顏 明, 許炯心, 賀 莉, 王隨繼, 鄭明國, 孫莉英, 裴 亮

(中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100101)

河網(wǎng)密度(Dd)是指流域內(nèi)單位面積上河流的總長度[1-2]，是地貌[3-5]、氣候[6-8]、土壤[9-13]和植被[14-15]等因素綜合作用的結(jié)果，經(jīng)常用來表達(dá)河流被切割的程度。自Horton提出河網(wǎng)密度這一概念之后，許多研究者通過地形圖測(cè)量不同地區(qū)的河網(wǎng)密度，并分析了控制河網(wǎng)密度的因素，取得了大量的研究成果。可以說，河網(wǎng)密度與影響因素間的關(guān)系已經(jīng)具有一定程度的認(rèn)識(shí)，當(dāng)前的河網(wǎng)密度取決于各種因素，包括氣候和植被、土壤和巖石性質(zhì)、地貌以及所處的地貌演化階段。一些研究表明河網(wǎng)密度受相對(duì)地形影響，在濕潤的荒蕪地區(qū)，Schumm[16]發(fā)現(xiàn)河網(wǎng)密度與地形比率(流域高程除以長度)存在正相關(guān)，Mosley[17]做的一個(gè)溝道侵蝕的經(jīng)驗(yàn)分析也表明河網(wǎng)密度與地表坡度存在正相關(guān)。氣候和地質(zhì)控制河網(wǎng)密度被廣泛接受和理解[5,9,12,18-19]，河網(wǎng)密度在以下地區(qū)具有更高的值：干旱植被稀疏的地區(qū)；遭受強(qiáng)降雨的溫帶到熱帶地區(qū)；巖石覆蓋的低滲透力和傳導(dǎo)力地區(qū)。而且，河網(wǎng)密度和它的影響因素尤其是坡角更直接地對(duì)應(yīng)于河道的演化階段。這些研究發(fā)現(xiàn)都是在面積不超過100 km2范圍內(nèi)的小流域進(jìn)行的，很少的研究工作將注意力放到大型流域上[20]，隨著流域水文過程、地貌過程以及它們與人類活動(dòng)之間的關(guān)系等方面研究的深入[21-24]，為了從更宏觀的角度考慮流域的環(huán)境保護(hù)和水資源調(diào)配，大型流域研究工作受到越來越多的關(guān)注，需要綜合性的指標(biāo)來反映流域的現(xiàn)狀，作為流域具有重要表征性指標(biāo)的河網(wǎng)密度方面的研究需要繼續(xù)發(fā)展[25-26]，尤其是復(fù)雜背景下大型流域內(nèi)河網(wǎng)密度的總體表現(xiàn)及其連續(xù)變化的空間表現(xiàn)，以及這些表現(xiàn)的成因分析，對(duì)于流域水文地貌相關(guān)研究的深入具有重要意義。測(cè)量技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算設(shè)備的提高，利用高精度DEM提取水系并轉(zhuǎn)化為河網(wǎng)密度變得更為便利，為大型流域河網(wǎng)密度的研究提供了技術(shù)支持，使得大型復(fù)雜流域的河網(wǎng)密度的空間特征研究成為可能。

為了分析大型流域河網(wǎng)密度的空間特征及主要控制因素對(duì)空間分布的影響，黃河流域花園口以上區(qū)域被選擇作為研究區(qū)。主要針對(duì)以下兩個(gè)方面開展研究：(1) 研究區(qū)內(nèi)河網(wǎng)密度在空間分布上的總體表現(xiàn)及區(qū)域性特征；(2) 揭示地形、氣候和植被覆蓋等因素對(duì)河網(wǎng)密度的影響。

