长江边滩平面形态的特点及其与河道的关系

　　天然河流中的边滩广泛存在于弯道的凸岸、连续弯道过渡段及卡口河段的两侧，是典型的河流地貌类型，一般由泥沙大量淤积形成[1]．一方面，边滩是许多鱼类产卵和栖息之地、建设用沙来源之地、城镇居民的休闲场所及城市滨江工程建设用地；另一方面，边滩的存在缩小了过水面积、边滩的冲淤造成河势改变等，对行洪和通航安全等都将带来不利影响．长江上游流经我国西南地区，属典型的山区河流．从宜宾至重庆主城区长384km的天然河段，位于长江上游上段，简称叙渝段，是沟通西南三省一市与长江中下游及沿海各省市的重要黄金水道．
　　
　　该河段呈现迂回曲折的平面形态特征，河道弯曲狭窄、滩险众多，一直是河道防洪、航道整治、市政建设、环境保护等工程的重点和难点河段．因此，系统深入地研究该河段典型弯道凸岸边滩和过渡段边滩的平面形态特征及与河道的关系，对相关工程的规划、设计、建设和管理均具有重要的指导价值．
　　
　　近年来国内外对河道平面形态及洲滩形态特征的研究取得了一些成果．曹耀华[2]通过对长江中游3类河型各河段洲滩分布特点的研究，将长江中游的边滩沉积分为凸岸边滩、凹岸边滩、顺直边滩及三角洲4类；黎春蕾[3]对长江下游镇扬河段的深槽、江心洲和边滩等典型河道地貌类型进行了GIS分析；Perucca等[4]将分形理论引入河湾形态的研究，对天然河流的弯曲性和不规则性进行了较好的几何分形分析；钟亮等[5]应用随机分形理论对河道剖面轮廓及床面形态进行了随机分形模拟；张斌等[6]根据Google Earth的卫星图像信息对嘉陵江河湾的形态特征进行了系统分析；Nicoll等[7]分析了加拿大草原上23处河湾的平面形态；张树文等[8]1[9]基于遥感技术分别对黑龙江上中游河道特征和长江上游干支流汇合口河道形态特征进行了分析；李志威等[10,11]基于Google Earth的遥感卫星图像对国内一些冲积性河流中的沙洲形态进行了统计分析，研究了沙洲的面积与周长及最大长度与州面中点宽度的关系，分析了沙洲面积与河宽及州面中点宽度与河宽的关系．但目前缺少系统深入的研究长江上游边滩形态特征及其与河道几何边界条件的关系．
　　
　　本文旨在通过选取长江上游叙渝段45个典型的受弯道环流作用形成的弯道凸岸和弯道过渡段沙卵石边滩，根据Google Earth遥感卫星图判别提取河道地理特征信息，利用1999年12月实测的1∶15 000长江上游河道地形图对边滩图像进行几何精准测量，采用ArcGIS9．3和AutoCAD等数据处理平台软件系统读取所需要的数据，对所选取的边滩及其所在的河道平面几何形态参数进行统计分析，深入探讨边滩平面形态的内在规律及与河道的关系，有助于长江上游防洪工程、航道整治工程和市政工程的规划建 设及城镇景观开发和生态环境保护．
　　
　　1河道和边滩形态特征及统计参数

　　长江上游叙渝段自西向东流经四川盆地的东南边缘，江津以上两岸为低山丘陵，山势平缓，无高山峡谷，多呈单面山及方山地貌；经江津后，山势起伏增大，并有小型峡谷．河道两岸常有岩嘴、石梁和乱石堆伸入江中，造成岸线极不规则，特别是枯水河岸线更是异常曲折复杂．与同流量下的平原河流相比河道狭窄，洪水期河宽约500~1 000m,枯水期河宽约400m．整个河段河床基本上由砂卵石组成，间有部分基岩，河床比较稳定，江心洲、边滩等地貌发育．相对于平原河流，虽然长江上游叙渝段河床多系卵石或基岩组成，抗冲性较强，但在地壳构造运动和水流侵蚀及水沙动力作用的影响下，河道弯曲特征明显，且两弯道之间的过渡段较短，弯道环流充分发展[12],因水沙条件的变化依然引起较强烈的泥沙冲淤和河床演变．与平原河流一样，受弯道环流的作用形成了众多的弯道凸岸边滩和弯道过渡段边滩，而且边滩的平面形态基本呈现"月牙形"或"镰刀形"．
　　
　　图1为长江上游茜草坝弯段和太安场弯段及典型边滩的平面形态图，显示了上述河道及边滩的主要形态特征．作为弯曲型山区河流来说，其兼具有山区河流和冲积性平原河流的特征，即人们常称的山区冲积性河流，其边滩的产生、发育及其形态不仅与来水来沙的过程有关，而且与河道形态密切相关[13]．因此，可以借鉴参考冲积河流的相关研究方法，探讨边滩的平面形态特征及其与河道的关系．表征边滩平面形态特征的主要参数有：边滩的周长（P）、面积（A）、最大长度（L）及滩面中点的宽度（b）等[11,13]．同时，为探讨边滩的平面形态与所在河道的关系，需要统计河道的平均河宽（B）。

