黄河流域泥沙输移比与流域面积的关系

黄河流域泥沙输移比与流域面积的关系黄河流域泥沙输移比与流域面积的关系 吴傲吴傲 李天宏李天宏 韩鹏韩鹏 摘要 流域泥沙输移比反映了流域与外界进行水沙交换的能力 对揭示流域水沙输送 模式 水沙通量变化和评价流域水保措施效益具有重要意义 本文以黄河干流及其重点支 流为研究对象 基于泥沙输移比的定义式 通过流域面积与侵蚀量和输沙量的关系 得到 研究区域流域面积与泥沙输移比之间的关系式 研究结果表明 泥沙输移比随着流域面积 增加迅速减小 并在流域面积为150 000km2 左右时达到最小值0 183 随后 泥沙输移比 随流域面积增加也缓慢增加 但不超过0 352 对泥沙输移比和流域面积的小波降噪分析 也佐证了黄河流域的泥沙输移比随尺度变化存在一个临界尺度 这种变化趋势与一般认为 泥沙输移比随流域面积增大而减小的观点并不完全吻合 研究结果可为流域水土保持和生 态建设提供科学参考 关键词 黄河流域 泥沙输移比 流域面积 小波分析 中图分类号 TV142 文献标识码 A 文章编号 0468 155X 2014 01 0061 07 Relationship between sediment delivery ratio and basin area in Yellow River basin WU Ao LI Tian hong HAN Peng Abstract The ability of a basin to transfer water and sediment can be represented by the basin s Sediment Delivery Ratio SDR Studies of the SDR are not only significant to unfold the change of water sediment flux and the shift of the pattern by which the watershed transfers water and sediment but also helpful in making decision and taking measures for basin s soil and water conservation With the gauged data in 1980s and soil erosion map obtained in the same period taking the basins of the Yellow River mainstream and its major tributaries as the study area using the definition of SDR this paper studies the relationship between SDR and basin area Results reveale that SDR sharply decreases as basin area increases When the basin area is about 0 15 million km2 SDR drops to its least value 0 183 However as the basin area increasing SDR begins to increase slightly but is never larger than 0 352 The wavelet analysis is applied to SDR and basin area data and the results show that a threshold area exists in the variation trend of SDRs vs basin area This result challenges the common knowledge that SDR tends to decrease as the basin area increases The results are of high value of reference for basin soil and water