浙江省典型河流灘地時空演變分析*

余根聽 胡可可 周鑫妍 陳 怡 尤愛菊 滑 磊 唐文嘉

(浙江省水利河口研究院(浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院),浙江 杭州 310020)

河流灘地(包括沙洲、邊灘等)是河流廊道的重要組成部分,具有調(diào)蓄洪水、穩(wěn)固河道、過濾與屏障、生物棲息和資源供給等豐富功能。多年來,在對河流資源開發(fā)利用過程中,因管理欠缺,出現(xiàn)了河流灘地資源萎縮、破碎化明顯、功能退化等問題,這也引起了學(xué)者廣泛關(guān)注,并開展了一系列研究。高進(jìn)[1]推導(dǎo)了菱形、等腰三角形沙洲發(fā)育長度的理論公式,加深了對河床演變規(guī)律的認(rèn)識;DEFINA[2]提出了一個無黏性河床形態(tài)動力學(xué)演化的二維有限元模型,重點討論了在流場中引入的初始擾動對沙洲的影響;付中敏等[3]研究了有、無邊灘條件下,彎曲分汊河段河床演變規(guī)律;李志威等[4]統(tǒng)計分析了653個沙洲形態(tài)特征,初步劃分了橢圓形、竹葉形、鐮刀形3種典型沙洲形態(tài),并探究了它們與河寬的相關(guān)性;孫昭華等[5]分析了順直和分汊兩種河型交界位置的沙洲和淺灘動態(tài)特征;伊紫函等[6]提出了灘地形態(tài)分類方法,分析了不同類型灘地的時空演變;王金平等[7]應(yīng)用景觀格局理論及灰色關(guān)聯(lián)分析方法,探索了灘地時空演化及不同擾動因子對灘地演化的貢獻(xiàn)度;張詩媛等[8]計算了河段尺度的深泓擺動參數(shù),探索了黃河口尾閭河道近40年河床斷面變化特征;賀莉等[9]應(yīng)用平面二維水沙數(shù)學(xué)模型(CCHE2D)模擬了床面變化過程中泥沙同異岸輸移的時空演變規(guī)律;辛瑋琰等[10]采用物理實驗方法,研究了實驗室尺度的贛江入湖三角洲階段性沉積演變過程?，F(xiàn)有的研究大多基于理想模型進(jìn)行分析或是針對單一灘地類型和形態(tài)特征進(jìn)行研究,而對于不同區(qū)域的大型河流多灘地時空演變分析的定量研究相對較少。本研究以浙江省錢塘江、甌江、椒江、飛云江、鰲江、甬江六大干流省級河段灘地為研究對象,應(yīng)用景觀格局指數(shù)對灘地進(jìn)行時空演變分析,以更好地掌握浙江省典型灘地變化規(guī)律,為河湖治理建設(shè)中灘地的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

浙江有“七山一水二分田”之說,主要有苕溪、京杭運河(浙江段)、錢塘江、甬江、椒江、甌江、飛云江、鰲江八大水系。其中,苕溪、京杭運河流域為平原河網(wǎng)區(qū),灘地資源稀少,其余六大水系干流上游的山丘區(qū)河床起伏大、斷面窄深,基本看不到河灘;中游盆地區(qū)深溝淺灘交錯、河型多變,受河流的橫向遷移和泥沙沉積作用影響,多有漫灘濕地發(fā)育;下游河網(wǎng)區(qū)水流緩慢,下泄水流又常受潮汐頂托,細(xì)顆粒泥沙淤積,灘面平坦;河口區(qū)水體往復(fù)流動,復(fù)雜的河床沖淤變化形成大片灘涂,故從浙江省內(nèi)灘地分布來看,確定本文研究區(qū)域主要為錢塘江、甌江、椒江、飛云江、鰲江、甬江水系六大干流的省級河段,基本情況見表1。

