大坝间河段支流-干流沉积关联研究：来自低海拔高梯度森林溪流（捷克-奥地利迪耶河）的启示

本文推荐一项关于迪耶河（Dyje River）大坝间河段支流-干流沉积连通性的研究。作者结合河谷限制指数（VCI）和有效集水区面积（ECA）两种连通性指标，通过实地调查活跃沉积源（ASS），揭示了30个支流流域对干流粗颗粒沉积物供给的关键作用。研究发现，尽管支流的结构连通性高且ASS丰富，但由于沉积物输入量低、大型木质残体（LW）的阻滞效应、人为障碍（池塘）造成的流域脱节以及强径流事件稀少，导致支流-干流沉积传输效率低下。这项研究为理解破碎化河流系统中沉积物运移机制提供了重要见解，对河流修复与管理具有实践意义。

　　

研究背景与目的

河流流域是地球化学系统，其河道网络负责将水、溶质、矿物沉积物和有机质从源区传输至流域出口。沉积物运移是一个间歇性过程，被称为“颠簸的传送带”。连通性（connectivity）概念被越来越多地用作解释河流流域物质通量时空变异的概念框架。聚焦于沉积物传输，“沉积级联”（sediment cascade）概念描述了流域内从源到汇的沉积物传输过程。在人类-自然复合系统中，沉积物传输受到自然和人为特征的双重调节，这些特征破坏了横向和纵向连通性，进而影响河流流域的沉积物产率。近年来，沉积物连通性概念也引起了学术界以外河流管理机构的关注，他们寻求专家知情的解决方案来应对如沉积物匮乏（饥饿水体）或过度沉积（城市河流中的沉积物堵塞）等管理问题。沉积物可用性是旨在改善河流结构和功能状态的河流修复项目的关键先决条件之一。然而，由人类活动引起的沉积物匮乏对河道稳定性和物理栖息地的不利影响已在不同规模的河流中得到描述。大坝或堰等断开连接的人为结构的负面影响传播可能通过支流的水和沉积物供应得到缓解。在破碎的河道网络中，即使是小的支流流域也可能在向干流供应沉积物方面发挥关键作用。然而，只有沉积学上显著的支流才能对被人为障碍分割的河流的沉积物预算做出贡献。源-汇连通性决定了一个支流是沉积学（或地貌学）上显著还是不显著的。在这方面，仍然需要更好地理解支流-干流联系以及支流流域中源-汇沉积物连通性的控制因素。

本研究旨在探讨迪耶河（捷克-奥地利边境）一段42.5公里长的坝间河段中支流的沉积物输送潜力。该河段上游流域被大坝断开后，粗颗粒沉积物供应完全依赖于坡面-河道耦合及支流流域的物质输入。由于缺乏支流的水文/沉积物排放监测数据，本研究应用并测试了地貌学工具来评估河道网络中的沉积联系。本研究的总体现念是探讨由高梯度河流排水的小流域沉积级联中粗颗粒沉积物连通性的条件。与许多来自相对未受人类干预影响的高山地区的研究不同，我们考察了中欧低海拔地区（约250–400米海拔）的河流，这些地区的沉积物传输过程动态较低，且人类干预在河流系统中扮演重要角色。我们结合了基于GIS的地貌形态分析和实地调查，以解决以下问题：(1) 流域地貌形态如何影响支流流域的沉积物输送潜力？(2) 在具有大量森林覆盖的低海拔景观中，活跃沉积源的特征（类型、频率）是什么？(3) 支流是否向汇流区供应沉积物，哪些因素可能调节沉积物输送？

研究区域与方法

研究区域为迪耶河（Thaya）的坝间河段，该河段是破碎化河流系统的一个例子，其上游流域（波希米亚地块高地）与下游流域（喀尔巴阡前渊低地）被两个相距42.5公里的大型水坝断开。研究的坝间河段位于Vranov大坝（河流公里175.41，流域面积2212平方公里）和Znojmo大坝（河流公里132.73，流域面积2464公里）之间，沿着捷克-奥地利边境，位于Podyjí和Thayatal国家公园内。虽然河道形态的直接人为修改在空间上受限（例如，横剖面改变、护岸加固、堰），但该河段的水文情势高度受Vranov和Znojmo大坝的控制。用于发电的水力调峰是最显著的改变，日流量波动为1.5–20立方米/秒；河段起点的Vranov-Hamry水文站的年平均流量为9.74立方米/秒。此外，河谷底部被水库回水淹没，最远可达下游Znojmo大坝上游5.5公里处。

