黄河流域泥沙输移比与流域尺度的关系研究

泥沙研究2011年4月JournalofSedimentResearch第2期

收稿日期：2009-06-17基金项目：国家重点基础研究发展计划资助（2007CB407202）作者简介：李秀霞（1979－），女，山东即墨人，博士，主要从事水沙环境研究。E-mail：lixiuxia.bj@gmail.com

黄河流域泥沙输移比与流域尺度的关系研究李秀霞1，2，李天宏2（1.环境保护部南京环境科学研究所，江苏南京210042；2.北京大学环境工程系水沙科学教育部重点实验室，北京100871）

摘要：泥沙输移比是研究流域泥沙侵蚀与泥沙入河量关系的指标。通过对黄河、延河、杏子河、纸坊沟四级流域尺度上泥沙输移比的研究，分析了黄河流域泥沙输移比与流域尺度的关系。结果表明，杏子河流域泥沙输移比大于1，而黄河、延河、纸坊沟流域的泥沙输移比均小于1。在黄河、延河、杏子河三级流域中，流域泥沙输移比随流域尺度增大呈明显减小趋势，而杏子河与纸坊沟流域的泥沙输移比随流域尺度增大而增大。随着流域尺度增大，被侵蚀的泥沙在输移过程中沉积下来的概率增大，就可能出现泥沙输移比随流域尺度增大而减小的现象，但这种可能性能否转化成现实，还受制于流域其他因素的影响。关键词：黄河流域；泥沙输移比；流域尺度中图分类号：TV142文献标识码：A文章编号：0468-155X（2011）02-0033-05

泥沙输移比是反映流域水流输移侵蚀泥沙能力的指标，是衡量流域泥沙变化的尺度，同时也是流域侵蚀产沙过程中的一个基本理论问题［1］。开展流域泥沙输移比的研究，可以进一步深化对流域土壤侵蚀程度和危害的认识，为小流域综合治理规划及工程设计提供科学依据［2］。

泥沙输移比与流域尺度的关系已经有很长的研究历史，但是国内外不同专家得到的研究成果不同，而且国内的意见也不能统一。20世纪70年代以前，国外泥沙输移比研究文献中大都认为流域泥沙输移比与流域尺度成反比，输移比一般小于1/2～1/3，随着流域尺度的增加泥沙输移比越来越小。自20世纪70年代中后期，我国学者龚时旸和熊贵枢研究了黄河中游的泥沙输移比得出流域泥沙输移比与流域尺度没有这样的关系；后来牟金泽等人利用无定河支流大理河的实测泥沙资料进一步地论证了这一观点［1］。可见，除流域尺度外，还有其他影响泥沙输移比的因素。许炯心［11］以无定河流域为例研究了水土保持措施和流域泥沙输移比的关系，表明以水土保持措施为主要形式的人类活动能够大大改变流域泥沙的侵蚀、输移和堆积过程，从而影响泥沙输移比。国内外学者也建立了许多关于泥沙输移比的表达式。但各家的泥沙输移比计算公式中仅考虑1至2个影响因素，因此不能作为通用的泥沙输移比公式。为研究黄河不同流域尺度与泥沙输移比的关系，本文基于黄河、延河、杏子河、纸坊沟四级流域90年代末土壤侵蚀遥感调查数据、土壤侵蚀实地测量数据和流域把口水文站的实测资料，获得了各流域尺度的泥沙输移比。通过分析泥沙输移比与流域尺度的关系，可为黄河流域水土保持决策提供理论支持。

1研究区域概况及数据说明

1.1黄河四级流域概况

黄河是中国的第二大河，延河、杏子河、纸坊沟分别是黄河的2级、3级和4级支流，四个流域的面积大小分别是79.5×104km2，0.77×104km2，1486.1km2，8.27km2，面积数量级相差较大，因此可视为不同的流域尺度。其空间位置关系如图1所示。

