贵州省地表水系结构尺度效应研究

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 贵州省地表水系结构尺度效应研究 摘要：为了探讨运用现代信息技 术所提取的水系结构受尺度变化的影响， 以贵州省息烽县内两个闭合流域作为研 究对象，运用 GIS 技术与地貌侵蚀循环 理论，研究了水系结构受尺度效应的影 响。研究结果表明：在尺度放大的过程 中，除较高级及次高级水道数量、水道 形态无影响外，其水系网内部形态、结 构特征值都受尺度效应影响而变化，且 这种尺度效应在地形较复杂、高差相对 较大的流域，表现尤为明显。 中国论文网 /7/view-12990385.htm 关键词：水系结构；尺度效应； 贵州省 中图分类号：P343 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 文献标识码：A 文章编号： 1674-9944（2017）14-0187-04 1 引言 随着科技进步和 3S 技术的推广， 对水系的提取、研究已更多地在数据系 统中完成。随着尺度缩小，地物信息表 现得更加明显，而尺度放大地物信息会 被弱化甚至忽略。这就导致不同地形图 上所提取的水系在时空范围内存在一定 的差异。以贵州省息烽县典型喀斯特地 貌区选取后河流域和小鹿窝流域为研究 对象，通过定量对比分析不同比例尺上 提取出的同一水系结构特征值，探索尺 度变化对水系结构特征值的影响。希望 能为喀斯特地区水系研究、流域治理等 尺度选择提供参考。 2 研究区概况 息烽县地处东经 106 27291065343，北纬 26 5743271929，位于贵州省中部、 乌江南岸，属北亚热带和南温带季风气 候区，气候温和湿润，冬无严寒，夏无 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 酷暑。年平均气温 14.5，年 均降雨 量 1 111 mm。地势南高北低，海拔 10001200 m，大部分为低中山丘陵地， 碳酸盐分布广，在岩溶地貌中溶丘、溶 洼、漏斗、落水洞、溶洞、地下伏流等 经常可见。碳酸盐类岩石的分布面积为 787.91 km2，占全县总面积的 76%。后 河流域位于息烽县左上部，面积为 73.07 km2，海拔范围 8001100 m，相 对高差 300 m；小鹿窝流域位于息烽县 中部，面积为 44.84 km2，海拔范围 11001616 m，相对高差 516 m。 3 研究方法 3.1 基A 数据的提取 先对收集到 150 000 及 110 000 的后河流域和小鹿窝流域地形图进 行矢量化处理，提取出不同比例尺上后 河流域及小鹿窝流域水系图。然后对水 系定级，采用 Horton-Strahler 水系分级 原则1。具体划分方法是：将位于河源 顶端，具有明显槽床，不再分支的，作 为一级水道；两条一级水道汇合形成二 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 级水道；两条二级水道汇合形成三级水 道，以此类推。最后，统计出水系中所 包含的水道级别，各级别水道的数目、 总数、长度等基础数据2。 3.2 水系特征值计算 根据 Horton 定理3，水道的长 度比（rl）计算公式（1）如下： 4 结果与分析 后河流域 150 000 地形图提取 出水系为六级水系，水道总数 724 条， 水道总长度 310.20 km，水道频度 10 条 /km2，水道密度 4.25 km/km2；110 000 地形图提取水系为六级水系，水道 总数 738 条，水道总长度 332.59 km， 水道频度 10 条/km2，水道密度 4.55 km/km2，各级别水道特征值见表 1。 小鹿窝流域 150000 地形图提 取水系为五级水系，水道总数 633 条， 水道总长度 231.20 km，水道频度 14 条 /km2，水道密度 5.16 km/km2；110000 地形图提取水系六 级水系，共有水道 1507 条，水道总长 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 度 365.63 km，水道频度 34 条/km2，水 道密度 8.15 km/km2，各级别水道特征 值见表 2。 4.1 水系形态尺度效应 分别把后河流域及小鹿窝流域在 150000 地形图上提取的水系图叠加到 在 110000 地形图提取的水系图上， 进行对比分析。分析发现，后河流域在 不同尺度上，表现出的尺度效应为：整 体水系网的形态及高级水道（二级水道 以上）弯曲程度没有受到尺度效应的影 响，唯一差异在于水系起源处，在 110000 地形图上提取的边缘水道在 150000 地形图上部分被隐去。小鹿窝 流域在不同尺度上，表现出的尺度效应 为：整体水系网的形态没有受到尺度效 应的影响。但水道弯曲程度及边缘水道 均受到尺度效应影响，110000 地形图 上提取出的水道弯曲程度要高于在 150000 地形图上提取的水道，在 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 11 万地形图上提取的边缘水道在 150000 地形图上大部分被隐去。 两个流域对比发现，水系网的形 态不会受尺度变化的影响。