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1、近期流域沙量平衡计算研究进展近期流域沙量平衡计算研究进展第 26 卷第 2 期2007 年 3 月地理科学进展PROGRESSINGEOGRAPHYVo1.26.No.2Mat.20o7近期流域沙量平衡计算研究进展蔡强国 1,崔明 1,-,范昊明,(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点实验室,北京100101;2.中国科学院研究生院,北京 100101;3.沈阳农业大学水利学院,沈阳 110161)摘要:沙量平衡计算是一种探讨侵蚀泥沙从坡面,沟道等处侵蚀起到流域出 Et 输出这一复杂过程十分有效的研究方法,该方法将流域内泥沙的侵蚀,输移,沉积和输出等过程进行综合考虑,既打
2、破了流域泥沙研究的破碎性,也可以有效地评价泥沙输移系统的有效性.近期国外泥沙平衡计算研究在研究方法上有了很大的改进和提高.对其进行总结和评价将有助于我国沙量平衡研究的开展.从而为流域水沙管理提供一个有效的方法和手段.关键词:沙量平衡计算;小流域;流域;土壤侵蚀1 前言侵蚀泥沙从坡面,沟道等处被侵蚀而起至流域出口输出将经历一个复杂的输移过程,对于这一过程的研究将有利于人们对泥沙的控制.沙量平衡计算就是一种探索泥沙运移规律的研究方法.一项完整的沙量平衡计算至少应包括三个主要组成部分,即泥沙输入,沉积泥沙存蓄变化,泥沙输出.沙量平衡方程的形式为:I=O+AS(1)在特殊情况下沙量平衡方程也可能表现为
3、:I=0(2)这种方法能够将流域内泥沙的侵蚀,输移,沉积和输出等过程在沙量平衡计算的框架下进行综合的考虑.打破了流域泥沙研究的破碎性,使流域内泥沙来源,泥沙沉积位置等一目了然【t 卅:另外.沙量平衡计算可以建立在不同的时间和空间尺度上,并将泥沙的输入,输出和沉积泥沙的存蓄变化作为一个整体来进行研究,从而可以有效地评价泥沙输移系统的有效性.并将陆地与河流系统更为紧密的联系起来.沙量平衡计算研究思路发展的原动力.主要是来自于以往研究对泥沙输移过程描述的片面性在很大程度上限制了对流域泥沙科学地管理与控制.1966 年,L_B.1_eopoldt3 等人在NwMi.首次进行了关于沙量平衡计算的实地研究
4、,他们的研究为今天的沙量平衡计算构建起了最初的研究框架.可以说.20 世纪 6070 年代主要是对沙量平衡计算在内涵,意收稿日期:200609;修订日期:2007-01.基金项目:国家自然科学基金委员会重点基金支持研究项目(40635027);q国科学院地理科学与资源研究所自然科学基金延伸支持项目(CXIOG-A0410).作者简介:蔡强国(1946 一),研究员,博士生导师,长期从事土壤侵蚀模拟与 GIS 应用研究.通讯作者:崔明(1979 一).博士生,研究方向为土壤侵蚀与 GIS 应用.Email:cuim.04bigsmr.ac.Oil2 期蔡强国等:近期流域沙量平衡计算研究进展 53
5、义,理论方面的认识与框架形成阶段.经过了早期关于以沙量平衡计算方式进行流域泥沙研究的探索,从理论上基本明确了此种研究方式的价值所在.并有人开始进行了一定的实践性探索1161,但早期的研究限于泥沙观测设备,理论上的不成熟,研究资料与经验积累较少等方面的因素,多难于全面解决侵蚀量,沉积量,输出量的计算.至 2O 世纪 8O9O 年代掀起了有关沙量平衡计算研究的热潮.主要表现为实践性研究的增多.对沙量平衡计算内容的考虑更加完善/7o1,对沙量平衡计算研究的意义进行扩展1】 】.新技术的应用更加广泛【l2】.沙量平衡计算理论也更加成熟【l31程龙渊等t41 认为,沙量平衡计算仅仅是对流域泥沙在量上的一
