砾质网状河流体系的形成模式及其河道稳定性维持机制

Great research progress in studying anastomosing river pattern has been achieved over the last decades. However, those studies are focused only on sandy-bed anastomosing river systems. Recently, we found gravel-bed anastomosing river systems, which are characterized by pebble sediments on channel bed and even in the lower part of channel banks. Although both the sand-bed and gravel-bed anastomosing river systems show similar planforms, they are two different sub-sets of the anastomosing river pattern. Thus, the formation mechanism and evolution processes between the two subsets are probably different. This project will take the typical gravel-bed anastomosing river systems in the upper Yellow River and the lower Dadu River as examples, 1) to conclude the formation mode of the gravel-bed anastomosing river systems based on geological and geomorphological background, stream power, sediment composition and its vertical distribution on channel banks, spatial distribution of fluvial depositional facies, sub-facies, and micro-facies in selected cross-profiles; and 2) to reveal the maintaining mechanism of channel stability for the gravel-bed subset based on shape parameters of channel cross-section, grain size of channel bed sediment, sediment composition of channel banks, and vegetation cover on bank belts, in combination with stream power. The results could promote further improvement in the theory on the anastomosing river pattern. Furthermore, the study will be conductive to reasonable utilization and effective management of the gravel-bed anastomosing river systems.

网状河型的研究在近几十年来取得了显著进展，然而，这些研究基本上都是针对砂质网状河流体系。最近我们发现了一种很有特色的网状河型——砾质网状河流体系，虽然其平面形态与砂质网状河流体系的非常类似，但是，其河床质以卵石沉积物为主，甚至其河岸下部也存在砾石沉积层。这表明砂质和砾质网状河流体系在其形成机制和演变过程中或许存在较大差别。该项目的研究目标是以黄河和大渡河的典型砾质网状河段为研究对象，基于地质地貌背景、水动力特征、河岸物质组成及分布、河间湿地沉积地层特征等，分析河流沉积地层中各类沉积相、亚相和微相在地层横剖面上的分布和配置关系，从而归纳砾质网状河流体系的沉积模式；基于河道断面形态参数、河床质粒度、河岸物质组成及植被发育状况等，结合水沙过程及水流动力特征，揭示砾质网状河道稳定性的维持机制。研究结果会推动网状河流理论体系的进一步完善，同时在针对砾质网状河流利用和管理的措施制定上具有参考价值。

以黄河上游玛曲、采日玛、齐哈玛和阿万仓等砾质网状河流发育的河段及其它河型发育的河段为研究对象，从河床沉积物、河岸沉积柱剖面沉积物粒度分布、河间湿地钻孔揭示的沉积横剖面等，结合岸线及河间湿地植被特征、地质地貌背景和遥感图像资料，系统研究了砾质网状河流分支河道的形态参数、演变规律、水动力特征及河道侧向稳定性维持机制等。获得的主要研究结果如下：1）归纳了砾质网状河流主要发育在山间盆地及山前冲积扇前缘平原等地貌区，划分出了六类河道类型，其中与砾质网状河流相关的有5类：常年过水河道、局部积水河道、汛期过水河道、洪峰过水河道及废弃河道。2）依据河床砾石沉积物的粒度特征计算了研究区网状分支河道的水流流速介于1.5m/s~2.5m/s之间，而依据水流运动方程计算所得的水流平滩平均流速介于1.37m/s~2.39m/s，二者非常接近，表明这种中高流速的水流水动力强，有利于输水输沙；计算所得的特定能耗率介于0.68 W/m2~3.65 W/m2，符合<10W/m2的网状河流的判定标准，且远远小于其他各类河型的，表明砾质网状河流具有高流速、低能耗的流态特性。3）分析了河势的多年演变特征，发现研究区网状分支河道的侧向迁移速率基本等于1m/y，与长江中游的四口分流网状河流的相当，但远小于其他河型的，这表明砾质网状河流与砂质网状河流一样，其河道具有很高的侧向稳定性。4）依据砾质网状河流体系不同沉积亚相的沉积物特征，构建了各亚相的沉积模式、新河道的形成模式、河间湿地形成及扩展模式，综合前述多模式可构建砾质网状河流体系的沉积模式。5）揭示了河岸底部砾石沉积地层的强抗淘蚀性、河岸上部含有植被根系的黏土泥质地层的高粘结性及抗崩蚀性，以及河道水流的高流速、低能耗的水动力特性，是砾质网状河流河道侧向具有很高稳定性的根本原因和内在维持机制。此外，从湿地群体的分布特征、岸线密度及分叉点密度的演变特征等方面，研究了砾质网状河道与河间湿地相对变化的趋势性及规律性。研究结果在河流地貌理论上有所拓展，对于不同地域的同类河型河流的治理具有指导作用。