黄土高原高含沙水流发生频率的空间分异分析

黄土高原高含沙水流发生频率的空间分异分析

高砂水流是一条害流，高砂水流侵蚀是一种特殊的侵蚀类型。对高含沙水流的研究包括微观和宏观两个方面,前者指高含沙水流的流变性质、水力学和泥沙运动力学特征,在这方面的研究前人已取得了诸多成果;后者指在流域自然地理因素影响下高含沙水流的形成过程和空间分布特征,这方面前人也进行了大量的研究。钱宁等人通过对我国西北地区一些河流的研究发现,流域内泥沙越粗,水流所挟带的极限含沙量就越大,对同一个流域而言,含沙量越大,挟带的泥沙就越粗;张胜利等人通过对黄土高原多沙粗沙区12条河流1966-1975年54场洪水的研究,得出含沙量大于1000kg/m3的高含沙洪水出现最多的支流依次为黄甫川、窟野河、秃尾河、佳芦河、无定河,认为与这几条支流在地面组成物质方面的共同特点即上游为风沙区、中下游为基岩和黄土区的空间分布与组合有关。王兴奎、钱宁等人对黄土丘陵沟壑区高含沙水流的形成及汇流过程进行了系统研究,分析了雨滴溅蚀、水流冲刷及重力侵蚀对产生高含沙水流的重要作用,以及各级沟道汇流过程中,高含沙水流的一些主要特性;许炯心研究了黄土坡面的地貌垂直结构和重力侵蚀对黄土丘陵沟壑区坡面-沟道系统的高含沙水流的影响,同时指出由于非高含沙水流和高含沙水流不同的输沙行为,在坡面-沟道系统中存在着泥沙的存贮-释放机制。许炯心还系统分析了黄土高原的气候、植被及地表物质组成等自然地理因素对高含沙水流形成的影响,指出存在着某种特定的悬移质泥沙粒度组成,使得悬移质含沙量达到最大值。这种特定的泥沙粒度组成与流域中黄土、基岩及风成沙的分布有关,而它的出现,则是特殊的水力、风力交替作用的结果。高含沙水流的频繁发生是造成黄土高原高强度土壤侵蚀的重要原因。黄土高原侵蚀最为严重的多沙粗沙区范围广泛,约9万km2,占黄河中游面积的约1/3。区内地表岩层松散,地形破碎,侵蚀营力复杂,风蚀、水蚀、重力侵蚀活跃;泥沙来源复杂多样,既有黄土,还有风沙、基岩及基岩风化物。区域特征的空间差异必将影响到高含沙水流的发生,使高含沙水流的发生产生空间分异。前人虽然从高含沙水流的形成、输移特性、以及自然地理因素对其的影响方面进行了大量的研究,但高含沙水流的区域差异方面研究尚待深入。张胜利的研究亦表明,同样标准治理措施对大理河的减洪减沙效果远比皇甫川显著,这与不同区域洪水及高含沙水流的强度差异有很大关系,因而研究高含沙水流的区域分异有助于了解区域特征的差异对高含沙水流的影响,从而因地制宜地、高效治理黄土高原的水土流失。1研究领域、数据来源和研究方法1.1重要径流区域本研究选择了黄河中游多沙粗沙区从皇甫川到延河的几条重要支流,研究区域如图1。研究区域由北而南包括了黄甫川、孤山川、窟野河、秃尾河、佳芦河、无定河、清涧河和延河8个流域。1.2高含沙水流的流变性质研究有关高含沙水流,迄今尚未有一个较完整的科学定义。学者们对高含沙水流进行了不同的阐述,王明甫等人在总结前人的基础上将其概括为:在某一水流强度的挟沙水流中,其含沙量及泥沙颗粒组成,特别是细颗粒所占百分数,使该挟沙水流在物理特性、运动特性和输沙特性等方面基本上不能再用牛顿流体的规律进行描述时,这种挟沙水流称为高含沙水流。细颗粒含量不同,水流由牛顿体向宾汉体转变对应的含沙量也不相同。前人对黄河流域对不同粒径组成的含沙水流的流变性质进行了大量的研究,研究表明悬移质泥沙中细颗粒含量越高,含沙水流由牛顿体转化为宾汉体对应的含沙量就越低。