降水，在河段中下游有牡丹江、湯旺河和梧桐河等支流匯入。河段平均年徑流量為627.6×108 m3，年輸沙量為1 251.8×104 t[24]，主要徑流量和輸沙量集中在每年6—11 月，分別占全年的64%～88% 和89%～98%?？傊?，河段流經(jīng)松嫩平原、山前過渡帶和三江平原，河流地貌特征多樣，兼具平原河流和山區(qū)河流特征；河段內(nèi)河流寬度變化范圍較大、形態(tài)類型多樣和彎曲指數(shù)較低，多數(shù)條件下發(fā)育辮狀河，局部具有曲流河和曲辮共存特征，僅在山前過渡帶處有直流河發(fā)育。

2 數(shù)據(jù)來源和方法

2.1 河流形態(tài)參數(shù)選取及有效測(cè)量

采用Google Earth和Arc GIS軟件對(duì)河段河流幾何形態(tài)及地貌特征等參數(shù)進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，河流形態(tài)參數(shù)是指能夠反映河流平面幾何形態(tài)的數(shù)值，包括河流的寬度和彎曲度等；地貌特征參數(shù)是指反映河流動(dòng)力學(xué)特征的數(shù)值，包括植被密度和河流坡降等，其中部分工程數(shù)據(jù)來源于2019年中國(guó)河流泥沙公報(bào)，同時(shí)測(cè)量區(qū)域選取原則是避開人為影響河段且衛(wèi)星圖像清晰（圖2a）。

2.1.1 河流寬度

河流寬度是反映河流平面形態(tài)的重要參數(shù)，同時(shí)河流寬度的變化能夠反映構(gòu)造作用、物源供給、氣候條件和基準(zhǔn)面升降等因素對(duì)河流形態(tài)的綜合影響[25]。為了對(duì)河流寬度進(jìn)行精細(xì)測(cè)量，在河流寬度變化幅度較小和測(cè)量區(qū)間較長(zhǎng)的區(qū)域，每間隔5km 進(jìn)行一次寬度測(cè)量，在河流寬度變化較大和測(cè)量區(qū)間較短的區(qū)域，每隔1.5 km或2 km進(jìn)行一次寬度測(cè)量，并在目標(biāo)河段內(nèi)進(jìn)行多次的河流寬度測(cè)量求取其平均值。根據(jù)不同河段的河流形態(tài)特征，寬度測(cè)量的方法略有差別：曲流河段和直流河段只測(cè)量主河流寬度，曲流河的串溝河道與廢棄河道不在河流寬度計(jì)算范圍內(nèi)；簡(jiǎn)單辮狀河段的測(cè)量要計(jì)算沙壩寬度，因其沙壩數(shù)量少且形態(tài)單一，測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單；復(fù)雜辮狀河段的測(cè)量同樣要計(jì)算沙壩寬度，但其沙壩數(shù)量多且相對(duì)分散，在測(cè)量時(shí)要注意沙壩邊界和河流邊界的區(qū)別，復(fù)雜辮狀河段通常存在多條細(xì)小支流，支流寬度不納入河流寬度范圍（圖2b）。

2.1.2 植被密度

植被密度能夠指示河流演化過程的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，特別是它能改變河岸的力學(xué)性質(zhì)，植被根系可以增強(qiáng)土壤內(nèi)聚力從而提升河岸的抗剪強(qiáng)度來對(duì)抗水流侵蝕[26]。本次研究定義植被密度為一定范圍河段內(nèi)植被發(fā)育長(zhǎng)度與河段總長(zhǎng)度比值。利用Arc GIS軟件的“最大似然分類”方法，通過中高分辨率衛(wèi)星圖像獲取測(cè)量區(qū)域的植被覆蓋率，進(jìn)而計(jì)算河流沿岸植被密度，植被密度測(cè)量河段應(yīng)與寬度測(cè)量河段相一致。測(cè)量時(shí)應(yīng)注意植被是河岸植被，而不是江心島和沙壩上的植被（圖2c）。

