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黄河的关键问题是泥沙。从上世纪中叶开始,国内学者就展开了对黄河泥沙来源问题的研究。凭其定义简单,易理解,且可以有效联系流域侵蚀产沙与河道泥沙输移等优点,泥沙输移比长期以来被作为反映流域水流输移侵蚀泥沙能力、判断河道演变趋势、掌握泥沙输移动态的因子用于土壤侵蚀产沙研究。自龚时炀上世纪70年代末提出黄河中游多年平均泥沙输移比为1以来这一结论已得到一些研究者的认同,但事实上,不同时间和空间流域泥沙的存贮一释放对气候和水文要素的响应机制都有所不同,上世纪七八十年代人类干预的增强,黄河泥沙特性变化更加复杂。
本论文在系统研究不同流域尺度泥沙输移比空间变化特征的同时,注重泥沙输移时间动态规律的探讨,充分运用传统地学统计、Googleearth、ArcGis等技术手段对原始资料进行深入发掘,定量分析黄河流域泥沙输移比时空变化规律,并深入剖析泥沙传输特征对自然因素和人类活动的复杂响应,揭示流域侵蚀、输移行为的复杂性,寻求黄河流域时空耦合条件下泥沙的存贮—释放机制。取得了一些建设性的成果:
(1)在以岔巴沟为代表的黄土丘陵沟壑区沟道小流域尺度,从毛沟到干沟,1961-1967年7年平均泥沙输移比呈现先减小后增大的空间变化趋势。毛沟泥沙输移比为1,支沟略小,干沟较大。经分析,流域系统中普遍存在的高含沙水流的强大侵蚀、搬运营力是造成上述现象的主要原因。毛沟中的侵蚀泥沙被高含沙水流全部带走,冲淤平衡;进入支沟尺度,受沟道比降、降雨特征等因素影响,泥沙中的粗颗粒部分在沟道中发生落淤并暂时“存贮”,泥沙输移比减小,随着尺度继续增加,各级支沟的汇流作用使干沟高含沙水流含沙量增大,侵蚀能力增强,细颗粒泥沙的凝絮作用使得粗颗粒泥沙的沉速大幅度降低,并使高含沙水流基本保持在较小比降下运动,把自身挟带泥沙搬运走的同时,还将早先淤积在沟道中相对较多的泥沙和重力侵蚀产物也搬运出河口,从而发生大量泥沙“释放”。小时间尺度上泥沙输移比空间变化取决于当年(季、月)降雨径流特性和暴雨洪水在整个流域空间分布情况。
岔巴沟流域月际、年际泥沙输移比变化大,泥沙存在淤积和冲刷的暂时性不平衡,短期泥沙滞留和滞留泥沙重新侵蚀搬运的情况在流域系统中不断出现。非汛期以存贮为主,丰水年则表现为释放,汛期和枯水、平水年的泥沙存贮释放状态取决于高含沙水流与非高含沙水流不同的输沙动力与需要由水流输送的泥沙负载量(主要是坡面侵蚀的粗颗粒物质和重力侵蚀产物)之间的对比关系。80年代岔巴沟处于泥沙存贮状态,十年平均泥沙输移比为0.335,这一时期人类活动的影响十分明显,特别是大量淤地坝的建设对泥沙存贮的贡献巨大。
(2)无定河流域上世纪80年代以存贮为主,各支流出口控制站平均输沙量远远小于实际侵蚀量,十年平均泥沙输移比均在0.5以下,而且大小不一,随流域面积增加整体呈现不规则“W”形状。两个低峰出现在面积为2415km2的芦河横山站和15325km2的无定河上游赵石窑水文站控制范围内,仅为0.117和0.163,最高值出现在3893km2的大理河流域,为0.412,黑木头川殿市(0.258)和马湖峪(0.252)相差不大,无定河中下游干流控制站丁家沟和白家川站SDR居中,且丁家沟(0.256)低于白家川(0.360)。月际、年际间分布情况基本一致,是自然因素和人类活动共同作用的结果。
对月际尺度无定河流域SDR进行分析的结果显示,干流和支流泥沙释放时段出现不同的变化趋势。对于绝大多数年份而言,在一个水文年中,干流表现为汛期存贮,非汛期释放,汛期存贮量大于非汛期释放量,全年显示泥沙存贮。支流主要表现为非汛期存贮,汛期存贮或释放,全年泥沙的状态取决于两个时期存贮量和释放量的大小。经分析,主要是由于干支流挟沙水流物理力学性质不同引起的,干流尺度非汛期悬移质泥沙由基流沿程冲刷河床产生,支流尺度非汛期基流小,不足以全部搬运侵蚀产生的泥沙,因而发生淤积。在汛期,干流河道洪水的含沙量不是很高,因而不能将河床中的粗颗粒泥沙输送到下面,一部分产沙在沟道内淤积下来。相反,支流河道洪水有足够大的含沙量,固—液两相流的液相已具有较大容重,有能力搬运前期非高含沙洪水过程中沉积下来的粗颗粒泥沙,从而发生释放。值得注意的是1983年7月、1985年6月、1986和1988年9月干流流域在汛期和非汛期都发生了冲刷,情况与总趋势不同,夏季入汛以后,较强暴雨径流则使黄土受到强烈侵蚀,也发生了释放。
(3)1950-1989年以来,河龙区间无论是干流各段还是各支流来沙量发生了很大的变化,下降趋势均较为明显。对区间河道及各支流泥沙输移比进行分析的结果显示,50年代整个河龙区间乃至各支流泥沙输移比为1的结论是可以支持的,60、70年代开始减小,而且减小幅度各有不同,80年代已有明显差异,和70年代相比,SDR最大减幅达52.9%。各支流泥沙输移比空间变化情况复杂,对这些支流多年降雨量、土层厚度、河道比降、人类活动等影响因素进行分析,认为50年代各支流泥沙输移比接近l是由河龙区间特定的自然条件决定的,是多暴雨气候条件、极易侵蚀的黄土母质、稀疏的地表覆被加上整体处于壮年期地貌发育阶段综合作用的结果。自然状态下,不论面积大小,河龙区间各支流侵蚀产沙几乎可以完全输出河口进入干流。随着近年来降雨量减少和人类改造自然的进一步深入,水库、淤地坝、植树造林等水利水保措施大规模建设、不合理活动带来人为大量增沙,河龙区间的泥沙输移状况已经深刻地受到人类活动的影响。可以说,泥沙输移比随流域面积的变化趋势更大程度上体现了人类活动在不同时期、不同空间范围上的干扰程度和强度,特别是水库、淤地坝和林草措施在不同支流布设数量、有效库容和存活率方面的差异。此外,人为增沙也逐渐成为影响泥沙输移比的重要因素。