　　分析采用较多的洲滩形态参数以及河道平面几何形态参数的主要原因，一方面是根据河流地貌学和河床演变学中有关洲滩形成的物理机理及常用的表征洲滩形态的定量参数，另一方面是为了尽可能系统深入地探索并揭示这些参数之间的关系和变化规律，以便于在航道整治、防洪工程、河道采砂等规划设计时，如已知某一参数，可以根据该参数与其他参数的定量关系，确定出相关参数的大小．本文在选取边滩时，以1999年12月长江上游叙渝段全河段统一年份的枯水期测图为依据，以枯水水边线以上出露的边滩作为统计分析对象，对处于枯水水位以下的碍航的暗碛则不予考虑．山区河流在枯水期流量比较稳定，基本上没有变化，枯水位相应的流量统一，各个边滩在同一基准上进行比较，保证了资料的一致性．采用ArcGIS9．3及AutoCAD软件相结合的方法，测量读取所选边滩的几何形态参数及河宽，一般采取多次测量取平均值．由于天然山区河流两岸相对稳定，河床多由基岩或砂卵石组成，边滩发育比较成熟，在一个水文年内边滩平面形态也相对比较稳定．因此，实际统计的天然河道边滩基本处于相同的发育阶段．本文主要选取叙渝段45个典型的受弯道环流作用形成的弯道凸岸边滩和弯道过渡段边滩，进行上述参数的测量统计分析．
　　
　　2边滩形态特征分析

　　根据长江上游叙渝段边滩形态的主要参数：边滩的周长（P）、面积（A）、最大长度（L）及滩面中点的宽度（b）等数据资料，通过统计分析边滩面积与周长的关系、边滩面积与最大长度的关系、边滩面积与滩面中点宽度的关系和最大长度与滩面中点宽度的关系，可以从中探索边滩平面形态的一般规律．
　　
　　2．1边滩面积和周长的关系

　　通过对45个边滩的面积与周长的统计数据进行回归分析，可建立A．P关系（图2）．由图2可以看出，边滩面积与周长呈较好的线性相关关系，数据点分布比较集中，经计算其相关系数为0．809．表明A与P成正比关系，即边滩的周长越大，面积也越大。
　　
　　2．2边滩面积与最大长度的关系

　　点绘45个边滩的面积（A）与最大长度（L）之间的关系，见图3．由图3可知，边滩面积与最大长度存在显着的线性相关关系，经回归统计计算两者的相关系数为0．822．表明A与L成正比，即边滩越长，其面积也越大．
　　
　　2．3边滩面积与中点宽度的关系

　　边滩面积（A）与中点宽度（b）之间的关系，见图4．由图4可知，边滩面积与滩面中点宽度基本呈线性相关关系，经计算两者的相关系数为0．736．表明大多数边滩的A与b成正比，即边滩中部越宽，其面积越大．但受水沙作用和河道边界的影响，也有个别边滩的滩体狭长，出现中部偏窄，中点宽度小，边滩面积反而比较大的现象，典型的如雷渡碛边滩．
　　
　　2．4边滩最大长度与中点宽度的关系