33图1四级流域空间关系示意图Fig.1Locationsketchofstudiedriverbasins

黄河流域尤其是中游黄土高原区土壤侵蚀严重，且泥沙输移比较大。据统计，三门峡站多年平均输沙量约16亿t，在大江大河中名列第一。近年来，随着径流量的减少和水土保持措施的加强，黄河流域的产沙量大大减少。1990－1999年间，流域年产沙量为389.9×106t/a，仅占50年代年平均产沙量的29.5%［3］。但是径流量一旦增加，黄河流域土壤侵蚀风险仍然很高。延河流域地处陕西省陕北黄土高原腹地，隶属黄土高原丘陵沟壑区第一二副区，流域内水土流失严重，年水土流失模数为9000～15000t/km2，属于强度、极强度侵蚀。杏子河是延河的一级支流，土壤侵蚀也很严重。纸坊沟是杏子河下游的一级支沟，流域地貌极为破碎，沟谷密集。1.2数据说明

（1）土壤侵蚀数据来源：黄河、延河、杏子河流域的土壤侵蚀数据来源于90年代末土壤侵蚀遥感调

查数据，流域土壤侵蚀强度分布见图2。该次土壤侵蚀遥感调查以1∶10万地形图为工作底图，应用陆地卫星TM影像，依据SL190－96《土壤侵蚀分类分级标准》，通过人机交互判读，并结合野外调查和样方测量等方法，进行土壤侵蚀类型及其强度的判别。纸坊沟流域的土壤侵蚀数据来源于中国科学院水土保持研究所通过手扶跟踪数字化仪器制作的安塞土壤侵蚀图，地图比例尺为1∶5000，见图3。土壤侵蚀强度判分依据见《土壤侵蚀分类分级标准》（SL190－96）。

图290年代末黄河、延河、杏子河流域土壤侵蚀强度分布图Fig.2MapofsoilerosioninYellow，YanheandXingziRiverbasinsatendof1990s

（2）水文站输沙数据来源：各流域把口水文站1995－2000年平均输沙量，四级流域把口水文站分

别为利津站、甘谷驿站、杏河站、纸坊沟站。

43图3纸坊沟流域90年代末土壤侵蚀强度分布Fig.3MapofsoilerosioninZhifanggoubasinatendof1990s

2黄河四级流域泥沙输移比计算

泥沙输移比的概念，最初由C.B.Brown于1950年提出，但不同的学者给出了不尽相同的定义，例如牟金泽等将其定义为河流某一断面实测沙量与面上全部总侵蚀量之比［4］。曾伯庆将流域出口实测泥沙量定为输沙量，流域各地总侵蚀量定为产沙量，泥沙输移比即为输沙量与产沙量之比［5］。虽然说法不同，但基本可认为泥沙输移比是某把口站的实测沙量与把口站所控制流域面积的泥沙侵蚀量的比值，可用下式表示SDR=Y/T（1）式中，SDR为某流域的泥沙输移比，Y为该流域把口站的实测产沙量；T为该流域内的总侵蚀量。一般情况下，流域产沙量小于泥沙侵蚀量，输移比小于1；流域产沙量等于泥沙侵蚀量时，输移比等于1；特殊情况下，流域产沙量可能大于泥沙侵蚀量，导致输移比大于1，如泥沙淤积较严重的黄河中下游区域，当年输移下来的泥沙可能包括部分当年侵蚀的泥沙和部分以前在输移过程中淤积下来的泥沙，二者之和可能大于当年侵蚀的泥沙量。根据90年代末各个流域的土壤侵蚀遥感资料和实测资料估算流域土壤侵蚀量，由于资料中的土壤侵蚀量是以土壤侵蚀强度的形式给出的，因此可按每个土壤侵蚀强度的侵蚀模数上限值、中值、下限值三种情况分别计算，再与水文站资料进行对比分析并求得流域泥沙输移比。由于90年代末全国土壤侵蚀遥感普查采用的是以1995－1996年为主的1∶10万TM影像图，以1998年1∶10万的土地利用图为判读参考，1999－2000年集中了大部分影像判读和实地调查工作，因此土壤侵蚀遥感普查结果至少反映了1995－2000年黄河流域的平均土壤侵蚀状况，所以对应的水文站输沙量数据也应该是1995－2000年的平均情况。根据黄河、延河、杏子河、纸坊沟四级流域的把口水文站的水沙资料，计算得到1995－2000年四级流域的平均输沙量，分析如下。2.1黄河流域土壤侵蚀量及输沙量