如对渭河流域细沙河流而言含沙量超过100kg/m3就可以认为是高含沙水流,钱宁认为黄河中游干支流的高含沙水流含沙量需要达到400kg/m3以上。司凤林,乔永杰根据黄河中游多沙粗沙区25条支流的大量试验资料,绘制了初形成宾汉体时细颗粒含量与泥沙含量的关系曲线。通过计算,本研究区域8个流域所有研究站点1964-1989的年均细颗粒含量约20%,结合上述研究结果,当含沙量达到约400kg/m3时,流体即转变为宾汉体,因而研究采用了含沙量≥400kg/m3作为高含沙水流的发生标准,将高含沙水流发生频率定义为站点年内日含沙量≥400kg/m3的天数。研究选择了皇甫川到延河24个站点1964-1989年的数据资料,各站点分布如图1。研究使用的数据包括上述站点的日含沙量、年输沙模数、年降水量、年最大30天降雨量、月均含沙量、年均含沙量、年最大含沙量、年均流量、年最大流量、年均粒径级配、站点控制面积等。降水量数据为站点控制区内雨量站的算术平均值,其余数据均来自黄河流域水文年鉴。将高含沙水流发生频率作为分析高含沙水流空间分异的主要指标。使用地理要素法、相关分析等,结合各流域的泥沙来源因素、降水因素、站点控制面积等对高含沙水流发生频率的空间分异模式进行分析,使用比较分析法分析了不同区域高含沙水流发生频率与输沙模数的关系间的差异及其影响因素。2砂流高的空间分类2.1高砂水流频繁空间差异的影响因素分析2.1.1高含沙水流的加强过程,呈从低纬度至高纬度的发展方向将各站点年均高含沙水流发生频率与其纬度点绘如图2。可以看出,随着纬度的增大,高含沙水流的发生频率先降低,到纬度约38.5°到39°时达到最小值,之后又随纬度的增大而增大。呈现从低纬度到高纬度先减小后增大的趋势。但低纬度的最高值(10.9天/年)显著高于高纬度地区的最高值(6.46天/年)。2.1.2降雨集中度与年降水量的关系降雨是高含沙水流形成的一个重要因素。黄土高原之所以频繁发生高含沙水流是与其汛期高强度的暴雨密切相关的。研究区域各站点年均汛期降雨量的差别不大,为了研究暴雨与高含沙水流发生频率的关系,本文引入了降雨集中度这一参数,即最大30天降雨量(p)与年降水量(P)的比值。就黄土高原而言,降雨集中度越高,说明年内的降雨越集中于几次大的暴雨。由于黄土高原的高含沙水流一般都是由大暴雨产生,因而暴雨越集中,对应的暴雨次数越少,高含沙水流发生的频率就越低。将研究区域降雨集中度(p/P)与站点高含沙水流发生频率进行点绘如图3。从图3中可以看出高含沙水流发生频率与降雨集中度有比较好的负相关关系,高含沙水流发生频率随着降雨集中度的增大逐渐减小。为了进一步说明这两个因素的空间变化,将高含沙水流发生频率与降雨集中度随纬度的变化进行点绘,如图4。从图4可以看出,降雨集中度随纬度的增大呈先增大后减小的变化趋势,与高含沙水流发生频率的变化趋势相反。集中度的最大值基本对应于高含沙水流发生频率的最小值,约38.5°到39°之间。2.1.3高含沙水流发生频率与流域内防沙层的关系泥沙来源也是影响高含沙水流发生的一个重要因素。黄土高原高含沙水流的形成同时需要粗、细颗粒泥沙,并且存在着使高含沙水流含沙量达到最大的最优的粒径组成。黄土高原多沙粗沙区的泥沙来源主要有三种:北部的基岩风化物,主要是当地称为“砒砂岩”和“羊肝石”的砂岩和紫色页岩,西北部的风成沙和东南部的黄土,如图1。这三种物质粒度组成差异很大。