迪耶河是一条受限的砾石到巨石河床河流，流经一个以狭窄的V形横剖面、下切曲流和不连续洪泛区为特征的山谷。山谷局部深达230米，切入元古代和古生代的结晶变质岩和侵入岩（正片麻岩、云母片岩、花岗岩）。河道具有稳定的平坦河床形态，侧向侵蚀迹象可忽略不计。由于纵向床沙输入被上游的Vranov大坝阻断，河段内的侧向沉积源——坡面-河道耦合和支流——可能在河段的沉积物预算中扮演重要角色。最大支流（即Fugnitz流域）耕地侵蚀产生的细颗粒沉积物输入被认为是Hardegg市下游水和沉积物质量的潜在威胁。

总共有30条支流（间歇性和常流性）在坝间河段汇入迪耶河。这些支流流域的面积从小于0.5平方公里到超过135平方公里不等。支流的纵剖面呈凸形或直线形，部分具有陡峭的坡度转折点（裂点）；平均河道坡度介于1.5%至27%之间（中位值为8.9%）。阶梯-深潭和平坦河床河道主要是直的，在上游坡度较低的地方局部出现弯曲形态。这些河流的上游河段延伸到迪耶河谷边缘后面 gently rolling 的景观中，而陡峭的下游河段流经切入迪耶河谷山坡的V形山谷。结晶基岩上覆盖着更新世风成黄土和全新世富含碎屑的坡面沉积物，并在支流流域上游部分零星出现中新世海相钙质粘土和粉砂。流域上游和下游部分之间的形态差异也反映在它们的土地利用上：流域上游部分通常有耕地和定居点，而下游部分则有连续的森林覆盖。由于研究依赖于实地调查，并非所有30条支流都进行了调查（由于时间限制），但通过分层随机抽样选择了其中15条进行详细分析。首先，根据该地区的三个岩性单元（正片麻岩、片岩和 erlan、花岗岩）对支流流域进行分组。接着，从每个岩性单元中选择代表流域面积和平均河道坡度变异性的支流。最大的Fugnitz流域（137.7平方公里）因其地貌形态属性、土地利用和沉积物输出特征明显不同于其他河流而被排除在分析之外。

研究方法包括DEM分析、实地调查、统计分析和河道水力学计算。使用ArcGIS 10.8软件，利用捷克和奥地利的LiDAR数字高程模型（DEM）计算支流流域的地貌形态参数。使用两个参数，河谷限制度（VCI）和有效集水区面积（ECAs），来评估支流与坡面上沉积物贡献区的横向连通性。根据Fryirs等人的建议，根据河道与河谷边缘对齐的相对长度确定了河谷限制度等级。首先，将支流流域的主干划分为相同长度100米的段。然后，确定段内与河谷坡相邻的河道长度的比例，并使用结果值构建河谷限制度图。将受限、部分受限和非受限等级分别定义为> 90%、10%–90%和< 10%的河道长度与河谷边缘相接。Fryirs等人将ECAs定义为与河道相邻、连续陡于特定阈值坡度的坡段。先前研究已证明使用从2°到25°不等的各种阈值坡度值是有用的。选择了比通常用于横向连通性研究的值更大的坡度阈值（即5°、15°、25°）进行分析。选择这些阈值值是为了更好地代表所研究支流流域内的坡度频率分布，这些流域主要以陡峭的河谷坡为特征，甚至超过25°。避免了常用的2°阈值，因为在具有高梯度河流且大部分为不连续洪泛区的森林流域中，它会产生不切实际的大ECA。

