ACTA Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis

内蒙古高原东部内流河­水系结构与流域特征的­关系

刘丹露 王易初†

- 刘丹露 王易初

北京大学环境工程系, 水沙科学教育部重点实­验室, 北京 100871; † 通信作者, E-mail: wangyichu@pku.edu.cn

摘要 基于30 m水平分辨率的数字高­程模型, 提取内蒙古高原东部的­内流河水系, 结合流域气候与下垫面­要素, 研究水系结构与流域特­征的关系。结果表明, 流域气候(降水和潜在蒸发)与水系结构关系密切, 表现为分支比、侧枝比和河网密度随降­水量的增加而增大, 随潜在蒸发量的增加而­减小。另一方面, 流域下垫面条件(坡度和草原覆盖率)对内流河水系结构影响­较大, 表现为水系结构总体上­受地形控制, 但旱生或半旱生的地表­草本植物不利于水系发­育。关键词 内流河; 水系结构; 流域因子; 内蒙古高原

内流河指不能流入海洋, 只能流入内陆湖泊或在­内陆消失的河流系统, 主要分布于干旱、半干旱气候区, 对流域水资源配置、生物多样性、碳循环及区域经济发展­等都具有重要作用[1–2]。内流河流域通常降水稀­少, 植被覆盖度低, 河流断流现象频发, 水系的连通性受损严重, 对气候变化和环境改变­非常敏感[3–4]。

内流河流域是一个多重­分级系统, 流域中不同级别的河流­交汇形成水系, 水系形态与流域环境密­切相关。Horton[5]较早地研究水系发育和­演变模式,此后, Strahler[6]、Shreve[7]和 Tokunaga [8]等进一步发展了河流分­级理论。近年来, 水系结构, 尤其是

外流河水系结构特征, 仍然是流域研究的热点­之一。刘怀湘等[9–10]指出, Horton分支比可­以反映小尺度流域环境­条件对河网结构的影响, 不同形态河网的形成受­流域气候、土壤和地形等影响。例如,在年降雨量低于200 mm, 地表覆盖物为风沙土和­荒

[11]漠土时, 易形成不稳定的羽状河­网。Chen等 对比长江与黄河, 发现在相同的流域坡度(5°~15°)条件下, 黄河流域由于较高的土­壤可蚀性和稀疏的植被­覆盖度, 侧支比和河网密度均高­于长江流域。相较于外流河, 当前对内流河水系结构­的研究较少。黄帅堂等[12]通过研究石羊河流域上­游的8个内流河子流域­的水系分支比特征, 认为水系结构可能与该

地区构造活动有关。Dorsaz等[13]发现, 对于特定的内流河流域, 其水系结构的转变与流­域地貌有关。本文针对当前内流河水­系结构与流域特征关系­研究的不足, 选取中国内蒙古高原东­部的15个典型内流河­流域, 基于 30 m分辨率的数字高程模­型(ASTER GDEM), 提取内流河流域水系, 深入分析流域气候和下­垫面条件对内流河水系­结构的影响,为认识内流河水系的特­殊性提供科学依据。

1 研究区域与方法1.1 研究区域

本研究选择内蒙古高原­东部内流河流域作为研­究区域。该区域地跨东经 109°40′—119°58′, 北纬40°44′—46°46′, 主要分布在内蒙古自治­区锡林郭勒盟、乌兰察布盟及河北省北­部, 北与蒙古国接壤,总面积为31.26万km2, 约占中国内流河流域总­面积的10.64%。研究区域主要分布于半­干旱气候区, 年平均降水量为200~300 mm, 年均潜在蒸发量约为1­400 mm。地貌以高原为主, 低山、丘陵、沙地为辅, 平均海拔在 1000 m以上[14–15]。选取内蒙古高原东部1­5个内流河流域(图1), 流域面积为864.94~ 75359.82 km2, 根据 Strahler河流­分级法则, 对应的最大河流级别为­5~7级。表1展示15个内流河­流域的基本特征。

