长江源区河流地貌及水沙特性

(长江科学院 河流研究所， 武汉 430010)

1 研究背景

长江源区在青藏高原腹地，平均海拔约4 760 m，直门达以上流域面积15.7万km2。长江源区幅员辽阔，地貌丰富、水系纵横、形态万千。区域西侧为藏北羌塘内陆湖区[1]，西北部为昆仑山脉东段，西南部为唐古拉山中段和东段，2条山脉平均海拔5 500～6 000 m，山顶均为常年积雪或冰川，两山之间为广阔的高原地带，平均海拔4 500～5 000 m之间，分布着一系列山地和丘陵，相对高度500～600 m，地形相对平坦，高原草甸、湿地、沼泽、湖泊密布。东北侧为巴颜克拉山，海拔4 500～5 000 m，走向为北西—南东，东南侧为唐古拉山东段，海拔5 000～5 500 m，多为高山深谷。

图1 长江源区水系分布

整体来看，长江源区为半封闭状态的高原腹地，地势西高东低，南高北低，河流呈扇形水系分布。受制于当地特殊的地质、气候条件的强烈影响，新构造变形产生的巨型断裂构造及一系列旋卷构造和弧形构造控制了源区河流扇形河网水系的发育[2]。长江源地区大部分河流目前仍处于天然演变过程中，两岸河谷地貌保存较为完整，这一方面为研究河流起源和演化提供了很好的佐证，另一方面也为研究河流演变规律及水沙特性提供了天然的试验场。但由于长江源海拔高亢、环境恶劣、交通不便，对深入接触和实地考察河流地貌带来诸多困难。目前，针对长江源区河流地貌的研究多从2个方面入手，一是基于江源地区水文气象站实测资料，对降雨量、径流量、输沙量等数据进行分析[3-6]；二是基于遥感影像数据，对河流、湖泊等水体的形态参数进行量化分析[7-9]。但长江源地区河流众多，已有水文观测资料多集中在沱沱河和通天河干流上，对其他支流水沙观测甚少。遥感观测数据可以弥补难以接近河流这一不足，但也仅限于对河流形态特征等的研究上，对河流水沙地貌的现场观测和研究仍然较少。

本文基于2012—2017年对长江源区部分河流现场考察和水沙数据采集分析结果，结合长江源地区数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)，对长江源楚玛尔河、沱沱河、当曲、布曲、尕尔曲、通天河等河段进行河流地貌及水沙特征分析。

2 研究区域概况

长江源水系可划分为北源楚玛尔河水系、正源沱沱河水系、南源当曲水系以及干流通天河水系(图1)。沱沱河发源于格拉丹东雪山东侧的姜根迪如冰川，以波陇曲汇口为节点分为上下2段，上段为南北流向，主要接纳两侧冰川融水；下段为西东流向，主要流经沱沱河盆地。楚玛尔河发源于昆仑山南支可可西里山黑脊山南麓，流域上游分布有诸多高原湖泊，楚玛尔河水系呈狭长羽毛状，支流均不长。当曲发源于唐古拉山东段的霞舍日阿巴山东麓的沼泽地，源头段两侧对称平行分布多条支流，下游较大支流有尕尔曲及二级支流冬曲、布曲，当曲流域水系呈扇形。直门达干流起始于当曲与沱沱河汇口处囊极巴陇，随后基本沿一弧形断裂总体流向北东东，两侧支流对称分布，形成平行水系。

长江源地区河流径流补给主要来源于降水和冰川雪山融水，直门达水文站多年(1956—2016年)平均径流量128亿m3，多年平均输沙量949万t。

3 研究河段分布及数据来源

3.1 研究河流分布

本文基于野外观测成果及长江源区DEM数据，对长江源干流通天河、北源楚玛尔河、正源沱沱河、南源当曲、当曲流域布曲、尕尔曲进行分析，各研究河流上分布的至少一个考察断面。各考察断面平面位置见图1，纵剖面位置见图2。

图2 考察河流纵剖面及考察点纵向位置

通天河沿程布置3个考察断面，T-1位于当曲与沱沱河汇口下游2 km处，为通天河起点，T-2位于曲麻莱县通天河大桥下游800 m处，T-3为直门达水文站断面；楚玛尔河布置2个考察断面，C-1位于青藏铁路五道梁大桥附近，C-2位于曲麻河乡水文站；沱沱河考察断面(Tuo-1)位于沱沱河水文站断面；当曲布置多朝能汇口断面(D-1)和上游大桥断面(D-2)；布曲和尕尔曲分别在汇口上游200 m处布置了B-1和G-1考察断面。

