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(浙江省海洋規劃設計研究院),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,具有調蓄洪水、穩固河道、過濾與屏障、生物棲息和資源供給等豐富功能。多年來,在對河流資源開發利用過程中,因管理欠缺,出現了河流灘地資源萎縮、破碎化明顯、功能退化等問題,這也引起了學者廣泛關注,并開展了一系列研究。高進[1]推導了菱形、等腰三角形沙洲發育長度的理論公式,加深了對河床演變規律的認識;DEFINA[2]提出了一個無黏性河床形態動力學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律;李志威等[4]統計分析了653個沙洲形態特征,初步劃分了橢圓形、竹葉形、鐮刀形3種典型沙洲形態,并探究了它們與河寬的相關性;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特征;伊紫函等[6]提出了灘地形態分類方法,分析了不同類型灘地的時空演變;王金平等[7]應用景觀格局理論及灰色關聯分析方法,探索了灘地時空演化及不同擾動因子對灘地演化的貢獻度;張詩媛等[8]計算了河段尺度的深泓擺動參數,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]應用平面二維水沙數學模型(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有的研究大多基于理想模型進行分析或是針對單一灘地類型和形態特征進行研究,而對于不同區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,應用景觀格局指數對灘地進行時空演變分析,以更好地掌握浙江省典型灘地變化規律,為河湖治理建設中灘地的生態保護與修復提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

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區,灘地資源稀少,其余六大水系干流上游的山丘區河床起伏大、斷面窄深,基本看不到河灘;中游盆地區深溝淺灘交錯、河型多變,受河流的橫向遷移和泥沙沉積作用影響,多有漫灘濕地發育;下游河網區水流緩慢,下泄水流又常受潮汐頂托,細顆粒泥沙淤積,灘面平坦;河口區水體往復流動,復雜的河床沖淤變化形成大片灘涂,故從浙江省內灘地分布來看,確定本文研究區域主要為錢塘江、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 研究區域基本情況Table 1 Basic information of the study area

1.2 研究方法

1.2.1 數據獲取方法

應用Bigmap軟件,選取1985—2020年影像圖,結合2020年浙江省水域調查成果地理信息系統(GIS)空間數據庫(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軟件進行各時段灘地判繪,并讀取面積、周長、數量、距離等幾何參數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 數據分析方法

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

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

2 結果與分析

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量從396個變為1 289個,共計增加893個,增幅為225.51%,但灘地面積卻從240.13 km2變為204.77 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,生態功能正在減退。

從不同河流對象上看(見圖1),錢塘江灘地數量及面積變化最為明顯,灘地數量增加397個,但灘地面積減少37.90 km2;甌江、飛云江灘地數量變化較大,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、鰲江灘地數量及面積變化較小,灘地相對較穩定。

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,對其質心移動距離進行了分析(見圖2),計算得平均質心移動距離約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)質心移動距離較大,可見錢塘江、甌江灘地不規則變化較為明顯(如灘地破碎化、邊緣形態不規則化、位置發生偏移等)。

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,灘地變化主要發生在2013年之前。從所在區域看,擾動度表現為衢州市段(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及人為采砂等影響,出現灘地破碎、面積減少甚至局部消失的現象(見圖3);金華市段灘地擾動情況主要發生在2017年之前,主要受2014年錢塘江金華市段航運復興工程影響,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,實現了500 t級單船、2 000～3 000 t級船隊“通江達?！?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生在2013—2017年,主要受錢塘江治理工程(富陽段)、擁江發展戰略規劃等影響,局部邊灘受擾動較大。從河段看,擾動度表現為衢江(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 錢塘江各行政區內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),灘地變化主要發生在2017年之前。從所在區域看,擾動度從大到小表現為麗水市段(0.049)>溫州市段(0.029)。其中,麗水市段灘地擾動情況主要發生在2017年之前,一方面受上游玉溪水庫建設影響,原有的水動力軸線改變[20],導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、青田樞紐等建設影響(工程分布見圖4),河流水位變化,部分灘地從淺灘變為深潭[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業帶的關鍵區域,河道內灘地也成為著力打造東部灣區核心區域的重要戰場(如江心嶼——中國四大旅游名嶼之一、七都島——商務花園旅游景區、靈昆島——現代化綜合性港區作業區等),部分橋梁工程、攔河樞紐、城市開發建設等較為完善,后續對灘地穩定性影響較小[22]。從河段看,擾動度表現為大溪(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 甌江各行政區內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為邊灘,灘地質心移動距離達436.14 m。從河段看,擾動度表現為靈江(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 椒江各行政區內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);從所在區域看,擾動度從大到小表現為平陽段(0.068)>龍港段(0.024),主要發生于鰲江口、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致灘地向外偏移或擴展[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 鰲江各行政區內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 甬江各行政區內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,灘地質心移動距離達202.58 m;據統計,飛云江河口水域來沙豐富,口門每潮的輸沙量可達30萬～60萬t,相當于上游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 語

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

(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會更凸顯。從河流整體看,灘地擾動度表現為飛云江(0.086)>錢塘江(0.074)>甬江(0.073)>鰲江(0.039)>甌江(0.028)>椒江(0.013);從不同行政區域看,錢塘江內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),需進一步加強該河段內灘地的生態保護與修復。

(3) 六大干流省級河段灘地變化主要發生于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影響。椒江、鰲江、飛云江、甬江以及甌江入?？诘葏^域位于人口經濟集聚區,一方面,人類對水域岸線開發需求大,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,細顆粒泥沙沉積,心灘會逐漸變為邊灘。浙江省六大干流省級河段灘地變化原因多樣,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。