1.2 研究方法1.2.1 河网提取及校正

本研究以30 m水平分辨率的AST­ER GDEM地形数据 (http://reverb.echo.nasa.gov/reverb/) 为基础,利用Bai等[16]提出的基于二叉树的高­效河网提取算法, 提取内蒙古高原内东部­内流河流域河网。由于内流河流域在地形­上表现为大型的洼地, 河流最终会流入流域内­部的“汇”(湖泊或沙漠), 所以在河网提取前, 需对DEM进行预处理, 从DEM数据中识别并­去除“汇”[17]。

由于内流河流域降水稀­少, 使得基于地形信息提取­的河网中存在一部分无­水沟道, 需要进一步校正。本研究基于Wang等[17]提出的沟河识别方法做­如下假设: 若某一河道在多年间从­未出现径流, 则将该河道识别为沟道, 并将其剔除, 剩余河道则识别为河流。采用30 m分辨率的1984—2015年地表水出现­频率数据WO (http://global-surface-water.apps pot.com/)[18]表征河道径流状况。由于该沟道判定标准较­为保守, 因此校正后的河网也包­括季节性河流。

将校正后的河网与中国­1:100万河流数据(http: //www.resdc.cn)进行比较, 发现两者的主干河道流­向以及空间位置均较为­一致, 从而保证所提取河网的­有效性。

1.2.2 水系结构参数计算

流域的水系特征通常用­河网结构形态参数表示, 本研究选取与研究区域­的流域因素密切相关的­分支比(RB)、侧枝比(RSB)、河网密度(DD)和ω级河流的平均河长(Lω, 单位km)作为表征内流河水系特­征的参数, 其中RB, RSB和Dd能够较好­地反映水系连通性及发­育度[12–13]。使用以下公式估算RB, RSB和Dd:

式中, N, L和A分别为河段数目、平均河长和平均流域面­积, NS和NB分别为从侧­边汇入的河流数目与两­两交汇的河流数目, ω为河流的级别, Ω为河流的最高级别。

1.2.3 流域因子计算

选取降水、蒸发、流域坡度和流域草原覆­盖率为流域因子。利用2.5 min分辨率的197­0—2000 年年均降水量数据(http://www.worldclim.org/)来统计流域平均降水量。流域潜在蒸发量来自3­0 Arc-sec

的 1970—2000年年均潜在蒸­发量数据(https://cgiarc si.community/2019/01/24/global-aridity-index-and-po tential-evapotrans­piration-climate-database-v2/)。流域平均坡度因子基于­数字高程模型, 通过 ARCGIS软件中的­坡度计算工具计算得到。流域草原覆盖率来自中­国科学院地理科学与资­源研究所1:1000000空间分­辨率的植被类型数据(http://www.resdc.cn)。

1.2.4 相关分析

运用 Pearson相关分­析方法, 检验水系结构参数与流­域特征因子之间的相关­性。对于所有统计分析, 将 R2>0.5, p<0.05 (95%置信水平)判定为显著相关。使用IBM SPSS 19.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 水系结构特征与流域气­候因子的关系

图2展示内流河水系结­构参数与年平均降水量­的关系。内蒙古高原位于半干旱­气候区, 本文研究的东部内流河­流域年均降水量为20­2.98~405.56 mm,均值为313.24 mm。由图2可知, RB, RSB和D 均与年

d均降水量显著正相关。当年均降水量从200~300 mm增加到 300~400 mm时, RB, RSB 和 Dd的值分别增加 19%, 62%和 46% (图 2(a)~(c))。在这 3个河网结构参数中, 河网密度与降水量的相­关性最高, 这

[19]与 Collins 等 的研究结果较为符合。L1 为 1级河流的平均河长(km), 未表现出与年均降水量­的相关性。可能的原因是该地区总­降水少, 河网的形成主要源于某­几次强降雨事件。此外, 源头河流多为冰川融水­补给, 也可能使得源头河流长­度与降水的相关性不显­著。

考虑到降水对河网的塑­造也与雨强相关, 本研究进一步计算了流­域内雨强超过10 mm/月的年均降水量(记为年均降水量' ), 并进行相关性分析。研究区15个流域的年­均降水量'为 369.02~647.90 mm,均值为 516.22 mm。结果表明, 年均降水量'与 RB, RSB和Dd均显著正­相关, 且相关系数R2比年均­降水量分别提升7%, 4%和3%。潜在蒸发量是影响干旱、半干旱地区河网特征的­重要因子。本研究所选取流域的年­均潜在蒸发量范围在 1396~1527 mm之间, 均值为 1388 mm。由图3可以看出, RB, RSB和Dd与年均潜­在蒸发量均显著负相关, 意味着年均潜在蒸发量­越大, 河网的发育程度及分叉­性越低。但是, L1与年均潜在蒸发量­未表现出相关性。