2.1.3 彎曲度和坡度

彎曲度為河道長(zhǎng)度與河谷長(zhǎng)度之比，定義為：

S = L/D （1）

式中：S 為河段彎曲度，無量綱；L 為河道長(zhǎng)度，m；D 為河谷長(zhǎng)度，m。

彎曲度是除河流寬度外最能直接反映河流幾何形態(tài)的參數(shù)，表示獨(dú)立河灣或一定長(zhǎng)度河段的蜿蜒程度，河流彎曲度的改變揭示了堤岸抗侵蝕性和河流寬度的變化。一般情況下，彎曲度高的河段，河流寬度較?。欢鴱澢刃〉暮佣?，河流寬度較大。雖然彎曲度與河流寬度之間存在一定關(guān)系，但彎曲度具有較大的波動(dòng)性[27]，要建立兩者之間的定量關(guān)系難度較大。

坡度為兩點(diǎn)之間海拔高差與兩點(diǎn)直線距離之比，定義為：

s = ΔH/D （2）

式中：s 為河段坡度，無量綱；ΔH 為河段海拔高差，m；D 為河段直線距離，m。

坡度是反映河段地形起伏的地貌特征參數(shù)，在河流沉積學(xué)研究中，坡度特指河流坡降，用來指示河段單位長(zhǎng)度內(nèi)自上游向下游的海拔高差。受多期構(gòu)造作用影響，相比于其他參數(shù)，坡度是較難測(cè)定的變量，因此需要進(jìn)行大范圍的海拔高度測(cè)量并采用多次測(cè)量的平均值。

2.2 河流分段

為了深入探究河型轉(zhuǎn)化的控制因素，依據(jù)河流的地貌特征、平面形態(tài)和彎曲度對(duì)河流進(jìn)行分段，如松花江干流中下游沿流向依次為平原—低丘陵地貌、山區(qū)地貌和平原地貌。Rust[28]提出的曲流河、直流河、辮狀河和網(wǎng)狀河分類方案及判別標(biāo)準(zhǔn)，最終將研究河段細(xì)分為3段4亞段：上段為巴彥縣至通河縣，發(fā)育曲流河和辮狀河，為曲辮過渡河段；中段為通河縣至湯原縣，該段流經(jīng)山前過渡帶，河流彎曲度極低，其中依蘭縣西側(cè)為坡降小的辮狀河，依蘭縣東側(cè)為坡降大的直流河，因此將中段進(jìn)一步細(xì)分為中A亞段（通河縣—依蘭縣）和中B亞段（依蘭縣—湯原縣）；下段為樺川縣—同江市，河流彎曲度較低，為辮狀河特征（圖1b～d、表1）。

3 不同河段河型發(fā)育特征

3.1 上段河型發(fā)育特征

上段位于松花江干流中游，具有曲流河和辮狀河特征，河流平均彎曲度為1.17，在曲流段河灣的最大彎曲度達(dá)2.62，辮狀段河彎的最小彎曲度僅為1.01（圖1b）。上段地形坡降平緩，平均坡度為7.9×10-5，河流左岸為平原和低丘陵，河流右岸為大片平原，是明顯的平原—低丘陵地貌，植被類型為淺色低矮的沼澤灘地。2019年徑流量為470.8×108 m3，輸沙量為481×104 （t 哈爾濱水文站），最終在上段選擇測(cè)量點(diǎn)27處，每段長(zhǎng)5 km，測(cè)量總長(zhǎng)度達(dá)185 km。上段河流寬度介于458.9～966.7 m，平均寬度為737.4 m，寬度峰值介于800～900 m，占測(cè)量河流總數(shù)的41%，同時(shí)從上游至下游河流寬度呈逐漸增大的趨勢(shì)（圖3a）。上段植被覆蓋率總體較低，植被密度介于0.05～0.57，其中植被密度小于0.3的河段約占63%，且具有自上游向下游先快速減小再緩慢減小的趨勢(shì)（圖3b）。

