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(1.长沙理工大学 a.水利工程学院；b. 水沙科学与水灾害防治湖南省重点实验室，长沙 410114；2. 长江科学院 河流研究所，武汉 430010)

1 研究背景

长江源地处西藏与青海交界的唐古拉山地区，发育和形成了长江正源沱沱河、通天河、楚玛尔河、当曲、布曲、冬曲、尕尔曲和北麓河共计8条规模较大的高原辫状河流。长江源下边界至玉树巴塘河口，三江源区内长1 217 km，面积15.9万km2。长江源区平均海拔4 500 m以上，自然条件恶劣，交通不便，因此关于该区域水系分布、平面形态和辫状河群的研究较少[1-2]。长江源区地势上南高北低、西高东低，由于受区域地形和新构造运动的强烈影响[3]，源区具有平行状水系格局，河谷形态以窄谷和宽谷交替出现[4-5]，分别对应限制性河道和辫状河道。

目前，长江源的水文泥沙研究主要以降水量、径流量、生源物质以及气候变化要素的数据分析为主[6]，缺少对河床演变的观测与研究[7-8]。长江源的冲积河流类型以辫状河道为主，如沱沱河、当曲下游、楚玛尔河下游、布曲、尕尔曲、通天河上游段等，共同组成辫状河群[1-2]。长江源水系的窄谷与宽谷相间，窄谷作为一个节点，不仅影响着河道走向，而且对上游宽谷段起控制作用，这种控制作用主要体现在维持上游宽谷辫状河型和阻止宽谷段泥沙下泄[2]。宽谷段辫状河道内沙洲林立，平面形态破碎，多汊道无规则交织，冲淤变化强烈，河道输沙强度高，特别是通天河的大型辫状河道形态复杂、流路散乱。

辫状河道作为一种不稳定的多汊道河流系统，在全球广泛分布，如雅鲁藏布江中游、塔里木河上游、黄河中游、布拉马普特拉河下游、加拿大的Fraser River、意大利的Tagliamento River等。早期，Howard等[9]使用汊道数平均数来表示辫状河道分汊强度，并指出分汊强度随着流量和坡降的乘积增大而增大，通过辫状河流的形态统计分析后，发现沿程的大部分汊道数变化都是由局部的流量和泥沙输移波动引起的。通过总结前人提出的表示辫状河道分汊强度的指数，归类成沙洲指数、汊道数指数、汊道长度指数3种分汊强度指数，并通过水槽实验发现分汊强度与径流量存在正相关的关系[10]。近期，Bertoldi 等[11]对辫状河道的平面稳定结构进行量化，通过辫状河带宽度(belt width)和横截面上的汊道数与节点判断一个辫状河道是否达到了“稳定阶段”，将辫状河道的形态以无量纲流量与无量纲水流功率(stream power)进行分类并以相应野外调查验证，进而又提出了一种新的形态参数(坡降、流量、泥沙粒径、限制度)以分析辫状河段尺度的高程分布[12]。基于长系列航空影像和遥感影像对Tagliamento River的辫状河段的解译表明，河道中沙洲与辫状河道的尺寸存在一定几何关系，它们的面积之比保持在约0.08；大部分不稳定的沙洲只能发育或存在约24 a，同时辫状河道的平滩岸线长度(bankfull shoreline)与河道长度之比约为6，而且认为流量、泥沙粒径和植被是维持辫状河道的3个关键因素[13]。除了研究辫状河道平面形态以外，运用元胞自动模型(cellular model)也可定性模拟辫状河道的形态动力过程[14-16]，并认识辫状河道的不稳定性和复杂性。

辫状河道的河道宽阔，河性散乱，沙洲林立，多汊并行，在不同时空尺度均存在不稳定性和复杂性，河道内的沙洲发育与冲切机制、汇流与分流动力过程、洲滩沉积规律及结构等既是关键科学问题,也是研究难点[17]。目前，对长江源辫状河道的形态参数表征与复杂性仍缺少定量认识，本文基于长系列的Landsat遥感影像，量化形态参数，分析通天河典型辫状河段的河床与水域面积变化和不同断面的分汊强度的统计特征，以定量认识长江源辫状河道的平面形态规律及复杂性。

2 研究区域和研究方法

2.1 研究区域

沱沱河与当曲在沱沱河大桥下游60 km的囊极巴陇地区汇合后称为通天河起点(34°05′38″N，92°54′48″E)，终点为青海省玉树藏族自治州附近的巴塘河汇入口(32°58′34″N，97°14′48″E)。通天河是万里长江源头的干流部分，长约813 km，河床平均比降1.2‰，年径流量130亿m3。通天河左岸有日阿尺曲、北麓河、勒池曲、楚玛尔河、色吾曲和德曲等支流，右岸有莫曲、牙哥曲、科欠曲、宁恰曲、登艾龙曲和叶曲等支流(图1)[2]。本文的研究河段即为通天河的宽谷辫状河段。为了减少支流汇入的影像，研究河段(图1)选为通天河的勒池曲汇入点(34°44′58.61″N，94°30′53.29″E)至楚玛尔河汇入点(34°40′28.18″N，94°55′40.42″E)河段。该河段为典型的辫状河段，河床宽度为2～3 km，宽谷河道整体较顺直，河段长约36 km，河床平均比降1.94‰。