3.2 数据来源

本文中河流地貌基于2012年8月—2017年6月现场实拍照片或航拍照片并结合历史文献资料进行分析，水流特性采用2012—2017年现场实测数据，泥沙特性采用现场采样加室内测验方法确定。DEM数据基于美国SRTM3(Shuttle Radar Topography Mission)雷达影像数据制成的数字地形高程模型DEM(分辨率90 m)，并运用ArcGIS 9.3地理信息系统软件提取研究河流纵剖面及河谷横剖面。

4 河流地貌及水沙特征

4.1 河流地貌及河谷形态

本节绘制了考察河段的河谷剖面图，结合断面实拍照片，对各河段特性及河谷形态相关参数进行了分析，成果见图3及表1。

图3 各河段考察点河谷剖面形态及地貌照片

通天河自囊极巴陇至直门达水文站，全长约886 km，河道坡降沿程逐渐变陡。T-1断面河谷宽浅，两侧谷坡平缓，左侧为囊极巴陇山体，右侧则无明显约束，此处河道床面宽超过4 km，水流散乱，汊道纵横，洲滩密布，平面呈现游荡性，洲滩组成多为砂砾石且无植被；T-2河谷相对宽浅，两侧有山体约束，河道平面呈弯曲分汊形态，河漫滩及两岸阶地发育完整，河道中部有江心洲分布，洲滩上均有植被；直门达断面(T-3考察点)河谷窄深，两侧谷坡倾角>60°，河道平面形态单一顺直，河道宽仅200 m，河床组成为卵砾石及漂石。

表1 考察河段河谷地貌形态特征值

沱沱河全长约358 km，平均比降为2.69‰，比降沿程逐渐变缓。Tuo-1断面河谷宽4 km，两侧无明显约束，河道宽1 500 m，水流散乱，洲滩及岸坡植被稀少，平面形态为游荡型。

楚玛尔河全长约530 km，平均比降1.27‰，为平均比降最缓的支流，流域上游坡降尤其缓，分布有多个次高原湖泊、沼泽。C-1断面河谷宽浅，谷底坦荡，河水呈红色，水流散乱、汊道众多，平面形态为游荡型，两岸植被稀少，洲滩组成为多沙质。C-2断面位于楚玛尔盆地边缘山区地带，两岸岗丘低缓错落，河谷相对宽浅，两侧受山体控制，河道宽约1 km，水流流路不一，洲滩纵横，平面形态为多股分汊型，洲滩上主要为卵砾石且无植被。

当曲全长约357 km，河床平均坡降1.62‰，D-1考察断面河谷较窄，河道呈沟谷形态，河床为砂砾，主要为灰岩、砂岩、花岗岩与石英岩[10]；D-2考察断面位于D-1下游15 km处，此处河谷宽浅，两侧基本无约束，河道水流散乱，呈多股分汊态势，河床仍为砂砾石，洲滩无植被。

尕尔曲及布曲均发源于冰川，河流平均纵比降较陡，其中尕尔曲平均坡降4.65‰，为考察河流之最。G-1、B-1河谷形态类似，河床相对较宽，平面呈单一微弯河型。

根据以上分析，可将观测河段的河谷地貌分为3类：高原冲积河型、丘陵宽谷河型和高山峡谷河型。其中：高原冲积河型河谷宽浅、两岸无明显约束，河床宽也多在1 km以上，平面为游荡型或多股分汊型，包括T-1、C-1、Tuo-1、D-2；丘陵宽谷河型河谷相对宽浅、两侧或一侧有低矮山体，限制了河道的平面摆动，但由于河道相对较宽，平面除单一河型外，还可发育弯曲分汊或多股分汊形态，包括T-2、C-2、D-1、B-1、G-1；高山峡谷河型则河谷窄深，河道受两侧山体控制，平面形态单一，T-3为典型峡谷河型。

4.2 河段水沙特性

4.2.1 径流输沙特征

长江源地区直门达水文站5月份多年平均流量为278 m3/s，6月份多年平均流量为607.5 m3/s。根据历次野外观测数据，统计了研究河段水沙情况，见表2。2017年5月底，通天河直门达段(T-3)流量为388 m3/s，上游T-1流量为158 m3/s，沱沱河及楚玛尔河汇口附近河段流量约20～30 m3/s，经推算当曲流量约100 ～120 m3/s，为流量最大的源头支流；通天河T-1、T-2断面主汊流速相对较大，当曲干支流各断面流速均不大；通天河各断面悬移质输沙率相差不大，直门达输沙率为38.8 kg/s；源头支流中楚玛尔河、沱沱河悬移质输沙率分别约2.4 kg/s和5 kg/s，当曲源头河段基本不输沙，尕尔曲及布曲输沙率也很小。

