1966—2019年黄河乌兰布和沙漠宽谷段河道深泓横向摆动特征

图1 研究区位置及河道断面分布（遥感影像源：Landsat LE71290322000083SGS00）

Fig.1 Study area location and channel cross section distribution（RS image： Landsat LE71290322000083SGS00）

1.2　数据与方法

本文资料包括河道大断面、水文和气象资料。河道大断面测量由内蒙古黄河工程管理局水文实验站实施，每年进行两次测量，分别在每年汛前的春季4月和汛后的秋季10月左右，从1966年至2019年共54 a。基于时间序列的连续性和完整性，深泓线的横向摆动的提取选取较为典型沙漠宽谷断面14个（宽度大于2 km），个别年份断面资料的缺失，采用相邻年份的数据进行线性插补。气象资料源自中国气象服务网。

基于河道实测大断面资料提取河道深泓摆动参数，利用距平累积、相关分析和小波分析等方法^［22-24］，分析该沙漠辫状河道横向摆动特征及周期变化规律。

2 结果与分析

2.1　深泓摆动年变化

河道横向频繁摆动是黄河乌兰布和沙漠河段辫状河道典型的特征，是沙漠宽谷辫状河道演变重要指标因子，能够指示河岸风沙入黄变化，揭示沙漠河流系统风水复合作用过程^［5，10］。相较于河道纵向冲淤演变过程，河道横向摆动对水沙及边界的调整及响应更为敏感。图2A显示，1966—2019年河道深泓摆动幅度以每年8.24 m的速度下降，且年际波动幅度也随之减小。距平累积曲线显示，1993年为深泓横向摆动的主要的统计突变点（图2B）。1966—1993年深泓年均摆动距离约545 m，1994—2019年横向摆动距离下降至291 m，摆动幅度下降了47%。此外，1968、1976年以及1983年也表现为小的拐点波动，但整体趋势并未发生变化，这与黄河上游一系列大型水库的建设和运行有一定关系。水库的灌溉功能和对河川径流调蓄作用，使得上游来水量减少，并削弱了洪峰过程，河川径流年内均匀系数减小，诱发深泓横向摆动逐渐减弱，以适应新的径流条件。

图2

图2 1966—2019年深泓横向摆动速度（A）及其距平累积曲线（B）

Fig.2 Changes of talweg lateral shift speed （A） and its cumulative departure curve （B） from 1966 to 2019

1966—2019年，在14个大断面中，平均7.1个断面深泓向左岸摆动，6.9个断面向右岸摆动，深泓向左岸与向右岸横向摆动无明显分异趋势（图3A）。此外，在游荡型的辫状河道中深泓摆动一般具有季节性的变化，汛期的深泓摆动强度会大于非汛期。但该沙漠段在汛期和非汛期的深泓摆动无明显差异（图3B），这表明在一个水文周期时间尺度下，深泓摆动对流量变化响应并不敏感。

图3

图3 河道深泓分别向左、右岸摆动的断面数量（A）和汛期与非汛期的深泓摆动距离（B）

Fig.3 Changes of channel cross-section numbers （A） of talweg lateral shift toward to left bank and right bank， respectively， and talweg shift distance （B） in flood season and non-flood season

2.2　深泓摆动周期变化

小波分析结果显示，在1966年至2019年的研究时段上，河道深泓横向摆动过程中存在多时间尺度下的周期特征，分别是在12~26 a和5~10 a两类特征时间尺度下的周期变化规律（图4）。其中，在12~26 a特征时间尺度下，河道深泓横向摆动出现了强弱4次周期振荡，而且该尺度的周期变化在整个研究时段具有全域性，但周期变化表现出明显的下降趋势，尤其是第二个周期后，小波系数实部峰值明显减小；在5~10 a特征时间尺度下周期变化不具有全域性，2000年以前，存在一定的周期变化，且周期逐渐减弱；2000年以后，河道深泓横向摆动的周期变化规律消失。与之对应，在小波方差图中存在两个较为明显的峰值，依次对应19 a和7 a特征时间尺度。其中，最大峰值对应着19 a特征时间尺度，是研究时段深泓摆动强弱变化的第一主周期，表明在19 a特征时间尺度下的河道深泓摆动的周期振荡最强；其次是7 a特征时间的周期振荡，为河道横向摆动第二主周期。

