袁再健^1,2,, 孙倩¹
1. 河北科技大学经济管理学院,石家庄 050018
2. 广东省生态环境与土壤研究所,广州 510650

Runoff-sediment relationship for various spatial scales in the Daqinghe rocky mountainous area

YUANZaijian^1,2,, SUNQian¹
1.School of Economics & Management,Hebei University of Science & Technology,Shijiazhuang 050018,China
2. Guangdong Institute of Eco-environment and Soil Sciences,Guangzhou 510650,China
收稿日期:2015-10-19
修回日期:2016-02-18
网络出版日期:2016-04-25
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:国家自然科学基金项目（40901130）河北省自然科学基金项目（10457205）河北省高等学校青年拔尖人才项目（BJ2014078）
作者简介:
-->作者简介:袁再健,男,湖南武冈人,博士,教授,主要从事水土保持、生态水文与GIS应用研究。E-mail:selfsurpass@163.com



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摘要
以海河流域大清河土石山区为研究对象,探讨了微型径流小区、普通径流小区、微型小流域——万亩林、小流域——崇陵小流域与杨树沟、中大流域——拒马河上游与唐河上游5种空间尺度的水沙关系。结果表明,这5种空间尺度次降雨产沙模数与地表径流深均具有较强的线性正相关关系,并且可以用比例函数来拟合;小区及小流域尺度的产沙模数与次降雨量也有较好的线性正相关关系, 而各尺度的产沙模数与平均降雨强度无明显相关性;在侧柏林、松树林、灌草地、荒地（有枯枝落叶覆盖）与裸地这几种土地利用方式中,裸地的产沙模数、径流系数最高,其次是荒地,侧柏林最小,且枯枝落叶覆盖能大大减少坡面水土流失;侧柏小区的产沙模数、径流系数均小于松树小区,其原因可能是侧柏的树冠截留较松树大;在小区尺度,侧柏、松树、灌草地与有枯枝落叶覆盖的荒地小区具有相近的水沙关系。因此,在大清河土石山区,植被覆盖可以通过减水来减沙。

关键词：大清河土石山区;空间尺度;比例函数;减水减沙
Abstract
Soil and water loss in the Daqinghe rocky mountainous area in the Haihe Basin,China is serious. Here,we discuss the runoff-sediment relationship at five spatial scales:micro runoff plot,normal runoff plot,micro watershed,watershed,medium and large basin. The results show that there are strong positive linear correlations between sediment yield modulus (Ms) and surface runoff depth (Rs) at these spatial scales,and the proportional function can be used to fit their linear relationship. There is a good linear correlation between Ms and rainfall,but there are no obvious correlations between Ms and the average rainfall intensity. In the several land-use patterns (i.e. Platycladus orientalis,pine,shrubbery,uncultivated land and bare land),the Ms and runoff coefficient of bare land are significantly higher than those of others. The Ms and runoff coefficient of the arborvitae plot are smaller than those of the pine plot, the reason is the canopy interception of arborvitae is slightly larger than the pine. In addition, forest litter cover can greatly reduce water loss and soil erosion of slopes in this region. At the plot scale, with the deciduous vegetation or litter cover there are similar runoff-sediment relationships. In our opinion, vegetation cover can reduce sediment due to a reduction in runoff for slopes in the Daqinghe rocky Mountainous area. For the lack of grassland and farmland runoff plot data in this study,the results primarily analyzed the relationship between runoff and sediment. This study can help lay a theoretical foundation for predicting soil and water loss in the comprehensive management of the Haihe River basin.

Keywords：Daqinghe rocky mountainous area;spatial scale;proportional function;reducing runoff and sediment

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袁再健, 孙倩. 海河流域大清河土石山区不同空间尺度水沙关系分析[J]. , 2016, 38(4): 750-757 https://doi.org/10.18402/resci.2016.04.16
YUAN Zaijian, SUN Qian. Runoff-sediment relationship for various spatial scales in the Daqinghe rocky mountainous area[J]. 资源科学, 2016, 38(4): 750-757 https://doi.org/10.18402/resci.2016.04.16