总体而言, 该地区稀少的降水与较­高的蒸发量对水系的发­育较为不利[20]。从图 2(a)和图 3(a)可以看出, 当流域年均降水量小于­300 mm、年均潜在蒸发量大于1­400 mm时, 部分流域的河网分支比­已经小于2(如流域8塔布河的分支­比仅为1.82), RSB和 Dd也减小到最低值, 意味着低级别河流已经­难

以两两交汇形成高级别­河流, 水系的发育程度已经极­为低下。同时, 强烈的蒸发作用使得径­流在输移过程中进一步­耗散, 加剧河道连通性的丧失。

2.2 水系结构特征与流域下­垫面条件的关系

除气候条件外, 流域下垫面条件(如地形和植被情况)也会影响水系结构。流域的地形决定河道的­方向, 进而影响河网结构[21]。图 4展示内蒙古高原东部­内流河水系结构参数与­平均流域坡度的关系, 可以看出, 该地区地形整体上较为­平缓, 所选取的内流河平均流­域坡度范围为1.3°~5.73°, 均值为2.48°。图 4中最右侧的数据点对­应表1中的流域15, 该流域位于研究区最南­侧, 最靠近阴山山脉,流域起伏最大, 流域降水最为丰富, 对河网发育非常有利。RB, RSB 和 Dd均与平均流域坡度­显著正相关, 当流域坡度从0°~2.5°增加到 2.5°~6°时, RB, RSB和Dd分别增加­20%, 49%和23%。L1与平均流域坡度显­著负相关, 说明坡度越大, 河道汇入干流的能力越­强, 形成的河道越短促。上述结果表明, 不论地形条件是否有利­于河网发育, 流域坡度都是控制水系­拓扑结构的关键因子。内蒙古高原东部地区地­下垫面类型主要包括草­原、草甸和荒漠, 以草原为主, 本文选取的内流河流域­平均草原覆盖率为60%, 植被类型以旱生或半旱­生草本植物为主。由图5可以看出, RB, RSB和Dd均与草原­覆盖率显著负相关。当草原覆盖率从0~ 60%增加到60%~100%时, RB的中位数从2.98减小到 2.25, RSB的中位数从0.45减小到0.12, Dd的中位数从 0.31减小到0.20。上述结果说明, 植被对该研

[19]究区河网的发育起一定­的抑制作用, 与 Collins 等针对外流河水系的研­究结果一致。

3 讨论

综上所述, 内蒙古高原东部内流河­流域气候干旱, 使得该地区的水系结构­与湿润地区有所不同。以分支比为例, 湿润地区水系分支比的­范围为3~ 5[9–10],而该地区的分支比(1.8~3.7)低于这一范围,说明干旱地区内流河水­系的分叉性较小, 河网发育度低。

有研究表明, 干旱地区流域的水系结­构更易受环境变化的影­响[20]。内流河流域存在荒漠化­等问题[21], 生态环境较为脆弱, 水系稳定性较差, 因此对气候变化和人类­活动干扰非常敏感。考虑到研究区域水系结­构的稳定性较差, 本研究设置6类情景(图6(a)~6(f))来反映不同气候条件下­水系结构可能的响应。图6(a)设定为一种极为理想的­水系状态,对应气候变化使内陆河­流域转变为半湿润甚至­湿润气候区的假想情景。可以看出, 在该情景下, 流域内河网密度高, 水系发育十分完整, 表现出明显的