长江源辫状河群的水系密布，空间尺度大小不同，河道形态变化万千，年内与年际的河道演变过程较难以捕捉。而且，长江源只有部分可接近的冲积河段(青藏公路两侧)，目前只能依赖卫星遥感影像或低空航空摄影以窥全貌。同时，长江源区缺少长系列的水文数据，更缺少高精度的河床地形数据，野外调查也存在诸多困难(高寒缺氧、交通不便、恶劣天气、交通成本等)，难以长期坚持。由于以上诸多原因，本文采用遥感图像技术对长江源的通天河段辫状河道开展平面形态及复杂性研究。

2.2 研究方法

2.2.1 数据获取

为研究楚玛尔河汇入通天河处的辫状河段，从Landsat的TM/ETM/OLI_TRIS遥感影像中选出研究河段无云雾遮挡且不处于结冰期的多期多光谱遥感图像，获取1987—2016年间共56期影像数据。

2.2.2 数据处理

利用ENVI和ArcGIS等软件对遥感影像进行裁剪、分类提取、河道简化等处理。裁剪是将研究河段从原图像中截取出来，排除了非研究区域的影响；分类提取是利用各种地物的光谱特性的区别对地物进行分类，将需要研究的水体部分提取出来，经过对比选用了水体提取效果较好的改进归一化差异水体指数MNDWI[18]，对这些多光谱图像进行分类提取；将裁剪出来的河道区域的地物分类成水域和非水域2部分(图2)，再将每幅图像的水域面积进行统计分析。

图2 通天河辫状河段水体提取前后对比(Landsat遥感影像，2016年6月16日)Fig.2 Water boundary of local braided reach in the Tongtian River before and after extraction (Landsat images, June 16, 2016)

定量辫状形态参数时，需要对河道形态进行简化，即不考虑辫状河道的汊道宽度将其简化成线条，以便得到辫状河道的分汊强度。为了表示辫状河道的分汊强度，已经有很多分汊强度指数被提出来[9-10]，在总结前人的基础上将其归类为3类分汊强度指数，本文选取汊道数指数BIT3和汊道长度指数PT研究本河段的分汊强度。汊道数指数BIT3表示河段内各横截面(XS)上汊道数(NL)的平均值，如图3(a)；汊道长度指数PT=∑LL/Lr，表示河段内汊道总长与单位河段长度之比，其中LL为河段内汊道总长度，Lr为单位河段长度，见图3(b)。分汊强度指数是相对一个河段来说，而且与汊道宽度与面积无关。本研究需要先将研究河段分成中心线等长的若干段，并将汊道简化为线条，再研究每段的分汊强度(图4)。

图3 分汊强度指数的形态参数示意图Fig.3 Morphological parameters of branching intensity index

图4 研究河段的辫状河道每1 km等距分段(Landsat，1994年9月24日)Fig.4 Equidistant sections (each 1 km) of braided river reach (Landsat images, September 24, 1994)

3 辫状河段水域面积变化规律

研究河段缺乏水文数据，无法直接得到径流量数据，所以本文计算水域面积变化未与水位波动建立联系。56幅图像中有部分图像并不是全河段且有云遮挡，所以从研究河段中又选取了其中一段河道作水域面积分析，河道中心线长度约为12 km。通过对图像进行分类提取，可得到56个时间点的河道水域面积。

为了减少夏季水位波动的影响，从56幅图像中选取某一年的冬季至翌年冬季，即2014年11月到2015年11月内(表 1)的图像，从而获得年内水域面积变化。为了便于比较，将水域面积数据无量纲化为水域面积与河床面积比(图5)，此处河床面积是指整个辫状河道的面积，包括了水域加上洲滩。而且对56幅图像进行对比发现，河床近30 a都没有变化。水域面积与河床面积之比在0.087～0.241之间，水域面积夏天大，冬天小，间接反映年内水位波动情况。

表1 2014—2015年的水域面积与河床面积比Table 1 Ratio of water area to riverbed area in 2014-2015

图5 1 a内水域面积与河床面积比的变化(2014—2015)Fig.5 Change of ratio of water area to riverbed area within one year (2014-2015)

