易志鳳，張尚鋒，王雅寧，徐恩澤，趙韶華，王玉瑤

（1.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430000；2.長(zhǎng)江大學(xué)油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北荊州 434023）

0 引言

曲流河砂體儲(chǔ)層作為重要的陸相碎屑巖儲(chǔ)層類(lèi)型之一，具有“蝕凹增凸”的特點(diǎn)，橫向變化快，非均質(zhì)性強(qiáng)，采收率較低，在我國(guó)中新生代含油氣盆地中占有較大的比例［1-2］。點(diǎn)壩砂體是曲流河儲(chǔ)層的重要研究對(duì)象，曲流河的幾何形態(tài)演變特征與點(diǎn)壩砂體定量表征的研究一直備受關(guān)注，且逐漸由定性描述向多元定量化表征方向轉(zhuǎn)變［3］。早在20 世紀(jì)60 年代，Schumm［4］對(duì)北美大平原上的50 個(gè)單河道段進(jìn)行劃分，建立了曲率與河道寬深比的關(guān)系模式；Leopold［5］探討了河道寬度與河彎跨度間的關(guān)系模式。20 世紀(jì)70—80 年代，Schumm［6］對(duì)澳大利亞36 條河流的點(diǎn)壩砂體進(jìn)行了分析，討論了河道深度、側(cè)積體厚度、寬度以及曲率等參數(shù)的定量關(guān)系；Lorenz 等［7］總結(jié)出單一曲流帶與河道寬度的關(guān)系模式。進(jìn)入21 世紀(jì)，Nicoll 等［8］的研究表明，在河灣平面幾何形態(tài)上，限制性河灣與自由河灣較為一致，但在形態(tài)參數(shù)方面不同；岳大力等［9］、李宇鵬等［10］、石書(shū)緣等［11］、范廣娟等［12］對(duì)點(diǎn)壩砂體規(guī)模與河流滿(mǎn)岸寬度之間的關(guān)系進(jìn)行了總結(jié)，針對(duì)不同地區(qū)河流點(diǎn)壩砂體規(guī)模進(jìn)行了定量表征；王海峰等［13］利用儲(chǔ)層構(gòu)型理論的分級(jí)表征思路，明確了不同級(jí)次的砂體或界面規(guī)模的定量關(guān)系。此外，石書(shū)緣等［11］、Leeder［14］、劉振坤等［15］、喬輝等［16］、王冬冬等［17］針對(duì)不同曲率條件下點(diǎn)壩砂體規(guī)模的定量參數(shù)關(guān)系也進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)差異曲率范圍下點(diǎn)壩砂體規(guī)模參數(shù)的定量關(guān)系研究結(jié)果尚不統(tǒng)一。就研究方法而言，曲流河砂體儲(chǔ)層的研究通常使用密井網(wǎng)解剖、露頭解剖與現(xiàn)代沉積解剖等方法［18-23］。密井網(wǎng)解剖適用于井網(wǎng)密度較大的情況，露頭解剖對(duì)露頭出露的要求較高，現(xiàn)代沉積解剖局限于單剖面的建立。定量表征方法適用范圍廣，能對(duì)河流幾何形態(tài)及沉積單元進(jìn)行宏觀的了解及定量化表征?？傮w上，對(duì)于河流砂體儲(chǔ)層的表征已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)，但對(duì)單體河流沉積單元進(jìn)行劃分的研究則較為缺乏。

選取黃河源區(qū)現(xiàn)代白河作為研究對(duì)象，基于ArcGIS 10.6 軟件對(duì)白河流域遙感影像進(jìn)行預(yù)處理及矢量化，識(shí)別白河流域31 個(gè)典型點(diǎn)壩砂體并進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)坡降、曲率等指標(biāo)對(duì)白河進(jìn)行分段和精細(xì)刻畫(huà)，分析點(diǎn)壩砂體規(guī)模參數(shù)的基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)而明確不同曲流段河道寬度與點(diǎn)壩砂體規(guī)模之間的關(guān)系，以期為合理建立曲流河點(diǎn)壩砂體儲(chǔ)層和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)剩余油分布提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