1 引言

土壤侵蚀是一个对尺度高度依赖的复杂动态过程^[1]。近年来,国内外众多****开展了多时空尺度的水沙关系研究。江忠善等研究了陕北安塞县纸坊沟流域内的两个小流域侵蚀强度的空间变化规律及其与土地利用、地貌的关系^[2]。肖学年等以黄土丘陵区岔巴沟为例,定量分析了该流域次降雨水沙关系及其空间变异性^[3]。鲍卫锋等研究表明,人类活动是清涧河流域水沙演化的主导因素,且时间尺度越大这种趋势越显著^[4]。王海龙等研究发现,近50年来,黄河入海水沙通量具有明显的年际和年代际变化特征^[5]。郑明国等探讨了黄土丘陵沟壑区王家沟流域水保措施与植被对不同空间尺度水沙关系的影响,结果表明,治理流域和非治理流域水沙关系相同,治理流域通过减水来减沙^[6,7]。在黄土丘陵沟壑区的坡面小区,植被既通过减水减沙,也通过改变水沙关系来减沙,而在全坡面、小流域以及中大流域3种空间尺度,植被通过减水来实现减沙,但没有改变水沙关系。张永等探讨了黄河中游水沙变化关系不确定性的时间尺度特征,结果表明,黄河中游水沙变化关系在短、中、长周期尺度上均以同一性为主^[8]。王玲玲等定量分析了黄土丘陵沟壑区不同空间尺度地貌单元水沙关系,结果发现坡面尺度地貌单元的径流深和输沙模数在多年平均时间尺度上都大于流域尺度地貌单元,不同空间尺度地貌单元水流输沙能力随着空间尺度的增大而减少,并且不同空间尺度地貌单元径流量和输沙模数具有较好的线性关系^[9]。如果把地形、植被、土壤等因素考虑进来,具体流域的径流或降水与产沙的经验关系可能适用于大尺度^[10]。总的来说,上述研究大多是针对黄河流域进行,目前,有关中国北方土石山区水沙关系的研究尚未见报道。因此,本文拟以中国典型的北方土石山地丘陵区——海河流域大清河土石山区为研究对象,在前人研究的基础上,分析多种空间尺度的水沙关系,为海河流域的水土流失预报及综合治理提供参考。

2 研究区概况与数据来源

2.1 研究区概况

海河流域是中华文明发祥地之一,东临渤海,西倚太行,南界黄河,北接蒙古高原,包含北京、天津、河北、山西、山东、河南、内蒙古和辽宁8个省（自治区、直辖市）的全部或部分地区,面积32万km²。根据全国第二次遥感调查结果,海河流域水土流失面积占其流域总面积的33.2%,且土壤侵蚀以水力侵蚀为主,水蚀面积为9.9万 km²,且山区水土流失风险显著高于平原地区,其中太行山区最高^[11,12]。大清河山区位于海河流域太行山的中北部,界于113 °39'E-116 °10'E,38 °23'N-40 °09'N（图1a）,面积约1.9万km²,是太行山的重要组成部分,水土流失较为严重。该区山体切割强烈,山势高峻,河谷深切,支脉发育,并嵌有小型盆地和断裂谷地。研究区属中温带半湿润气候亚区,春季干旱多风,夏季炎热多雨,秋季气候凉爽,冬季寒冷少雪。气温、降水自东南向西北递减,多年平均气温为12 ℃,多年平均降水量为560mm（1990-2013年）,且降水量年内分配不均,6-9月的降水量约占全年80%。大清河山区棕褐土分布较广,其次是棕壤、淋溶褐土及粗骨土。植被垂直分布明显,在1 600m以上为华北落叶松（Larix principis-rupprechtii）、云杉（Picea asperata Mast）、桦树（Betula platyphylla Suk）,800~1 600m是油松（Pinus Tabulaeformis）、辽东栎（Qu-ercus wutaishanica）、槲栎（Quercus aliena Blume）,800m以下主要为侧柏（Platycladus Orientalis）、毛白杨（Populus Tomentosa）、柳（Salix matsudana Koidz）、榆（Ulmus pumila Linn）、槐（Sophora japonica Linn）、山杏（Armeniaca sibirica）,在沟谷缓坡上多柿（Diospyros kaki）、枣（Ziziphus jujuba Mill）、花椒（Zanthoxylum bungeanum Maxim）和苹果（Malus pumila Mill）、梨（Pyrus）、杏（Arme-niaca vulgaris Lam）,灌木主要有荆条（Vitexnegundo var.Heterophylla）、酸枣（Ziziphus Jujube var.Spinosa）、白草（Bothriochloa Ischaemum）等。
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图1研究区位置
-->Figure 1Location of the study area
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2.2 数据来源