图4

图4 小波系数实部等值线图与小波方差图

Fig.4 Wavelet coefficient real part contour plot and wavelet variance plot

在19 a特征时间尺度下，河道深泓摆动变化的平均周期为13年左右，大约经历了4个摆动强弱变化周期，周期性呈现明显减弱的趋势；在7 a特征时间尺度下，摆动变化周期为5年左右，周期性变化表现为减弱的趋势（图5）。2000年以前，19 a和7 a特征时间尺度下的河道深泓摆动周期变化较为显著，但2000年后，河道深泓摆动周期变化迅速减弱，并趋于消失。周期振荡的强弱变化与河道深泓摆动速度变化表现出一致性，指示沙漠宽谷辫状河道横向冲淤趋于稳定。

图5

图5 19 a和7 a特征时间尺度小波系数实部过程线

Fig.5 Wavelet real part process lines at 19 a and 7 a characteristic time scales

3 讨论

3.1　水沙因素

对黄河下游游荡型河道的研究显示，河床边界条件（滩槽高差、河床组成等）对游荡段深泓摆动强度有一定影响，但上游来水来沙条件是其深泓摆动的主要影响因子^［1］。水库运行造成下游河道冲刷，引起滩槽高差增大和河床粗化，深泓摆动强度减小。在黄河上游乌兰布和沙漠段，河床深泓摆动强度变化规律及其影响因素显著区别于下游游荡河段。年径流量和径流年内分配不均匀系数^［21］是影响深泓摆动的主要水沙因子（图6A、B），深泓摆动速度与年径流量、不均匀系数呈显著正相关（P<0.01），这表明在径流较大且年内分配不均匀时，河流横向冲淤强烈，深泓摆动较强。但在河床质粒度变化上，随着深泓摆动增强，河床质粒度趋于增大（图7A），而且深泓横向摆动与悬移质和滩槽差也无直接显著关系（图6C、D），说明在该河段悬移质并非主要的造床组分，而河岸风沙入黄形成的粗泥沙组分影响深泓横向摆动。

图6

图6 深泓摆动速度与年径流量（A）、径流年内分配不均匀系数（B）、悬移质浓度（C）和滩槽差（D）的关系

Fig.6 Relationship between talweg lateral shift and runoff （A）， unevenness coefficient （B）， suspended sediment concentration （C） and elevation difference between floodplain and talweg （D）

图7

图7 深泓摆动速度与河床质粒度（A）和最大风速大于6 m·s^-1日数（B）之间的关系

Fig.7 Relationship between talweg lateral shift speed and bedload grainsize （A） and days of wind speed more than 6 m·s^-1 （B）

3.2　风沙因素

沙丘河岸边界导致这一河段形成了特殊的岸-滩-床横向物质交互过程，其地貌过程显著区别于非沙漠河流，风沙因素成为沙漠河流深泓剧烈摆动的重要影响因子^［10］。河岸沙丘既构成了沙漠河流的河岸边界，同时又是河床质的主要来源。河岸风沙以风沙流和河流掏蚀坍塌的方式进入到河床，形成异于悬移质的粗泥沙，是构成河床质的主要组分^［11-13］，这表明风沙入黄量越大，河床质越粗。据此，可以以河床质粒度和起沙风日数（10 m高最大风速大于6 m·s^-1）作为风沙入黄的代用指标。相关分析结果显示，深泓摆动速度与河床质粒度和起沙风日数均呈显著正相关，即风沙活动越强烈，风沙入黄量越大，深泓摆动越强（图7）。

