浙江省典型河流滩地时空演变分析*

余根听 胡可可 周鑫妍 陈 怡 尤爱菊 滑 磊 唐文嘉

(浙江省水利河口研究院(浙江省海洋规划设计研究院),浙江 杭州 310020)

河流滩地(包括沙洲、边滩等)是河流廊道的重要组成部分,具有调蓄洪水、稳固河道、过滤与屏障、生物栖息和资源供给等丰富功能。多年来,在对河流资源开发利用过程中,因管理欠缺,出现了河流滩地资源萎缩、破碎化明显、功能退化等问题,这也引起了学者广泛关注,并开展了一系列研究。高进[1]推导了菱形、等腰三角形沙洲发育长度的理论公式,加深了对河床演变规律的认识;DEFINA[2]提出了一个无黏性河床形态动力学演化的二维有限元模型,重点讨论了在流场中引入的初始扰动对沙洲的影响;付中敏等[3]研究了有、无边滩条件下,弯曲分汊河段河床演变规律;李志威等[4]统计分析了653个沙洲形态特征,初步划分了椭圆形、竹叶形、镰刀形3种典型沙洲形态,并探究了它们与河宽的相关性;孙昭华等[5]分析了顺直和分汊两种河型交界位置的沙洲和浅滩动态特征;伊紫函等[6]提出了滩地形态分类方法,分析了不同类型滩地的时空演变;王金平等[7]应用景观格局理论及灰色关联分析方法,探索了滩地时空演化及不同扰动因子对滩地演化的贡献度;张诗媛等[8]计算了河段尺度的深泓摆动参数,探索了黄河口尾闾河道近40年河床断面变化特征;贺莉等[9]应用平面二维水沙数学模型(CCHE2D)模拟了床面变化过程中泥沙同异岸输移的时空演变规律;辛玮琰等[10]采用物理实验方法,研究了实验室尺度的赣江入湖三角洲阶段性沉积演变过程。现有的研究大多基于理想模型进行分析或是针对单一滩地类型和形态特征进行研究,而对于不同区域的大型河流多滩地时空演变分析的定量研究相对较少。本研究以浙江省钱塘江、瓯江、椒江、飞云江、鳌江、甬江六大干流省级河段滩地为研究对象,应用景观格局指数对滩地进行时空演变分析,以更好地掌握浙江省典型滩地变化规律,为河湖治理建设中滩地的生态保护与修复提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

浙江有“七山一水二分田”之说,主要有苕溪、京杭运河(浙江段)、钱塘江、甬江、椒江、瓯江、飞云江、鳌江八大水系。其中,苕溪、京杭运河流域为平原河网区,滩地资源稀少,其余六大水系干流上游的山丘区河床起伏大、断面窄深,基本看不到河滩;中游盆地区深沟浅滩交错、河型多变,受河流的横向迁移和泥沙沉积作用影响,多有漫滩湿地发育;下游河网区水流缓慢,下泄水流又常受潮汐顶托,细颗粒泥沙淤积,滩面平坦;河口区水体往复流动,复杂的河床冲淤变化形成大片滩涂,故从浙江省内滩地分布来看,确定本文研究区域主要为钱塘江、瓯江、椒江、飞云江、鳌江、甬江水系六大干流的省级河段,基本情况见表1。

表1 研究区域基本情况Table 1 Basic information of the study area

1.2 研究方法

1.2.1 数据获取方法

应用Bigmap软件,选取1985—2020年影像图,结合2020年浙江省水域调查成果地理信息系统(GIS)空间数据库(基于1∶500、1∶2 000地形图或0.2、0.5 m分辨率影像图判绘),通过ArcGIS 10.2软件进行各时段滩地判绘,并读取面积、周长、数量、距离等几何参数以及各滩地空间矢量信息。由于各河道沿线电站、桥梁、航道等涉水工程建设周期不同,滩地演变周期也存在差异,本研究充分考虑了相关影响因素,分别选取了几个变化明显的典型时段(均选取枯水期)进行演变分析,具体时段见表2。

表2 典型河流滩地主要变化时段Table 2 Main changing periods of typical river floodplain

1.2.2 数据分析方法

滩地属于典型景观斑块,利用景观格局指数可很好分析景观斑块在时空维度上的动态演化过程,本研究采用斑块密度(P,个/hm2)、斑块分形维数(F)、平均最近邻指数(N)等景观格局指数[11-14],并结合扰动度(D)[15-18],对比分析不同年份滩地的面积、数量、边界形态及空间关系的变化程度。各指数计算方法见表3。