ECA delineation分两步进行。在准备阶段，使用ArcGIS 10.8中的ArcHydro工具箱校正原始DEM中的洼地和峰值以获得正确的流向，即创建了水文条件化的DEM。生成坡度图，并将1米缓冲区图层与河流网络对齐，该网络转换为折线图层并转换为相距1米的点。在计算阶段，根据选定的5°、15°和25°阈值修改坡度图。新的坡度图仅包含值高于给定阈值的栅格位置。将条件化的DEM图层按新的坡度图层裁剪，并为裁剪后的DEM计算流向。最终，计算ECAs，将流向图层作为输入，将从缓冲区创建的点图层作为特征倾泻点数据。将呈现ECA的最终栅格图层转换为多边形图层。计算了与支流流域主干相连的ECA所占流域面积的相对比例。

沉积源区沿着15个支流流域的主干在2022年夏季和秋季进行了测绘。实地调查仅限于支流流域的主干。主干被指定为具有常流水的那一条，在捷克共和国1:10,000基本地形图上以蓝线描绘。在有限数量的支流流域（Lukovsky和Ma?ovicky溪流）中，还测绘了选定的侧支，以获取河道网络内沉积源频率和类型的更完整信息。然而，为了保持同质性，仅使用主干的数据进行统计分析和支流流域比较。仅记录了功能上连接的沉积源区，即与河流河道接触的活跃沉积源。首先，区分了冲积和非冲积（山坡）沉积源。然后，根据向河道输送物质的地貌过程对沉积源进行进一步分类，即河流侵蚀、块体运动和生物扰动（树木拔根）。记录了每个沉积源的空间位置、尺寸和物质粒度，并使用手持GNSS接收器。测量了沉积源长度（垂直于河道的方向）和宽度（沿河道的方向）的三个尺寸等级（<1米、1-5米、>5米）和（<5米、5-10米、>10米）。目测估计了四种物质粒度类别：细粒（粘土、粉砂和沙粒含量可变的混合物）、砂质砾石、卵石和巨石，以及异质混合物（细粒到巨石）。然后将野外观察与ECA的空间模式进行比较。

在支流流域中识别并测绘了两种增强河道网络中沉积物滞留的障碍物——人工结构和大型木质残体。测绘了横穿支流河道或整个河谷底部的人工结构，包括池塘坝、拦沙坝和带有涵管的道路交叉口。然后，计算了被河谷闭合坝断开的流域的相对比例。关于大型木质残体，河道内位置、尺寸和聚集成较大堆积体的程度是影响其沉积物储存潜力的变量。在本研究中，直径至少10厘米、长度1米的 pieces 被视为大型木质残体。确定了所有LW沉积的空间分布、类型和堵塞率。关于LW类型，首先区分了单个 pieces 和木料堵塞堆。堵塞堆被定义为三个或更多接触 pieces 的集群。接着，根据河道内位置对LW沉积进行分类，遵循Keller和Swanson以及Nakamura和Swanson和Abbe和Montgomery描述的配置。堵塞率，即LW pieces obstructed 的河道横截面面积比例，通过目测估计。

使用Poeppl等人建议的指数，即LW断开连通性指数（ID_LW）和LW沉积物滞留潜力指数（IR_LW），表达了LW对沉积物从源向汇流区传输的抑制效应。对于感兴趣的河流，ID_LW定义为LW引起的河道堵塞程度，表示为被LW obstructed 的河道横截面面积比例，与河流长度相关。IR_LW定义为LW沉积物滞留潜力（RP_LW）之和与河流长度相关。RP_LW参数获取标称值0、1、2和3，分别表示无、低、中、高沉积物滞留潜力，取决于LW与河床的接触和LW类型。

根据Best和Rhoads的建议，对支流在汇流区最近的沉积显示进行了实地调查。这里，我们将汇流区定义为包括：(a) 支流从进入迪耶河谷底部到其汇入迪耶河道之间的河段（特征在于支流坡度下降）；(b) 迪耶河道从支流河口到下游五倍河道宽度距离的河段。记录了汇流区内的河道内和漫滩沉积特征（例如，支流扇、漫滩沉积薄层、汇流坝），以评估支流最近的沉积物输送。