6、种清算.对泥沙输入,输出及沉积泥沙存蓄变化发生的物理机制考虑较少.导致各组成部分过于松散.而且如果不是对沙量平衡的每一个主要组成部分都进行了测量.在平衡方程构建时人为硬性使方程闭合容易造成较大误差等.可见.以沙量平衡计算的方法研究流域泥沙输移存在一定的不足.但是.随着计算水平和速度的发展以及新技术的引入.为沙量平衡计算研究注人了新的生机.2 流域沙量平衡计算近期关于沙量平衡计算研究的发展主要表现在应用技术的进步.一般分为流域和小流域两个尺度进行,流域尺度的沙量平衡研究方法(见表 1),主要有水文站网观测资料分析,遥感影像分析及 GIS 技术的应用,137Cs 等示踪元素的测算及建模等.很多学者
7、用位于流域不同地段水文站的水沙数据.来进行水沙平衡计算并确定流域的主要产沙区,如BernardRondeaneta1.151 用流域上下游的 4 个水文站 19891993 年的水沙资料对加拿大的圣劳伦斯河进行了流域沙量平衡计算.并查清了该流域的主要产沙区:JiongxinXueta1.【t61用水文站的水沙数据对黄河泥沙进行了清算.并确定黄河中游的多沙粗沙区是黄河下游沉积泥沙的主要来源区.为黄河的泥沙治理提供了科学的理论依据;JeanJacouesMacaireeta1.【7】则利用水文站的水沙资料结合流域内不同组成的沉积物体积量算.对巴黎平原的一条流域面积为162km2 的流域侵蚀堆积情况
8、进行了研究.认为全新世时期流域内的侵蚀非常强烈.而人类活动使侵蚀减弱.应该指出的是这种分析方法是建立在丰富的水文站网数据基础上.在我国很多地区,健全的水文站网体系还没有建立起来.这就一方面要求决策者们在水文站网的建立方面继续努力.另一方面要求研究者们可以另辟蹊径.充分利用其它资料进行研究.随着计算机技术的发展.GIS 和 RS 也越来越多的被应用在流域的泥沙平衡计算中.如J.Steigereta1.【8】运用早期的地图,航片等判断法国 Garonne 河道的迁移和断面的变化情况;JackLewis191 在加州一个流域的 DEM 上用分级随机取样法识别小规模侵蚀(7.6m),用航片识别大规模的
9、侵蚀(3800m3)来进行流域侵蚀量的估算:StuartN.Laneeta1.【砌用 3 幅不同时期的遥感影像生成高分辨率的 DEM 根据其间的变化计算了一条辫状河流下游河床的侵蚀,沉积量.从而证明了计算机技术在流域土壤侵蚀研究中的可行性及有效性.但是同时可以看到.由于计算机性能等的限制.在要求高精度的情况下,分析的区域相对较小,而在大区域范围内进行分析.其精度又受到很大的限制.所以,应用这些高新技术时的效率问题是一个非常值得注意的问题.54 地理科学进展 26 卷地理信息系统(GIS)技术的发展.也使得根据空间分布把各种测量数据整合到一个复杂系统中成为可能.同时随着地貌理论的不断完善.各种测
10、量精度的提高,流域侵蚀,产沙概念模型应运而生.可以使我们从全局的角度更加直观的了解流域各种侵蚀类型发生的位置,数量以及各级沟道系统之间的联系 JenniferA.Curtiseta1.2l】运用 GIS 技术在加州内华达山脉中的一条河流上游 3480km2 的流域范围内建立概念模型对流域的沙量平衡进行清算,取得了比较理想的效果从而可以看出概念模型在中尺度流域范围内泥沙平衡计算中的潜力很大.虽然模型的校正和检验要求有大量的实地测量数据的支持,但模型的理论框架的搭建本身就使我们对流域的全局有了一个整体的认识.可为以后研究工作提供非常有价值的参考.自从 Rogowski 和 Tamura 把示踪元素
11、引入为土壤侵蚀研究以来,受到很多地貌过程研2 期蔡强国等:近期流域沙量平衡计算研究进展 55究者的重视.也为用沙量平衡研究土壤的再分布提供了强有力的研究手段23-2s.近期应用示踪元素进行流域沙量平衡计算的研究比较多.如 J.Steigereta1.【18】用 37Cs 示踪元素计算了法国 Garonne 河漫滩的净泥沙沉积量;JolantaSwiechowicz 运用 37Cs 示踪元素计算出了荷兰南部海岸带的一个流域坡面的侵蚀量:PhilipN.Owenseta1.301 应用 Cs 和ph 示踪元素法计算出苏格兰 Tweed 河中游河漫滩不同时期的沉积速率.虽然示踪元素直接反映的是不同部
