朱金鳳 張 浩 宋克鵬

（華北電力大學(xué) 北京 102206）

引言

自21 世紀(jì)以來(lái)，水文連通性越來(lái)越受到了水文學(xué)的重視，而在過(guò)去10 年，泥沙連通性則成為水土流失領(lǐng)域的新議題[1]。泥沙連通性重點(diǎn)關(guān)注流域內(nèi)不同地貌或景觀單元間的泥沙級(jí)聯(lián)關(guān)系，是決定流域泥沙輸移方式、效率和規(guī)模的重要因素，是探究泥沙來(lái)源、識(shí)別水土保持重點(diǎn)區(qū)域的基礎(chǔ)，探討泥沙連通性具有重要意義。目前研究泥沙連通性的方法包括野外調(diào)查法和指標(biāo)法，野外調(diào)查法可以在不同大小的空間尺度上使用，但調(diào)查結(jié)果僅為定性成果，大體上可以反應(yīng)流域泥沙源匯級(jí)聯(lián)關(guān)系，無(wú)法定量度量泥沙連通性。盡管當(dāng)前已開發(fā)建立有較多指標(biāo)廣泛探討連通性，如：Borselli 等人[2]研究的連通性指標(biāo)（IC）、有效流域面積、地形濕潤(rùn)指數(shù)（ITWI）、泥沙輸移比（SDR）等，但大多指標(biāo)側(cè)重于揭示水文連通性，只能作為泥沙連通特征的輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)[3～5]。探求泥沙連通性直接的定量評(píng)估方法與指標(biāo)，對(duì)流域綜合治理具有直接指導(dǎo)意義。本研究以昕水河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，采用相關(guān)研究[6]提出的“地形-水文響應(yīng)單元（Slope-HRU）指數(shù)”，探討該指數(shù)對(duì)于評(píng)價(jià)研究區(qū)流域侵蝕產(chǎn)沙的適用性，并揭示影響泥沙連通性潛在控制因素的貢獻(xiàn)率分析。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)處理

1.1 研究區(qū)概況

昕水河流域位于110°30′～111°27′E，36°36′～36°55′N 之間，是黃河的一級(jí)支流。昕水河發(fā)源于山西省蒲縣，幾經(jīng)彎折，經(jīng)過(guò)喬家灣、隰縣午城鎮(zhèn)于大寧縣流入黃河。干流全長(zhǎng)178km，流域總面積3992 km2，高程699-2010m（圖1）。流域?qū)侔霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫7～10℃，多年平均降水量在460～570 mm 之間，降水年內(nèi)與年際變化大，降雨主要集中于7-10月，研究區(qū)植被類型以次生灌叢草木為主。

圖1 研究區(qū)域地理位置

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本研究土地利用與植被數(shù)據(jù)為2005 年Landsat TM 衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，空間分辨率為30m，參考土地利用分類國(guó)標(biāo)的分類體系，將土地利用類型分為水域、建設(shè)用地、林地、草地和耕地5 類。此外，氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)的2000-2010 年逐日實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，2000-2010 年實(shí)測(cè)日徑流數(shù)據(jù)來(lái)自于大寧水文站的實(shí)測(cè)徑流數(shù)據(jù)。DEM 數(shù)字高程圖下載于地理空間數(shù)據(jù)云，土壤數(shù)據(jù)下載于Harmonized World Soil Database 網(wǎng)站，比例尺為1:100 萬(wàn)。

2 研究方法

2.1 地形-水文響應(yīng)單元（Slope-HRU）指數(shù)

周自翔等[6]基于源-匯理論，考慮土地利用類型、土壤類型、坡度等構(gòu)建了“地形-水文響應(yīng)單元（Slope-HRU）指數(shù)”，Slope-HRU 指數(shù)是以水文響應(yīng)單元為基本單元，相對(duì)于某一坡度而建立的“源-匯”指數(shù)，用公式表示如下：