使用Statistica 14 by Tibco Software进行统计计算。进行相关分析以分析ASS频率与MRN和河道坡度的关系。所有三个变量根据Shapiro-Wilk检验显示正态分布，并使用Pearson相关系数检验变量之间的依赖性。使用回归分析检查了VCI的受限类别与ECA范围之间的关系，以及流域面积与ECA范围之间的关系。Shapiro-Wilk检验显示VCI受限类别、ECA5和ECA15变量呈正态分布。然而，流域面积和ECA25显示非正态分布；因此，对它们进行对数转换以标准化数据。使用方差分析（ANOVA）比较非受限、部分受限和受限河段中的ASS频率。同样，用它来比较连接到具有不同阈值坡度的ECA的河段中的ASS频率。使用Shapiro-Wilk和Levene检验测试支流河流100米长河道段中ASS频率的数据集，以验证数据的正态性和方差齐性。数据集显示等方差和非正态频率分布；因此，使用非参数Kruskal-Wallis ANOVA进行分析。所有进行的检验均使用0.05的显著性水平。

由于迪耶坝间河段内的所有支流都是未测流的，没有关于其水文情势和能够输送床沙的流量的重现间隔的信息。为了至少提供启动床沙输送所需流量的近似值，选择了St?íbrny、Ma?ovicky和Klaper?v溪流进行水力学计算。选择这三条溪流是为了代表流域面积、河道坡度和河床粒度范围。必要的输入变量——河床沉积物粒度、曼宁糙率系数、河道坡度、河谷底部横剖面——在紧邻与迪耶河汇流区上游的100米长河道段中确定。通过统计100颗碎石的颗粒来确定沉积物粒度（b轴）。根据Cowan（1956）的指南分别确定河道和洪泛区断面河谷底部横剖面的曼宁糙率系数。在100米河道段中间测量了河谷底部横剖面。首先，使用公式计算临界希尔兹参数：θ_c = aS^b，其中S是河道坡度（米/米），系数a和指数b的值分别使用0.15和0.275，遵循Recking（2013）的建议。其次，然后使用临界希尔兹参数根据公式计算启动代表性颗粒（本例中为D₈₄）输送所需的临界剪切应力：τ_c = θ_c(ρ_s - ρ_w)gD₈₄，其中ρ_s和ρ_w分别是沉积物（2650千克/立方米）和水（1000千克/立方米）的密度，g是重力加速度（9.81米/秒²）。第三，使用公式计算水力半径（R）作为临界水流深度的替代度量：R = τ_c / (γS)，其中γ是水的容重（牛/立方米），R是水力半径（米）。第四，了解临界水流深度和河谷底部横剖面后，就可以确定临界水流的横截面积（A）。最终，使用曼宁公式计算临界流量（Q_c）：Q_c = (1/n) A R^2/3 S^1/2，其中n是曼宁糙率系数，A是临界水流的横截面积（平方米）。

研究结果

支流流域的产沙潜力

支流流域的地貌形态和结构连通性指数：Melton崎岖度指数（MRN）范围从0.045到0.413（平均0.158），而支流的平均河道坡度在2.7%到26.8%之间变化（平均10.8%）。单位河道长度的活跃沉积源平均数量随着MRN的增加而增加；然而，相关性不显著（r = 0.49, p = 0.07）。同样，沉积源平均数量随着平均河道坡度的增加而增加，但与MRN一样，关系在统计上不显著（r = 0.31, p = 0.25）。

为15个支流流域的主干确定了三个河谷限制等级——受限、部分受限和非受限。除了Ochsengraben、无名#27和Pivovarsky溪流（缺少非受限类别）以及Klaper?v溪流（缺少受限类别）外，大多数流域都存在所有三个限制等级。根据相对比例，受限类别是最广泛的（在10个流域中），其次是部分受限（4个）和非受限（1个）。受限类别的相对比例在0%到75%之间变化（中位值48.2%），部分受限在18.2%到60%之间（中位值35%），非受限在0%到47.5%之间（中位值11%）。与通常向下游增加的河道坡度（凸形纵剖面）一致，受限河谷环境主要盛行于河流的下游段。值得注意的例外是Lukovsky和无名#7溪流，具有长的非受限下游段，以及Klaper?v溪流，其中缺少受限河谷段。