1　研究區(qū)概況

黃河是世界上著名的大型河流，總面積達(dá)750 000 km2，包括不同類型的地質(zhì)、地貌和氣候類型區(qū)。根據(jù)地質(zhì)環(huán)境可以將黃河劃分為3個(gè)區(qū)：(1) 從河源到頭道拐的上游區(qū)，河道長度3 471 km，覆蓋面積385 996 km2，高度從河源的4 500 m下降到頭道拐的1 000 m，河道穿梭于崇山峻嶺，落差較大；(2) 頭道拐至花園口的中游區(qū)，河道長度1 206 km，集水面積343 751 km2，高度從1 000 m降到110 m，坡度相對(duì)連續(xù)；(3) 從花園口經(jīng)過河南省和山東省沖積平原到河口的下游區(qū)，河道長度786 km，集水面積22 726 km2[27]。下游河道大部分已經(jīng)被河堤約束，因此，本研究的研究區(qū)不包括下游區(qū)域，僅選擇花園口水文站以上區(qū)域(95°53′—113°54′E，32°9′—41°50′N)(圖1)。

圖1　研究區(qū)的位置及地質(zhì)分區(qū)

研究區(qū)大部分處于溫帶半干旱區(qū)，年平均降雨量150～800 mm。平均降雨量的空間分布表明上游和中游分別位于干旱和半干旱區(qū)。這些氣候區(qū)的變化與流域的地質(zhì)環(huán)境具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，氣候變化的季節(jié)性明顯，冬季冷干且降雨量少，夏季濕潤溫暖并集中了全年的大部分降雨，夏季降雨占到了全年的85%。除了上游冰雪覆蓋區(qū)之外，降雨是河水的主要來源[28]。黃河流域植物種類繁多，按中國植被區(qū)域劃分來看，研究區(qū)包含3個(gè)主要的植被區(qū)：青藏高原高寒植被區(qū)、西北及中部的溫帶草原帶和東南的落葉闊葉林帶。

2　數(shù)據(jù)來源及處理

本研究中使用了3類數(shù)據(jù)：先進(jìn)星載熱發(fā)射和反射輻射儀全球數(shù)字高程模型(ASTER GDEM)、降雨量和歸一化植被指數(shù)(NDVI)。從中國國際科學(xué)數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)(http:∥datamirror.csdb.cn/)下載了美國航空航天局測(cè)量的研究區(qū)的118幅30 m分辨率ASTER GDEM數(shù)據(jù)，拼接所有的DEM為完整的研究區(qū)圖幅，利用ArcGIS平臺(tái)上的水文插件Archydro模塊進(jìn)行河網(wǎng)提取，首先對(duì)DEM進(jìn)行填洼處理，使其成為具有水文意義的DEM，然后根據(jù)D8算法計(jì)算水流的方向[29]，最后生成水系。提取時(shí)，由于受數(shù)據(jù)精度限制，發(fā)現(xiàn)設(shè)置過低的最小積水面積閾值會(huì)產(chǎn)生很多實(shí)際不存在的平行線，設(shè)置的值過高時(shí)提取的水系有限，將提取的河網(wǎng)與遙感影像疊加，同時(shí)，也考慮到研究區(qū)面積較大，為便于計(jì)算，提取時(shí)最小面積的閾值設(shè)置為0.2 km2。提取后，與遙感影像對(duì)比，發(fā)現(xiàn)沙漠、沖積平原和河谷等區(qū)域提取出了許多實(shí)際不存在的水系，依據(jù)2002年增強(qiáng)的遙感影像(ETM)，通過人工方式將不存在的線逐一刪除，然后在ArcGIS中利用線性密度計(jì)算工具(Line Density)將水系轉(zhuǎn)化為河網(wǎng)密度。

從中國國家氣象中心建設(shè)的中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)下載了研究區(qū)及周邊128個(gè)氣象站記錄的年降雨量數(shù)據(jù)，時(shí)間段為1958—2007年，對(duì)每年的降雨量進(jìn)行空間插值獲得逐年的降雨空間分布圖，然后取所有年份的算術(shù)平均值，插值時(shí)采用Kriging方法。除了地形和降雨量對(duì)河網(wǎng)密度的影響外，植被覆蓋也是本研究重點(diǎn)關(guān)注的一個(gè)因素。這里采用了來自于美國航空航天局(NASA)合成的歸一化植被指數(shù)(NDVI)數(shù)據(jù)集，時(shí)間段為1981—2003年，這里取1981—2003年的多年算術(shù)平均值。