conservation practices and ecological construction Key words Yellow River basin sediment delivery ratio basin area wavelet analysis 泥沙输移比 Sediment Delivery Ratio 简称 SDR 能将流域的输水和输沙两大功能 关联起来 是衡量流域输水输沙特征的重要指标 1 其影响因素涉及流域气候条件 地 质地貌 土壤质地 植被和土地利用等 2 对流域泥沙输移比的研究有助于揭示流域水 沙输送特征 综合衡量流域水沙通量的归趋 在实践中还能够指导开展水土保持工作 评 价水土保持效益 3 黄河流域 特别是其中游黄土高原地区 水土流失严重 并会对下游造成严重的水沙 灾害 因此 这一区域20 世纪60 年代以来一直是我国水土保持重点治理的区域 目前对 流域内水土保持的减水减沙效益的研究较多 4 11 但对综合衡量流域输水输沙能力的指 标 泥沙输移比的关注较少 龚时旸和熊贵枢 12 在20 世纪70 年代提出 黄河中游 的泥沙输移比为1 泥沙输移比与流域面积并非成反比关系 以后的研究者大都沿用了这一 结论 此后 也有一些学者对部分水土保持重点治理流域的泥沙输移比进行了研究 如许 炯心 13 以无定河流域为例 研究了水土保持措施对流域泥沙输移比的影响 表明人为 的水土保持措施能显著降低流域的泥沙输移比 朱恒峰等 14 对延河流域的研究也得出 了类似的结论 牟金泽和孟庆枚 15 重点研究了大理河流域 通过分析流域面积 沟壑 密度等与泥沙输移比的关系 给出了适用于该地区的计算式 陈浩 16 进一步考虑了径 流等水文因素 也给出了大理河流域泥沙输移比的经验公式 也有学者对黄河流域场次洪 水的泥沙输移比特征进行了研究 如刘纪根等 17 结合地貌形态因子与降雨水文因子 给出了岔巴沟场次暴雨泥沙输移比的计算式 结果表明 对同一流域 泥沙输移比随含沙 量增加而增加 在降雨洪水条件相同的情况下 随流域面积增加 泥沙输移比减小 但许 炯心 18 对黄河流域下游洪水的泥沙输移比研究结论正好相反 认为由于黄河下游河道 宽浅 高含沙水流的输沙不稳定 导致含沙量越高 泥沙输移比越小 以上这些研究都只 是针对黄河某个子流域 鲜有对黄河流域干流和支流泥沙输移比的全面研究 也没有获得 适用于整个黄河流域泥沙输移比的计算式 此外 各经验关系式选取的因子在一些地区难以获取 限制其实际应用 一般分析流 域面积与泥沙输移比的关系较多 得出的结果也更合理和实用 19 本文基于泥沙输移比 的定义式 利用第一次土壤侵蚀遥感调查图和水文站点实测输沙数据 计算黄河流域干流 及中上游主要支流1980s 泥沙输移比 建立泥沙输移比与流域面积的关系 并利用小波分 析方法探讨泥沙输移比随流域面积变化的特征 1 研究区域概况 黄河发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓的约古宗列盆地 流经青海 四川 甘肃 宁夏 内蒙古 陕西 山西 河南 山东九省 区 全长5 464km 流域面积79 5 万 km2 含 内流区面积4 2 万 km2 黄河以其含沙量高而闻名 大量泥沙淤积在下游河道 抬高 河床 形成地上悬河 或淤积于水库中 减短水库寿命 黄河泥沙主要来自黄河中游水土 流失剧烈的黄土高原 可以说治黄的重点就在于中游的治沙 12 20 我国在1954 年就开始编制黄河流域水土保持规划 21 其目标为减少入黄的泥沙 充分利用水土资源 到1982 年 无定河 皇甫川和三川河被国家纳入水土保持重点治理区 域 21 1990 年又批复 黄河流域黄土高原地区水土保持专项治理规划 21 确定了 窟野河 秃尾河 孤山川 延河 县川河为黄河流域中游河口镇至龙门区间重点治理支流 水土保持规划的实施取得了很好的减水减沙效益 22 23 加之近年来由于全球及 区域气候的变化 黄河流域的来水来沙明显下降 24 流域输水输沙模式的变化和响应也 需要从多方面进行研究 本文选取黄河干流上的唐乃亥 兰州 石嘴山 河口镇 龙门 花园口 利津7 个站 点 计算各站控制流域1980s 的泥沙输移比 选取上游祖厉河以及中游的无定河 皇甫川 三川河 窟野河 秃尾河 孤山川 延河 