1994—2019年深泓摆动速度下降和周期减弱是对上游来水来沙条件和河岸风沙入黄环境的变化的响应调整。一方面，上游大型水库运行下洪峰削弱，河川径流及其季节波动显著减小^［25］；同时，20世纪90年代青铜峡水库排沙使得这一河段悬移质含量急剧增加^［26］。尽管深泓摆动与悬移质无显著相关性，但在低流量-高含沙量条件下，悬移质可以加速汊道淤积^［21］，稳固河漫滩，间接抑制了深泓横向摆动（图8）。另一方面，随着河岸生态修复、堤坝建设以及河漫滩开垦等人类活动的不断加强^［27］，近20年来风沙入黄相较于20世纪80年代显著减少^{［5， 27-28］}。但风沙入黄量的减少，削弱了岸-滩-床之间的横向物质交互过程，导致深泓横向摆动减弱，河漫滩不断增大，并成为风沙水沙临时沉积场所，主河道与沙丘被河漫滩阻断，风沙活动对黄河的影响明显逐渐减弱。

图8

图8 深泓摆动幅度减小与河漫滩增大示例

Fig.8 Examples of reduced talweg shift distance in response to increased cross section area

4 结论

1966—2019年河床深泓横向摆动幅度以每年8.24 m的速度下降，且年际波动明显减小；1966—1993年间深泓年均摆动距离约545 m，1994—2019年横向摆动距离下降至291 m，摆动幅度减少了47%。

在深泓横向摆动过程中存在10~24 a和4~9 a的两类周期变化规律。其中，19 a特征时间尺度下周期振荡最强，为深泓横向摆动变化的第一主周期，摆动强弱变化的平均周期为13 a左右；其次是7 a特征时间下周期变化，为河道深泓摆动的第二主周期，摆动强弱变化周期为5 a，周期性变化表现为减弱的趋势。河道深泓周期振荡强弱变化与摆动速度变化表现出一致性，指示沙漠宽谷辫状河道横向冲淤减弱，辫状河道萎缩，并趋于稳定。

河岸风沙入黄是河道横向冲淤演变的重要影响因子，与河流水沙因子共同调节沙漠河流深泓横向摆动过程。河道深泓横向摆动强度与径流量及其年内不均匀系数、河床质粒度和河岸风沙动力条件呈现显著正相关。风沙入黄与河川径流减弱致使河岸风沙与河床质的横向传输与物质转换过程强度下降，导致河道深泓横向摆动能力减弱。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

李洁，夏军强，邓珊珊，等.

近30年黄河下游河道深泓线摆动特点

［J］.水科学进展，2017，28（5）：652-661.

[2]

贾晓鹏，王海兵，李永山，等.

风沙对黄河宁蒙河段的影响研究进展

［J］.中国沙漠，2021，41（4）：163-168.

[3]

Liu

B L

， Coulthard

T J

Mapping the interactions between rivers and sand dunes：implications for fluvial and aeolian geomorphology

［J］.Geomorphology，2015，231：246-257.

[4]

Reid

， Frostick

L E

Channel form，flows and sediments of endogenous ephemeral rivers in deserts

［M］//Thomas D S G.Arid Zone Geomorphology：Process，Form and Change in Drylands.Hoboken，USA：John Wiley & Sons，2011：301-332.

[5]

Smith

N D

， Smith

D G

William River：an outstanding example of channel widening and braiding caused by bed-load addition

［J］.Geology，1984，12（2）：78-82.

[6]

Tooth

Process，form and change in dryland rivers：a review of recent research

［J］.Earth-Science Reviews，2000，51（1/4）：67-107.

[7]

杨根生，拓万全，戴丰年，等.

风沙对黄河内蒙古河段河道泥沙淤积的影响

［J］.中国沙漠，2003，23（2）：54-61.

