周之悅，夏繼紅，蔡旺煒，葉繼兵，劉 瀚，竇傳彬

(河海大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210098)

0 引 言

灘地作為水域與陸域的過(guò)渡區(qū)域，是河道中水文、環(huán)境和生態(tài)過(guò)程相互作用的敏感區(qū)，對(duì)洪水調(diào)蓄、水質(zhì)凈化、生物棲息等具有重要價(jià)值[1,2]。我國(guó)廣大的山丘區(qū)中分布著大量的中小型河流，其中不乏形態(tài)多樣的灘地。然而人類活動(dòng)、異常水文過(guò)程、地質(zhì)活動(dòng)等因素易造成灘地形態(tài)及格局的破壞，使得灘地功能退化，影響河流生態(tài)系統(tǒng)健康[3,4]。Mejia等[5]通過(guò)開(kāi)發(fā)基于瞬時(shí)響應(yīng)函數(shù)和流域地貌關(guān)系的分析框架，探討了灘地格局塑造的河道斷面形態(tài)對(duì)流域水文過(guò)程的影響；蔡建楠[6]等通過(guò)構(gòu)建含河道斷面形態(tài)、河岸帶寬度等指標(biāo)在內(nèi)的城市河流形態(tài)評(píng)價(jià)體系，發(fā)現(xiàn)河流形態(tài)評(píng)分較高的河段水體自凈能力也越強(qiáng)。伊紫函等[7]對(duì)灘地平面幾何形態(tài)進(jìn)行了分類以研究灘地整體形態(tài)演變；王金平等[8]應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)方法分析灘地景觀格局時(shí)空演化特征，發(fā)現(xiàn)近年來(lái)灘地破碎化特征明顯且常出現(xiàn)內(nèi)凹向?yàn)┑馗沟氐倪吘壭螒B(tài)。然而目前關(guān)注灘地形態(tài)的研究多涉及流域尺度上的地貌格局探討，對(duì)中、小尺度相關(guān)問(wèn)題的定量研究較少[9]，尤其缺乏對(duì)灘地邊緣形態(tài)的研究，如，灘地邊緣內(nèi)凹形態(tài)變化對(duì)水體溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程及水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)影響機(jī)理等問(wèn)題尚待深入研究。本文以龍游縣靈山港為典型，通過(guò)構(gòu)建定量表征灘地邊緣內(nèi)凹的邊緣形態(tài)指數(shù)(Ie)，探討灘地內(nèi)凹程度等級(jí)劃分方法，深入研究不同內(nèi)凹程度對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移的影響及水質(zhì)惡化的風(fēng)險(xiǎn)，以期為山丘區(qū)河流灘地修復(fù)提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域(E119°07′～119°12′，N28°49′～29°03′)為浙江省西部的靈山港，是錢塘江上游衢江右岸的一條重要支流。流域總面積 726. 9 km2，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降水量為1 815 mm，年內(nèi)分布不均，主要集中在3-9月份。多年平均徑流量20.8 m3/s，徑流系數(shù)為0.62。流域內(nèi)山地土壤以黃紅壤亞類、侵蝕性紅壤、黃壤為主，母質(zhì)為凝灰?guī)r、片麻巖、板巖等。河床及灘地以堆積和侵蝕作用為主，堆積物一般厚為3～8 m。靈山港主流長(zhǎng)43.79 km，河道平均比降為0.245%，沿線設(shè)有步坑口、龍游水文站。近40年來(lái)，靈山港內(nèi)的灘地呈現(xiàn)逐漸破碎和萎縮的變化特征，下游河段(姜席堰-蘭石大橋 段)最為明顯[8]。該河段(圖1)總長(zhǎng)6.1 km，平均比降為0.181%，河道寬度為50～160 m不等，共有18處灘地，其分布格局復(fù)雜多樣，流速分布空間差異較大。

圖1 研究區(qū)灘地分布格局及計(jì)算網(wǎng)格剖分示意圖Fig.1 The patterns of floodplains in the study area and sketch map of computational mesh