3.2 中段河型發(fā)育特征

中段與上段同屬松花江干流中游，但河流幾何形態(tài)特征與上段截然不同。中段流經(jīng)山前過渡帶，是明顯的山區(qū)地貌，以依蘭縣為分界點(diǎn)，兩側(cè)河流的幾何形態(tài)存在很大差異。上游中A段是簡(jiǎn)單辮狀河，坡降較小，平均坡度為8.3×10-5，平均彎曲度為1.05，最大彎曲度僅為1.11；下游中B段是典型直流河，坡降較陡，平均坡度為2.0×10-4，最大彎曲度僅為1.06。在中段共選取測(cè)量點(diǎn)52處，中A段和中B段各26處，每段長(zhǎng)2 km或1.5 km，測(cè)量長(zhǎng)度達(dá)120 km（圖1c）。

中段河流寬度分布有兩個(gè)集中范圍，分別在1 300～1 900 m和500～700 m，在其范圍內(nèi)的河流寬度約占總測(cè)量河段的35%和41%，在頻率分布直方圖上呈近雙峰特征（圖4a）。中A 段河流寬度介于726.7～2 280.53 m，平均寬度為1 556.7 m，河流寬度分布有兩個(gè)明顯峰值，總體上呈先增大、后減小、再增大和再減小的過程，表明河流寬度變化較大；中B段河流寬度介于486.7～797.2 m，平均寬度為617.8 m，寬度范圍相對(duì)集中，平均絕對(duì)誤差僅為51.4 m，表明河流寬度范圍變化較小，且中B段河寬趨勢(shì)線呈近直線形態(tài)。中段河流植被密度較高，植被密度在0.3～0.7之間的河段占總測(cè)量河段的71%，同時(shí)植被密度自上游向下游具有緩慢減小的趨勢(shì)，中A段植被密度明顯高于中B段，如中A段植被密度最大值為0.94（平均值為0.69），中B段植被密度最大值為0.68（平均值為0.45）（圖4b）。

3.3 下段河型發(fā)育特征

下段位于松花江干流下游，具有明顯的辮狀河特征，對(duì)比中A段簡(jiǎn)單辮狀河，下段河流形態(tài)復(fù)雜，河流中沙壩眾多且大多被植被覆蓋。河流總體較為平直，最大彎曲度僅為1.39。下段流經(jīng)三江平原，最終在同江市注入黑龍江，河流兩岸地勢(shì)平坦，但河流坡降較陡，平均坡度為1.4×10-4，植被類型為暗綠色的栽培植被和少量針葉林。下段有眾多支流匯入，如湯旺河、倭肯河和牡丹江等，造成年徑流量與年輸沙量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過上段和中段。2019年徑流量為985.6×108 m3，輸沙量為1 820×104 t（佳木斯水文站）。在下段共選取測(cè)量點(diǎn)42 處，每段長(zhǎng)5 km，測(cè)量長(zhǎng)度達(dá)210 km，其中考慮人為因素未選取佳木斯市區(qū)河段進(jìn)行測(cè)量（圖1d）。

下段河流開闊，河流寬度介于1 184.1～2 682.6 m，平均寬度1 726.5 m，寬度峰值介于1 200～2 000 m，占測(cè)量河流總數(shù)的74%。下段河流寬度范圍變化較大，有4個(gè)寬度明顯增大的區(qū)域，這說明下段河流形態(tài)十分復(fù)雜（圖5a）。下段流經(jīng)高緯度地區(qū)，植被密度總體較低且無明顯變化趨勢(shì)，77%的測(cè)量河段植被覆蓋率介于0.2～0.5，平均植被密度為0.39（圖5b）。