　　对45个边滩的最大长度与中点宽度的资料进行统计分析，发现滩面最大长度与中点宽度并不存在某种较好的数学相关关系．有些边滩的中部宽，但滩体短，称之为"矮胖形";而有些边滩的中部窄，但滩体长，呈"高瘦形"．这里用边滩最大长度（L）与滩面中点宽度（b）之比L/b来近似表示边滩滩体的胖瘦程度，45个边滩的L/b值的变化如图5所示．统计的45个边滩的L/b的平均值为7．0,最大值为22．27（雷渡碛边滩），最小值为2．2（甄炳碛边滩）．其中，L/b大于7．0的边滩有15个，占1/3,属于"高瘦形";小于7．0的边滩有30个，占2/3,属于"矮胖形"．"矮胖形"边滩较多的主要原因是山区河流弯道弯曲度较大，弯曲段和过渡段的长度大多比较短，沿水流方向沙卵石泥沙淤积形成的边滩滩体长度相应也较短．但对于个别的微弯河道，顺直过渡段较长，沙卵石淤积形成的边滩，如黄家坝、雷渡碛、红花碛等边滩的长度远大于其宽度，呈现"高瘦形"的平面形态特征．
　　
　　3边滩形态与河道的关系

　　天然河流中的边滩平面形态受河势和所处河段宽度及展宽能力等边界条件的制约，不可能无限制发展．特别是对于山区河流，因河岸和河床多由基岩组成，河道边界比较稳定，边滩形态的发育也比较成熟和稳定．对于山区冲积性河段，边滩的形态与河道关系密切．这里将重点分析边滩面积与平均河宽的关系、边滩周长与平均河宽的关系，和滩面中点宽度与平均河宽的关系．
　　
　　3．1边滩面积与平均河宽的关系

　　边滩面积（A）与平均河宽（B）的关系如图6所示．通过对统计资料进行拟合，可知两者呈较好的线性相关关系，数据点分布比较集中，经计算其相关系数为0．806,反映出边滩面积与河道宽度呈较强的正比例关系，即河道越宽，越易发育面积很大的边滩．但对于同一河段，因受河道展宽能力和来水来沙条件的限制，边滩不可能无限发展．
　　
　　3．2边滩周长与平均河宽的关系
　　
　　通过对45个边滩的周长（P）与平均河宽（B）的统计资料进行拟合分析，可知两者呈较好的线性相关关系（图7），数据点分布比较集中，经计算其相关系数近似为0．8,表明P与B近似呈正比例的关系，即河道越宽，边滩的周长越长．3．3滩面中点宽度与平均河宽的关系点绘滩面中点宽度（b）与平均河宽（B）之间的关系，见图8．由图8可知，滩面中点宽度与平均河宽呈较好的线性相关关系，经计算两者的相关系数为0．79,表明边滩滩面中点宽度与平均河宽近似呈正比例关系，即河道宽度越大，边滩中部越宽．
　　
　　4结语

　　1）长江上游河道弯曲特征明显，受弯道环流的作用，形成了众多的沙卵石凸岸边滩和弯道过渡段边滩，边滩形态基本呈现"月牙形"或"镰刀形"的平面特征．
　　
　　2）通过对所选取的45个受弯道环流作用形成的典型弯道凸岸边滩和弯道过渡段边滩形态特征参数的统计分析，表明：边滩面积与周长、边滩面积与最大长度都呈现出较好的正比例线性相关关系，边滩面积与滩面中点宽度基本呈线性正比例关系．
　　
　　3）边滩最大长度与滩面中点宽度之比可近似表示边滩滩体的胖瘦程度．统计的45个典型边滩的最大长度与滩面中点宽度之比的平均值为7．0．山区河流弯道弯曲度较大，弯曲段和过渡段的长度大多比较短，沿水流方向沙卵石泥沙淤积形成的边滩滩体长度相应也较短，统计的45个典型边滩中2/3的边滩属于"矮胖形",其余的则为"高瘦形"．
　　
　　4）边滩的形态与河道关系密切．统计分析边滩面积与平均河宽的关系、边滩周长与平均河宽的关系和滩面中点宽度与平均河宽的关系，结果表明，它们之间皆呈现较好的线性正比例关系，即河道越宽，沙卵石淤积所发育形成的边滩滩体越大．
　　
　　参考文献：
　　[1] 倪晋仁，马蔼乃．河流动力地貌学[M]．北京：北京大学出版社，1998:146．151．
　　[2] 曹耀华．长江中游边滩类型及几何特征[J]．江汉石油学院学报，1994,16（4）：22．27．
　　[3] 黎春蕾．河道地貌与水位特征的空间定量分析方法研究．以镇扬河段为例[D]．南京：河海大学，2006:43．45．