白河流域位于黃河源區(qū)的東南部，起源于巴顏喀拉山東端的查勒肯地區(qū)，由南向北流經(jīng)安曲、邛溪、瓦切，至若爾蓋縣西南部的唐克鎮(zhèn)附近匯入黃河（圖1）。白河源頭海拔高程約4 460 m，沿岸沼澤泥炭發(fā)育較弱，河水較為清澈。干流全長(zhǎng)約270 km，流域面積為5 488 km2，平均比降3.8‰，其中大部分河段在0.5‰以下，大于1‰的河段僅占1/5［24］。白河是自然發(fā)育的曲流河，植被發(fā)育較好，河道幾何形態(tài)呈蜿蜒曲折狀，成為定量化研究彎曲河流點(diǎn)壩砂體規(guī)模的理想對(duì)象。白河地處特提斯—喜馬拉雅構(gòu)造域，故新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈［25］。上游兩側(cè)為丘陵地貌，中游地形趨緩，下游進(jìn)入因青藏高原隆起而形成的若爾蓋盆地［26］，整體上，上游形成狹長(zhǎng)的直線狀河谷，中下游形成寬闊的線性河谷，白河沖積平原面積由小變大。

圖1 黃河源區(qū)白河位置［27］（a）及點(diǎn)壩分布圖（b）Fig.1 Location of Baihe river（a）and distribution of point bars（b）in Yellow River source area

曲流河發(fā)育點(diǎn)壩（邊灘）、牛軛湖、天然堤、決口扇、河漫灘等沉積單元。其中，點(diǎn)壩與牛軛湖對(duì)曲流河儲(chǔ)層具有重要意義。白河有圓弧形、長(zhǎng)條形、U 形和微彎形點(diǎn)壩，沿程點(diǎn)壩形狀趨于規(guī)則［28］；有Ω 型、U 型和月牙型牛軛湖，其中月牙型牛軛湖數(shù)量最多，U 型次之，Ω 型數(shù)量最少，沿程牛軛湖數(shù)量呈現(xiàn)由多變少的趨勢(shì)［29-30］。從前人研究結(jié)果得知白河河道寬度與河谷寬度沿程具有正相關(guān)關(guān)系［29］。

2 研究方法

黃河源區(qū)白河流域遙感影像數(shù)據(jù)來(lái)源于91 衛(wèi)圖助手，分辨率為2 m。ArcGIS 軟件具有地理信息處理能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間大及平面展示效果佳等優(yōu)點(diǎn)［31］，在定量表征點(diǎn)壩砂體規(guī)模上，ArcGIS 軟件極大地提高了工作效率，且提升了成果質(zhì)量。為了明確點(diǎn)壩砂體規(guī)模與不同曲率河道寬度的關(guān)系，此次研究基于高分辨率遙感影像，選擇黃河源區(qū)白河流域單個(gè)分辨率較高的點(diǎn)壩砂體，通過(guò)ArcGIS 10.6軟件進(jìn)行矢量化，測(cè)量了31 個(gè)典型點(diǎn)壩砂體相關(guān)參數(shù)（表1），測(cè)量數(shù)據(jù)包括3 個(gè)部分：①曲流段的曲率（曲率k=河道曲線長(zhǎng)度Lc/河谷直線長(zhǎng)度Lv）；②曲流段點(diǎn)壩長(zhǎng)度（Lp）與點(diǎn)壩寬度（Wp）；③曲流段河道寬度（Wr）。從所得出的基礎(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)表可以看出，在進(jìn)行最小二乘法擬合分析的基礎(chǔ)上，可探究白河點(diǎn)壩長(zhǎng)度與點(diǎn)壩寬度、點(diǎn)壩長(zhǎng)度與河道寬度、點(diǎn)壩寬度與河道寬度的關(guān)系方程。