4 不同河型轉(zhuǎn)化控制因素研究

4.1 穩(wěn)定河型向不穩(wěn)定河型轉(zhuǎn)化

經(jīng)典河流沉積學(xué)理論認(rèn)為河流河型自上游向下游依次為辮狀河、曲流河和網(wǎng)狀河，其代表了河流能量消耗趨于穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)過程。河流蘊(yùn)含能量的多少?zèng)Q定了河流穩(wěn)定性，進(jìn)而可以將河流類型劃分為穩(wěn)定河流和不穩(wěn)定河流。河流穩(wěn)定性評(píng)價(jià)參數(shù)包括縱向穩(wěn)定性和橫向穩(wěn)定性[29]，縱向穩(wěn)定性反映河床縱向的變形程度，表示泥沙和水流運(yùn)動(dòng)之間的對(duì)抗關(guān)系[30]，橫向穩(wěn)定性則反映河流橫向的擺動(dòng)幅度，其與河岸的抗侵蝕能力密切相關(guān)[31]。當(dāng)水沙匹配關(guān)系平衡和河岸抗侵蝕能力強(qiáng)時(shí)發(fā)育穩(wěn)定河流，其蘊(yùn)含能量低，在沒有其他因素干擾下河型保持不變，如曲流河和直流河；當(dāng)水沙匹配關(guān)系不平衡和河岸抗侵蝕能力低時(shí)發(fā)育不穩(wěn)定河流，其蘊(yùn)含能量高，此時(shí)河型容易發(fā)生轉(zhuǎn)化，如辮狀河。類比于地下河流相儲(chǔ)層預(yù)測(cè)，明確河型轉(zhuǎn)化機(jī)制對(duì)于認(rèn)清礦產(chǎn)資源的分布規(guī)律具有重要意義，如不穩(wěn)定河流能量高、水動(dòng)力強(qiáng)和底負(fù)載沉積物多，砂體厚度大且分布廣泛，容易形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層；相反，穩(wěn)定河流能量低、水動(dòng)力弱和懸浮沉積物多，砂體厚度薄且分布零散，導(dǎo)致儲(chǔ)層儲(chǔ)集規(guī)模較小。

松花江干流中下游出現(xiàn)了曲流河、直流河向辮狀河的轉(zhuǎn)化，具有穩(wěn)定河流向不穩(wěn)定河流轉(zhuǎn)化的特征，這也印證了河流形態(tài)并不受河流位置的影響，只要滿足河流發(fā)育條件即可以發(fā)生有序的河型轉(zhuǎn)化，如Leopold et al.[32]指出辮狀河轉(zhuǎn)化過程與坡度變陡有關(guān)，王隨繼[33]也提出河流比降增大是穩(wěn)定河流向不穩(wěn)定河流轉(zhuǎn)化的控制因素。同樣構(gòu)造作用也可以改變沉積環(huán)境和基準(zhǔn)面位置來控制河型轉(zhuǎn)化[34]；此外，從河流動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，曲—辮轉(zhuǎn)化可看作河流能量過剩的綜合表現(xiàn)，是水流能量變化與河岸邊界條件之間的動(dòng)態(tài)平衡[35]。

4.1.1 曲流河向辮狀河轉(zhuǎn)化控制因素

河段上段具有曲流河向辮狀河的轉(zhuǎn)化特征，在相鄰河灣內(nèi)，兼有曲流河邊灘和辮狀河心灘特征，是明顯的曲辮共存河段。上段上游發(fā)育曲流河的廢棄河道和串溝河道；上段下游發(fā)育辮狀河，河流側(cè)向侵蝕能力減弱，隨著沙壩出現(xiàn)河流開始變寬，當(dāng)沙壩發(fā)育到一定規(guī)模時(shí)河流開始分叉。通過對(duì)上段河流寬度和植被密度的測(cè)量，利用最小二乘法進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)，河流寬度與植被密度具有較好的負(fù)相關(guān)性，即隨著河岸植被密度的降低，河流寬度逐漸增加（圖6）。上述研究表明當(dāng)植被密度減小時(shí)，植被根系對(duì)堤岸沉積物的固結(jié)作用減弱，水流對(duì)河岸侵蝕力大于堤岸土壤凝聚力，造成水流侵蝕堤岸，使得河流變寬并出現(xiàn)分叉。

上段最大坡度為2.0×10-4，平均坡度為7.9×10-5，伴隨著河流寬度的增大，河流坡降沒有出現(xiàn)規(guī)律性的增高，依據(jù)曲辮劃分閾值計(jì)算滿岸流量。

g = 0.013Q-bf0.44 （3）

式中：g為坡度，無量綱；Qbf為滿岸流量，m3/s。

通過式（3）計(jì)算得出上段最大坡度處發(fā)生曲—辮轉(zhuǎn)化時(shí)的瞬時(shí)滿岸流量應(yīng)為13 190.39 m3/s[10]，Latrubesse[36]曾提出平均流量大于10 000 m3/s的河流可看作超大型河流，但松花江干流作為中小型河流顯然不具備流量大于10 000 m3/s的水流條件。所以流量和坡度不是上段河型發(fā)生轉(zhuǎn)化的控制因素，即植被密度降低造成的河流堤岸抗侵蝕性減弱是上段曲流河向辮狀河轉(zhuǎn)化的主控因素。