1.2 數(shù)據(jù)采集

分別于2017年4月和10月、2018年4月和10月對(duì)靈山港下游段開(kāi)展了實(shí)地調(diào)查，采集河道地形、灘地邊緣形態(tài)、流量與水位、溶質(zhì)(總磷TP)濃度等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。方法：①河道地形數(shù)據(jù)由當(dāng)?shù)厮块T(mén)提供；②灘地邊緣形態(tài)參數(shù)采用手持GPS記錄儀(MAGELLAN，美國(guó))實(shí)地踏勘而得；③流量與水位數(shù)據(jù)主要源于水文監(jiān)測(cè)站，另于校核斷面(圖1(a))處設(shè)置了臨時(shí)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，記錄逐日水位；④水質(zhì)指標(biāo)TP通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集水樣帶回實(shí)驗(yàn)室參照《流動(dòng)注射-鉬酸銨分光光度法 HJ 671-2013》測(cè)定。

1.3 二維水動(dòng)力-水質(zhì)模型構(gòu)建

基于Mike 21構(gòu)建靈山港下游段水動(dòng)力-水質(zhì)耦合模型。水動(dòng)力學(xué)控制方程為基于Boussinesq假定和靜水壓假設(shè)的二維不可壓雷諾平均N-S方程組(即淺水方程)：

連續(xù)性方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

(3)

基于對(duì)流-擴(kuò)散方程耦合水動(dòng)力模塊模擬溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程，水質(zhì)模塊控制方程如下：

(4)

式中：c為標(biāo)量濃度；Dx和Dy分別為x和y方向上的擴(kuò)散系數(shù)。

通過(guò)對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用基于單元中心的有限體積法對(duì)物理控制方程進(jìn)行數(shù)值求解。初始條件、邊界條件等參數(shù)通過(guò)具體模塊設(shè)置輸入，其中水動(dòng)力模塊為基礎(chǔ)核心模塊。由于山丘區(qū)河流河床地貌形態(tài)變化復(fù)雜，水流方向多變，灘地的出露形態(tài)隨河流水位的動(dòng)態(tài)變化而改變。遂依據(jù)2016年河道及灘地實(shí)測(cè)地形圖，選擇三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行剖分，共生成網(wǎng)格330 377個(gè)，允許的最大網(wǎng)格面積為5 m2，網(wǎng)格最小角度為32°。網(wǎng)格分布特征如圖1(b)所示。

進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)以常水位流量(Q=15 m3/s)為上游邊界條件，以相應(yīng)水位(h=47 m)為下游邊界條件。因研究河段較短，不考慮降雨、蒸發(fā)及物質(zhì)降解。參照實(shí)際情況，設(shè)置河道全水域TP背景值為0.023 8 mg/L。分析模擬結(jié)果時(shí)，當(dāng)TP濃度<0.040 mg/L即認(rèn)為恢復(fù)至背景值水平。待水動(dòng)力條件穩(wěn)定后，上游邊界持續(xù)2 h輸入TP濃度為8 mg/L。以溶質(zhì)投放時(shí)刻作為模擬計(jì)算的初始時(shí)刻，計(jì)算步長(zhǎng)為30 s，共計(jì)3 600步(30 h)。

1.4 灘地邊緣內(nèi)凹形態(tài)定量表征

借鑒河道蜿蜒度的概念[10]，本文將灘地邊緣曲線長(zhǎng)度(S)與近灘水域開(kāi)口寬度(L，與主河道水流方向平行)的比值定義為彎曲度指數(shù)Ie，即Ie=S/L，用以定量表征灘地邊緣內(nèi)凹形態(tài)。Ie值越大表明灘地邊緣越彎曲，內(nèi)凹形態(tài)向?yàn)┑馗沟匮由斓某潭仍礁摺?/p>

