黄土高原地区侵蚀产沙的尺度效应研究初探ahref=1a

中国科学D辑地球科学2006,36(8):767~776767SCIENCEINCHINASer.DEarthSciences黄土高原地区侵蚀产沙的尺度效应研究初探*闫云霞**许炯心(中国科学院地理科学与资源研究所,中国科学院陆地水循环及地表过程重点实验室,北京100101;中国科学院研究生院,北京100039)摘要以黄河流域水文站的观测数据为基础,对黄土高原地区产沙模数的尺度效应进行了分区研究.研究表明,不同分区的黄土、风沙、基岩的空间分布与组合关系不同、地形(坡度)不同,其产沙模数随流域面积变化的趋势也不相同,可以分为单调减小、单调增大、先增大而后减小、先减小而后增大等类型.在对数据进行双对数转换后,对上述尺度效应关系进行了线性和二次函数的拟合,并分别针对这两种函数形式给出了校正方程.依据所建立的校正方程,将所有分区内各站点的产沙模数进行了1000km2标准面积的校正以消除尺度的影响.在此基础上使用Kriging插值法制作了消除尺度影响后的产沙模数图,并将其与未进行尺度校正的产沙模数图进行了分析比较.结果表明,经尺度校正后,重点侵蚀区域的位置大致相同,但面积显著增大.这主要是因为,位于重点侵蚀区河流下游的站点经校正后,其产沙模数有所增大.关键词黄土高原侵蚀产沙尺度效应产沙模数收稿日期:2005-06-10;接受日期:2005-08-01*国家自然科学基金与水利部联合资助重点项目(批准号:50239080)和国家自然科学基金项目(批准号:40271019)资助**E-mail:[e-mail]黄土高原是中国土壤侵蚀的重点研究区域,学者们使用多种方法对其侵蚀产沙进行了大量研究[1~5],但对涉及到的尺度效应问题研究很少.随着尺度的增大,泥沙有可能随着地形坡度、河道比降的减缓或各种水利设施的拦截作用而堆积,也有可能随着洪水的到来而遭受侵蚀,因此流域尺度对侵蚀产沙的影响不容忽视,必须考虑尺度转换问题.Walling等人[6~8]认为产沙模数和流域面积之间呈现线性负相关,Church和Slaymaker[9]发现加拿大一些河流的产沙模数与流域面积之间存在着非线性关系,即随着流域面积的增大,产沙模数先增大,然后减小.Xu等[10]通过对黄土高原的研究发现,在宏观意义上,黄土高原河流的产沙模数和流域面积之间也呈现非线性关系.编制产沙模数图的传统方法,是选取若干进行过长系列产沙模数观测的水文站,确定其所代表的流域或流域区间,然后通过插值的方法绘出产沙模数等值线.由于涉及到的流域或流域区间的面积大小不等,传统的方法实际上隐含着一种假设,即流域面积的不等不会对产沙模数产生影响,或其影响可768中国科学D辑地球科学第36卷SCIENCEINCHINASer.DEarthSciences以忽略.然而,由于编制产沙模数图涉及到的流域面积不等,前人已发现产沙模数与流域面积之间存在某种函数关系,故上述隐含的假设是不能成立的.有鉴于此,在编制产沙模数图时,必须考虑到尺度的影响,并作出某种校正,即按照尺度效应关系,将各个流域或流域区间的产沙模数换算到某一标准面积之下的产沙模数,然后再进行产沙模数的插值计算.Church等人[11]按这一思路对加拿大河流的产沙模数及其制图进行了研究.本文试图在上述研究的基础上,借鉴Church等人的研究方法,结合黄土高原的实际情况,对黄土高原的尺度问题进行分区研究,并对不同分区不同的变化趋势进行深入的分析,进而对具体的转换方法进行尝试.在此基础上,进行了基于尺度效应的产沙模数图的编制试验.1研究区域、资料来源与研究方法1.1研究区域本研究的范围为太行山以西、洮河以东、秦岭以北、阴山以南的黄土高原地区[3].