4.1.2 直流河向辮狀河轉(zhuǎn)化控制因素

河段下段具有直流河向辮狀河的轉(zhuǎn)化特征，對(duì)比中A段辮狀河，下段辮狀河形態(tài)復(fù)雜。究其原因主要有兩點(diǎn)：1）下段辮狀河河流坡度平均為1.4×10-4，并且河流失去山谷限制性，河流能量較中A段明顯增強(qiáng)，導(dǎo)致河流拓寬程度較大和分叉程度較高，心灘數(shù)量及形態(tài)更加復(fù)雜；2）對(duì)比哈爾濱水文站和佳木斯水文站2003—2019年水文數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，佳木斯水文站的年徑流量和年輸沙量比哈爾濱水文站約大兩倍（圖7），這是因?yàn)楹佣蜗露斡心档そ拥戎Я鲄R入，高流量和高輸沙量代表水流對(duì)堤岸的侵蝕作用更強(qiáng)，所以下段辮狀河的形態(tài)更加復(fù)雜。

此外，本次研究將下段河流寬度明顯加寬區(qū)域與支流注入位置進(jìn)行標(biāo)定，河寬明顯增加區(qū)域（淡藍(lán)色陰影）前方均有支流匯入，如區(qū)域2前有梧桐河和嘟嚕河匯入，區(qū)域3前有蒲鴨河匯入（圖1d、圖5a）。雖然該區(qū)域缺乏具體流量資料，不能對(duì)流量與河寬進(jìn)行定量分析，但足以說明支流匯入增加了流量和輸沙量，而這打破了原有的水沙平衡，過剩的沉積物發(fā)生堆積形成沙壩，致使河流展寬和水流分叉。

對(duì)下段河流寬度和植被密度統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：在低植被密度區(qū)，河流寬度分布范圍較廣，既有高寬度值，也有低寬度值；在高植被密度區(qū)，河流寬度僅有低寬度值；植被密度與河流寬度之間相關(guān)性較低，擬合系數(shù)僅為0.06（圖8a）。然后將各測(cè)量河段坡降與河流寬度進(jìn)行擬合，兩者擬合系數(shù)達(dá)0.5（圖8b），當(dāng)河段內(nèi)坡度變陡時(shí)，河寬隨之增加且辮狀河特征顯現(xiàn)，即坡度變陡與辮狀河發(fā)育密切相關(guān)[32-33]。上述結(jié)果表明，坡度增大不是辮狀河發(fā)育的決定因素，而是由于下段眾多支流注入導(dǎo)致水沙平衡被打破，較低的植被密度造就了較松散的堤岸條件，高坡度的強(qiáng)水流能量得以侵蝕河岸變寬，所以只有當(dāng)外界條件發(fā)生改變時(shí)，坡度變陡才可能導(dǎo)致河流變寬，如眾多學(xué)者建立的坡度—流量河型判別模型[37-40]，即坡度變陡只是河型轉(zhuǎn)化的前提，流量的增加和邊界條件的改變才是河流變寬的主控因素。所以高坡度條件下流量和輸沙量的增大是下段直流河向辮狀河轉(zhuǎn)化的主控因素，植被密度則是次要因素。

綜上所述，同一因素在辮狀河發(fā)育中有著不同的控制作用，如上段曲—辮轉(zhuǎn)化植被密度為主控因素，下段直—辮轉(zhuǎn)化植被密度為次要因素。這可能與不同河段的地質(zhì)地貌背景有關(guān)，以往野外觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)?zāi)M和理論計(jì)算得出的植被密度控制河型轉(zhuǎn)化都是在河流流量穩(wěn)定或其他參數(shù)不變的前提下建立的[20，41-42]。因此，在河流流量穩(wěn)定和坡降平緩的條件下，植被密度為控制河型轉(zhuǎn)化的主要因素；而在河流水沙平衡被破壞和坡降變陡的條件下，植被密度則是控制河型轉(zhuǎn)化的次要因素。