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在ArcGIS 軟件中，空間數(shù)據(jù)分析與處理可將遙感影像、航空相片、現(xiàn)有的地圖等轉(zhuǎn)成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別處理的數(shù)字形式［32］。對(duì)于現(xiàn)代曲流河的研究而言，可將河道單元參數(shù)矢量化并進(jìn)行分析。在建立白河點(diǎn)壩砂體定量化測(cè)量數(shù)據(jù)表的過(guò)程中，此次研究采用的測(cè)量流程為：

（1）導(dǎo)入遙感衛(wèi)星圖。將分辨率為2 m 的遙感影像導(dǎo)入ArcGIS 10.6，找出需要測(cè)量的點(diǎn)壩砂體。

（2）建立文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)。在ArcGIS 10.6 數(shù)據(jù)視圖狀態(tài)下，找到ArcCatalog 目標(biāo)樹(shù)，建立文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)。

（3）創(chuàng)建要素類(lèi)。在新建的文件地理數(shù)據(jù)庫(kù)上新建要素類(lèi)，輸入名稱(chēng)“點(diǎn)壩長(zhǎng)度”，定義其類(lèi)型為“線要素”，定義其坐標(biāo)系統(tǒng)為WGS 1984 UTM Zone 48 N，XY容差設(shè)置為0.001，確定要素類(lèi)字段名（“經(jīng)度”、“緯度”與“點(diǎn)壩長(zhǎng)度”）及其類(lèi)型（“文本”）與屬性（長(zhǎng)度設(shè)置為20 字節(jié)）。

（4）編輯參數(shù)。在編輯器菜單中選擇開(kāi)始編輯，在創(chuàng)建要素欄中選擇“點(diǎn)壩長(zhǎng)度”要素，沿著點(diǎn)壩長(zhǎng)度進(jìn)行刻畫(huà)，編輯結(jié)束時(shí)在編輯器菜單中選擇結(jié)束編輯。

（5）查看參數(shù)屬性。在內(nèi)容列表中，找到“點(diǎn)壩長(zhǎng)度”圖層，打開(kāi)點(diǎn)壩長(zhǎng)度的屬性表，查看點(diǎn)壩長(zhǎng)度屬性。

根據(jù)上述方法，應(yīng)用ArcGIS 10.6 軟件可以得到典型曲流段的河道寬度、點(diǎn)壩寬度、河道曲線長(zhǎng)度、河谷直線長(zhǎng)度等相關(guān)數(shù)據(jù)，形成白河測(cè)量數(shù)據(jù)表，成為白河點(diǎn)壩砂體定量化研究的基礎(chǔ)源數(shù)據(jù)。

2.2 參數(shù)分析

從白河的測(cè)量數(shù)據(jù)（表1）可以看出，河道寬度為64～272 m，在河道寬度為110～120 m時(shí)，點(diǎn)壩的數(shù)量最多，為6 個(gè)；點(diǎn)壩長(zhǎng)度為263～1 673 m，當(dāng)點(diǎn)壩長(zhǎng)度為408～592 m 時(shí)，點(diǎn)壩的數(shù)量有14 個(gè)。由此可知，點(diǎn)壩長(zhǎng)度集中在408～592 m，且變化幅度較大；點(diǎn)壩寬度為149～1 396 m，呈現(xiàn)波動(dòng)變化趨勢(shì)；點(diǎn)壩曲率為1.30～4.04，當(dāng)曲率為1.30～2.00 時(shí)，點(diǎn)壩的數(shù)量有14 個(gè)（圖2）。

圖2 黃河源區(qū)白河不同點(diǎn)壩砂體規(guī)模參數(shù)對(duì)比折線圖Fig.2 Line chart showing parameters comparison of point bar sand body scale in Baihe river of Yellow River source area

通過(guò)對(duì)黃河源區(qū)白河沿程共31 個(gè)點(diǎn)壩砂體［參見(jiàn)圖1（b）］樣本進(jìn)行對(duì)比分析，得出點(diǎn)壩1—10在31 個(gè)點(diǎn)壩中規(guī)模較大，點(diǎn)壩11—24 次之，點(diǎn)壩25—31 規(guī)模最小。白河上游受兩側(cè)丘陵限制，河道寬度受地形影響，相對(duì)狹窄，水流速度相對(duì)較快，河曲彎曲程度較小，在河流凸岸形成規(guī)模相對(duì)較小的點(diǎn)壩砂體。進(jìn)入若爾蓋盆地后，水流速度降低，河道逐漸變寬，彎曲程度加劇，在河流凸岸形成大型點(diǎn)壩砂體。