表3 景观格局指数计算方法Table 3 Calculation method of landscape pattern index

2 结果与分析

2.1 滩地斑块总体变化特征

在1985—2020年期间,浙江省六大干流省级河段滩地数量从396个变为1 289个,共计增加893个,增幅为225.51%,但滩地面积却从240.13 km2变为204.77 km2,共计减小35.36 km2,降幅为14.73%。这说明从1985—2020年,浙江省六大干流省级河段滩地破碎化程度明显,滩地面积正逐步萎缩,生态功能正在减退。

从不同河流对象上看(见图1),钱塘江滩地数量及面积变化最为明显,滩地数量增加397个,但滩地面积减少37.90 km2;瓯江、飞云江滩地数量变化较大,分别增加196、188个,但滩地面积变幅较小,说明滩地破碎化程度较高;甬江、椒江、鳌江滩地数量及面积变化较小,滩地相对较稳定。

图1 1985—2020年滩地总体变化情况Fig.1 Overall change of floodplain from 1985 to 2020

2.2 主要滩地质心移动距离

选取了六大干流省级河段29个典型滩地,对其质心移动距离进行了分析(见图2),计算得平均质心移动距离约369 m。其中,瓯江滩地(九龙国家湿地、对门圩-吴村圩、灵昆岛、江心屿等)、钱塘江滩地(张莫滩、下中洲、张家埠、翁家滩上下、船厂滩等)质心移动距离较大,可见钱塘江、瓯江滩地不规则变化较为明显(如滩地破碎化、边缘形态不规则化、位置发生偏移等)。

2.3 六大干流省级河段滩地扰动特征

2.3.1 钱塘江滩地扰动特征

对钱塘江水系存在滩地变化的衢江段、兰江段、富春江段的滩地扰动度进行分析。从整体看(见表4),1985—2020年钱塘江总体滩地的扰动度为0.074,滩地变化主要发生在2013年之前。从所在区域看,扰动度表现为衢州市段(0.114)>金华市段(0.072)>杭州市段(0.055)。其中,衢州市段滩地扰动情况主要发生在2013年之前,主要受衢江段红船豆枢纽、小溪滩枢纽等梯级电站建设及人为采砂等影响,出现滩地破碎、面积减少甚至局部消失的现象(见图3);金华市段滩地扰动情况主要发生在2017年之前,主要受2014年钱塘江金华市段航运复兴工程影响,该工程共计疏浚河道约22.3 km,新建游埠、姚家水利枢纽(包括船闸)2座,实现了500 t级单船、2 000～3 000 t级船队“通江达海”,这也造成了沿线滩地的巨大扰动[19];杭州市段滩地扰动情况主要发生在2013—2017年,主要受钱塘江治理工程(富阳段)、拥江发展战略规划等影响,局部边滩受扰动较大。从河段看,扰动度表现为衢江(0.114)>兰江(0.058)>富春江(0.044)。

图3 钱塘江衢江段1985—2020年典型滩地变化Fig.3 Change of floodplain in Qujiang section of Qiantang River from 1985 to 2020

表4 钱塘江各行政区内不同时段滩地扰动度Table 4 Floodplain disturbance index at different time intervals in different administrative regions of Qiantang River

2.3.2 瓯江滩地扰动特征

从整体看,1985—2020年瓯江总体滩地的扰动度为0.028(见表5),滩地变化主要发生在2017年之前。从所在区域看,扰动度从大到小表现为丽水市段(0.049)>温州市段(0.029)。其中,丽水市段滩地扰动情况主要发生在2017年之前,一方面受上游玉溪水库建设影响,原有的水动力轴线改变[20],导致下游邻近的对门圩-吴村圩、九龙国家湿地等滩地受冲刷较为严重,局部破碎化较为明显;另一方面受开潭电站、五里亭电站、外雄电站、三溪口电站、青田枢纽等建设影响(工程分布见图4),河流水位变化,部分滩地从浅滩变为深潭[21]。温州市段滩地年际间扰动变化较为均衡,主要因为瓯江口是温州沿海产业带的关键区域,河道内滩地也成为着力打造东部湾区核心区域的重要战场(如江心屿——中国四大旅游名屿之一、七都岛——商务花园旅游景区、灵昆岛——现代化综合性港区作业区等),部分桥梁工程、拦河枢纽、城市开发建设等较为完善,后续对滩地稳定性影响较小[22]。从河段看,扰动度表现为大溪(0.052)>瓯江(小溪汇合口-岐头村)(0.015)。

图4 瓯江沿线涉水工程分布示意图Fig.4 Schematic diagram of the distribution of water conservancy projects along Oujiang River

表5 瓯江各行政区内不同时段滩地扰动度Table 5 Floodplain disturbance index at different time intervals in different administrative regions of Oujiang River

