內(nèi)蒙古高原東部內(nèi)流河水系結(jié)構(gòu)與流域特征的關(guān)系

劉丹露 王易初

北京大學(xué)環(huán)境工程系, 水沙科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100871; ? 通信作者, E-mail: wangyichu@pku.edu.cn

內(nèi)流河指不能流入海洋, 只能流入內(nèi)陸湖泊或在內(nèi)陸消失的河流系統(tǒng), 主要分布于干旱、半干旱氣候區(qū), 對流域水資源配置、生物多樣性、碳循環(huán)及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展等都具有重要作用[1-2]。內(nèi)流河流域通常降水稀少, 植被覆蓋度低, 河流斷流現(xiàn)象頻發(fā), 水系的連通性受損嚴(yán)重, 對氣候變化和環(huán)境改變非常敏感[3-4]。

內(nèi)流河流域是一個多重分級系統(tǒng), 流域中不同級別的河流交匯形成水系, 水系形態(tài)與流域環(huán)境密切相關(guān)。Horton[5]較早地研究水系發(fā)育和演變模式,此后, Strahler[6]、Shreve[7]和 Tokunaga[8]等進(jìn)一步發(fā)展了河流分級理論。近年來, 水系結(jié)構(gòu), 尤其是外流河水系結(jié)構(gòu)特征, 仍然是流域研究的熱點(diǎn)之一。劉懷湘等[9-10]指出, Horton 分支比可以反映小尺度流域環(huán)境條件對河網(wǎng)結(jié)構(gòu)的影響, 不同形態(tài)河網(wǎng)的形成受流域氣候、土壤和地形等影響。例如,在年降雨量低于 200 mm, 地表覆蓋物為風(fēng)沙土和荒漠土?xí)r, 易形成不穩(wěn)定的羽狀河網(wǎng)。Chen 等[11]對比長江與黃河, 發(fā)現(xiàn)在相同的流域坡度(5°～15°)條件下, 黃河流域由于較高的土壤可蝕性和稀疏的植被覆蓋度, 側(cè)支比和河網(wǎng)密度均高于長江流域。相較于外流河, 當(dāng)前對內(nèi)流河水系結(jié)構(gòu)的研究較少。黃帥堂等[12]通過研究石羊河流域上游的 8 個內(nèi)流河子流域的水系分支比特征, 認(rèn)為水系結(jié)構(gòu)可能與該地區(qū)構(gòu)造活動有關(guān)。Dorsaz 等[13]發(fā)現(xiàn), 對于特定的內(nèi)流河流域, 其水系結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變與流域地貌有關(guān)。

本文針對當(dāng)前內(nèi)流河水系結(jié)構(gòu)與流域特征關(guān)系研究的不足, 選取中國內(nèi)蒙古高原東部的 15 個典型內(nèi)流河流域, 基于 30 m 分辨率的數(shù)字高程模型(ASTER GDEM), 提取內(nèi)流河流域水系, 深入分析流域氣候和下墊面條件對內(nèi)流河水系結(jié)構(gòu)的影響,為認(rèn)識內(nèi)流河水系的特殊性提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究區(qū)域

本研究選擇內(nèi)蒙古高原東部內(nèi)流河流域作為研究區(qū)域。該區(qū)域地跨東經(jīng) 109°40′—119°58′, 北緯40°44′—46°46′, 主要分布在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟、烏蘭察布盟及河北省北部, 北與蒙古國接壤,總面積為 31.26 萬 km2, 約占中國內(nèi)流河流域總面積的 10.64%。研究區(qū)域主要分布于半干旱氣候區(qū), 年平均降水量為 200～300 mm, 年均潛在蒸發(fā)量約為1400 mm。地貌以高原為主, 低山、丘陵、沙地為輔, 平均海拔在 1000 m 以上[14-15]。選取內(nèi)蒙古高原東部 15 個內(nèi)流河流域(圖 1), 流域面積為 864.94～75359.82 km2, 根據(jù) Strahler 河流分級法則, 對應(yīng)的最大河流級別為 5～7 級。表 1 展示 15 個內(nèi)流河流域的基本特征。