水沙数据（1985-2001年）主要来源于分布在唐河上游的中唐梅站（集雨面积3 480km²）、拒马河上游紫荆关站（集雨面积1 760km²）、崇陵小流域（39 °22'N-39 °25'N,115 °21'E-115 °23'E）出口的崇陵水文站（集雨面积6km²）、杨树沟站（集雨面积1.1km²）与万亩林站（集雨面积0.5km²）（图1b）以及布设在崇陵小流域坡面上3个面积为50m²的普通径流小区与2个面积为1m²的微型径流小区（表1）的多年水沙观测资料（1987-1991年）。降雨数据来源于分布在唐河上游、拒马河上游与崇陵小流域的各雨量站（图1）以及径流小区的自记雨量计。径流小区由HOBO计数器实时监测和记录降雨过程,小区坡面下端接入薄壁三角堰箱,产流量用大桶收集并取样测量含沙量。
Table 1
表1
表1崇陵小流域径流小区基本情况
Table 1Conditions of the runoff plots in the Chongling watershed

序号	小区名字	土地利用方式	植被类型/土地覆被	坡度/°	坡长/m	面积/m2	监测项目
1	荒地小区	荒地	枯枝落叶	10.2	1	1	降水量、径流量、含沙量等
2	裸地小区	裸地	无	12.7	1	1
3	侧柏小区	林地	侧柏	12.0	10	50
4	松树小区	林地	油松	12.0	10	50
5	灌草小区	灌草地	荆条、酸枣、白草等	12.0	10	50

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3 结果及分析

3.1 不同土地利用类型的小区尺度产流产沙分析

对比分析径流小区的产流产沙情况发现,在降雨条件相同情况下,裸地小区产沙模数（M_S,t/km²）、径流系数（α）明显大于其它小区,荒地小区次之,侧柏小区最小,灌草小区介于松树小区与荒地小区之间（见表2）。由此可见,在这几类径流小区中,植被覆盖是引起其产沙模数、径流系数差异的主要原因,侧柏小区的径流系数小于松树小区的原因可能是侧柏的树冠截留能力比松树强,进而使得侧柏小区的产沙模数也小于松树小区; 荒地小区和裸地小区的差别说明在大清河山区枯枝落叶能显著减少地表降雨径流,进而减少土壤侵蚀,当然其减水减沙的效果比树木、灌草差。
Table 2
表2
表2研究区相同降雨条件下各径流小区产沙模数与径流系数比较
Table 2Comparison of the sediment yield modulus and runoff coefficient of each plot under the same rainfall （t/km²）

降雨次数	荒地小区		裸地小区		侧柏小区		松树小区		灌草小区
	Ms	α	Ms	α	Ms	α	Ms	α	Ms	α
1	70.0	0.60	549.4	0.92	15.0	0.27	25.0	0.43	13.0	0.21
2	20.1	0.46	121.9	0.70	19.0	0.08	25.0	0.17	16.0	0.10
3	104.1	0.57	911.5	0.97	29.0	0.26	28.0	0.26	39.0	0.16
4	11.9	0.80	48.1	0.83	7.1	0.13	7.2	0.06	19.0	0.24
5	6.0	0.60	46.7	0.72	2.0	0.07	3.5	0.06	21.3	0.13
6	8.1	0.61	16.9	0.97	6.6	0.13	5.3	0.07	23.0	0.56
7	3.4	0.57	1.3	0.63	3.0	0.01	9.0	0.19	12.7	0.05
8	2.8	0.51	3.5	0.72	4.4	0.05	11.0	0.15	9.5	0.06
平均值	28.3	0.59	212.4	0.81	10.8	0.12	14.3	0.17	19.2	0.19

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3.2 不同空间尺度的水沙关系

分析表明,大清河山区这5种不同空间尺度的产沙模数（M_S）与降雨径流深（R_S,mm）均具有较好的线性正相关关系（见表3）,产沙模数与径流深之间的决定系数R²在0.56~0.92之间。
Table 3
表3
表3研究区不同空间尺度产沙模数与地表径流深的线性关系
Table 3Relationship between the sediment yield modulus and surface runoff of the different scales