12、位多年的净侵蚀,沉积量,不能反映流域的侵蚀沉积动态过程,但给我们展现出了侵蚀,沉积后的具体位置等情况.为今后的分析研究提供了理想的平台.3 小流域沙量平衡计算小流域是整个中尺度流域的基本组成单元,一个小流域就是一个包括侵蚀,搬运,沉积,产沙完整产沙过程的水文单元.小流域内的侵蚀沉积情况也是我们关注的焦点.而且小流域的坡面是整个系统泥沙的主要来源,要研究大流域的泥沙平衡,首先要算清小流域的产沙量近期关于小流域产沙量(见表 2)一般采用实地测量结合元素示踪,GIS 等高新技术方法进行的研究比较多,如 D.E.Wallingeta1.【31】在英国的两个不到 4kin 的小流域应用 GIS 技术把根
13、据坡面不同土地利用方式地块的侵蚀量估算的坡面总侵蚀量,Cs 示踪元素计算沟道,湿地内的沉积量,流域出口的水沙测量数据整合到小流域系统中,成功地完成了泥沙平衡的表 2 近期小流域沙量平衡研究情况Tab.2Recentresearchesonsedimentbudgetinsmallcatchments堡耋MioKasai,TomoniMarutanieta1.资料来源与方法研究目标研窒壁盔GerrVerstraeten,JeanPoesenMichae】C.Slattery,PaulA.Gareseta1.用切沟面积推算其产沙量,直接测量河床及河岸堆积物计算沟道产沙量,沉积量实地测量池塘中的沉积
14、物体积实测小流域出口水沙及坡面上细沟的水沙D.J.Wallbrink,“7Cs,.Pb 示踪法B.P.Roddyeta1.D.E.Walling,M.A.Russelleta1.AndreasKrein-ElienPettiCIIWeta1.S-Tellunerman,QGoverseta1.J.Casali,J.Loizneta1.直接测量出口处水沙和“rCs 示踪法获得沟道和湿地内沉积量:用 GIS 在DEM 中整合不同地块的侵蚀量色度仪等仪器测量水样泥沙自动监测站和沙盘捕捉分别测定输出沉积泥沙田间实测细沟,浅沟体积比较两个时期不同的SDR,揭示其规律并找出变化原因定量研究小流域的产沙量坡
15、面一沟道汇沙的连通性小流域泥沙来源,泥沙传输速率,沉积及流失量确定小流域沙源区,估算 SDR7 个支流域(O-33-0.49km)比利时中部 21 个小流域北卡的海岸平原19.4ha 的小流域澳大利亚伐后12ha 小流域英国两个小于4km2 的小流域20o120o220o2利用泥沙粒径,色度德国西部 25kin22003等判断沙源小流域年内泥沙输出,沉积比利时河口处的的规律及影响因素沼泽讨论不同取样间隔量西班牙纳瓦拉中算细沟,浅沟侵蚀量部地区的精确度20o320o6地理科学进展 26 卷清算,并找出主要的泥沙来源.当然,田间实测各种侵蚀类型如细沟,浅沟,切沟及堆积物体积【33】,小流域连接池塘
16、的沉积泥沙体积也是小流域泥沙平衡计算不可或缺的手段.可见,计算小流域内坡面,沟道的侵蚀,沉积量是研究小流域沙量平衡的关键.4 总结从大流域的沙量平衡计算的目的来看,主要集中于三个方面的量算:首先是流域各个支,干流段的汇水,汇沙量的测量,主要通过分析各支流,干流上的水文站实测的水沙资料获得;第二是流域河床与河漫滩侵蚀,堆积量的量算,主要通过遥感卫星影像的解读或者是研 Cs 技术的应用获得;第三是流域内明显的堆积体体积的量算.通常以实地测量来估算.多数研究者在一项研究中侧重于解决其中的一个方面.其中的第一项.流域各支流的汇水,汇沙规律,取决于组成各支流的小流域产水,产沙及汇水,汇沙情况,而后两项的计算精度主要取决于现代测量技术的精确程度,可见,研究组成流域的基本单元一小流域的侵蚀,沉积规律对于细化大流域的沙量平衡计算很有帮助.小流域沙量平衡计算目标.也主要集中于 3 个方面的量算:首先是利用实地测量,径流试验小区或者放射性元素示踪等方法确定不同侵蚀类型或者不同土地利用方式地块的净侵蚀量之和即坡面侵蚀量:其次是小流域出口径流,泥沙输出量的测量;以
