长江江苏段流域地貌系统及其优化决策问题

文章编号:1003-6474(1999)03-0172-04长江江苏段流域地貌系统及其优化决策问题宗开红 (江苏省地质调查研究院,江苏南京210018)摘要:结合长江流域江苏段进行流域地貌系统的分析介绍,运用现代流域地貌系统理论进行简要论述,提出本地长江流域地貌系统的优化决策问题,为长江流域地质灾害的治理、国民经济建设提供科学依据。

关键词:长江流域;江苏段;流域地貌系统;优化决策;江苏南京中图分类号:P512113;N945111 文献标识码:A 随着经济建设的持续、高速发展,长江流域江苏段的综合开发,势必要破坏地貌系统的平衡。

研究流域地貌系统的变化过程和变化结果具有重要的现实意义。

1　流域地貌系统的涵义流域地貌系统是指运用系统论的观点,通过对流域内各种地貌单元的空间结构、物质组成及其与自然环境、社会经济环境之间相互反馈的分析,揭示流域内各地貌单元及其相互之间的结构、功能、效应和演化规律,并从它的时空耦合、过程———反应、组织序变、集合效应、协同互补等方面反映流域内各种物质、能量流的综合平衡、空间结构的整体优化及功能特性的有效调控,由此而建立的一种综合性的地貌系统。

流域地貌系统是由地貌要素组成的,并具有一定的层次和结构。

111　系统是一个有结构的整体11111　流域地貌系统的结构　流域地貌系统的结构是指流域内各种地貌形态要素的有机组合(分水岭、山地、夷平面等),它不是单一的地貌形态,系统内各地貌单元的基本要素(物质组成、产状、理化性质)反映了流域地貌系统的基本特性。

11112　系统是有结构的整体　流域地貌系统以分水岭为周界,由面(坡面)和线(河道)两大形态要素组成。

鉴于坡面形态(尺寸、坡度)千变万化,构成了流域地貌的千资百态。

任何一个流域,只要具一定规模,其结构就不会杂乱无章。

如一个流域地貌总是包含有湖泊洼地、冲积平原、山间盆地、河流阶地与台地夷平面等具一定层次的地貌面,而湖泊洼地、冲积平原、丘陵台地往往为流域中下游的层次地貌。

而较高层次的山地和夷平面、山间盆地,一般为上游地区的主要地貌景观。

河道的几何形态也具有类似的特点,它由断面宽、深及底坡等形态要素所构成,其形态也是千差万别。

从局部河段来看,有悬崖壁立谷道,有低缓沙堤约束的宽浅河床,有的是荒滩间的水道;从河道平面形态看,有弯有直,有单股也有分叉;在河道的空间布局上,河流的上游多为山地基岩谷道,中游以平原冲积河道为主,而下游则多为三角洲分流河道。

由此可见,系统所具有的整体性都是建立在一定结构基础之上的。

仅有要素未必就成系统,当要素以某种方式相互联系、相互作用而形成整体结构时,才具备系统的整体性。

112　系统是一个具有特殊功能的整体系统的结构是使系统保持整体性,使系统的功能具有一定的整体功能的内在依据,是一个系统有别于另一个系统的重要标志,而系统功能是系统的外在表现。

因此,在人工优化地貌系统时,应从变革、调整结构入手,如采取生物措施和工程措施等,以确保系统功能的实现。

113　系统组成的多元性系统由不同部分、不同层次的众多要素构成,并各自自成系统,其时空尺度较小,分别隶属于比其更高一层次的系统,称之子系统。

从流域地貌内部结构来看,河网与流域地面分属于更高流域的子系统,其中河网又可按河系级别划分,直至分级到每个细 收稿日期:1998-10-27;修订日期:1999-06-04;编辑:李卉江苏地质,23(3),172—175,1999 小的河段;流域地面,基于其多层次结构和各部分空间布局的差异,其系统的多元性是不言而喻的。