3 差異曲率河段特征變化

在現(xiàn)代沖積河流中，構(gòu)造條件、相對(duì)輸沙率、植被條件、氣候與沉積物組成等因素影響著河型的空間轉(zhuǎn)化［33-35］。曲率與坡降也是影響河型變化的因素。此次研究從坡降方面對(duì)白河沉積單元進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)，從曲率方面對(duì)白河點(diǎn)壩砂體規(guī)模進(jìn)行定量表征。

河道坡降反映河道沿縱向勢(shì)能的變化，能表征水動(dòng)力強(qiáng)弱［29］。河道坡降與河道寬度、曲流段曲率具有密切的聯(lián)系?？傮w來(lái)看，坡降越大，則河道寬度越小，曲率越?。▓D3）。通過(guò)對(duì)白河31 個(gè)曲流段坡降的計(jì)算，以0.001 為間隔，將坡降劃分為0～0.001，0.001～0.002，0.002～0.003，0.003～0.004 及0.006～0.007，其中坡降為0～0.001的有23 個(gè)曲流段、坡降為0.001～0.002 的有5 個(gè)曲流段、坡降為0.002～0.003的有1 個(gè)曲流段、坡降為0.003～0.004 的有1 個(gè)曲流段、坡降為0.006～0.007 的有1 個(gè)曲流段。在每個(gè)區(qū)間選擇1～2 個(gè)典型的曲流段進(jìn)行精細(xì)解剖，探尋不同坡降下曲流段沉積單元特征。

圖3 黃河源區(qū)白河不同曲流段坡降與河道寬度（a）、曲率（b）關(guān)系對(duì)比Fig.3 Relationships of slope with river channel width（a）and curvature（b）at different meandering sections in Baihe river of Yellow River source area

在坡降為0～0.001 的曲流段中，選擇點(diǎn)壩2 與點(diǎn)壩12 所在曲流段進(jìn)行刻畫(huà)（圖4，參數(shù)如表1 所列）。點(diǎn)壩2 所在曲流段的坡降為0.000 94，趨于0.001，河道寬度為272 m，說(shuō)明河岸抗侵蝕能力較強(qiáng)，曲率為2.11，表明該曲流段的彎曲程度較大；可見(jiàn)呈U 型廢棄河道，且該廢棄河道離主河道有一定距離，說(shuō)明此處在河流發(fā)育較早階段發(fā)生了截彎取直。點(diǎn)壩12 所在曲流段的坡降為0.000 09，趨于0，河道寬度為167 m，說(shuō)明坡降對(duì)河道寬度有一定的影響，曲率為3.19，表明該曲流段的彎曲程度大，有廢棄河道。點(diǎn)壩2 所在曲流段的曲率小于點(diǎn)壩12 所在曲流段的曲率，說(shuō)明坡降大小對(duì)曲率具有一定影響。

圖4 黃河源區(qū)白河點(diǎn)壩2（a）和點(diǎn)壩12（b）所在曲流段沉積單元刻畫(huà)圖Fig.4 Sedimentary units of meandering sections at point bars 2（a）and 12（b）in Baihe river of Yellow River source area

在坡降為0.001～0.002 的曲流段中，選擇點(diǎn)壩5 所在曲流段和點(diǎn)壩24所在曲流段進(jìn)行刻畫(huà)（圖5，參數(shù)如表1 所列）。點(diǎn)壩5 所在曲流段坡降為0.001 2，趨于0.001，河道寬度為168 m，曲率為2.67，說(shuō)明該曲流段屬于高彎曲流段，此外有支流匯入且支流上發(fā)育少量U 型廢棄河道。點(diǎn)壩24 所在曲流段坡降為0.002 0，河道寬度為74 m，曲率為1.45，說(shuō)明該曲流段彎曲程度較低。這2 個(gè)曲流段的河道寬度差距較大且主河道皆無(wú)廢棄河道。