泾河 渭河 北洛河 汾河 计算支流的泥沙 输移比 进而探讨流域面积与泥沙输移比之间的关系 水沙资料的把口站位置如图1 所示 2 流域泥沙输移比计算 本研究的技术路线如图2 所示 2 1 泥沙输移比 流域内侵蚀的土壤通过水系输移到流域之外 但河流的输沙量与流域内的侵蚀量之间 并不一定相等 两者的比值定义为流域泥沙输移比 3 25 即 SDR Y T 1 式中 T 为流域内土壤侵蚀模数 t km2 a Y 为流域出口控制断面输沙模数 t km2 a 也有学者进一步补充了泥沙输移比的概念 如景可等 26 蔡强国和范昊明 27 认为只有在界定了一定的时间系列 空间范围和泥沙输移的粒径界限后 泥沙输移比才有 其确切的意义 按照原始的定义 泥沙输移比的范围为 0 1 但若考虑泥沙输移在时间 上的滞后 以及在空间上输移 沉积 输移的交替进行 泥沙输移比的上限也有可能大于1 在发生淤积的河段 由于河段内泥沙的净通量实际为负 该河段的泥沙输移比按照原始定 义式的计算结果甚至为负值 泥沙输移比的计算方法可分为直接计算法和模型求解法 28 直接计算法即按照泥 沙输移比的概念 在获取流域土壤侵蚀量和把口站输沙量数据后 用定义式进行计算 模 型求解法则通过经验关系或物理模型进行计算求解 本文采用直接求解法计算流域泥沙输 移比 2 2 土壤侵蚀量计算及输沙资料获取 采用直接求解法计算流域泥沙输移比的关键在于流域土壤侵蚀量的计算和输沙资料的 获取 区域内某段时间的土壤侵蚀模数在野外很难通过实测直接获取 小流域的土壤侵蚀 量可使用模型进行估算 而像黄河及其主要支流这样的大流域 还没有适用的估算模型 通过小流域模型计算并汇总从实际操作上因为数据无法全部获取也无法做到 鉴于此 基 于1980s 第一次土壤侵蚀遥感调查图 1 50 万 来估算流域土壤侵蚀量 该次调查数据 结合了小区实验 实际调查 遥感技术和专家分析 给出的半定量等级数据得到了认可和 大量引用 具有一定的可靠性和权威性 流域内的土壤侵蚀量 T 可通过流域内土壤侵蚀等级的面积分布间接获取 假定某流 域内侵蚀等级为 i 的面积为 Ai 依据 SL190 2007 土壤侵蚀分类分级标准 25 可得到 侵蚀等级 i 对应的侵蚀模数上下限分别为 Ui 和 Li 按下式即可计算出流域内土壤侵蚀量 的上 下限 Tu Ui Ai Tl Li Ai 2 式中 Tu Tl 分别为流域内土壤侵蚀量的上 下限 t a Ui Li 分别为侵蚀等级为 i 级时的侵蚀模数上 下限 t km2 a Ai 为流域内侵蚀等级为 i 的面积 km2 i 为侵 蚀等级 i 1 2 3 4 5 6 进一步可将土壤侵蚀量的上 下限均值作为流域内土壤侵蚀量 T 的近似 计算研究 区域的土壤侵蚀量 在 ArcGIS 中 利用相应年代的 DEM 图生成流域范围图 通过图层叠 加 切割出各个流域的土壤侵蚀量 进行统计后得到1980s 各研究流域的土壤侵蚀量 计 算结果见表1 可以看到 河龙区间1980s 侵蚀量为8 98 16 24t a 取中值12 61 沉积量达到了4 28 11 54t a 根据前人研究 1980s 的水保措施减少效益达3 5t a 29 本文计算的区间与之存在重合 由于侵蚀量根据侵蚀等级估算得到 使得计 算结果偏大 但考虑除水保措施外 由于自然条件的变化 水库等 还会导致流域泥沙淤 积数量增加 1980s 泥沙输移的数量应该大于3 5t a 说明计算结果具有可靠性 黄河流域干流水文站点及部分支流控制站的水沙数据主要通过黄河泥沙公报获取 黄 河中游河口镇至龙门区间的水沙资料等通过整理已有研究成果获得 表1 2 3 黄河流域泥沙输移比 按照泥沙输移比的定义式 1980s 黄河干流重要站点控制流域的泥沙输移比计算结果 见表2 从表2 中可看出 黄河流域泥沙输移比呈现为中游最大 上游最小的格局 泥沙输移 比的这种分布格局与黄河流域泥沙的主要来源一致 在河口镇以上 泥沙输移比最大值出 现在石嘴山 可能与兰州 石嘴山之间汇入了含沙量很高的祖厉河有关 河口镇 龙门 花园口三站控制流域的泥沙输移比依次增加 而这一区间汇入为黄河泥沙的主要源区 下 游入海口的利津站 泥沙输移比又下降 已有对黄河流域整体泥沙输移比的研究较少 主 要受制于流域内侵蚀量难以科学的计量 但大部分的研究表明 