[8]

W Q

， Wang

H B

， Jia

X P

The contribution of aeolian processes to fluvial sediment yield from a desert watershed in the Ordos Plateau，China

［J］.Hydrological Processes，2015，29：80-89.

[9]

Tian

S M

， Yu

G A

， Jiang

E H

，et al.

Reevaluation of the aeolian sand flux from the Ulan Buh Desert into the upper Yellow River based on in situ monitoring

［J］.Geomorphology，2019，327：307-318.

[10]

Wang

H B

， Jia

X P

， Li

Y S

，et al.

Selective deposition response to aeolian-fluvial sediment supply in the desert braided channel of the upper Yellow River，China

［J］.Natural Hazards and Earth System Sciences，2015，15（9）：1269-1290.

[11]

Jia

X P

， Wang

H B

Mineral compositions and sources of the riverbed sediment in the desert channel of Yellow River

［J］.Environmental Monitoring and Sssessment，2011，173（1/4）：969-983.

[12]

Pang

H L

， Pan

B T

， Garzanti

，et al.

Mineralogy and geochemistry of modern Yellow River sediments：implications for weathering and provenance

［J］.Chemical Geology，2018，488（22）：76-86.

[13]

W Q

， Wang

H B

， Jia

X P

Downstream fining in contrasting reaches of the sand-bedded Yellow River

［J］.Hydrological Processes，2011，25（24）：3693-3700.

[14]

冉立山，王随继.

黄河内蒙古河段河道演变及水力几何形态研究

［J］.泥沙研究，2010（4）：61-67.

[15]

Yao

Z Y

， Ta

W Q

， Jia

X P

，et al.

Bank erosion and accretion along the Ningxia-Inner Mongolia reaches of the Yellow River from 1958 to 2008

［J］.Geomorphology，2011，127（1）：99-106.

[16]

Wang

S J

， Mei

Y G

Lateral erosion/accretion area and shrinkage rate of the Linhe reach braided channel of the Yellow River between 1977 and 2014

［J］.Journal of Geographical Sciences，2016，26（11）：1579-1592.

[17]

梅艳国，王随继.

黄河临河辫状河段心滩变化及其影响因素分析

［J］.水土保持研究，2017，24（3）：157-163.

[18]

Schuurman

， Ta

W Q

， Post

，et al.

Response of braiding channel morphodynamics to peak discharge changes in the Upper Yellow River

［J］.Earth Surface Processes and Landforms，2018，43（8）：1648-1662.

[19]

中国科学院《中国自然地理》编辑委员会.中国自然地理总论［M］.北京：科学出版社，1985.

[20]

杨根生

.黄河石嘴山-河口镇段河道淤积泥沙来源分析及治理对策［M］.北京：海洋出版社，2002.

[21]

李永山

近50年黄河乌兰布和沙漠段河道演变过程及其驱动机制研究

［D］.北京：中国科学院大学，2019.

[22]

王文圣，丁晶，李跃清.水文小波分析［M］.北京：化学工业出版社，2005：1-8，115-141.

[23]

桑燕芳，王中根，刘昌明.

小波分析方法在水文学研究中的应用现状及展望

［J］.地理科学进展，2013，32（9）：1413-1422.

[24]

Percival

D B

， Walden

A T

.Wavelet Methods for Time Series Analysis［M］.Cambridge，UK：Cambridge University Press，2000.

[25]

刘俊秋，史文娟.

黄河宁-蒙河段流量变化及周期研究

［J］.干旱区研究，2012，29（3）：413-418.

[26]

李天全

青铜峡水库泥沙淤积

［J］.大坝与安全，1998（4）：21-27.

[27]

李振全

黄河石嘴山至巴彦高勒段风沙入黄量研究

［D］.西安：西安理工大学，2019.

[28]

田世民，姚文艺，郭建英，等.

乌兰布和沙漠风沙入黄影响因子变化特征

［J］.中国沙漠，2016，36（6）：1701-1707.