1.5 水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)的表征方法

溶質(zhì)運(yùn)移是指溶解在水中的物質(zhì)輸運(yùn)和轉(zhuǎn)移的空間和時(shí)間模式[11]。當(dāng)某處水域的營(yíng)養(yǎng)鹽或污染物的濃度在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)偏高時(shí)，則該水域的水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)較高。在本研究中，①采用近灘水域TP與主河道TP均值的比值(即TP的相對(duì)濃度R)來(lái)反映溶質(zhì)在近灘水域的聚積程度，R越高水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)越高；②采用近灘水域溶質(zhì)濃度等值線圖反映TP濃度的空間梯度，等值線越密集表明水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)的空間變異性越劇烈，而等值線圖分布的空間范圍越大則說(shuō)明內(nèi)凹形態(tài)影響的水域面積越大；③根據(jù)近灘水域形心所在斷面的溶質(zhì)平均濃度的時(shí)間變化曲線，及該濃度與相應(yīng)主河道斷面的溶質(zhì)平均濃度差值ΔC的時(shí)間變化曲線，來(lái)反映溶質(zhì)在近灘水域中的累積與削減過(guò)程。

2 結(jié)果與分析

2.1 灘地邊緣內(nèi)凹形態(tài)分布特征

野外調(diào)查結(jié)果顯示，共有14處灘地邊緣內(nèi)凹形態(tài)(編號(hào)為F1～F14)分布于靈山港下游段的11個(gè)灘地上。由表1可知，這些內(nèi)凹形態(tài)的邊緣曲線長(zhǎng)度S、近灘水域開(kāi)口寬度L(平行于河道主流方向)、近灘水域面積A等特征參數(shù)的分布范圍分別是43.1～191.0 m、16.8～59.6 m和206～1 460 m2，內(nèi)凹形態(tài)邊緣彎曲度Ie的分布范圍則為1.51～6.70。根據(jù)下游段灘地Ie的分布頻率，將灘地邊緣內(nèi)凹形態(tài)劃分為低彎(Ie<2)、中彎(2 ≤Ie< 4)和高彎(Ie≥ 4)。則F1～F6為低彎，F(xiàn)7～F9為中彎，F(xiàn)10～F14為高彎。

表1 靈山港灘地邊緣內(nèi)凹形態(tài)特征參數(shù)Tab.1 Floodplain edge morphological characteristics in the downstream of Lingshan River

注：S為灘地內(nèi)凹形態(tài)邊緣曲線長(zhǎng)度；L為內(nèi)凹形態(tài)開(kāi)口寬度；A為內(nèi)凹形態(tài)所圍近灘水域面積。

2.2 模型校核及可靠性分析

基于2016年的流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型參數(shù)率定，確定主河道曼寧系數(shù)為28～30，灘地曼寧系數(shù)為17～25?；谒谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得校核斷面2017年逐日水位的模擬與實(shí)測(cè)值吻合良好，Nash-Sutcliffe效率系數(shù)(NSE)為0.98，接近于1，模型質(zhì)量較好，總體相對(duì)誤差(RE)為6.29%(見(jiàn)圖2)。表明所構(gòu)建的水動(dòng)力數(shù)值模型具有良好的穩(wěn)定性及可靠性，適用于模擬溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程。

圖2 校核斷面2017年水位驗(yàn)證曲線Fig. 2 Validation of daily surface water level in 2017

2.3 內(nèi)凹形態(tài)對(duì)溶質(zhì)濃度空間分布的影響

選取位于研究區(qū)中部的內(nèi)凹形態(tài)F11作為典型分析灘地內(nèi)凹形態(tài)對(duì)近灘水域溶質(zhì)濃度空間分布的影響。通過(guò)調(diào)整局部邊緣形態(tài)使F11的Ie值從4.86(高彎)逐漸下降為2.43(中彎)和1.82(低彎)，形態(tài)特征如圖3所示。由近灘水域溶質(zhì)濃度等值線圖(圖3)可知，在近灘水域中，TP濃度與主河道存在明顯差異的水域范圍隨著Ie的降低而減小，同時(shí)等值線的數(shù)量也隨之減少。這一結(jié)果表明，灘地邊緣內(nèi)凹形態(tài)的彎曲度等級(jí)越高，其近灘水域中存在水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)的水域面積將會(huì)越大。

圖3 不同邊緣形態(tài)下近灘水域溶質(zhì)濃度等值線圖Fig.3 Solute concentration map of nearshore water