12 流域泥沙输移比一般 小于1 3 1 2 本文计算的黄河干流泥沙输移比也未超出该范围 祖厉河及中游支流流域的泥沙输移比计算结果见表3 从表3 可以看到 黄河上 中游支流流域的泥沙输移比变化很大 最小为0 11 最 大则超过了1 达到了1 05 由于中游存在大量泥沙输移比较大的支流 使得干流中下游 控制站点计算的泥沙输移比甚至超过了上游 出现表2 中的情形 根据已有研究 12 15 的结论 认为黄河中游黄土高原区的流域 无论小流域还是大中流域 其泥沙 输移比都接近1 有学者认为 15 32 其原因在于中游支流的泥沙来源于粒径较细的黄 土 大都以冲泻质的形式存在于水流中 由于水流携带冲泻质的能力强 因此大部分泥沙 都能被输往下游 本文的计算结果表明 黄河中游的支流泥沙输移比并非都接近1 除皇甫 川 孤山川 窟野河等支流泥沙输移比在1 左右外 部分支流的泥沙输移比并不高 中游 诸支流1980s 的泥沙输移比均值仅位于0 52 左右 如汾河的泥沙输移比仅为0 11 无定 河的为0 16 可能与流域内的淤地坝等水保措施等有关 许炯心 13 的研究也表明 由 于无定河流域内水土保持措施的影响 其流域泥沙输移比由1960s 以前的1 急剧下降至0 2 0 4 本文的计算结果与此相近 朱恒峰等 14 以延河流域为例的研究也说明同样 由于水土保持措施 1970s 延河流域的泥沙输移比降低至0 26 左右 到1980s 又回升到 0 50 0 71 之间 也与本文的计算结果近似 由此可见 本文的计算结果具有一定的 可靠性 可以作为分析研究区域泥沙输移比与流域面积关系的基础 3 泥沙输移比与流域面积的关系 3 1 流域面积与泥沙输移比的关系式 由泥沙输移比的定义可知 流域内的土壤侵蚀量和出口处的泥沙通量决定了流域的泥 沙输移比 因此 降雨径流 地形地貌以及流域内土质等影响土壤侵蚀和泥沙输送的因子 都对流域泥沙输移比有影响 除这些因素外 研究者们也普遍认为 一般情况下 泥沙在 面积较大的流域中输移时发生沉积的概率更高 33 34 所以 流域面积越大 泥沙输移 比可能越小 由于泥沙输移比受制于诸多因素和过程的影响 其确切的计算一直是一个难 题 急需找到能适应特定区域的泥沙输移比计算式 比较实用的计算式为流域面积与泥沙 输移比之间的关系式 该关系式往往基于上述泥沙输移比随流域面积增加倾向于减少的认 识 那在黄河流域是否存在这样的关系式呢 研究流域面积与侵蚀量和输沙量关系时可发现 流域面积与侵蚀量之间拟合关系式的 R2 0 962 显著性水平小于0 01 与输沙量之间拟合关系式的 R2 0 911 显著性水平 小于0 01 由此可见 流域面积与侵蚀量和输沙量之间存在很好的相关性 将流域面积 与侵蚀量和输沙量之间的关系式代入泥沙输移比的定义式 即可得到流域面积与泥沙输移 比之间的关系式为 3 图3 中的线条为式 3 的图示 图中的点为根据泥沙输移比定义式直接计算得到的数 值 可以看到 2 3的点据都在式 3 的曲线附近 表明该式适用于计算研究区域的泥沙输 移比 尤其是在面积超过10 万 km2 时 该公式的计算值与实测数据点非常接近 预测精 度在80 以上 但在流域面积较小时 公式预测的可靠性有一定的下降 原因可能在于流 域面积越小 该公式基于的前提 流域面积越大 泥沙输移中发生沉积的可能性越大 越得 不到保证 33 在面积较小的流域内 不足以体现出统计学意义上的 可能性 另外 流域面积越小 受其他因素影响后的 缓冲性 也越小 19 导致泥沙输移比更易波动 该公式还预示了泥沙输移比存在一个下限约0 183 对应的流域面积为15 万 km2 左右 在流域面积小于10 万 km2 时 随着流域面积增加 泥沙输移比迅速下降 当流域面积超 过20 万 km2 时 随着流域面积的增加 泥沙输移比反而开始缓慢增加 且存在一个上限 在0 352 左右 实际上 流域面积超过20 万 km2 对应的区域为黄河干流中下游站点控制 的流域 流域面积超过20 万 km2 后泥沙输移比的变化趋势有可能是中游高含沙水流引起 的 流域的发生和发育是流域内侵蚀和沉积平衡的结果 因此 流域的面积 形态 高程 等 都能在一定程度上体现侵蚀 输沙等信息 35 但对于处于发育阶段的流域或受人类 活动影响剧烈的流域 