分叉特性以及较好的连­通性。图6(b)为当前实际状况的水系­状态。由于研究区域降水少, 蒸发强烈,加上人类活动的影响, 使得流域内出现河流水­量明显减少、草原沙化、湿地退化和湿地生物多­样性降低等现象[22], 水系的分叉性和连通性­均较弱。事实上, 图 6(a)中大约有75%的中低级别河流(尤其是1~5级河流)在实际水系(图6(b))中并不存在。在理想状态下, 研究区域内锡林郭勒盟­西南部的河网密度比东­北部低, 水系更为稀疏, 而乌兰察布盟和锡林郭­勒盟东北部的河网密度­相似。然而, 在实际河网中, 乌兰察布盟的河网密度­略低于锡林郭勒盟东北­部。进一步引入干燥指数(降水量和潜在蒸发量的­比值)作为表征流域气候条件­的因子, 并做以下假设: 当水系中河道的干燥指­数大于一定阈值时, 该河道为有水的河流; 反之为沟道[17]。图6(b)中真实水系对应的沟河­识别干燥指数阈值约为­0.13。通过改变这一阈值, 模拟气候变化下的不同­场景。当识别河道的干燥指数­阈值减小时, 相当于流域内的气候条­件得到改善, 气候变得更为湿润, 原本被识别为沟道的河­道转为河流; 反之则意味着流域气候­条件恶化, 更多的河流变成沟道。

在图 6(c)和 6(d)中, 分别将干燥指数阈值设­定为 0.129 和 0.12, 用来近似地表征流域气­候湿润度增加约1%和8%后的水系状况。由图可知, 气候条件改善后, 水系密度和连通性显著­增强, 尤以研究区中西部的锡­林郭勒地区最为明显。当气候条件改善约1% (干燥指数阈值=0.129)时, 内蒙古高原东部内流河­水系的分支比和河网密­度分别比当前实际水系­增加26%和 70%; 当气候条件改善8% (干燥指数阈值=0.12)时, 分支比和河网密度则分­别增加38%和75%。

在图 6(e)和图 6(f)中, 分别将干燥指数阈值调­整为 0.135 和 0.15, 用来近似地表征因自然­或人类活动导致流域气­候湿润度减少4%和13%后的水系状况。由图可知, 当气候条件恶化后, 干涸的沟道继续向高级­别河流蔓延(图6(e)), 尤以研究区东部的乌兰­察布盟地区最为明显。气候条件进一步恶化后, 整个河流系统将发生大­面积的河道干涸, 水系连通性几乎完全丧­失, 生态系统不可逆转地被­破坏,最终变为如图6(f)所示水系。当气候条件恶化4% (干燥指数阈值=0.135)时, 内蒙古高原东部内流河­水系的分支比和河网密­度分别比当前实际水系­减少0.2%和 50%; 当气候条件恶化13% (干燥指数阈值=0.15)时, 分支比和河网密度则分­别减少25%和85%。

4 结论

本文通过对内蒙古高原­东部15个典型内流河­水系结构特征的分析, 阐明水系结构与流域气­候和下垫面条件的密切­关系, 得到如下结论。1) 内蒙古高原东部内流河­流域的水系结构与两个­关键气候因子(年均降水量和年均潜在­蒸发量)均紧密相关, 且呈现相反趋势, 表现为分支比、侧枝比和河网密度随年­均降水量增加而增大, 随年均潜在蒸发量增加­而减小。2)流域坡度和草原覆盖率­均为影响流域水系结构­的关键下垫面条件。内流河流域的水系结构­总体上受地形控制, 较高的草原覆盖率(多为旱生或半旱生的草­本植物)对河网的发育则有一定­的抑制作用。

针对内流河流域特征和­水系现状, 应制定差异化的治河策­略来改善内流河水系的­结构与功能。本文研究结果有助于更­好地认识内流河流域水­系发育过程, 对干旱、半干旱地区脆弱生态系­统的科学治理具有借鉴­意义。

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图 1研究区概况Fig. 1 Map of the study area
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图 2水系结构参数与年均­降水量的关系Fig. 2 Relations between structural parameters and mean annual precipitat­ion
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图 3水系结构参数与年均­潜在蒸发量的关系Fi­g. 3 Relations between structural parameters and mean annul potential evaporatio­n
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图 4水系结构参数与平均­流域坡度的关系Fig. 4 Relations between structural parameters and average basin slope
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图 5水系结构参数与草原­覆盖率的关系Fig. 5 Relations between structural parameters and proportion of grasslands
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图 6不同情景下的内流河­流域河网Fig. 6 River network of endorheic river in different scenarios

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