表1 研究區(qū)域基本情況Table 1 Basic information of the study area

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)獲取方法

應(yīng)用Bigmap軟件,選取1985—2020年影像圖,結(jié)合2020年浙江省水域調(diào)查成果地理信息系統(tǒng)(GIS)空間數(shù)據(jù)庫(基于1∶500、1∶2 000地形圖或0.2、0.5 m分辨率影像圖判繪),通過ArcGIS 10.2軟件進(jìn)行各時段灘地判繪,并讀取面積、周長、數(shù)量、距離等幾何參數(shù)以及各灘地空間矢量信息。由于各河道沿線電站、橋梁、航道等涉水工程建設(shè)周期不同,灘地演變周期也存在差異,本研究充分考慮了相關(guān)影響因素,分別選取了幾個變化明顯的典型時段(均選取枯水期)進(jìn)行演變分析,具體時段見表2。

表2 典型河流灘地主要變化時段Table 2 Main changing periods of typical river floodplain

1.2.2 數(shù)據(jù)分析方法

灘地屬于典型景觀斑塊,利用景觀格局指數(shù)可很好分析景觀斑塊在時空維度上的動態(tài)演化過程,本研究采用斑塊密度(P,個/hm2)、斑塊分形維數(shù)(F)、平均最近鄰指數(shù)(N)等景觀格局指數(shù)[11-14],并結(jié)合擾動度(D)[15-18],對比分析不同年份灘地的面積、數(shù)量、邊界形態(tài)及空間關(guān)系的變化程度。各指數(shù)計算方法見表3。

表3 景觀格局指數(shù)計算方法Table 3 Calculation method of landscape pattern index

2 結(jié)果與分析

2.1 灘地斑塊總體變化特征

在1985—2020年期間,浙江省六大干流省級河段灘地數(shù)量從396個變?yōu)? 289個,共計增加893個,增幅為225.51%,但灘地面積卻從240.13 km2變?yōu)?04.77 km2,共計減小35.36 km2,降幅為14.73%。這說明從1985—2020年,浙江省六大干流省級河段灘地破碎化程度明顯,灘地面積正逐步萎縮,生態(tài)功能正在減退。

從不同河流對象上看(見圖1),錢塘江灘地數(shù)量及面積變化最為明顯,灘地數(shù)量增加397個,但灘地面積減少37.90 km2;甌江、飛云江灘地數(shù)量變化較大,分別增加196、188個,但灘地面積變幅較小,說明灘地破碎化程度較高;甬江、椒江、鰲江灘地數(shù)量及面積變化較小,灘地相對較穩(wěn)定。

圖1 1985—2020年灘地總體變化情況Fig.1 Overall change of floodplain from 1985 to 2020

2.2 主要灘地質(zhì)心移動距離

選取了六大干流省級河段29個典型灘地,對其質(zhì)心移動距離進(jìn)行了分析(見圖2),計算得平均質(zhì)心移動距離約369 m。其中,甌江灘地(九龍國家濕地、對門圩-吳村圩、靈昆島、江心嶼等)、錢塘江灘地(張莫灘、下中洲、張家埠、翁家灘上下、船廠灘等)質(zhì)心移動距離較大,可見錢塘江、甌江灘地不規(guī)則變化較為明顯(如灘地破碎化、邊緣形態(tài)不規(guī)則化、位置發(fā)生偏移等)。

2.3 六大干流省級河段灘地擾動特征

2.3.1 錢塘江灘地擾動特征

對錢塘江水系存在灘地變化的衢江段、蘭江段、富春江段的灘地擾動度進(jìn)行分析。從整體看(見表4),1985—2020年錢塘江總體灘地的擾動度為0.074,灘地變化主要發(fā)生在2013年之前。從所在區(qū)域看,擾動度表現(xiàn)為衢州市段(0.114)>金華市段(0.072)>杭州市段(0.055)。其中,衢州市段灘地擾動情況主要發(fā)生在2013年之前,主要受衢江段紅船豆樞紐、小溪灘樞紐等梯級電站建設(shè)及人為采砂等影響,出現(xiàn)灘地破碎、面積減少甚至局部消失的現(xiàn)象(見圖3);金華市段灘地擾動情況主要發(fā)生在2017年之前,主要受2014年錢塘江金華市段航運復(fù)興工程影響,該工程共計疏浚河道約22.3 km,新建游埠、姚家水利樞紐(包括船閘)2座,實現(xiàn)了500 t級單船、2 000～3 000 t級船隊“通江達(dá)?！?這也造成了沿線灘地的巨大擾動[19];杭州市段灘地擾動情況主要發(fā)生在2013—2017年,主要受錢塘江治理工程(富陽段)、擁江發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃等影響,局部邊灘受擾動較大。從河段看,擾動度表現(xiàn)為衢江(0.114)>蘭江(0.058)>富春江(0.044)。