由于研究區(qū)覆蓋范圍廣，柵格數(shù)量多，為便于統(tǒng)計(jì)分析不同要素對(duì)河網(wǎng)密度的影響，將花園口水文站以上的黃河流域劃分成20 km×20 km的單元格，經(jīng)檢測(cè)，20 km2比較適合大型山地，過大或過小都無法很好地表現(xiàn)出地形的高差，按照這一網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)將研究區(qū)分為1 834個(gè)單元格，計(jì)算每個(gè)單元格的平均河網(wǎng)密度。對(duì)于河網(wǎng)密度的影響因素，也用同樣大小的單元格進(jìn)行提取，高差為每個(gè)20 km×20 km單元格內(nèi)最大高程值減去最小高程值，坡度、降雨量和NDVI取的是20 km×20 km單元格內(nèi)所有像元的算術(shù)平均值。

3　結(jié)果與分析

3.1　河網(wǎng)密度的空間特征

根據(jù)30 m分辨率的DEM制作的黃河流域河網(wǎng)密度圖具有明顯的區(qū)域特征：空間變化上來說，河網(wǎng)密度從西北向東南先明顯增加后略微減少，可以劃分為3個(gè)主要的區(qū)域：沙漠低值區(qū)、黃土高原中高值區(qū)和山地高值區(qū)、汾渭盆地低值區(qū)及花園口附近低值區(qū)。沙漠位于研究區(qū)的西北，包括庫布齊沙漠、毛烏蘇沙地、河?xùn)|沙地，由于被沙丘覆蓋，大部分區(qū)域沒有形成水系，河網(wǎng)密度值為零，僅在個(gè)別區(qū)域有簡單水系，如庫布齊沙漠東部發(fā)育有十大孔兌，以及黃河流域中游右岸的上游河源區(qū)，這些水系較為簡單，僅有干流和極少的一級(jí)支流，河網(wǎng)密度較低。而另一類河網(wǎng)密度較低的區(qū)域是平原和盆地，包括河套平原、汾河盆地和渭河盆地，現(xiàn)今這些區(qū)域大部分已變成農(nóng)田，只留下一些殘存的古河道。黃土高原因其松散易蝕的千溝萬壑著稱，具有較高的河網(wǎng)密度，河網(wǎng)密度值介于1～3 km/km2(圖2)，由于本次提取的精度有限，未能體現(xiàn)出黃土高原不同丘陵區(qū)間的差異[20]，實(shí)際的河網(wǎng)密度高許多。研究區(qū)內(nèi)山地較多，這些區(qū)域同樣具有較高的河網(wǎng)密度，大于3 km/km2的主要分布在這些山區(qū)，包括植被覆蓋較低的陰山和賀蘭山，更為稠密的區(qū)域在山西省北部的山谷里，秦嶺山脈東部以及黃河青銅峽水庫以上山區(qū)。

圖2　黃河流域河網(wǎng)密度空間分布

3.2　不同自然因素對(duì)河網(wǎng)密度的影響

河網(wǎng)密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：除不存在水系的區(qū)域外，大部分區(qū)域的河網(wǎng)密度值為1～2 km/km2(圖3)，統(tǒng)計(jì)顯示為正態(tài)分布，正態(tài)分布系數(shù)為1.69，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.33，坡度曲率為1.63，峰態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.656。這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果表示：黃河流域的河網(wǎng)密度的分布符合正態(tài)分布規(guī)律，正態(tài)分布都不是單一因素作用的結(jié)果，往往受多種因素的綜合作用所致，由于黃河流域覆蓋范圍廣，具有多種類型的地質(zhì)地貌、氣候和植被等條件，它們的共同作用使得黃河流域的河網(wǎng)密度呈現(xiàn)正態(tài)分布形態(tài)，該形態(tài)與Langbein-Schumm定律的形態(tài)基本一致，其形成機(jī)理也可以用該定律來解釋。

圖3　基于像元的河網(wǎng)密度統(tǒng)計(jì)