表1 15 個內(nèi)流河流域的基本特征Table 1 Basic information of fifteen endorheic basins

圖1 研究區(qū)概況Fig. 1 Map of the study area

1.2 研究方法

1.2.1 河網(wǎng)提取及校正

本研究以 30 m 水平分辨率的 ASTER GDEM 地形數(shù)據(jù)(http://reverb.echo.nasa.gov/reverb/)為基礎(chǔ),利用 Bai 等[16]提出的基于二叉樹的高效河網(wǎng)提取算法, 提取內(nèi)蒙古高原內(nèi)東部內(nèi)流河流域河網(wǎng)。由于內(nèi)流河流域在地形上表現(xiàn)為大型的洼地, 河流最終會流入流域內(nèi)部的“匯”(湖泊或沙漠), 所以在河網(wǎng)提取前, 需對 DEM 進(jìn)行預(yù)處理, 從 DEM 數(shù)據(jù)中識別并去除“匯”[17]。

由于內(nèi)流河流域降水稀少, 使得基于地形信息提取的河網(wǎng)中存在一部分無水溝道, 需要進(jìn)一步校正。本研究基于 Wang 等[17]提出的溝河識別方法做如下假設(shè): 若某一河道在多年間從未出現(xiàn)徑流, 則將該河道識別為溝道, 并將其剔除, 剩余河道則識別為河流。采用 30 m 分辨率的 1984—2015 年地表水出現(xiàn)頻率數(shù)據(jù) WO (http://global-surface-water.apps pot.com/)[18]表征河道徑流狀況。由于該溝道判定標(biāo)準(zhǔn)較為保守, 因此校正后的河網(wǎng)也包括季節(jié)性河流。

將校正后的河網(wǎng)與中國 1:100 萬河流數(shù)據(jù)(http://www.resdc.cn)進(jìn)行比較, 發(fā)現(xiàn)兩者的主干河道流向以及空間位置均較為一致, 從而保證所提取河網(wǎng)的有效性。

1.2.2 水系結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算

流域的水系特征通常用河網(wǎng)結(jié)構(gòu)形態(tài)參數(shù)表示, 本研究選取與研究區(qū)域的流域因素密切相關(guān)的分支比(RB)、側(cè)枝比(RSB)、河網(wǎng)密度(Dd)和ω級河流的平均河長(Lω, 單位 km)作為表征內(nèi)流河水系特征的參數(shù), 其中RB,RSB和Dd能夠較好地反映水系連通性及發(fā)育度[12-13]。使用以下公式估算RB,RSB和Dd:

式中,N,L和A分別為河段數(shù)目、平均河長和平均流域面積,NS和NB分別為從側(cè)邊匯入的河流數(shù)目與兩兩交匯的河流數(shù)目,ω為河流的級別,Ω為河流的最高級別。

1.2.3 流域因子計(jì)算

選取降水、蒸發(fā)、流域坡度和流域草原覆蓋率為流域因子。利用2.5 min分辨率的1970—2000年年均降水量數(shù)據(jù)(http://www.worldclim.org/)來統(tǒng)計(jì)流域平均降水量。流域潛在蒸發(fā)量來自30 Arc-Sec的1970—2000年年均潛在蒸發(fā)量數(shù)據(jù)(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數(shù)字高程模型, 通過ArcGIS軟件中的坡度計(jì)算工具計(jì)算得到。流域草原覆蓋率來自中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所1:1000000空間分辨率的植被類型數(shù)據(jù)(http://www.resdc.cn)。

1.2.4 相關(guān)分析

運(yùn)用Pearson相關(guān)分析方法, 檢驗(yàn)水系結(jié)構(gòu)參數(shù)與流域特征因子之間的相關(guān)性。對于所有統(tǒng)計(jì)分析, 將R2＞0.5,p＜0.05 (95%置信水平)判定為顯著相關(guān)。使用IBM SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水系結(jié)構(gòu)特征與流域氣候因子的關(guān)系