空间尺度类型	空间尺度	水沙关系式	样本数	决定系数R2
微型径流小区	荒地小区	MS=1.21RS+3.92	11	0.69
	裸地小区	MS=5.82RS+65.34	17	0.70
普通径流小区	侧柏小区	MS=0.68RS+2.67	15	0.92
	松树小区	MS=0.80RS+3.67	22	0.77
	灌草小区	MS=0.82RS+0.79	22	0.82
微型小流域	万亩林	MS=1.42RS+0.75	14	0.86
小流域	崇陵小流域	MS=1.05RS+0.47	42	0.56
	杨树沟	MS=1.79RS-0.50	34	0.80
中大流域	唐河上游	MS=3.00RS+9.64	35	0.66
	拒马河上游	MS=3.86RS+0.17	48	0.69

注:表中M_S为产沙模数;R_S为地表径流深。
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从表3可以看出,水沙关系拟合结果中的常数项大多较小,而当径流深很小时,用表3中的一元线性方程模拟荒地小区、裸地小区、侧柏小区、松树小区以及唐河上游也能得到较大的产沙模数,这显然不合适（因为正常情况下,径流深很小时产沙量很少或者没有）,因此,这里尝试用比例函数来分析研究区的水沙关系,结果发现用比例函数拟合大清河土石山区的径流产沙比较合适,决定系数R²在0.56~0.86之间（见图2）,且决定系数和表3中y=ax+b形式几乎相同。在这几种空间尺度水沙关系模型中,荒地与裸地微型小区的系数差异较大,侧柏、松树与灌草小区的系数接近,系数介于0.81~1.56之间,微型小流域与小流域的系数接近,系数介于1.09~1.77之间,且两个中大流域的系数接近,分别为3.45和3.89（见图2）,从这些系数的比较可看出,随着尺度的扩大,径流对产沙的影响更强烈。另外,通过与他人研究结果的比较,本研究的水沙关系模型中的决定系数明显低于黄土高原,Zheng等研究的水沙关系决定系数在0.85~0.99之间^[7]。这说明,在大清河山区,尽管径流也是影响产沙模数的主要因素,但其影响程度较黄土高原弱,且次降雨径流含沙量及产沙模数也远低于黄土高原。
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图2各空间尺度产沙模数与次降雨地表径流深的线性相关性
-->Figure 2Linear relationship between Ms and Rs of each spatial scale
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进一步分析产沙模数与降雨量的关系,发现在唐河上游与拒马河上游的产沙模数与降雨量无明显相关（决定系数R²分别为0.04与0.06）,其主要原因可能是中大流域的降雨条件、径流产沙存在较大的空间异质性;而在其他4种空间尺度,产沙模数与次降雨量有较好的线性正相关关系（见图3）。在各尺度降雨产沙关系式中,小区尺度的决定系数高于其它尺度,这说明降雨量对小尺度的产沙影响更强烈。
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图3各空间尺度产沙模数与次降雨量的线性相关性
-->Figure 3Linear relationship between Ms and rainfall of each spatial scale
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4 结论与讨论

4.1 结论

（1）在海河流域大清河土石山区,微型径流小区、普通径流小区、微型小流域、小流域以及中大流域这5种空间尺度的产沙模数与地表径流深具较好的线性正相关性,可以用比例函数来拟合,且侧柏、松树、灌草与有枯枝落叶覆盖的荒地小区具有相近的水沙关系,微型小流域与小流域水沙关系类似,两个中大流域的水沙关系类似。
（2）径流小区（包括微型径流小区）与小流域（包括微型小流域）的产沙模数与次降雨量也有较好的线性正相关关系。
（3）各种土地利用方式的径流小区产沙模数与径流系数从小到大依次为:侧柏林<松树林<灌草地<荒地<裸地,这与以往相关研究结果大致相同^[13];侧柏小区的径流系数、产沙模数小于松树小区;而枯枝落叶覆盖通过减少地表径流、地表溅蚀,从而大大减少水土流失量。

4.2 讨论

在小区尺度水沙关系模型中,侧柏、松树、灌草以及有枯枝落叶覆盖的小区系数接近,但与裸地小区差异很大,因此可以近似认为,在大清河山区,有植被覆盖的坡面具有相似的水沙关系,且植被覆盖可以通过减水来减沙,它能有效减小溅蚀与面蚀强度,甚至可以抑制细沟产生^[14],植被覆盖改变了裸地的水沙关系。
由于缺少草地、坡耕地等土地利用的径流小区资料,且1m²小区所受的边界条件对分析结果影响较大,本文研究结果存在一定的偏差,也未能分析土地利用能否改变小流域、流域尺度的水沙关系。
另外,气象要素的空间异质性对中大流域水沙关系的影响也是一个值得深入研究的科学问题。
The authors have declared that no competing interests exist.

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