4.2 不穩(wěn)定河型向穩(wěn)定河型轉(zhuǎn)化

不穩(wěn)定河流向穩(wěn)定河流轉(zhuǎn)化是自然界中最常見的河型轉(zhuǎn)化類型[43]，特別是山區(qū)向平原過渡河段最為常見。河型轉(zhuǎn)化通常是由于沉積環(huán)境的規(guī)律性變化引起的，如坡度降低和細(xì)粒沉積物增多等[44]。中段具有不穩(wěn)定河流向穩(wěn)定河流的轉(zhuǎn)化特征，具體表現(xiàn)為辮狀河向直流河轉(zhuǎn)化。中段整體處在小興安嶺和張廣才嶺之間的山前過渡帶上，是構(gòu)造抬升背景下的山區(qū)河段[45]。中A段河流坡降較緩，平均坡度為8.3×10-5，山區(qū)河流礫石質(zhì)沉積物較多，因其坡度小導(dǎo)致河流搬運(yùn)能力不足，這些粗質(zhì)沉積物不能隨水流搬運(yùn)在原地堆積下來，但這些粗質(zhì)沉積物會(huì)在長(zhǎng)期的水流推動(dòng)下侵蝕河岸使河流寬度增加。中B段河流坡降較陡，平均坡度為2.0×10-4，Schumm et al.[46]認(rèn)為當(dāng)河流穿越構(gòu)造高點(diǎn)時(shí)，河流下切使得河道變直，而中段恰好發(fā)育在由于構(gòu)造抬升作用形成的先緩慢隆升后迅速下降的地形下，這也是中A段和中B段坡度存在差異的原因。這種構(gòu)造格局是由于早更新世晚期之前，佳木斯和依蘭區(qū)域存在佳依分水嶺，早更新世晚期的松花江水系反轉(zhuǎn)將佳依分水嶺切穿[47-48]，中B段就恰好發(fā)育在分水嶺處，又由于晚第三紀(jì)的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致佳依分水嶺抬升，形成現(xiàn)今中B段河流縱向比降增大。加之河流兩側(cè)的小興安嶺余脈和張廣才嶺的限制作用，導(dǎo)致高坡度提供的高水流能量幾乎全部用于河流的下蝕作用，河流寬度急劇變小向直流河轉(zhuǎn)化。

中段河流作為礫石質(zhì)限定性河段，構(gòu)造作用引起的坡度增大和山谷限制性是辮狀河向直流河轉(zhuǎn)化的控制因素。而植被密度對(duì)河流寬度的控制作用極小，中A段植被密度很大卻發(fā)育辮狀河，中B段植被密度較小卻發(fā)育直流河，顯然植被密度不是影響該河段河型轉(zhuǎn)化的主控因素（圖9）。上述認(rèn)識(shí)與常規(guī)條件下不穩(wěn)定河流向穩(wěn)定河流轉(zhuǎn)化的控制因素不同，以往認(rèn)為高坡度下河流應(yīng)逐漸向辮狀河轉(zhuǎn)化，如下段直—辮轉(zhuǎn)化，但下段是平原地貌，河岸抗侵蝕性較弱同時(shí)伴隨輸沙量和流量的增大，這便于高坡度下的水流侵蝕；而上段曲—辮轉(zhuǎn)化，河流在低坡降下也可向辮狀河轉(zhuǎn)化。因此，在進(jìn)行河型轉(zhuǎn)化控制因素研究時(shí)，不應(yīng)籠統(tǒng)地將高坡度作為辮狀河發(fā)育的必要條件，要充分考慮構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)現(xiàn)今地貌特征的影響和河流側(cè)向限制性對(duì)河型轉(zhuǎn)化的控制作用。