圖2展示內(nèi)流河水系結(jié)構(gòu)參數(shù)與年平均降水量的關(guān)系。內(nèi)蒙古高原位于半干旱氣候區(qū), 本文研究的東部內(nèi)流河流域年均降水量為202.98～405.56 mm,均值為313.24 mm。由圖2可知,RB,RSB和Dd均與年均降水量顯著正相關(guān)。當(dāng)年均降水量從200～300 mm增加到300～400 mm時,RB,RSB和Dd的值分別增加19%, 62%和46%(圖2(a)～(c))。在這3個河網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)中, 河網(wǎng)密度與降水量的相關(guān)性最高, 這與Collins等[19]的研究結(jié)果較為符合。L1為1級河流的平均河長(km), 未表現(xiàn)出與年均降水量的相關(guān)性?？赡艿脑蚴窃摰貐^(qū)總降水少, 河網(wǎng)的形成主要源于某幾次強(qiáng)降雨事件。此外, 源頭河流多為冰川融水補(bǔ)給, 也可能使得源頭河流長度與降水的相關(guān)性不顯著。

圖2 水系結(jié)構(gòu)參數(shù)與年均降水量的關(guān)系Fig. 2 Relations between structural parameters and mean annual precipitation

考慮到降水對河網(wǎng)的塑造也與雨強(qiáng)相關(guān), 本研究進(jìn)一步計(jì)算了流域內(nèi)雨強(qiáng)超過10 mm/月的年均降水量(記為年均降水量′), 并進(jìn)行相關(guān)性分析。研究區(qū)15個流域的年均降水量′為369.02～647.90 mm,均值為516.22 mm。結(jié)果表明, 年均降水量′與RB,RSB和Dd均顯著正相關(guān), 且相關(guān)系數(shù)R2比年均降水量分別提升7%, 4%和3%。

潛在蒸發(fā)量是影響干旱、半干旱地區(qū)河網(wǎng)特征的重要因子。本研究所選取流域的年均潛在蒸發(fā)量范圍在1396～1527 mm之間, 均值為1388 mm。由圖3可以看出,RB,RSB和Dd與年均潛在蒸發(fā)量均顯著負(fù)相關(guān), 意味著年均潛在蒸發(fā)量越大, 河網(wǎng)的發(fā)育程度及分叉性越低。但是,L1與年均潛在蒸發(fā)量未表現(xiàn)出相關(guān)性。

圖3 水系結(jié)構(gòu)參數(shù)與年均潛在蒸發(fā)量的關(guān)系Fig. 3 Relations between structural parameters and mean annul potential evaporation

總體而言, 該地區(qū)稀少的降水與較高的蒸發(fā)量對水系的發(fā)育較為不利[20]。從圖2(a)和圖3(a)可以看出, 當(dāng)流域年均降水量小于300 mm、年均潛在蒸發(fā)量大于1400 mm 時, 部分流域的河網(wǎng)分支比已經(jīng)小于2(如流域8塔布河的分支比僅為1.82),RSB和Dd也減小到最低值, 意味著低級別河流已經(jīng)難以兩兩交匯形成高級別河流, 水系的發(fā)育程度已經(jīng)極為低下。同時, 強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用使得徑流在輸移過程中進(jìn)一步耗散, 加劇河道連通性的喪失。

2.2 水系結(jié)構(gòu)特征與流域下墊面條件的關(guān)系

除氣候條件外, 流域下墊面條件(如地形和植被情況)也會影響水系結(jié)構(gòu)。流域的地形決定河道的方向, 進(jìn)而影響河網(wǎng)結(jié)構(gòu)[21]。圖4展示內(nèi)蒙古高原東部內(nèi)流河水系結(jié)構(gòu)參數(shù)與平均流域坡度的關(guān)系, 可以看出, 該地區(qū)地形整體上較為平緩, 所選取的內(nèi)流河平均流域坡度范圍為1.3°～5.73°, 均值為2.48°。圖4中最右側(cè)的數(shù)據(jù)點(diǎn)對應(yīng)表1中的流域15, 該流域位于研究區(qū)最南側(cè), 最靠近陰山山脈,流域起伏最大, 流域降水最為豐富, 對河網(wǎng)發(fā)育非常有利。RB,RSB和Dd均與平均流域坡度顯著正相關(guān), 當(dāng)流域坡度從0°～2.5°增加到2.5°～6°時,RB,RSB和Dd分別增加20%, 49%和23%。L1與平均流域坡度顯著負(fù)相關(guān), 說明坡度越大, 河道匯入干流的能力越強(qiáng), 形成的河道越短促。上述結(jié)果表明, 不論地形條件是否有利于河網(wǎng)發(fā)育, 流域坡度都是控制水系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因子。