2.4 內(nèi)凹形態(tài)對(duì)溶質(zhì)濃度運(yùn)移時(shí)間的影響

模型輸出不同形態(tài)條件下近灘水域溶質(zhì)濃度及其與主河道濃度差值的時(shí)間變化曲線。由圖4(a)知，當(dāng)Ie等級(jí)從高彎(M0)變?yōu)榈蛷?M2)后，近灘水域溶質(zhì)濃度從峰值下降至背景水平(<0.040 mg/L)所需的時(shí)間從超過(guò)22 h縮短至11.8 h。而由圖4(b)知，溶質(zhì)濃度在近灘水域高于主河道所持續(xù)的時(shí)間從超過(guò)23 h(M0-高彎)下降至9.8 h(M2-低彎)，且勢(shì)差峰值明顯降低。上述結(jié)果表明，灘地邊緣形態(tài)的變化對(duì)近灘水域溶質(zhì)變化歷程具有顯著的影響。表現(xiàn)為隨著Ie下降，近灘水域溶質(zhì)濃度的變化過(guò)程與主河道的差異縮小。

圖4 近灘水域溶質(zhì)濃度變化曲線及 近灘水域-主河道濃度勢(shì)差變化曲線Fig.4 The temporal curve of solute concentration in nearshore water and the concentration difference between nearshore water and the main channel

2.5 內(nèi)凹形態(tài)對(duì)近灘水域水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)影響

野外調(diào)查結(jié)果顯示14處灘地邊緣內(nèi)凹形態(tài)的近灘水域TP濃度(0.152～1.825 mg/L)與對(duì)應(yīng)主河道斷面的TP濃度(0.023～0.190 mg/L)差異較大，TP相對(duì)濃度R最大可達(dá)10倍。由圖5可知，模擬結(jié)果(當(dāng)主河道TP濃度恢復(fù)至背景水平時(shí))與實(shí)測(cè)結(jié)果均顯示，隨著Ie從低彎升至高彎，R呈極顯著(P<0.01，DUNCAN)升高。這一結(jié)果表明隨著灘地邊緣內(nèi)凹形態(tài)的彎曲度等級(jí)升高，近灘水域水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)也隨之增高。另外，相同彎曲度等級(jí)下，R的實(shí)測(cè)值均略低于模擬值。如高彎等級(jí)下，R的模擬值和實(shí)測(cè)值的均值分別為7.01±1.18和5.53±2.71。產(chǎn)生這一差別的主要原因是模擬計(jì)算時(shí)不考慮溶質(zhì)的降解和植物吸收。

圖5 不同彎曲度等級(jí)下近灘水域TP相對(duì)濃度RFig.5 Relative TP concentration under different Ie levels

3 討 論

上述結(jié)果顯示灘地邊緣內(nèi)凹形態(tài)的彎曲度指數(shù)Ie越大則近灘水域內(nèi)溶質(zhì)的相對(duì)濃度越高，溶質(zhì)濃度下降速度越慢。根據(jù)余根聽(tīng)等[12]所開(kāi)展的室內(nèi)物理模型試驗(yàn)結(jié)果，正弦型蜿蜒岸的背水坡振幅越大(等價(jià)于Ie越大)，溶質(zhì)在潛流帶中的停留時(shí)間越長(zhǎng)。因而，在近灘水域內(nèi)，地表水與潛流可能會(huì)對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移過(guò)程發(fā)生協(xié)同作用，進(jìn)一步延長(zhǎng)溶質(zhì)在水體中的滯留時(shí)間，從而引發(fā)水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)，影響灘地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與功能性。

溶質(zhì)動(dòng)力學(xué)與水流的物理運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)。對(duì)于灘地錯(cuò)落分布的山丘區(qū)河流來(lái)說(shuō)，對(duì)流作用對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移的驅(qū)動(dòng)影響要大大強(qiáng)于溶質(zhì)勢(shì)差主導(dǎo)的擴(kuò)散作用。在暫態(tài)存儲(chǔ)理論中，溶質(zhì)被認(rèn)為能夠暫時(shí)存儲(chǔ)在河流中的緩流或靜水區(qū)，進(jìn)而能夠延長(zhǎng)溶質(zhì)向下游水體的釋放時(shí)間[13]。而增強(qiáng)主流區(qū)與溶質(zhì)暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)之間的水流交換作用對(duì)河流系統(tǒng)健康至關(guān)重要[14]。從這個(gè)意義上說(shuō)，對(duì)F11的形態(tài)改造本質(zhì)上是通過(guò)控制邊緣形態(tài)來(lái)控制主流區(qū)與溶質(zhì)暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)的對(duì)流關(guān)系，進(jìn)而影響了暫態(tài)存儲(chǔ)區(qū)對(duì)溶質(zhì)的存儲(chǔ)能力。