为三个坡度阈值：5°、15°和25°计算了与主干相连的有效集水区面积。5° ECA的范围在5.3到54公顷之间变化（中位值24.4公顷），这意味着流域面积的1.6%到28%（中位值12.3%）与流域的主干相连。根据15°坡度阈值，与主干相连的流域面积范围从2.2到17.1公顷（中位值7公顷）或0.2%到10.1%（中位值3.5%）。最严格的阈值25°提供了最小的连通面积，0.3到4.6公顷（中位值1.8公顷）或0.1%到2.8%（中位值0.6%）。大多数河流的ECA沿整个河流长度具有 somewhat regular 的空间分布，除了?lebsky和Hájsky支流，其ECA聚集在河口附近。

计算了VCI指数“受限”类别的相对比例与ECA相对范围之间的关系。检查两个指数之间的依赖性显示ECA面积与受限类别比例之间存在正相关关系；然而，只有与ECA15和ECA25的关系具有统计显著性（ECA15 = 0.0964VCI ?0.4969, R2 = 0.50, p = 0.0006; ECA25 = 0.0964VCI—0.4969, R2 = 0.53, p = 0.0020）。数据还表明流域面积与以ECA为代表的横向连通性程度之间存在反比关系，即，直接与河流河道相连的河谷坡面积范围在较大的流域中较小。唯一显著的关系发现于ECA15（ECA15 = ?19466A + 55,169, R2 = 0.52, p = 0.0025）。

活跃沉积源：调查的支流流域在其主干沿线显示出高度多样性和丰富的活跃沉积源类型。最近，沉积物通过河流、块体运动和生物过程从冲积和非冲积源中动员起来。总共在15条调查的河流中识别出1461个独立的ASS， resulting mean ASS密度为每100米河道长度4.3个。在单个河流内部和之间发现了高度变异性；在单个100米河道段中，ASS的数量范围从0到24，而在存在ASS的河道段中，平均ASS密度在河流之间变化范围在每100米2.1到10.5之间。

面积较小、面积在5到10平方米的沉积源占主导地位。一个例外是Ma?ovicky溪谷下游段的一个复杂斜坡变形，包括四个独立的滑坡，影响了700米的河道长度。大多数ASS向河道供应异质混合物材料（细颗粒到巨石）（55%），其次是细粒材料（38%）和粗粒材料（卵石到巨石）（7%）。

河流侵蚀是最重要的过程，从冲积河谷填充物、崩积沉积物和风化基岩中释放沉积物质。这类最常见的ASS是河岸切割和河床下切（由局部河道过深和裂点指示）改造冲积河谷填充物。其他广泛的过程是通过被拔起的树木使崩积和冲积物质脱落，以及河流侵蚀崩积沉积物。这些河流和生物过程在所有调查的流域中都很普遍，而其他类型的ASS则更具流域特异性。例如，通过垂直侵蚀暴露的风化基岩露头供应粗粒碎屑，是具有高河谷限制度的河流的特征（例如，St?íbrny、Lukovsky和无名#23溪流）。块体运动过程主要以浅层平移滑坡和具有土壤或粗碎屑强烈蠕变的陡坡段为代表。局部记录了来自腐烂河道控制结构的人为物质输入（例如，?lebsky、无名#23溪流）。ASS类型及其相对出现频率如图所示。

关于ASS沿单个河流的空间分布，一些河流沿其河道显示出相对规则的ASS模式（例如，Ochsengraben），而其他河流在上游（例如，Lukovsky溪流）、中游（例如，无名#7）或下游段（例如，无名#5）具有较高的ASS频率。

我们分析了ASS沿支流相对于河谷限制类别和ECA的空间分布。Kruskal-Wallis ANOVA显示，非受限、部分受限和受限类别之间存在显著差异，无论是对于所有ASS（即河道内和山坡源）还是山坡ASS。在这两种情况下，100米河道段中的平均ASS频率随着河谷坡对河道限制程度的增加而逐渐增加（所有ASS为1.4、2.1、3.2；山坡ASS为0.2、0.6、1.5）。