遵循流域的完整性、下垫面及降雨条件一致性的原则(由于研究区域过大,不排除各分区存在着微地貌的差异),同时借鉴前人对黄土高原划分分区的研究成果[12~14],进一步将研究区划分为7个分区(图1):图1黄土高原侵蚀产沙尺度效应研究分区及站点分布图Ⅰ:晋西黄河沿岸区域包括了从托克托到龙门间黄河左岸所有流入黄河干流的支流;Ⅱ:河龙区间黄河右岸包括北起皇甫川,南到仕望川的黄河右岸流入黄河干道的支流,主要支流有皇甫川、清水河、孤山川、窟野河、秃尾河、佳芦河、无定河、清涧河、延河、汾川河和仕望川;Ⅲ:泾洛渭河区域包括北洛河、泾河、渭河、千河、横水河及漆水河;Ⅳ:汾河、伊洛沁河区域包括汾河、沁河及伊洛河;Ⅴ:祖历河清水河区域包括苦水河、汝箕沟、清水河及祖历河;Ⅵ:黄河内蒙古河段包括哈德门沟、西柳沟、昆都仑河、五当沟、大黑河、哈拉沁、水磨沟、什拉乌、水涧沟及美岱沟;Ⅶ:风沙区包括河东沙地、毛乌素沙漠、库布齐沙漠及沙漠边缘地带.由于没有Ⅶ区的相关数据,因此本文只对前6个区进行研究.1.2资料来源水沙数据来自黄河水利委员会刊印的黄河流域各水文站的观测资料.本文主要研究自然条件下侵蚀产沙的尺度效应问题,而黄土高原20世纪70年代以前人为因素对侵蚀产沙的影响相对较小,因而使用了“1919~1970黄河流域水文特征值统计”中的水文站数据.剔除了少量无代表性的站点,剔除原则是:①时间序列不足5年;②受水利工程如水库影响较大,水库拦沙减小了输沙模数;③位于风沙区的某些站点,由于数量过少不能反映规律;④为避免流域过大、影响因素过多,还剔除了某些处于河流下游干流上的站点.基于上述原则,选取了148站点进行分析研究(图1).1.3研究方法首先利用各站点流量、悬移质含沙量及站点控制的流域面积数据,计算出各站多年平均产沙模数,进而将产沙模数和控制的流域面积进行对数转换,再进行相关分析,点绘产沙模数(Ys)和流域面积(Ad)的关系,在此基础上分析各分区是否存在着尺度效应,并通过回归计算建立线性的或非线性的Ys-Ad函数关系式.依据这些关系式,对存在尺度影响的分区进行第8期闫云霞等:黄土高原地区侵蚀产沙的尺度效应研究初探769校正,得到校正后的产沙模数数据,然后通过插值制作出消除尺度影响后的产沙模数图.2研究结果2.1分区尺度效应分析结果首先对研究区域所有站点进行尺度效应的分析.其中,Ⅳ区域由于黄土厚度的差异[14],对汾河、伊河、洛河、沁河分别分析.以站点控制的流域面积为横坐标,以产沙模数为纵坐标,将二者的关系点绘在双对数坐标中(图2).从图上看,点子分布比较散乱.将产沙模数和流域面积的对数转换结果分别进行线性和抛物线拟合,R2分别为0.068和0.114,相关系数很低,可见,整个研究区域由于下垫面变化复杂,没有一定的变化趋势,因而我们就每一个分区分别分析.2.1.1晋西黄河沿岸区域本区东部为基岩组成为主的中山和低山,黄土分布于河谷及坡麓低洼处;中部为典型的黄土丘陵;西部沿黄地带为土石丘陵[15].考虑到研究区下垫面的一致性,选择的站点主要位于黄土区.按上述原则对本区选取的11个站点的尺度关系在双对数纸上点绘如图3,分析结果见表1.图2研究区域所有站点产沙模数与控制的流域面积的关系表1各分区产沙模数的尺度效应统计表a)a)表中:X=lgAd,Y=lgYs;Ad:站点控制的流域面积;Ys:产沙模数;b:尺度指数[11]区号分区名称R2站点数拟合方程FSig.F产沙模数与控制面积间的函数关系b面积极值Ⅰ晋西黄河沿岸0.569111Y=5.034−0.325X11.8860.007Ys=105.034Ad−0.325−0.325Ⅱ河龙区间黄河右岸区域0.490125Y=5.193−0.321X22.1040.000Ys=101.513Ad0.321−0.321Ⅲ泾洛渭河区域0.386652Y=0.574X+1.51931.5160.000Ys=101.519Ad−0.5740.574汾河0.69170.6525144Y=−0.92X2+6.78X−8.99Y=0.308X+2.65412.343.7550.00150.1920lgYs=−0.92lg2Ad+6.78lgAd−8.99Ys=102.654Ad0