式中：R 為Slope-HRU 指數(shù)的值，M 和N 分別是匯、源景觀加權(quán)面積總和；Si為第i 個(gè)水文響應(yīng)單元的面積；K源和K匯分別是同一土地作為源和匯時(shí)其土壤侵蝕能力，C源和C匯分別為作為源和匯區(qū)的的植被覆被與管理因子，0≤C源≤1，α 為水文響應(yīng)單元所在坡度。公式中R 值越小，代表該處的產(chǎn)沙量越大，水土流失越嚴(yán)重，相反，則產(chǎn)沙量越小，泥沙連通性越小。

R 計(jì)算需要確定土地利用類型權(quán)重，某一水文響應(yīng)單元的某種土地利用類型作為源和匯的貢獻(xiàn)率不同。RUSLE 模型全面考慮了影響土壤水蝕的過(guò)程因素，其中，C 值能反映植被覆蓋和管理變量對(duì)水土流失的綜合作用。較多相關(guān)研究中[7][8]，多采用RUSLE 模型里的C值來(lái)替代土地利用類型權(quán)重。據(jù)此，本研究根據(jù)前期相關(guān)研究方法，借鑒土壤侵蝕通用方程中的C 值，對(duì)不同土地利用/覆被類型給予源匯權(quán)重賦值（表1）。

表1 土地利用類型權(quán)重貢獻(xiàn)

2.2 主成分分析法

為量化各潛在因素對(duì)Slope-HRU 指數(shù)的影響貢獻(xiàn)大小，采用主成分分析法對(duì)影響泥沙連通性的潛在控制因素進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。參照前人研究，選取8 個(gè)影響R 值的因子對(duì)R 值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，具體為水體X1、草地X2、建設(shè)用地X3、耕地X4、喬木林地X5、降雨量X6、土壤可蝕性因子X7、地形坡度X8。

3 結(jié)果

3.1 R值的空間分布

以昕水河流域各子流域的水文響應(yīng)單元為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，計(jì)算昕水河25 個(gè)子流域的Slope-HRU 指數(shù)R 值。結(jié)果表明：在子流域尺度上R 值存在明顯的區(qū)域分異規(guī)律（圖2），屬于高度空間異質(zhì)。在整個(gè)流域上，R 值呈現(xiàn)出由北向南，由西向東遞增的趨勢(shì)。R 值的高值區(qū)主要分布在21、22、24、25 號(hào)子流域，低值區(qū)主要分布在1、3、4、7 號(hào)等子流域。作子流域Slope-HRU 指數(shù)R值與子流域產(chǎn)沙量的散點(diǎn)圖（圖3）。線性擬合表明，各子流域的R 值與年產(chǎn)沙量的關(guān)系顯著（P＜0.01，R2=0.75）；另做R 值與產(chǎn)沙量的pearson 相關(guān)分析，相關(guān)系數(shù)為-0.713，呈顯著負(fù)相關(guān)。說(shuō)明R 值有效揭示了研究區(qū)流域侵蝕產(chǎn)沙特征。該擬合模型將有助于進(jìn)一步對(duì)研究區(qū)無(wú)水文觀測(cè)區(qū)域侵蝕產(chǎn)沙預(yù)測(cè)。

圖2 昕水河流域2005年R值空間分布圖

圖3 產(chǎn)沙量與R值的散點(diǎn)圖

3.2 R值空間分布潛在控制過(guò)程

前述相關(guān)分析較好揭示了Slope-HRU 指數(shù)可有效反映流域侵蝕產(chǎn)沙的問題。為進(jìn)一步揭示并量化各潛在控制因素對(duì)Slope-HRU 指數(shù)的影響及貢獻(xiàn)，本研究采用主成分分析法予以分析。