3.2.1地貌對(duì)河網(wǎng)密度的影響河網(wǎng)密度隨著兩個(gè)地形指標(biāo)(高差和坡度)的變化都是先增大后無明顯變化。相關(guān)分析顯示：河網(wǎng)密度與高差和坡度之間都表現(xiàn)出正相關(guān)，Pearson相關(guān)系數(shù)分別為0.429，0.48，它們的顯著性水平都超過0.001。高差從0 m增加到500 m，河網(wǎng)密度快速的增加，高差進(jìn)一步增加時(shí)，河網(wǎng)密度略微有所增加，當(dāng)高差大于1 000 m以后，河網(wǎng)密度維持在一個(gè)較高的水平，但沒有表現(xiàn)出明顯的變化趨勢(shì)(圖4)。從地貌角度來看，河網(wǎng)密度快速上升的區(qū)域主要跨越在平原與低山之間，而在中山和高山上，河網(wǎng)密度沒有隨高差表現(xiàn)出明顯的變化。

圖4　河網(wǎng)密度隨高差的變化

坡度是決定河網(wǎng)密度的又一個(gè)基本條件，水系提取的基本依據(jù)就是坡度，因而河網(wǎng)密度的大小與坡度之間存在必然的聯(lián)系。當(dāng)坡度從0°增加到9°，河網(wǎng)密度表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，這些區(qū)域主要分布在平原向山地轉(zhuǎn)變的過渡區(qū)域；當(dāng)坡度>9°時(shí)，河網(wǎng)密度隨坡度增加表現(xiàn)出略微減少的趨勢(shì)，但河網(wǎng)密度的值總體水平較高，說明坡度越大，發(fā)育出越密集水系的概率越高。坡度>9°的區(qū)域分布較廣，包括黃土高原和青藏高原的大部分區(qū)域，以及陰山山脈和賀蘭山山脈(圖5)。河網(wǎng)密度與地形的相關(guān)分析表明河網(wǎng)密度在坡度和高差處于較低時(shí)具有更大的變化。當(dāng)高差較大時(shí)，河網(wǎng)密度在1～2.5 km/km2范圍內(nèi)變動(dòng)，說明在地形較低的區(qū)域河網(wǎng)密度更容易受到其他因素的影響，而在更為陡峻的地區(qū)地形可能起到主導(dǎo)作用。

圖5　河網(wǎng)密度隨坡度的變化

3.2.2降雨量對(duì)河網(wǎng)密度的影響河網(wǎng)密度與降雨量之間的關(guān)系曲線不是單調(diào)變化(圖6)?？梢詣澐譃閮蓚€(gè)部分：(1) 當(dāng)降雨量≤500 mm時(shí)，河網(wǎng)密度隨著降雨量的增加而增加，這表明：在干旱半干旱地區(qū)，對(duì)于植被稀少導(dǎo)致地表缺乏防護(hù)力的地區(qū)來說，降雨越多的區(qū)域發(fā)育的水系越多。(2) 降雨量在500～800 mm時(shí)，河網(wǎng)密度與降雨量呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)，隨著降雨量的增加，河網(wǎng)密度略微的減少，盡管侵蝕力在東南邊的更強(qiáng)，河網(wǎng)密度卻具有相反的變化。這些區(qū)域剛好是植被覆蓋條件較好，且地表物質(zhì)由更細(xì)的、粘性更高的黃土組成，地表植被的緩沖和土壤抗蝕力的增加都部分削弱了徑流的沖刷，使得東南區(qū)域的河網(wǎng)密度有所減小。

圖6　河網(wǎng)密度隨著降雨量變化的關(guān)系曲線

3.2.3河網(wǎng)密度與植被覆蓋的相關(guān)性分析河網(wǎng)密度隨著NDVI的變化相似于河網(wǎng)密度與降雨量的變化：先增大后略微減小。同樣可以分為兩個(gè)部分：(1) 當(dāng)NDVI值介于0.079～0.3時(shí)，隨著NDVI的增加，河網(wǎng)密度逐漸增加；(2) 當(dāng)NDVI進(jìn)一步增加時(shí)，河網(wǎng)密度略微減少(圖7)。趨勢(shì)線表明：在干旱、半干旱區(qū)，植被對(duì)地表的保護(hù)能力是非常有限的，稀疏草原、灌叢和針葉林對(duì)土壤的保護(hù)力是非常弱的。當(dāng)植被變?yōu)槁淙~闊葉林時(shí)，即使遭遇強(qiáng)大的夏季暴雨，地表也能得到一定的保護(hù)。這個(gè)變化與河網(wǎng)密度隨著降雨量變化具有一定的同步性，這主要是植被覆蓋的好壞與降雨量的多寡的內(nèi)在關(guān)聯(lián)所致。