相对静态的流域面积可能并不能及时体现出流域内侵蚀输移的状态 此外 基于面积和泥沙输移比的关系式 3 只能适用于水沙条件 下垫面条件等和1980s 类似的情形 但式 3 的推算方法可推广到其他区域 3 2 泥沙输移比随流域面积的变化特征 上述流域面积与泥沙输移比的分析表明 由于小流域泥沙输移更易受到各种因素的干 扰 表现出剧烈的波动 特别是在黄河流域 人为因素的干扰不容忽视 比如中游小流域 大规模的水土保持措施 这种人为因素的干扰是否会导致上述泥沙输移比与流域尺度的关 系失效呢 流域泥沙输移比的尺度效应实际上可以作为一种背景值 而人为因素或一些极 端的气候等偶发自然因素可以当作一种噪音对待 36 小波分析在信息的降噪 加工等方 面应用广泛 而且非常有效 26 37 39 因此 本节引入小波分析进行降噪处理来还原 自然背景下黄河流域的泥沙输移比的随尺度的变化特征 对上述回归分析得到的结论进行 进一步的佐证 具体操作在 Matlab 的小波分析工具箱中进行 40 首先对计算所得的数据系列 流域面积及其相应的泥沙输移比 进行取秩操作 小波 降噪后的结果如图3 所示 图4 显示 降噪处理后泥沙输移比与尺度 即流域面积 两者秩之间的关系曲线表现 为先下降后上升 也即黄河流域泥沙输移比随尺度变化确实存在下限值 若直接对流域面 积 泥沙输移比系列进行小波降噪 结果如图5 所示 降噪得到的曲线与回归分析计算结 果一致 对应的临界尺度也在15 20万 km2 左右 两种不同的分析方法得出非常近似的 结果 相关系数达到了0 93 由此可见 上述黄河流域泥沙输移比随面积变化的特征具有 一定的可靠性 该结果也表明 流域泥沙输移比与尺度之间的关系并非一定表现为随着尺 度增加呈单调减小 4 结论 通过计算和分析黄河流域干流及中上游重点支流1980s 的泥沙输移比 获得了黄河流 域泥沙输移比与流域面积之间的关系式 主要结论如下 1 可以通过流域面积与侵蚀量和输沙量的关系 间接得到流域面积与泥沙输移比之 间的关系 该关系式适用于黄河流域1980s 的情形 但该方法可推广到其他流域 2 在黄河流域 随着流域面积增加 泥沙输移比随之减少 但存在下限 0 183 左 右 当流域面积超过15 20 万 km2 后 泥沙输移比随着流域面积的增加开始缓慢上升 但取值不超过0 352 小波分析的结果也佐证了在黄河流域泥沙输移比随面积变化特征存 在一个临界的面积 参考文献 1 景可 王万忠 郑粉莉 中国土壤侵蚀与环境 M 北京 科学出版社 2005 2 谢旺成 李天宏 流域泥沙输移比研究进展 J 北京大学学报 自然科学版 2012 4 676 685 3 李秀霞 李天宏 黄河流域泥沙输移比与流域尺度的关系研究 J 泥沙研究 2011 2 33 37 4 熊贵枢 黄河中上游水利 水土保持措施对减少入黄泥沙的作用 J 人民黄 河 1986 4 3 7 5 杨军 中阳县武家庄生态修复项目区的水土保持效益研究 J 中国水土保持 2012 6 68 71 6 李智广 李锐 杨勤科 等 小流域治理综合效益评价指标体系研究 J 水 土保持通报 1998 18 7 71 75 7 倪晋仁 韩鹏 王光谦 等 黄河中游水保措施对入黄干支流泥沙特性的影响 减沙效益分析 J 自然资源学报 1997 2 31 37 8 冉大川 刘斌 白志刚 等 河龙区间减沙效益与水土流失治理度的关系 J 中国水土保持科学 2007 2 24 28 9 韩鹏 李天宏 黄河中游水保前后河流含沙量变化 J 应用基础与工程科学 学报 2006 2 211 217 10 朱金兆 胡建忠 黄河中游地区侵蚀产沙规律及水保措施减洪减沙效益研究综 述 J 中国水土保持科学 2004 3 41 48 11 韩鹏 倪晋仁 水土保持对黄河中游泥沙粒径影响的统计分析 J 水利学报 2001 8 69 74 12 龚时旸 熊贵枢 黄河泥沙来源和地区分布 J 人民黄河 1979 6 7 8 13 许炯心 水土保持措施对流域泥沙输移比的影响 J 水科学进展 2004 15 1 29 34 14 朱恒峰 康慕谊 赵文武 等 水利水保措施对延河流域侵蚀 泥沙输移和沉 积的影响 J 水土保持研究 2007 4 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