由初始數(shù)據(jù)計(jì)算各指標(biāo)因子相關(guān)矩陣并提取出3個(gè)主成分，其對(duì)應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率如表2。前三個(gè)主成分的特征值均大于1，第一主成分的貢獻(xiàn)率為49.31%，第二主成分的貢獻(xiàn)率為24.23%，第三主成分的貢獻(xiàn)率為13.32%。3 個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為86.86%，大于85%，因此，前3 個(gè)主成分能夠反映原來(lái)所選取的8 項(xiàng)指標(biāo)的絕大部分信息。

表2 特征值及貢獻(xiàn)率

由主成分分析計(jì)算得到的因子載荷矩陣見表3。第一主成分F1與X2（草地）、X3（建設(shè)用地）、X4（耕地）、X6（降雨量）存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，與X5（喬木林地）存在較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系?？梢?，喬木林地區(qū)別于其他土地利用（包括草地、耕地、建設(shè)用地），可有效減少地表泥沙連通特性；此外，除土地利用類型以外，降雨量也是影響Slope-HRU 指數(shù)的重要因素，區(qū)域降雨增大，將顯著促進(jìn)泥沙連通性發(fā)展。第二主成分F2與X7（土壤可蝕性因子）存在較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，第三主成分F3與X8（地形坡度）呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明土壤可蝕性、地形坡度是影響Slope-HRU 指數(shù)的主要影響因子，但其地位作用較土地利用及降水要弱。由以上分析可知，土地利用類型是影響R 值的第一重要因素，其貢獻(xiàn)率是49.31%；其次是土壤可蝕性因子，貢獻(xiàn)率是24.23%；再之是貢獻(xiàn)率為13.32%的地形坡度。

表3 因子載荷矩陣

4 討論

本研究中R 值和產(chǎn)沙量具有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），其相關(guān)系數(shù)為-0.713，表明Slope-HRU 指數(shù)可以較好的反映研究區(qū)流域水土流失特征，研究所構(gòu)建的擬合模型對(duì)于無(wú)水文觀測(cè)流域的泥沙預(yù)測(cè)具有重要意義。與預(yù)期有所不同，研究發(fā)現(xiàn)不同土地利用類型中僅喬木林地可有效減少泥沙連通特性，而草地則并不利于泥沙連通性的控制，這對(duì)于黃土區(qū)如何開展植被建設(shè)以有效控制區(qū)域土壤侵蝕有重要意義。此外，除了土地利用類型是泥沙連通特性的首要控制因素之外，降水也具有同等重要的作用。當(dāng)前泥沙連通性指標(biāo)的構(gòu)建較少有提及降雨這一過(guò)程。如若動(dòng)態(tài)揭示泥沙連通變化特性，有必要考慮降水因素。Slope-HRU指數(shù)的構(gòu)建被認(rèn)為具有開放性。下一步研究，可以通過(guò)加入更多的環(huán)境屬性和指標(biāo)（如：降水）來(lái)改善Slope-HRU 指數(shù)，以動(dòng)態(tài)揭示區(qū)域侵蝕產(chǎn)沙情況。

結(jié)語(yǔ)

本文基于Slope-HRU 指數(shù)，對(duì)昕水河流域泥沙連通性進(jìn)行研究，研究表明：（1）子流域R 值與產(chǎn)沙量呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系（y=-2.43x+7.44，相關(guān)系數(shù)為-0.713），說(shuō)明Slope-HRU 指數(shù)能夠有效的表征昕水河流域侵蝕產(chǎn)沙特征，擬合模型可用于研究區(qū)無(wú)觀測(cè)區(qū)域侵蝕產(chǎn)沙預(yù)測(cè)。（2）對(duì)影響R 值的潛在控制因素貢獻(xiàn)進(jìn)行量化分析，表明：影響R 值的第一控制因素為土地利用類型，其次是土壤可蝕性因子，再之是地形坡度的影響。（3）研究建議，在下一步研究中，有必要將降水這一因素納入考慮，以動(dòng)態(tài)分析泥沙連通及侵蝕產(chǎn)沙變化，對(duì)流域水沙治理具有重要意義。