4.2.2 悬沙及床沙特征

由表2可知，通天河T-1断面悬移质含沙量为0.3 kg/m3，悬沙中值粒径为97.3 μm，泥沙组成主要为粉砂，分选相对较好；下游2个河段含沙量逐渐下降，且悬沙成分也不同于T-1断面，这2个河段悬沙中值粒径很细，仅10 μm左右。通天河干流各考察断面悬沙分选比均不大，组成比较均匀，表层新淤床沙相对较粗，中值粒径在20 mm以上，分选情况相对较好。

楚玛尔河C-1断面含沙量为0.3 kg/m3，悬沙中值粒径为138.4 μm，分选比仅为1.6，即悬沙粗且均匀，C-1含沙量及悬沙中值粒径相对较小。两个考察断面的床沙中值粒径均很小，接近悬沙中值粒径，分选比也相对比较小。

沱沱河Tuo-1断面的悬移质含沙量为0.15 kg/m3，悬沙中值粒径与床沙中值粒径基本相等，约0.2 mm，且悬沙与床沙均比较均匀，与楚玛尔河C-1断面非常相同。

当曲干流源头2个河段水流含沙量非常小，水流中主要为粒径<0.063 mm的悬浮黏粒。而床沙则较粗，均值粒径约为20 mm。

布曲和尕尔曲含沙量均比较小，布曲悬沙很细且非常不均匀，尕尔曲悬沙较布曲更细。2个河段床沙很接近，均比较粗，磨圆度也差。

4.2.3 各河段悬沙级配曲线分布特征

图4绘制了2017年各考察点的悬沙级配曲线。

表2 研究河段水沙情况

注：泥沙分选比采用D75/D25。

除布曲B-1考察点外，其余考察点的悬沙级配曲线分布在2个区域，右侧区域悬沙较细且不均匀，主要为丘陵坦谷河型和高山峡谷河型，河道相对较窄，水流相对集中；左侧区域悬沙相对较粗且比较均匀，主要为高原冲积河型，河段平面形态相对不规则，水流分汊多，含沙量也相对较大。

图4 各河段悬沙级配曲线

由此可知，河流水沙与断面形态有一定的相关性，图5点绘了各河段床面宽度与河流含沙量关系曲线。图5显示，含沙量与河床宽呈现较明显的正相关关系，相关系数达到0.82。结合前述分析，水流含沙量越大，悬移质粒径往往也大、分选比相对较好，水流与河床之间产生泥沙交换比较频繁，亦即河床容易产生冲淤调整，而宽河床给水流横向侵蚀提供了充足的空间，从而导致游荡或分汊河型发育。

图5 各河段河床宽与含沙量相关关系

5 结 论

(1)长江源地区河流地貌有高原冲积河型、丘陵坦谷河型、高山峡谷型。其中:高原冲积型河谷宽数公里，河道平面多发育为游荡或多股分汊；丘陵坦谷河型平面则发育为弯曲分汊、多股分汊以及单一河型，河漫滩和阶地比较明显；高山峡谷型河道则受两侧山体严格控制，平面形态多沿山体走向，发育为顺直或弯曲河道。

(2)长江3个源头支流当曲流量最大，沱沱河汇口处流量大于楚玛尔河；输沙率分布则表现为沱沱河最大、楚玛尔河其次、当曲最小。

(3)几个典型游荡型河道均表现为悬移质含沙量较大，粒径较粗，分选好，而床沙相对较细，中值粒径接近悬沙；同时，含沙量与河床宽呈正相关关系。这在一定程度上解释了游荡河型产生的原因：水流造床能力大，悬沙和床沙的交换导致河床不断处于冲淤调整之中，而两岸无明显约束导致河床可以横向拓展，不断发展新的水流流路。

本文结论多基于近期野外查勘资料初步分析得出，具有一定的针对性和特殊性。对于整个长江源区的河流地貌及其他河流的水沙特征总结归纳尚需进一步收集资料、补充观测频次和河道断面。

致谢：感谢长江科学院江源科考队徐平和王东为本文提供图片，闵凤阳等人参与泥沙样品检测分析。