圖3 錢塘江衢江段1985—2020年典型灘地變化Fig.3 Change of floodplain in Qujiang section of Qiantang River from 1985 to 2020

表4 錢塘江各行政區(qū)內(nèi)不同時段灘地擾動度Table 4 Floodplain disturbance index at different time intervals in different administrative regions of Qiantang River

2.3.2 甌江灘地擾動特征

從整體看,1985—2020年甌江總體灘地的擾動度為0.028(見表5),灘地變化主要發(fā)生在2017年之前。從所在區(qū)域看,擾動度從大到小表現(xiàn)為麗水市段(0.049)>溫州市段(0.029)。其中,麗水市段灘地擾動情況主要發(fā)生在2017年之前,一方面受上游玉溪水庫建設(shè)影響,原有的水動力軸線改變[20],導(dǎo)致下游鄰近的對門圩-吳村圩、九龍國家濕地等灘地受沖刷較為嚴(yán)重,局部破碎化較為明顯;另一方面受開潭電站、五里亭電站、外雄電站、三溪口電站、青田樞紐等建設(shè)影響(工程分布見圖4),河流水位變化,部分灘地從淺灘變?yōu)樯钐禰21]。溫州市段灘地年際間擾動變化較為均衡,主要因為甌江口是溫州沿海產(chǎn)業(yè)帶的關(guān)鍵區(qū)域,河道內(nèi)灘地也成為著力打造東部灣區(qū)核心區(qū)域的重要戰(zhàn)場(如江心嶼——中國四大旅游名嶼之一、七都島——商務(wù)花園旅游景區(qū)、靈昆島——現(xiàn)代化綜合性港區(qū)作業(yè)區(qū)等),部分橋梁工程、攔河樞紐、城市開發(fā)建設(shè)等較為完善,后續(xù)對灘地穩(wěn)定性影響較小[22]。從河段看,擾動度表現(xiàn)為大溪(0.052)>甌江(小溪匯合口-岐頭村)(0.015)。

圖4 甌江沿線涉水工程分布示意圖Fig.4 Schematic diagram of the distribution of water conservancy projects along Oujiang River

表5 甌江各行政區(qū)內(nèi)不同時段灘地擾動度Table 5 Floodplain disturbance index at different time intervals in different administrative regions of Oujiang River

2.3.3 椒江灘地擾動特征

從整體看,1985—2020年椒江總體灘地的擾動度為0.013(見表6),在六大干流省級河段中灘地擾動情況最小。從所在區(qū)域看,椒江-黃巖段與臨海段各時段灘地擾動變化較為均衡,灘地變化較為顯著的為靈江沙渚灘(見圖5),其從江心島逐步淤積變?yōu)檫厼?灘地質(zhì)心移動距離達(dá)436.14 m。從河段看,擾動度表現(xiàn)為靈江(0.025)>椒江(黃巖三江口-小園山牛頭頸)(0.014)。

圖5 1985—2020年沙渚灘變化情況Fig.5 Change of Shazhu floodplain from 1985 to 2020

表6 椒江各行政區(qū)內(nèi)不同時段灘地擾動度Table 6 Floodplain disturbance index at different time intervals in different administrative regions of Jiaojiang River

2.3.4 鰲江灘地擾動特征

從整體看,1985—2020年鰲江總體灘地的擾動度為0.039(見表7);從所在區(qū)域看,擾動度從大到小表現(xiàn)為平陽段(0.068)>龍港段(0.024),主要發(fā)生于鰲江口、港航管理局及三大廠段灘地(見圖6),主要是因為泥沙淤積以及灘涂圍墾等導(dǎo)致灘地向外偏移或擴(kuò)展[23-24]。