黄河流域把口水文站为利津水文站，该站控制黄河集水面积约752032km2。根据土壤侵蚀强度数据，利津水文站控制集水区域内黄河流域年土壤侵蚀量的上限、下限和中值分别为：4.13×109t，2.03×109t，3.05×109t。由于上游来水来沙条件的变化，近年来黄河下游水文站测得的水沙量明显下降。尤其是黄河的断流现象，导致入海泥沙锐减，近几年的黄河来沙仅相当于50年代的l/60。2000年黄河为枯水少沙年，黄河干流六站实测年径流量与多年均值的比值自上游向下游逐渐减小，唐乃亥、潼关、花园口和利津四站分别为76%、50%、41%和15%；实测年输沙量与多年平均值的比值则更小，分别为41%、29%、8%和3%。花园口以下各站实际上是小浪底水库蓄水与沿黄引水引沙双重影响的结果。据2000年《中国河

流泥沙公报》［6］资料，2000年利津水文站测得年径流量仅为48.6亿m3，输沙量仅为2220万t，1995－2000年利津水文站平均输沙量约为2.672×108t。2.2延河、杏子河、纸坊沟流域土壤侵蚀量及输沙量

延河流域把口水文站为甘谷驿水文站，该站控制延河集水面积5891km2。经计算，该集水区域内土壤侵蚀量的上限、下限和中值分别为：6.84×107t，3.64×107t，5.24×107t。2000年平均输沙量1.09×107t［7］，1995－2000年甘谷驿水文站平均输沙量约为3.09×107t。杏子河流域把口水文站为杏河水文站，杏河水文站控制杏子河流域面积479km2。经计算，集水区内年土壤侵蚀量的上限、下限和中值分别为：7.39×106t，3.86×106t，5.62×106t。杏河水文站90年代53平均输沙量5.89×106t［8］。纸坊沟流域经过多年来的治理，现已处于生态系统良性循环发展阶段。为了监测流域治理的减沙效益，于1985年在该流域沟口设立了径流观测站开始观测，控制流域面积8.05km2。纸坊沟流域的年际输沙模数变化幅度很大，并与降雨有密切的联系，江忠善和郑粉莉［9］研究了纸坊沟把口观测站1985－2000年16年间各年输沙模数与流域汛期降雨量变化关系。经计算，纸坊沟流域1995－2000年的平

均输沙量约为18541.19t。根据土壤侵蚀评估结果，集水区域内年土壤侵蚀量的上限、下限和中值分别为：32884.02t，17718.73t，24991.22t。2.3黄河四级流域泥沙输移比

图4四级流域水文站控制面积的泥沙输移比上限、下限和中值Fig.4Upperlimit，lowerlimitandmedianvalueofsedimentdeliveryratiosinfourregions

图4是黄河利津站控制流域、延河甘谷驿站控制流域、杏子河杏河站控制流域、纸坊沟水文站控制流域的泥沙输移比关系。由图4可见，四级流域泥沙输移比上限、下限和中值的变化趋势近似，黄河、延河、杏子河流域之间泥沙输移比随流域尺度增大而减小，以杏子河流域为拐点，杏子河、纸坊沟流域之间泥沙输移比随流域尺度增大。就泥沙输移比中值而言，除杏子河流域外，其他三个流域的泥沙输移比均小于1，这与通常所说的黄河流域泥沙输移比约等于1的结论不同。究其原因，一方面与近年来黄河水量减少，水流输沙能力有所降低有关；另一方面也与黄河流域尤其是黄河中游重点产沙区水保力度加大有关系，相关研究表明，黄河含沙量受水土保持的影响显著，含沙量与水土保持面积呈显著的负线性相关关系［10］。