圖5 黃河源區(qū)白河點(diǎn)壩5（a）和點(diǎn)壩24（b）所在曲流段沉積單元刻畫(huà)圖Fig.5 Sedimentary units of meandering sections at point bars 5（a）and 24（b）in Baihe river of Yellow River source area

在坡降為0.002～0.003，0.003～0.004 和0.006～0.007 的曲流段中，分別選擇點(diǎn)壩22、點(diǎn)壩29 和點(diǎn)壩31 所在曲流段進(jìn)行刻畫(huà)（圖6，參數(shù)如表1所列）。這3 個(gè)曲流段的曲率皆小于2.00，河道寬度在31 個(gè)點(diǎn)壩所在曲流段中均偏小，坡降均偏大。點(diǎn)壩22 和點(diǎn)壩29 所在曲流段中均有廢棄河道，且后者廢棄河道數(shù)量較多。

圖6 黃河源區(qū)白河點(diǎn)壩22（a）、點(diǎn)壩29（b）、點(diǎn)壩31（c）所在曲流段沉積單元刻畫(huà)圖Fig.6 Sedimentary units of meandering sections at point bars 22（a），29（b）and 31（c）in Baihe river of Yellow River source area

4 點(diǎn)壩砂體參數(shù)定量分析

為了明確白河點(diǎn)壩砂體規(guī)模與河道寬度的定量關(guān)系，基于91 衛(wèi)圖助手遙感影像選擇并完成了31 個(gè)點(diǎn)壩砂體規(guī)模相關(guān)參數(shù)的測(cè)量。在此基礎(chǔ)上通過(guò)最小二乘法進(jìn)行擬合分析，得到對(duì)應(yīng)關(guān)系方程和相關(guān)系數(shù)（圖7）。

圖7 黃河源區(qū)白河點(diǎn)壩砂體規(guī)模參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系Fig.7 Correlation among parameters of point bar sand bodies in Baihe river of Yellow River source area

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，白河的河道寬度與點(diǎn)壩長(zhǎng)度、河道寬度與點(diǎn)壩寬度、點(diǎn)壩長(zhǎng)度與點(diǎn)壩寬度均呈正相關(guān)關(guān)系。其中，點(diǎn)壩寬度與河道寬度的相關(guān)性最強(qiáng)，點(diǎn)壩長(zhǎng)度比河道寬度對(duì)點(diǎn)壩寬度的影響小。

此次研究探討了河道寬度和點(diǎn)壩砂體規(guī)模之間在差異曲率下的定量關(guān)系，按k＜2 與2＜k＜2.5進(jìn)行歸類(lèi)，對(duì)k＜2 的14 組數(shù)據(jù)與2＜k＜2.5 的11組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析，得到對(duì)應(yīng)關(guān)系方程和相關(guān)系數(shù)（圖8）。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，不同曲率點(diǎn)壩砂體規(guī)模與河道寬度之間仍呈正相關(guān)關(guān)系。當(dāng)k＜2時(shí)，點(diǎn)壩長(zhǎng)度與河道寬度的相關(guān)系數(shù)為0.790，當(dāng)2＜k＜2.5 時(shí)，其相關(guān)系數(shù)為0.709。由此可知，隨著曲率的增加，河道寬度與點(diǎn)壩長(zhǎng)度相關(guān)性相對(duì)減弱，表明曲率大小影響點(diǎn)壩的發(fā)育程度。當(dāng)k＜2時(shí)，點(diǎn)壩寬度與點(diǎn)壩長(zhǎng)度的相關(guān)系數(shù)為0.812，當(dāng)2＜k＜2.5 時(shí)，相關(guān)系數(shù)為0.883，說(shuō)明點(diǎn)壩寬度與點(diǎn)壩長(zhǎng)度之間的關(guān)系受曲率影響相對(duì)較小。當(dāng)k＜2 時(shí)，點(diǎn)壩寬度與河道寬度的相關(guān)系數(shù)為0.414，當(dāng)2＜k＜2.5 時(shí)，相關(guān)系數(shù)為0.841，不同曲率下，點(diǎn)壩寬度與河道寬度相關(guān)性差異大，且曲率越高，點(diǎn)壩寬度與河道寬度的相關(guān)性越好。這也說(shuō)明通過(guò)劃分曲率進(jìn)而研究點(diǎn)壩砂體規(guī)模與河道寬度之間的關(guān)系是必要的。