黄土以小于0.05mm的细颗粒泥沙为主,风成沙以0.063~0.25mm的粗颗粒为主,以“砒砂岩”和“羊肝石”为主的基岩风化物也是以粗颗粒物质为主,小于0.05的细颗粒含量要高于风成沙,低于黄土。前人的研究亦表明黄土高原多沙粗沙区各流域不同泥沙来源物质的空间分布和组合可能会影响高含沙水流发生的频率。表1列出了各个流域不同物质:黄土、风沙、基岩的面积,并计算出了风沙与黄土在流域中所占比例。风沙以粗颗粒物质为主,黄土以细颗粒为主,对高含沙水流的形成会产生不同的影响。将各流域高含沙水流发生频率与流域内风沙和黄土所占比例的关系分别点绘,如图5。高含沙水流发生频率与流域内风沙所占的面积呈负相关,风沙所占面积越大,高含沙水流风沙的频率越低,(图5(a));与流域内黄土所占面积呈正相关,黄土所占面积越大,高含沙水流的发生就越频繁(图5(b))。相对于黄土,风沙颗粒空隙大,降雨入渗率高,暴雨期间也很少产流。即使产流,由于缺乏足够的细颗粒泥沙形成浆液,不能使粗颗粒泥沙进入悬浮状态从而输移,因而完全的风沙区,高含沙水流发生频率很低。本研究区域位于风沙-黄土过渡带,流域的上中游往往被风沙或基岩及基岩风化物覆盖,黄土一般出露在流域中下游。位于上中游的风沙和基岩风化物通过风蚀、水蚀以及重力侵蚀等被搬运到各级沟道和河道,为高含沙水流的形成提供了粗颗粒泥沙,位于中下游的黄土为高含沙水流浆液的形成提供了细颗粒物质,有利于高含沙水流的形成。当流域黄土面积所占比例比较低时,位于流域上中游大面积的风沙区由于渗透性强,抑制了地表径流的产生,因而高含沙水流发生频率低。随着风沙区面积的减少,黄土比例的逐渐增大,相对于盖沙区,黄土区暴雨产流量高,径流汇流速度快,加之前期存储在沟道及河道中的粗泥沙使高含沙水流很容易发生,因而高含沙水流的发生频率随着风沙区所占比例的增大而减小,随着黄土所占流域的比例的增加而增大。研究区内的几个流域都处于风沙-黄土转化带,按刘东生等人的划分,该研究区内的黄土主要是沙黄土,黄土所占流域面积最高约75%。随着黄土所占面积的进一步增加,逐渐过渡到典型黄土和粘黄土带,一方面,泥沙来源中粗颗粒含量少,会抑制高含沙水流的发生;另一方面,降雨的增多对径流挟带的泥沙起到了稀释作用,也不利于高含沙水流的发生。因而随着黄土所占面积的进一步增大,高含沙水流的发生频率可能出现降低的趋势。2.1.5流域尺度效应站点控制面积的大小也影响着高含沙水流的发生频率。站点控制面积很小时,汇流面积小,径流的挟沙能力有限,不利于高含沙水流的发生;随着流域面积的增大,汇流面积增大,流量的增大提高了水流的挟沙能力,高含沙水流的发生频率可能会增加;随着流域面积的进一步增大,尤其是到了河流的中下游,河道比降逐渐变缓,河谷展宽,有利于高含沙水流中粗泥沙的沉积,降低了高含沙水流的发生频率。在下垫面一致的前提下,选择了无定河流域控制区完全是黄土的几个站点和清涧河、延河流域的所有站点,将站点高含沙水流发生频率与站点控制面积的关系点绘,如图6。从图6可以看出,在下垫面一致的情况下,高含沙水流发生频率与站点控制面积呈现非线性的相关,高含沙水发生频率随着站点控制面积的增大先增大,达到极值后又缓慢减小,极值对应的控制面积约2000km2。此结论与许炯心等人对黄河流域侵蚀产沙的尺度效应研究结论相似,即产沙模数的最大值对应的流域尺度约2000-3000km2。