2.3.3 椒江滩地扰动特征

从整体看,1985—2020年椒江总体滩地的扰动度为0.013(见表6),在六大干流省级河段中滩地扰动情况最小。从所在区域看,椒江-黄岩段与临海段各时段滩地扰动变化较为均衡,滩地变化较为显著的为灵江沙渚滩(见图5),其从江心岛逐步淤积变为边滩,滩地质心移动距离达436.14 m。从河段看,扰动度表现为灵江(0.025)>椒江(黄岩三江口-小园山牛头颈)(0.014)。

图5 1985—2020年沙渚滩变化情况Fig.5 Change of Shazhu floodplain from 1985 to 2020

表6 椒江各行政区内不同时段滩地扰动度Table 6 Floodplain disturbance index at different time intervals in different administrative regions of Jiaojiang River

2.3.4 鳌江滩地扰动特征

从整体看,1985—2020年鳌江总体滩地的扰动度为0.039(见表7);从所在区域看,扰动度从大到小表现为平阳段(0.068)>龙港段(0.024),主要发生于鳌江口、港航管理局及三大厂段滩地(见图6),主要是因为泥沙淤积以及滩涂围垦等导致滩地向外偏移或扩展[23-24]。

图6 1985—2020年鳌江典型滩地变化情况Fig.6 Changes of typical floodplain of Aojiang River from 1985 to 2020

表7 鳌江各行政区内不同时段滩地扰动度Table 7 Floodplain disturbance index at different time intervals in different administrative regions of Aojiang River

2.3.5 甬江滩地扰动特征

从整体看,1985—2020年甬江总体滩地的扰动度为0.073(见表8),在六大干流省级河段中变化较为显著,但相较钱塘江局部河段、飞云江仍相对较小。甬江沿线滩地基本为边滩,且位于入海口段,受下游水位及船舶运行等影响,滩地局部边缘被冲刷或者淹没,扰动情况较为明显(见图7)。

图7 1985—2020年甬江滩地变化情况Fig.7 Change of Yongjiang floodplain from 1985 to 2020

表8 甬江各行政区内不同时段滩地扰动度Table 8 Floodplain disturbance index at different time intervals in different administrative regions of Yongjiang River

2.3.6 飞云江滩地扰动特征

从整体看,1985—2020年飞云江总体滩地的扰动度为0.086(见表9),在六大干流省级河段中变化最为明显,但相较钱塘江的婺城段、衢江段、龙游段、建德段等局部河段仍相对较小。飞云江滩地变化主要位于赵山渡水库下游、岱头、桐田沙及前岸段(见图8)。赵山渡水库的建设改变了水库下游水动力轴线,原本完整的滩地被水流切割[25],滩地局部破碎化明显;桐田沙滩地受水流冲刷等因素影响,滩地整体向西北方向偏移,滩地质心移动距离达202.58 m;据统计,飞云江河口水域来沙丰富,口门每潮的输沙量可达30万～60万t,相当于上游1年的流域来沙量[26],这也造成了岱头段及前岸段滩地受泥沙淤积、围垦等影响,由心滩逐渐向边滩扩展,甚至逐渐消失。

图8 1985—2020年飞云江典型滩地变化情况Fig.8 Change of typical floodplain of Feiyunjiang River from 1985 to 2020

表9 飞云江不同时段滩地扰动度Table 9 Floodplain disturbance index at different time intervals of Feiyun River

3 结 语

(1) 1985—2020年,浙江省六大干流省级河段滩地数量增加225.51%、面积减少14.73%,主要滩地质心平均移动距离约369 m。滩地总体破碎化程度明显、面积萎缩、位置发生较大迁移、生态功能正在减退。

(2) 滩地扰动度分析需综合考虑河流整体与局部河段,大尺度研究情况下,不同河段的综合效应会更凸显。从河流整体看,滩地扰动度表现为飞云江(0.086)>钱塘江(0.074)>甬江(0.073)>鳌江(0.039)>瓯江(0.028)>椒江(0.013);从不同行政区域看,钱塘江内滩地扰动情况最为明显,主要集中于婺城段(0.878)、衢江段(0.296)、龙游段(0.118)、建德段(0.220),需进一步加强该河段内滩地的生态保护与修复。

(3) 六大干流省级河段滩地变化主要发生于2017年之前,以2013年前更为明显。其中,钱塘江、瓯江滩地主要受电站、航道等涉水工程建设影响。椒江、鳌江、飞云江、甬江以及瓯江入海口等区域位于人口经济集聚区,一方面,人类对水域岸线开发需求大,存在较多滩涂围垦情况;另一方面,下泄水流受潮汐顶托影响,细颗粒泥沙沉积,心滩会逐渐变为边滩。浙江省六大干流省级河段滩地变化原因多样,需因地制宜,合理施策,才能有效遏制滩地破碎化和功能退化的趋势。