圖6 1985—2020年鰲江典型灘地變化情況Fig.6 Changes of typical floodplain of Aojiang River from 1985 to 2020

表7 鰲江各行政區(qū)內(nèi)不同時段灘地擾動度Table 7 Floodplain disturbance index at different time intervals in different administrative regions of Aojiang River

2.3.5 甬江灘地擾動特征

從整體看,1985—2020年甬江總體灘地的擾動度為0.073(見表8),在六大干流省級河段中變化較為顯著,但相較錢塘江局部河段、飛云江仍相對較小。甬江沿線灘地基本為邊灘,且位于入?？诙?受下游水位及船舶運行等影響,灘地局部邊緣被沖刷或者淹沒,擾動情況較為明顯(見圖7)。

圖7 1985—2020年甬江灘地變化情況Fig.7 Change of Yongjiang floodplain from 1985 to 2020

表8 甬江各行政區(qū)內(nèi)不同時段灘地擾動度Table 8 Floodplain disturbance index at different time intervals in different administrative regions of Yongjiang River

2.3.6 飛云江灘地擾動特征

從整體看,1985—2020年飛云江總體灘地的擾動度為0.086(見表9),在六大干流省級河段中變化最為明顯,但相較錢塘江的婺城段、衢江段、龍游段、建德段等局部河段仍相對較小。飛云江灘地變化主要位于趙山渡水庫下游、岱頭、桐田沙及前岸段(見圖8)。趙山渡水庫的建設(shè)改變了水庫下游水動力軸線,原本完整的灘地被水流切割[25],灘地局部破碎化明顯;桐田沙灘地受水流沖刷等因素影響,灘地整體向西北方向偏移,灘地質(zhì)心移動距離達(dá)202.58 m;據(jù)統(tǒng)計,飛云江河口水域來沙豐富,口門每潮的輸沙量可達(dá)30萬～60萬t,相當(dāng)于上游1年的流域來沙量[26],這也造成了岱頭段及前岸段灘地受泥沙淤積、圍墾等影響,由心灘逐漸向邊灘擴(kuò)展,甚至逐漸消失。

圖8 1985—2020年飛云江典型灘地變化情況Fig.8 Change of typical floodplain of Feiyunjiang River from 1985 to 2020

表9 飛云江不同時段灘地擾動度Table 9 Floodplain disturbance index at different time intervals of Feiyun River

3 結(jié) 語

(1) 1985—2020年,浙江省六大干流省級河段灘地數(shù)量增加225.51%、面積減少14.73%,主要灘地質(zhì)心平均移動距離約369 m。灘地總體破碎化程度明顯、面積萎縮、位置發(fā)生較大遷移、生態(tài)功能正在減退。

(2) 灘地擾動度分析需綜合考慮河流整體與局部河段,大尺度研究情況下,不同河段的綜合效應(yīng)會更凸顯。從河流整體看,灘地擾動度表現(xiàn)為飛云江(0.086)>錢塘江(0.074)>甬江(0.073)>鰲江(0.039)>甌江(0.028)>椒江(0.013);從不同行政區(qū)域看,錢塘江內(nèi)灘地擾動情況最為明顯,主要集中于婺城段(0.878)、衢江段(0.296)、龍游段(0.118)、建德段(0.220),需進(jìn)一步加強(qiáng)該河段內(nèi)灘地的生態(tài)保護(hù)與修復(fù)。

(3) 六大干流省級河段灘地變化主要發(fā)生于2017年之前,以2013年前更為明顯。其中,錢塘江、甌江灘地主要受電站、航道等涉水工程建設(shè)影響。椒江、鰲江、飛云江、甬江以及甌江入?？诘葏^(qū)域位于人口經(jīng)濟(jì)集聚區(qū),一方面,人類對水域岸線開發(fā)需求大,存在較多灘涂圍墾情況;另一方面,下泄水流受潮汐頂托影響,細(xì)顆粒泥沙沉積,心灘會逐漸變?yōu)檫厼?。浙江省六大干流省級河段灘地變化原因多?需因地制宜,合理施策,才能有效遏制灘地破碎化和功能退化的趨勢。