控制面积小于2000km2的站点一般都位于黄河的三级支流或河源区,当流域面积很小时,汇流面积小,降雨产流量低,对河道的侵蚀能力有限,同时重力侵蚀发生的几率相对小,因而高含沙水流发生频率比较小。随着流域面积的增大,汇流面积增大,水流的流量增加,侵蚀能力增强;同时,随着汇流面积的增大,重力侵蚀发生的几率增大,因而高含沙水流发生频率随流域面积的增大而迅速增大。控制面积大于2000km2的站点一般位于黄河的二级支流上,一方面,流量的增加对来自上游和各支流的泥沙起到了稀释作用;另一方面,相对三级支流而言,河道比降减缓,河谷展宽,使粗泥沙更容易沉积,因而随着站点控制面积的进一步增大,高含沙水流发生频率逐渐减小。2.2点线拟合泥沙来源分析高含沙水流是黄土高原产生高强度侵蚀的重要动力因素。研究高含沙水流发生频率与土壤侵蚀产沙强度的关系,探讨其发生规律,可以因地制宜地进行预防和治理,降低高含沙水流发生的频率,从而降低土壤侵蚀产沙的强度,同时对于减小下游的淤积速度也有很重要的作用。将所有站点高含沙水流的发生频率与年均输沙模数随站点纬度的变化进行了点绘,如图7。从图7可以看出,高含沙水流发生频率随纬度的增大呈先减小后增大的变化趋势,而站点年均输沙模数随纬度的增大先基本保持不变,然后显著增大。总体而言,虽然高纬度地区高含沙水流的发生频率低于低纬度地区,但其侵蚀模数远高于低纬度地区。以两条拟合曲线的交点,38.03°为界,该纬度正好是佳芦河的把口站,申家湾的纬度,因而,以佳芦河为界,将所有站点分北部区域(皇甫川、孤山川、窟野河、秃尾河)和南部区域(佳芦河、无定河、清涧河和延河)。将两区域所有站点与侵蚀模数进行点绘如图8。从图8可以看出,无论是北部区域还是南部区域,其年均产沙模数都是随着高含沙水流发生频率的增大而增大的。说明高含沙水流的发生是黄土高原发生高强度侵蚀的重要原因,高含沙水流发生频率越高,被侵蚀输移的泥沙越多。北部区域拟合方程的斜率(2535.8)远高于南部区域(920.85),即在发生相同频率的高含沙水流时,北部区域的侵蚀强度要高于南部区域;土壤侵蚀强度相同时,南部区域高含沙水流的发生频率要高于北部区域。总体而言,北部区域的年均产沙模数(11669t/(km2·a))要高于南部区域(7127t/(km2·a))。产生上述差异的原因一方面可能与这两个区域高含沙水流的泥沙来源不同有关。从表1可以看出,北部区域主要以基岩、基岩风化物和风沙分布为主,面积超过>50%,>0.05mm的粗颗粒年均含量为54.26%;而南部区域超过50%的面积被黄土覆盖,>0.05mm的粗颗粒年均含量为38.89%。前人的研究表明,流域内泥沙越粗,水流所挟带的极限含沙量就越大,相同流量下能够输移的泥沙就越多。将两个区域年均含沙量与年均最大含沙量与高含沙水流发生频率进行点绘(图9)。可以看出,这两个区域无论是年均含沙量还是年均最大含沙量都呈现随高含沙水流发生频率增加而增大的变化趋势。同时这两个区域又有着显著的差异,无论是年均含沙量(图9(a)),还是年均最大含沙量(图9(b)),北部区域的点子几乎都位于南部区域的上方。北部区域多年平均含沙量均值为173kg/m3,南部区域为150kg/m3;北部区域年均最大含沙量均值为1106kg/m3,南部区域为963kg/m3。对两个区域分别进行线性拟合,可以看出高含沙水流发生频率相同时,北部区域的年均含沙量和年均最大含沙量都要高于南部区域,这主要是因为发生相同频率的高含沙水流时,北部区域的粗颗粒来源丰富增加了高含沙,从