除了以上方法，也可通过将56幅图像按月份区分，并分别求出各个月份图像的水域面积与河床面积比平均值(图6)，来进一步说明水域面积的年内变化。除1—3月份处于结冰期未选取图像之外，从以上2种水域面积年内变化分析中可知，1 a中，7—9月份水域面积最大，11—12月份水域面积最小，年内水域面积基本呈现单峰单谷的周期性波动形式。

图6 各月份水域面积与河床面积之比Fig.6 Ratio of water area to riverbed area in each month

为了研究径流量在最近30 a的变化，将56幅图像按月份区分，分别作出汛期与非汛期水域面积与河床面积之比随时间的变化图(图7)。

图7 1987—2016年不同月份水域面积与河床面积比变化Fig.7 Change of ratio of water area to riverbed area in different months (1987-2016)

从图7可以看出，汛期的水域面积在2005年前逐渐减小，2005年之后显著增加，到2009—2013年间除8月份以外的其他月份水域面积达到最大值后又逐渐减小。分析8月份折线波动很大的原因可能是8月份水域面积变化范围较大。非汛期10月份水域面积经历了一个先下降再上升的过程，在1994年左右达到最小值，其他几个月份(1—3月份处于结冰期，没有选择遥感图像进行水域面积计算)的图像全都在2001年以后，且水域面积逐渐增加。另外，对各月份的水域面积变化进行线性回归分析后的结果表明各月份水域面积都呈增长趋势。根据前人对长江源径流量变化的研究结果[19-21]，2005年前长江源区年径流量持续下降，2005年之后持续增加，总体呈增长趋势。可以看出，研究河段水域面积与长江源径流量的变化趋势存在比较强的相似性，所以利用水域面积来反映径流量变化的设想是可行的。

4 辫状河段分汊强度变化规律

对辫状河道的分汊强度分析着眼于其在时间上和沿河道的纵向变化。在时间上，从56幅图像中选取水域面积非常接近且时期相近的1994年9月24日、2005年10月24日、2015年10月4日3个时间点的图像。由于在一定流量变化范围内分汊强度与流量存在正相关关系[10]，为排除流量对分汊强度的影响，选择水域面积相近的时间点。在沿河道纵向上，将整个研究河段分成中心线1 km等距的36段，即可分析分汊强度沿河道的变化特征。而且在获得汊道数指数的同时，又将36个等分河段再次3等分，将每个河段的3个横截面上的平均汊道数作为该河段的汊道数指数。

对辫状河道进行分段和简化后，统计每个河段的汊道强度指数，得到各河段的分汊强度指数(图8)。同时，对3个时间点的分汊指数进行平均值的特征数计算，如图9。

图9 1 km等距分段的分汊强度指数特征数Fig.9 Characteristic number of branching intensity index in 1 km isometric segmented reach

图8和图9给出的2种分汊强度指数结果相近，都表明分汊强度沿河道在一定范围内不断波动，即汊道数指数BIT3∈[4,10]，均值为6.79，汊道长度指数PT∈[5,12]，均值为8.87。在1994—2015年的21 a间，分汊强度在研究河段的上游部分变化明显，在下游部分则变化较小，特别是在第22—27河段，分汊强度变化很小。分汊强度指数在3个时间点的平均值、最大值和最小值几乎相同，这在一定程度上验证了Egozi等[10]关于分汊强度与流量存在正相关关系的结论。分汊强度指数的标准差在2种指数上的变化趋势相同，都是先增大后减小，且数值都较小，说明研究河段内的分汊强度变化较小，整个河段具有整体相似性。

5 结论与展望

长江源辫状河道的形态动力过程是来水来沙条件与河床相互作用的结果，其单个、群体和辫状河段的洲滩发育、冲刷切割与淤积合并，以及多汊道系统此消彼长，既在短时间尺度和局部河段具有复杂性、不规则性和不稳定性，又在长时间尺度和整体河段具有周期性、自相似性和亚稳定性。

通天河局部辫状河段的年内水域面积与河床面积之比在汛期变大，非汛期变小，与年内水文周期同步。由于近30 a江源区径流量增加，水域面积与河床面积之比呈增加趋势。辫状河段内36个等距横断面的汊道数指数和汊道长度指数变化分别为4～10和5～12，而且时期、水域面积相近的1994年9月24日、2005年10月24日、2015年10月4日3个时间点的汊道数指数和汊道长度指数的均值变化和标准差都较小，说明辫状河道的多汊道系统具有整体相似性且河性维持不变。

下一步工作仍将基于不同分辨率的遥感影像，以及沱沱河的日径流量和直门达的月径流量数据，研究长江源不同空间尺度下形态动力过程及其与径流量周期变化的对应关系，特别关注未来在径流量减少条件下，局部辫状河道有无可能向网状或分汊转化及其临界条件，回答这个问题将促进对长江源辫状河道演变的科学认识。