5 討論

點(diǎn)壩砂體是由若干個(gè)周期性形成的側(cè)積體疊加而成，在其形成過(guò)程中，側(cè)向沉積起主導(dǎo)作用［36-37］。側(cè)向沉積受來(lái)水、來(lái)沙及河床邊界抗侵蝕能力等因素影響，是由河道內(nèi)部水流矛盾發(fā)展決定的。季節(jié)性的洪水事件會(huì)導(dǎo)致河道發(fā)生遷移或改道，進(jìn)而形成多期次曲流河點(diǎn)壩砂體［38］。平原型曲流河坡降相對(duì)較小，因此水流速度較小，河曲曲率較大，在河床上會(huì)形成規(guī)模較大的泥沙淤積體。此次研究選擇的點(diǎn)壩1—17 的河道寬度為113～272 m，點(diǎn)壩長(zhǎng)度為263～1 673 m，點(diǎn)壩寬度為366～1 396 m，曲率為1.47～4.04；點(diǎn)壩18—31 的河道寬度為64～130 m，點(diǎn)壩長(zhǎng)度為275～739 m，點(diǎn)壩寬度為149～513 m，曲率為1.30～2.08。由此可見(jiàn)，點(diǎn)壩1—17 的河道寬度較大，地形平緩，坡降較小，水流流速相對(duì)較緩，曲率較大，形成了規(guī)模相對(duì)較大的點(diǎn)壩砂體；點(diǎn)壩18—31 由于受兩側(cè)丘陵限制，坡降較大，河寬較小，水流流速相對(duì)較急，曲率較小，形成了規(guī)模相對(duì)較小的點(diǎn)壩砂體。點(diǎn)壩砂體規(guī)模是曲流河儲(chǔ)層構(gòu)型研究的重要解剖對(duì)象，點(diǎn)壩砂體規(guī)模間的定量關(guān)系對(duì)地下曲流河點(diǎn)壩砂體規(guī)模定量表征具有重要作用。

黃河源區(qū)現(xiàn)代白河曲流段沉積單元與點(diǎn)壩砂體規(guī)模的影響因素多樣，本次研究是從坡降劃分探討沉積單元、從曲率劃分探討點(diǎn)壩砂體規(guī)模，未從氣候、河道深度、物源變化等因素進(jìn)行深入探討，可以考慮更多的因素加以深入佐證。

6 結(jié)論

（1）黃河源區(qū)現(xiàn)代白河坡降變大，河道寬度趨小，曲率越小，點(diǎn)壩砂體規(guī)模趨??；坡降變小，河道寬度趨大，曲率越大，點(diǎn)壩砂體規(guī)模相對(duì)較大。

（2）黃河源區(qū)白河流域點(diǎn)壩長(zhǎng)度、點(diǎn)壩寬度與河道寬度兩兩均成正相關(guān)關(guān)系，點(diǎn)壩寬度與河道寬度的相關(guān)性最強(qiáng)，點(diǎn)壩長(zhǎng)度比河道寬度對(duì)點(diǎn)壩寬度的影響小。按曲率劃分后，點(diǎn)壩長(zhǎng)度與河道寬度、點(diǎn)壩寬度與點(diǎn)壩長(zhǎng)度間的相關(guān)系數(shù)高于所有數(shù)據(jù)參數(shù)分析結(jié)果，且不同曲率條件下相關(guān)性差異較大，點(diǎn)壩的發(fā)育受河流彎曲程度的影響。