.3080.3084839沁河0.99975Y=−1.21X2+9.22X−14.63088.6290.0003lgYs=−1.2lg2Ad+9.22lgAd−14.66455伊河0.81757Y=−0.1X2+0.78X−0.78.9620.0333lgYs=−0.lg2Ad+0.78lgAd−0.77943Ⅳ洛河0.5886Y=0.244X2+2.1415.7170.0750Ys=102.141Ad0.2440.244Ⅴ祖历河清水河区域0.424913Y=−0.43X2+2.84X−0.873.690.0629lgYs=−0.43lg2Ad+2.84gAd−0.872006Ⅵ黄河内蒙古河段0.469511Y=0.79X2−5.17X+11.473.540.0792lgYs=−0.79lg2Ad+5.l7gAd+11.471871770中国科学D辑地球科学第36卷SCIENCEINCHINASer.DEarthSciences图3第Ⅰ分区产沙模数与流域面积的关系本区产沙模数随流域面积的增大呈现单调减小的趋势,可以从两方面予以解释:一方面是由于泥沙来源的影响.由于站点主要分布在河流的中下游,黄土厚度自中游向下游呈现由厚到薄的变化,因而侵蚀带来的泥沙也减少.另一方面是由于泥沙在输移过程中,随着河谷展宽,比降减缓,泥沙在河流中下游发生淤积可能性增大,同时,本区属于多沙粗沙区,上游来沙较粗,随着比降降低,粗颗粒泥沙容易淤积[16];而位于河流上游基岩区站点非常少,因此很难揭示整个流域产沙模数变化规律.但假设上游有足够多站点,产沙模数应该有一个先增大再减小过程.2.1.2河龙区间黄河右岸区域本区的地表形态可分为3种:晋陕蒙接壤地区的砒砂岩区,研究区西北部的风沙区,其余为黄土区[3].本区选择的站点大部分位于黄土区,因而本区尺度效应主要揭示的是黄土区的变化规律.本区的25个站点的点绘结果如图4,分析结果见表1.本区产沙模数随流域面积的增大呈现单调减小的趋势.由于河流上游多处于风沙区或砒砂岩区,带来了大量的粗泥沙.据许炯心[17]的研究表明当0.05mm的粗泥沙颗粒的百分比大于40%,0.01mm百分比小于20％是高含沙水流的最优粒度组成.来自上游的粗泥沙可与黄土侵蚀形成的细颗粒泥沙的组合,使这里极易形成高含沙水流,使得本区侵蚀强度极大.该区大部分河流中游已有大面积的基岩出露,图4第Ⅱ分区产沙模数与流域面积的关系干支流谷底宽广,比降减缓,因而上游剧烈侵蚀带来的大量泥沙,到中游开始在河漫滩淤积.本区河流下游干支流均深切入基岩内,因而来自河岸边壁崩塌带来的泥沙减少.这些原因造成了产沙模数随流域面积增大而减小.2.1.3泾洛渭河区域按上述原则对本区选取的52个站点的点绘结果如图5,分析结果见表1.图5第Ⅲ分区产沙模数与流域面积的关系本区产沙模数随流域面积的增大呈现单调上升的趋势.造成这种变化趋势的原因主要有两个方面.一是泥沙来源增加,这与黄土厚度和侵蚀方式有关.本区的站点主要分布于河流的中上游,黄土厚度变化表现为由薄变厚,同时,随着黄土厚度的增加,滑坡与崩塌等侵蚀活动显著[5,14],都导致侵蚀模数随流第8期闫云霞等:黄土高原地区侵蚀产沙的尺度效应研究初探771域面积的增大而增大.二是泥沙的输移的沿程变化.相对前两个分区,该研究区的河流宽深比相对小,河道窄深,容易满足高含沙水流稳定输送的条件[18,19],也是造成其产沙模数随流域面积增大而增大的一个因素.然而,这种增大并不是无限制的,当渭河进入中下游平原,泾河下游进入冲积平原区,泥沙也是不断淤积的,因而产沙模数略有减小[10].2.1.4汾河、伊洛沁河区域由于本区分布的黄土厚度有一定差异,因而再分为5个亚区,分别进行分析.根据下垫面的差异,汾河流域各站点分为两类,一类控制区既有黄土也有基岩,包括15个站点;一类完全是黄土,包括4个站点.点绘结果如图6.伊河、洛河和沁河各自成为一个亚区,剔除受局部下垫面影响过大的站点后,其尺度关系分