检测到ASS频率与ECA之间有些类似的模式；连接到具有较高阈值坡度的ECA的河道段中ASS频率更高。所有ASS的平均频率为1.2、1.9、2.5和3.2，山坡ASS的平均频率为0.1、0.4、1.0和1.6，分别对应没有ECA、ECA5、ECA15和ECA25的河道段。关于所有ASS，Kruskal-Wallis ANOVA显示没有ECA的河道段与连接到ECA的河道段之间存在显著差异；然而，只有ECA5和ECA25差异显著。当仅关注山坡ASS时，发现具有所有三个阈值坡度的ECA之间存在显著差异。

支流流域中的沉积物输运障碍

人工障碍：池塘坝是影响支流流域纵向沉积物连通性的最重要人工障碍。未记录到拦沙坝，而具有显著影响的带涵管的道路交叉口（涵管堵塞上游沉积）仅出现较少。10个（33.3%）流域中存在池塘，拦截其主干或支流。一个流域内的池塘数量在2到9个之间变化；最大数量的池塘建在最大的Fugnitz溪流域。被池塘断开的相对面积在相应流域中介于10.3%和76.4%之间，中位值为44.7%。受影响最严重的是Ma?ovicky溪流，其中池塘将平坦分水岭的上游流域与下游深切部分断开。其他三个流域（Junácky、Kajabach、?lebsky溪流）有> 50%的流域面积被池塘断开。所有支流总流域面积的相当大比例（55.189平方公里，24%）被池塘与主河断开。

大型木质残体：森林河段的LW储存量很高，显示出多样的LW类型。总共在15条调查的河流中记录了2418个独立的LW障碍物， resulting mean LW密度为每100米河道长度7个实例。在单个河流内部和之间发现了高度变异性；在单个100米河道段中，LW pieces 的数量范围从0到47，而在存在LW的河道段中，平均LW密度在河流之间变化范围在每100米3.3到13.5个 pieces 之间。除了Ma?ovicky溪流具有长的缺少LW的河道段外，调查的河流沿其整个长度都有LW出现，空间密度变化很大。

单个LW障碍物在阻挡下游沉积物输运的能力上差异很大。横跨河道但不与河床接触的LW类型对物质传输的影响最小。这些类型占记录的LW pieces 的23.6%，而具有某些沉积物滞留和/或输运速率影响的LW pieces 占主导地位（76.4%）。具体来说，桥梁（22.5%）和 underflow jams（1.1%）代表具有低沉积物滞留潜力的LW类型。对沉积物捕获最深远的影响归因于接触河底的跨河道LW类型：dam jams（5.5%）和 log steps（9.4%）。对沉积物负荷更易通过但仍影响沉积物输运的是 partial dam jams（4.1%）、partial log steps（23.7%）和 collapsed bridges（4.2%）。具有高沉积物滞留潜力且在研究河流中出现频率高的三种LW类型是 dam jams、log steps 和 partial log steps；这些LW类型的平均密度为每100米河道长度2.7个实例。ramps也可能影响沉积物输运速率，这是所有调查河流中丰富的LW类型（28.9%）。Deflector jams（0.4%）、bar top jams（0.04%）和 stumps（0.1%）是有效的LW类型；然而，在研究河流中出现较少。

使用LW引起的河道堵塞指数（ID_LW）和LW沉积物滞留潜力指数（IR_LW）来表达LW对沉积物向汇流区输送的潜在影响。所有类型LW障碍物 obstructed 的横截面积比例（A_LW）在所有LW类型中介于5%和100%之间波动（单个河流的中位值在10%到65%之间）。关于仅具有最高沉积物滞留潜力的LW类型，dam jams（n = 132）的A_LW范围从40%到100%（单个河流的中位值70%到90%），partial dam jams（n = 100）范围从25%到85%（中位值25%到75%），log steps（n = 228）10%到95%（中位值40%到75%），以及 partial log steps（n = 573）5%到90%（中位值25%到75%）。研究河流中遇到的LW类型和密度产生的ID_LW值介于0.92和2.77之间，IR_LW值介于0.03和0.17之间。

支流-干流汇流区：迪耶河谷底部的地貌历史（侵蚀和加积阶段的交替）为发展特定的支流-干流关系创建了基本形态框架（不连续的洪泛区与局部低阶地对齐）。识别了以下汇流区配置：(a) 直接进入迪耶河道的河流（11例），(b) 通过