自然河流系統(tǒng)中，灘地周邊廣泛存在的緩水區(qū)、回水區(qū)及靜水區(qū)能夠?yàn)樗锾峁┒鄻踊纳硹l件，尤其為魚(yú)類在山丘區(qū)河流中提供了重要的休憩、產(chǎn)卵及索餌的場(chǎng)所[15]。在對(duì)灘地邊緣形態(tài)進(jìn)行優(yōu)化改造時(shí)，一方面應(yīng)當(dāng)避免營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)或污染物等溶質(zhì)在近灘水域中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而發(fā)生水質(zhì)災(zāi)害，另一方面還應(yīng)滿足生境多樣化的需求。根據(jù)本文研究結(jié)果，Ie為中彎(2 ≤Ie< 4)時(shí)，近灘水域不會(huì)出現(xiàn)過(guò)于明顯的溶質(zhì)積聚現(xiàn)象，水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)不高。實(shí)際上中彎條件還能提供一定面積比例的緩流區(qū)，能為水生生物提供良好的生境。對(duì)于高彎形態(tài)，通過(guò)改造局部形態(tài)就有可能使得其彎曲度從“高彎”下降為“中彎”。這類基于Ie指數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的“微改造”既能避免對(duì)原有灘地整體形態(tài)及生態(tài)功能的強(qiáng)烈擾動(dòng)，又能減少工程量。

此外，即便Ie處于相同等級(jí)，其近灘水域面積的大小可能差異較大(如F13和F14，見(jiàn)表1)。在實(shí)際情況中，當(dāng)近灘水域的面積較大時(shí)，其TP相對(duì)濃度較高，反之，TP相對(duì)濃度較低(如F13的TP相對(duì)濃度R的實(shí)測(cè)值僅為1.84)。在后續(xù)研究中可將近灘水域面積大小與彎曲度指數(shù)Ie結(jié)合起來(lái)對(duì)灘地邊緣內(nèi)凹形態(tài)進(jìn)行更精細(xì)的劃分。

4 結(jié) 論

論文在野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，建立了灘地邊緣內(nèi)凹形態(tài)指數(shù)計(jì)算方法及等級(jí)劃分方法，運(yùn)用數(shù)值模擬探究不同彎曲等級(jí)對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移及水質(zhì)惡化的影響，為灘地治理和水環(huán)境改善提供參考。

(1)山丘區(qū)灘地邊緣內(nèi)凹形態(tài)可根據(jù)邊緣彎曲度指數(shù)Ie劃分為低彎(Ie< 2)、中彎(2 ≤Ie< 4)和高彎(Ie≥ 4)。

(2)灘地邊緣內(nèi)凹形態(tài)的變化能顯著影響回水區(qū)的溶質(zhì)分布和運(yùn)移過(guò)程。Ie的變化對(duì)近灘水域溶質(zhì)濃度的空間分布與時(shí)間變化過(guò)程均具有顯著的影響。隨著Ie降低，近灘水域溶質(zhì)濃度的聚積程度、空間異質(zhì)性、和削減耗時(shí)均明顯降低。

(3)當(dāng)Ie為低彎時(shí)，內(nèi)凹形態(tài)所圍近灘水域幾乎不存在水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)Ie為中彎時(shí)，近灘水域水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)較低；當(dāng)Ie為高彎時(shí)，水質(zhì)惡化風(fēng)險(xiǎn)則較高。但是根據(jù)維持生境多樣性的需求，不宜將內(nèi)凹形態(tài)降至低彎。

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