圖7　河網(wǎng)密度隨NDVI變化的關(guān)系曲線

4　討論與結(jié)論

正如前人提及，河網(wǎng)密度受到各種因素的控制，是各種因素綜合作用的結(jié)果。通過對(duì)黃河流域河網(wǎng)密度的分析，我們認(rèn)為這些因素在水系的發(fā)育上所起作用存在差異。我國的地形格局對(duì)于黃河流域的河網(wǎng)密度起著主導(dǎo)作用，具有一定高差的地形是地表物質(zhì)移動(dòng)的一個(gè)先決條件，地形對(duì)于河流發(fā)展和演化模式具有決定性意義。從全流域來看，高差和坡度的配合成為水系發(fā)展的關(guān)鍵性因素，高差和坡度使物質(zhì)運(yùn)動(dòng)成為可能，也就是高差和坡度等決定了河網(wǎng)密度最基本的發(fā)育條件。降雨和融雪形成的徑流是主要的侵蝕動(dòng)力，僅僅當(dāng)具有一定的高差和坡度時(shí)，地表水流能攜帶物質(zhì)輸出流域，所有的其他因素的影響都是基于地形和水動(dòng)力這兩個(gè)前提，而其他因素，諸如植被覆蓋和土壤物理性質(zhì)等，會(huì)進(jìn)一步起到促進(jìn)或者遏制的作用，植被稀疏且土壤松散的區(qū)域可能產(chǎn)生比較密集的水系，如果滲透力過高，又會(huì)降低水系的形成能力?？偟膩碚f，黃河流域河網(wǎng)密度的空間特征是受地形這一非地帶性因素控制的，同時(shí)，又受到降雨、土壤和植被覆蓋等地帶性因素的影響。各要素對(duì)于水系的影響也不僅僅是簡單的主次關(guān)系，影響因素之間還存在一定的交叉關(guān)系，如高差較大的區(qū)域通常坡度也較大，降雨多的區(qū)域具有較強(qiáng)的侵蝕動(dòng)能，但由于雨水充足，植被的覆蓋比例也會(huì)明顯提高，起到保護(hù)地表遭受侵蝕的作用，使得水系的發(fā)育受到約束，如何對(duì)這些要素的疊加效應(yīng)進(jìn)行區(qū)分還有待后續(xù)工作深入?？傊?，黃河流域河網(wǎng)密度具有明顯的空間差異，受到多種因素控制，控制要素間存在一定的主次關(guān)系，又發(fā)生了一定的交叉作用，共同作用于河網(wǎng)的發(fā)育。

基于30 m分辨率的DEM提取了黃河流域的水系，并轉(zhuǎn)化成河網(wǎng)密度圖進(jìn)行了空間分析，并分析了幾個(gè)主要自然因素對(duì)河網(wǎng)密度的影響。研究結(jié)果表明：黃河流域花園口水文站以上區(qū)域的河網(wǎng)密度從西北向東南先顯著增加后略微減少；利用相關(guān)分析法分析了河網(wǎng)密度與地貌、降雨量和植被覆蓋等影響因素的關(guān)系，結(jié)果表明地形是主要的控制要素，當(dāng)坡度<9°、相對(duì)高差<1 000 m時(shí)，河網(wǎng)密度表現(xiàn)出增加趨勢(shì)，當(dāng)它們進(jìn)一步增加時(shí)，河網(wǎng)密度沒有出現(xiàn)明顯變化。河網(wǎng)密度與降雨量和植被覆蓋在空間上具有對(duì)應(yīng)性，在干旱區(qū)、半干旱區(qū)，降雨量和NDVI與河網(wǎng)密度間存在正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)降雨量和植被覆蓋進(jìn)一步增加時(shí)，也就是靠近濕潤區(qū)邊緣時(shí)，河網(wǎng)密度與這兩者表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系。

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