而水道弯曲 程度及水道数量的尺度效应与水系发育 形成的地形条件相关。地形越复杂、地 势越陡峭、相对高差越大，水道弯曲程 度及边缘水道受尺度效应影响越明显。 4.2 水道数量 根据后河流域不同尺度水道数目 对比图（图 1）与小鹿窝流域不同尺度 水道数目对比图（图 2）对比分析发现。 通过尺度的放大，两条流域共同的变化 趋势为：水道总数都增加，后河流域 从 724 条增加到 733 条，总数增加了 1%， 小鹿窝流域从 633 条增加到 1507 条， 总数增加了 148%，且 1 级水道数量增 加相对较多，2、3 级次之；随着水道 级别上升，水道数目呈减小的趋势，这 种趋势具体变现为，3 级水道为拐点， 13 级水道数目呈现斗降的趋势，3 级 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 以上的水系下降趋于稳定；水道的最 高级及次高级水道数量对应相等，不会 受到尺度变化的影响。两条流域不同的 变化趋势为：尺度放大没有改变后河 流域的水道级别，小鹿窝流域的水道级 别随着尺度的放大由 5 级水道变为 6 级 水道，且这种级别的改变是随机的，并 不是新衍生的 1 级水道会使原来的 1 级 水道递变为 2 级水道，2 级水道递变为 3 级水道等，水道级别的改变不具有映 射关系，后河流域低级水道增加数量 远低于小鹿窝流域低级水道增加数量， 以 1 级水道举例，后河流域 1 级水道数 量增加了 2%，而小鹿窝流域 1 级水道 数量增加了 134%。 根据以上的 分析，综合得出尺度的改变对流域水系 网水道数目和水道级别的影响为：最高 级水道数量及次高级水道数量不会随着 尺度的改变而变化，但对低级水道，水 道数量会随着尺度缩小而增多，尺度放 大而减少。且这种变化趋势，在地势相 对复杂、相对高差较大的流域表现得更 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 加明显，而在地势相对平坦的流域，对 水道数量的改变相对较小。 4.3 水道长度 （1）水道总长度。从后河流域 水道总长对比图（图 3） ，和小鹿窝流域 水道总长对比图（图 4）可以发现，各 级水道总长度随着尺度的缩小，水道总 长度都增加了。后河流域从 150000 下推到 110000 尺度的过程中，水道 总长增加了 7%，小鹿窝流域从 150000 下推到 110000 尺度的过程 中，水道总长增加了 58%。后河流域及 小鹿窝流域水道长度的增长情况与水道 数量的增长是对应的，因为这是一种数 与量的对应关系。因为小鹿窝流域水道 数量增L 较多，相应的小鹿窝流域水 道长成增加值也较高。 （2）水道平均长度。水道平均 长的变化趋势有如下共同点：各级水道 平均长度随之尺度的变化都有一定的影 响（图 5 和图 6） ，且这种尺度效应在地 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 形相对复杂，高差相对较大的流域表现 尤为明显。 4.4 长度比、分支比 根据表 1 中，尺度从 150000 下推到 110000 的过程中，各级水道 的长度比值及分支比值均随尺度变化而 变化。 4.5 水道密度、水道频度 水道频度和水道密度是反映流域 地貌水道发育程度的重要指标，与土壤 侵蚀过程息息相关，它体现了地形破碎 程度。水道频度是指单位面积上水道的 数量，水道密度是指单位面积上水道的 长度。水道频度及水道密度值越高，说 明流域水量较充沛。通过公式（4）计 算出后河流域在 150000 及 110000 地形图上的水道密度分别为 4.25 km/km2 和 4.55 km/km2。小鹿窝流域在 150000 及 110000 地形图上的水道 密度分别为 5.16 km/km2 和 8.15 km/km2。两个流域相比，随着尺度下 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 推，水道频度值均增加。通过公式 （5）计算出后河流域在 150000 及 110000 地形图上的水道频度均为 10 条/km2。小鹿窝流域在 150000 及 110000 地形图上的水道密度分别为 14 条/km2 和 34 条/km2。尺度变化对后 河流域及小鹿窝流域的水道密度值、水 道频度值均有影响。后河流域相对于小 鹿窝流域而言，面积较大，但水道密度 及水道频度值都较低，说明小鹿窝流域 的地表水较充沛。水道的发育与发育形 成流域的地形地貌息息相关，在地质条 件相同的情况下，地形较复杂，相对高 差较大的流域，发育形成的地表径流越 多。 5 结论与讨论 （1）水系网的整体形态不受尺 度变化影响，但水系网内部规律有一定 的差异性，主要表现在两个方面：水 系的弯曲程度。尺度下推的过程中，在 地形相对复杂的流域，所提取出的水道 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 11 会呈现更加蜿蜒曲折的变化趋势；水 系网的边缘形态。随着尺度的下推，水 系网的边缘会衍生出更多的低级水道， 且在地形较破碎、相对高差较大的流域， 水道边缘衍生出的低级水道数量较多。 （2）水系网的内部结构特征值 都受尺度变化的影响，且这种尺度效应 在地形较复杂，高差相对较