4.3 河型轉(zhuǎn)化模式

基于上述河型轉(zhuǎn)化控制因素分析，建立了松花江干流中下游3種河型轉(zhuǎn)化模式：河段上段為平原—低丘陵地貌，河流坡降較緩，隨著植被密度減小，河寬逐漸增加，河型轉(zhuǎn)化模式為曲流河向辮狀河；河段中段為山區(qū)地貌，地形呈現(xiàn)先緩慢抬升后快速下降，同時(shí)受到山谷側(cè)向限制性，河型轉(zhuǎn)化模式為辮狀河向直流河。河段下段為平原地貌，河流坡降大和多條支流注入，流量和輸沙量明顯增加，河型轉(zhuǎn)化模式為直流河向辮狀河（圖10）。

上述研究表明無論哪種河型轉(zhuǎn)化模式，河流坡度均扮演著重要角色，即低坡度易發(fā)生漸變轉(zhuǎn)化，高坡度則多發(fā)生突變轉(zhuǎn)化。坡度被認(rèn)為是構(gòu)造作用的直接體現(xiàn)，如縱穿南北的依舒斷裂切過中段河谷，其與三江平原的沉降作用共同導(dǎo)致了坡度急劇增加進(jìn)而發(fā)生河型的辮—直轉(zhuǎn)化[49]。地貌對(duì)整個(gè)河段的河型轉(zhuǎn)化都具有影響，河流坡度控制水流下切河岸強(qiáng)度，而河流橫向的地貌變化影響河流寬度和沙壩分布，從而控制河流發(fā)育類型。另外，氣候也是影響河型轉(zhuǎn)化的因素，氣候可以調(diào)節(jié)大氣降水量和全球冰蓋變化，進(jìn)而影響海平面升降和基準(zhǔn)面變化，控制可容納空間的大小和沉積物的供給，最終表現(xiàn)為河型轉(zhuǎn)化模式的差異性[50]，如早更新世松花江流域經(jīng)歷了一次氣候旋回（古氣候由冷干轉(zhuǎn)為濕潤(rùn)再轉(zhuǎn)為冷干）[51]，早更新世晚期佳依分水嶺被切穿，此時(shí)正值氣候變冷，河流侵蝕基準(zhǔn)面下降，分水嶺處的中段河流溯源侵蝕加重，沉積物向下游搬運(yùn)造成下段向辮狀河轉(zhuǎn)化，最終現(xiàn)代松花江中下游水系形成。所以構(gòu)造—地貌—?dú)夂蝰詈献饔脤?duì)探究河流發(fā)育類型及其轉(zhuǎn)化模式具有重要的指示意義。

5 結(jié)論

（1） 松花江干流中下游河段依據(jù)地貌特征、平面形態(tài)和彎曲度可劃分為3段4亞段：上段為平原—低丘陵地貌和低坡度背景的曲辮共存型河流，中A段為山區(qū)地貌和低坡度背景的簡(jiǎn)單辮狀河，中B段為山區(qū)地貌和高坡度背景的直流河，下段為平原地貌和高坡度背景的復(fù)雜辮狀河。

（2） 松花江干流中下游河型轉(zhuǎn)化控制因素為植被密度、山谷限制性、坡度、流量和輸沙量。植被密度反映河岸土壤與植被根系的黏結(jié)程度，從而調(diào)節(jié)河岸抗侵蝕性；山谷限制性影響水流下切河岸強(qiáng)度；坡度改變水流侵蝕的方式及強(qiáng)弱，進(jìn)而控制河流寬度變化；流量和輸沙量之間的平衡關(guān)系決定水流侵蝕與沉積物沉積。

（3） 松花江干流中下游上段曲—辮轉(zhuǎn)化的控制因素為植被密度降低引起的堤岸抗侵蝕性減弱，中段辮—直轉(zhuǎn)化的控制因素為山谷限制性導(dǎo)致的水流下蝕能力增大，下段直—辮轉(zhuǎn)化的控制因素為高坡度條件下流量和輸沙量的增加。

（4） 建立了松花江干流中下游河段河型轉(zhuǎn)化的3種模式：上段為曲流河漸變至辮狀河轉(zhuǎn)化模式，中段為辮狀河突變至直流河轉(zhuǎn)化模式，下段為直流河突變至辮狀河轉(zhuǎn)化模式。

致謝 感謝審稿專家和編輯部老師為本文提出的建設(shè)性意見。

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