从流域系统的多元性及其功能来看,一个流域又有上游、中游、下游之分。

而本文所及的长江流域江苏段即是长江流域的一个子系统,富流域输水、输沙到流域水、沙扩散及滞留系统,因此,形成众多三角洲系统。

流域地貌系统内存在着地貌系统、生态系统等自然系统,又存在着土地结构布局系统、地表工程系统、灾害防范系统等在内的人文景观系统及流域开发人文智能决策系统。

鉴于流域经济开发的加剧,资源、环境等问题日渐突出,愈来愈迫切地要求将自然系统和人文景观系统统一起来,加以优化决策,充分发挥整体功能,进一步促进流域经济的增长。

2　流域地貌系统的基本特性众所周知,地貌景观属于一种“开放性系统”,它与系统以外的环境不断有物质和能量的交换,在交换过程中,系统内的物质运动状态、能量的分配及各部分之间的结构不断发生调整,使得各个层次、各个部分、各个要素之间趋于协调,使系统从原来的无序状态转变为有序的稳定结构状态,以使整个系统对来自外界环境的物质、能量输出逐渐适应,达到输出逐渐趋于稳定的目的。

任何一个流域,它总是一方面从大气和流壳中不断地将水和泥沙送往大海(图1)。

图1　流域地貌系统与其外围环境之间物质交换示意图[2] 由于输入量与输出量的差异,流域表面会有一定数量的冲淤变化。

因此,流域地貌无时无刻不处在变形和发展的状态中,但在另一方面,地貌在侵蚀与堆积的调整作用下,朝着使变形停止或消失的方向发展。

于是,地表形态结果经长期调整,从无序走向有序。

流域地貌系统的基本特性如下。

211　系统结构的有序性与稳定性系统通过自我组织、自我调整作用使各子系统协同作用,使其结构稳定有序,最终使进入系统各个部分的泥沙量等于出沙量,系统能够维持动态平衡,它包括输沙平衡和系统内各个层次、各个部分、各个要素之间的和谐一致。

同时,系统的自我调整的最终结果不仅要满足平衡的要求,而且还要使系统内部的能量呈均匀分配,以及达到平衡时所需的耗能最低。

通过对流域地貌系统在物质与能量交换过程中建立起来的稳定有序形态结构的认识,就可根据再现自然的原则,提出优化流域人工系统治理河流,建立人工河系等具体措施。

212　系统具有突变性事物发展由量变到质变,河流的发育由于冲刷、堆积,致使河床两侧摆动,河床的稳定性逐渐加大,最后达到某一界限,弯道将由渐变转化为突变,发生自然裁直。

地貌景观某一部分的发展总是由渐变到突变的过程,这有一个界限的问题,同时这个界限的突破亦与其发育的外部因素(营造地貌内动力、地壳运动等)有着密切联系。

213　系统时空演变过程中的状态具有差异性流域地貌系统内部泥沙输出、输入达到一定的平衡,人工改造后失去了它的平衡状态,但经过一段时间的改变,它将会达到新的平衡。

总之,任何一个流域地貌系统永远处于动态变化之中,往往从突变开始,经长期渐变而发生突变,由此循环往复地向前发展。

3　流域地貌系统的优化决策问题311　流域地貌系统优化的含义随着流域地貌综合开发的日益加强,原有的相对平衡的地貌系统遭到破坏,从而改变地貌发生、发育、稳定过程的性质,而这种变化又必然反馈到经济建设上来。

因此,必须要优化流域的人文地貌系统。

371第3期 宗开红　长江江苏段流域地貌系统及其优化决策问题所谓优化,就是要求系统内整体与部分之间或主系统与子系统之间协调有序、和谐运转,使系统具有稳定的结构和很强的适应环境的功能;同时,要求系统的外环境起积极的推动作用,促进环境与系统之间取得协调,进而使环境向人们所期望的方向发展,为人工优化流域地貌系统提供决策依据。

312　实现流域地貌系统优化的目的流域地貌系统优化的最终目的就是使流域地貌系统能够把一定的输入变成最优的输出,达到最佳的社会效益、经济效益和生态效益。

313　实现流域地貌系统优化决策的方法为了使流域地貌系统达到最优的目的,要从系统论与控制论的角度出发,充分认识流域地貌系统及其结构,研究系统内各地貌单元的形态结构及其物质组成与自然环境、社会经济环境之间的反馈作用机制,揭示其结构、功能及其演化规律,才能从改变系统的结构、功能入手,对地貌条件、地表资源及地貌过程进行合理的匹配、开发与控制。

