牛轭湖形成机理与长期演变规律.pdf

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1、泥沙研究2012年10月JournalofSedimentResearch第5期牛轭湖形成机理与长期演变规律李志威，王兆印，潘保柱2(1．清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084；2．长江科学院，湖北武汉430010)摘要：牛轭湖是弯曲河流自然裁弯后遗留下来的浅水湖泊，其形态、数量和沉积特征可指示弯曲河道演变规律和冲积平原的洪水频率与环境变迁。通过牛轭湖形态定义和简化，运用一维水流泥沙数学模型描述了裁弯后原河道进口段的悬移质淤积过程，数值模拟表明，原河道进口断面悬移质浓度和沙栓长度是决定牛轭湖形成速率的关键因素，沙栓长度越短或悬移质浓度越高，进口段淤积速

2、率越快。牛轭湖出口段淤积的主要原因是新河道的挟沙水流流速和浓度均高于原河道，主流倒灌形成环流进入相对低流速的出口段中产生悬移质淤积。统计分析10条自由弯曲河流的1329个牛轭湖的卫星图像，认为n型、U型和月牙型对牛轭湖形态具有广泛的概括性，可指示牛轭湖3个不同的演变阶段(初期、中期和晚期)。牛轭湖存在两种不同演变过程，第一种是牛轭湖不受新河道影响，经历n型、U型、月牙型三个阶段后变成冲积平原的陆地；第二种是新河道朝着牛轭湖方向横向演变，凸岸冲刷蚀退逐步蚕食牛轭湖，使得牛轭湖变成冲积平原和弯曲河道的一部分。关键词：弯曲河流；牛轭湖；自然裁弯；悬移质；淤积；长期演变中图分类号：T

3、V147文献标识码：A文章编号：0468—155X(2012)05-0016—10牛轭湖是弯曲河流发生自然裁弯后的遗留河道，原河道的进、出口发生泥沙淤积，经历若干年后变成封闭的浅水湖泊。牛轭湖是发育弯曲河流常见河流地貌景观，如长江中游下荆江河段、黄河源支流(白河、黑河和泽曲等)、西伯利亚的冲积平原、北美冲积平原和亚马孙河流域等。处在冲积平原的牛轭湖形态和数量不仅反映了弯曲河流河道演变速率和裁弯频率，而且它的沉积体系记录了沉积过程与年龄、洪水频率和古环境重建。，更重要的是牛轭湖体现了其形态特征和演变规律”。弯曲河流长期演变以面形态蜿蜒和自然裁弯的交替进行，裁弯可以显著地降低河道

4、弯曲度和形态复杂性，在弯曲河流形态动力过程中占据着重要位置。弯曲河流自然裁弯包括颈口裁弯(neckcutoff)和斜槽裁弯(chutecutoff)两种主要方式，颈口裁弯是弯曲河流发展到弯曲度达到极限且平面形态为n型，是形成牛轭湖的主要形式¨，而斜槽裁弯是在河湾弯曲度达到相当大但尚未形成明显颈口，洪水在河湾内侧发生漫滩冲刷形成新河槽，新旧河槽可以长期共存，形成牛轭湖需要更长时间，有时甚至不会形成牛轭湖。Weihaupt较系统的统计研究美国阿拉斯加州YukonRiver的817个牛轭湖形态定义和分类，首次根据形态复杂性将牛轭湖分为简单型、复合型和复杂型，同时根据闭合度将其分为开

5、放型、正常型和封闭型。Constantine等运用GoogleEarth卫星图像，统计分析了30条大的弯曲河流的911个牛轭湖的形态统计特征及自然裁弯对牛轭湖产生率的控制作用。以上两个研究已大范围和较全面地调查统计牛轭湖形态特征，但并未分析牛轭湖形成过程和长期演变规律。牛轭湖作为封闭或半封闭的浅水湖泊，是一类独特的滨河湿地生物栖息地¨，其水环境和水生生物H近年日益受到研究者关注。牛轭湖形成初期，进、出口河道将长期经受泥沙淤积，目前通过沉积学和年代学方法研究牛轭湖内泥沙沉积物，来反演历史时期弯曲河流演变、裁弯时间’、洪水收稿日期：2012-06-27基金项目：科技部国际科技合作

6、计划资助(2011DFA20820，2011DFG93160)；清华大学自主科研课题(20121080027)作者简介：李志威(1984一)，男，湖北云梦人，博士生，主要从事弯曲河流动力学研究。E-mail：lizhiweili@mails·tsinghua·edu-cn16频率和河道泥沙概算心¨等取得一系列研究进展。可见，前人研究工作主要是从几何形态、水生态学和沉积学三个方面研究牛轭湖，对于牛轭湖的形成和演变只有少量定性描述，缺乏运用河流动力学的理论分析，以至牛轭湖的形成机理和长期演变规律未得到清晰揭示。本文以颈口裁弯作为牛轭湖形成的起点，通过牛轭湖形态的定义与简化，运用一

7、维泥沙悬移质数学模型描述和定量分析裁弯后原河道进口段泥沙淤积过程，以及通过野外调查分析出口段淤积的主要原因。由于长期观测某些牛轭湖的演变过程较困难，统计分析10条代表性弯曲河流的大量牛轭湖形态特征，以3种典型形态作为其演变阶段的指示，进而深入分析牛轭湖的长期演变规律。1牛轭湖形成机理1．1形态参数定义由于颈口裁弯是牛轭湖形成的主要方式，故本研究只探讨颈口裁弯形成的牛轭湖。牛轭湖是弯曲河流颈口裁弯的必然结果，其形成过程是早期进、出口泥沙淤积，中期洪水漫过进、出口段，原河道内自然填充，最终因新河道迁移或进、