流域地貌系统的基本特征主要是由其结构分布层次的有序性体现出来。

从空间结构上分,陆地与海洋为第一级地貌区划;具有地带性的气候为第二级地貌区划;而象长江流域、黄河流域、汉江流域则隶属第三或第四级地貌结构。

从时空上分,地貌系统包含有旋回、均夷、平衡及稳定等状态。

从功能上分,地貌系统由若干部分组成,一个流域往往总是由产水产沙的集水域、输水输沙的河网,以及控制水沙扩散与滞留的三角洲等部分构成,它们均属于主系统的子系统。

因此,在考虑地貌系统的优化时,首先要求各子系统最优,通过彼此联系协调、全面规划,使各子系统为实现整体目标发挥适当作用,才能控制系统整体目标与整体效应的最优化。

当然,对于流域地貌的优化决策,并不是都为人们所认识的。

目前,我们大多经济建设部门往往强调局部利益,对整体可能出现的问题估计不足,从而带来严重后果。

比如:在流域的上游,由于陡坡开采、水分的涵养能力下降,泾流向两极分化,一方面使流域中下游洪、旱灾害更为严峻,另一方面表土流失加剧,不仅使河流泥沙增加,而且使土肥减弱,影响上游农业发展。

流域的综合开发治理,首先必须掌握其空间结构及其在自然条件下的时空演变的规律性,这是流域地貌系统研究的科学内容,同时赋予了流域地貌系统优化应用的广泛前景。

4　长江流域江苏段地貌系统的优化长江流域江苏段位于长江流域的下游,组成了长江下游三角洲,全长360余km,流域总地势西高东低。

411　流域平面形态及气候特征该段流域平面形态弯弯曲曲,南京向西走向近SW向,南京—镇江走向近EW向。

江心洲发育,主要有八卦洲、扬中市、沙洲北的长青沙、崇明岛、长兴岛等,它们均是全新世时期江沙堆积形成的江心洲。

该段全流域北以淮阴—滨海一线为界,南部以宁镇山脉、茅山山脉、苏锡一带为界,均属长江流域范畴。

流域以广泛的平原地貌为主,局部有少量的低山丘陵分布;主要河流大运河,横穿流域南北;主要湖泊有高邮湖、太湖、　湖、长荡湖、阳澄湖等。

本段流域处于亚热带向暖温带过渡性气候带,具有明显的季风气候特征,全年四季分明,春夏之交多梅雨,夏秋季多台风,春冬两季雨量适中,年降水量自南而北递减。

412　流域地貌灾变现象严重天然河流三角洲,为了分泄上游来水,形成众多分流河道,当泥沙在自然状态的淤积过程中河槽难免淤塞,决口改道时有发生,变化纷繁。

人们为了开发三角洲资源,一方面修建堤坝,固定河势,力图将动态多变的天然河网结构加以控制,使其处在长期稳定的状态中;另一方面为了局部利益,盲目堵塞分流,致使上游洪水无法及时排泄,宣泄能力愈来愈小,洪水灾变时有发生。

同时本区因建设需要,水土流失亦显得日益加剧。

如:1991年,江苏省遭受了百年一遇的大洪水灾害,损失之严重,举世震惊。

水灾发生的主要地貌类型为山地河谷与平原洼地,尤以长江三角洲两侧特别严重。

其水灾的形成是与气候变化、地貌形态特征、生物防范及工程措施诸因素密切相关的,流域内各子系统积水排曳不畅是形成此次水灾的主要机理。

1998年发生于长江整体流域的百年未遇的长时间的洪水灾害,虽然江苏段长江流域在吸取1991年洪灾教训的基础上,对长江两岸进行了人工护岸工程,未发生大的垮堤,但在长江两岸各子系统仍是小的险情不断。