圖4 水系結(jié)構(gòu)參數(shù)與平均流域坡度的關(guān)系Fig. 4 Relations between structural parameters and average basin slope

內(nèi)蒙古高原東部地區(qū)地下墊面類型主要包括草原、草甸和荒漠, 以草原為主, 本文選取的內(nèi)流河流域平均草原覆蓋率為60%, 植被類型以旱生或半旱生草本植物為主。由圖5可以看出,RB,RSB和Dd均與草原覆蓋率顯著負(fù)相關(guān)。當(dāng)草原覆蓋率從0～60%增加到60%～100%時,RB的中位數(shù)從2.98減小到2.25,RSB的中位數(shù)從0.45減小到0.12,Dd的中位數(shù)從0.31減小到0.20。上述結(jié)果說明, 植被對該研究區(qū)河網(wǎng)的發(fā)育起一定的抑制作用, 與Collins等[19]針對外流河水系的研究結(jié)果一致。

圖5 水系結(jié)構(gòu)參數(shù)與草原覆蓋率的關(guān)系Fig. 5 Relations between structural parameters and proportion of grasslands

3 討論

綜上所述, 內(nèi)蒙古高原東部內(nèi)流河流域氣候干旱, 使得該地區(qū)的水系結(jié)構(gòu)與濕潤地區(qū)有所不同。以分支比為例, 濕潤地區(qū)水系分支比的范圍為3～5[9-10], 而該地區(qū)的分支比(1.8～3.7)低于這一范圍,說明干旱地區(qū)內(nèi)流河水系的分叉性較小, 河網(wǎng)發(fā)育度低。

有研究表明, 干旱地區(qū)流域的水系結(jié)構(gòu)更易受環(huán)境變化的影響[20]。內(nèi)流河流域存在荒漠化等問題[21], 生態(tài)環(huán)境較為脆弱, 水系穩(wěn)定性較差, 因此對氣候變化和人類活動干擾非常敏感?？紤]到研究區(qū)域水系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較差, 本研究設(shè)置6類情景(圖6(a)～6(f))來反映不同氣候條件下水系結(jié)構(gòu)可能的響應(yīng)。圖6(a)設(shè)定為一種極為理想的水系狀態(tài),對應(yīng)氣候變化使內(nèi)陸河流域轉(zhuǎn)變?yōu)榘霛駶櫳踔翝駶櫄夂騾^(qū)的假想情景?？梢钥闯? 在該情景下, 流域內(nèi)河網(wǎng)密度高, 水系發(fā)育十分完整, 表現(xiàn)出明顯的分叉特性以及較好的連通性。圖6(b)為當(dāng)前實(shí)際狀況的水系狀態(tài)。由于研究區(qū)域降水少, 蒸發(fā)強(qiáng)烈,加上人類活動的影響, 使得流域內(nèi)出現(xiàn)河流水量明顯減少、草原沙化、濕地退化和濕地生物多樣性降低等現(xiàn)象[22], 水系的分叉性和連通性均較弱。事實(shí)上, 圖6(a)中大約有75%的中低級別河流(尤其是1～5級河流)在實(shí)際水系(圖6(b))中并不存在。在理想狀態(tài)下, 研究區(qū)域內(nèi)錫林郭勒盟西南部的河網(wǎng)密度比東北部低, 水系更為稀疏, 而烏蘭察布盟和錫林郭勒盟東北部的河網(wǎng)密度相似。然而, 在實(shí)際河網(wǎng)中, 烏蘭察布盟的河網(wǎng)密度略低于錫林郭勒盟東北部。

進(jìn)一步引入干燥指數(shù)(降水量和潛在蒸發(fā)量的比值)作為表征流域氣候條件的因子, 并做以下假設(shè): 當(dāng)水系中河道的干燥指數(shù)大于一定閾值時, 該河道為有水的河流; 反之為溝道[17]。圖6(b)中真實(shí)水系對應(yīng)的溝河識別干燥指數(shù)閾值約為0.13。通過改變這一閾值, 模擬氣候變化下的不同場景。當(dāng)識別河道的干燥指數(shù)閾值減小時, 相當(dāng)于流域內(nèi)的氣候條件得到改善, 氣候變得更為濕潤, 原本被識別為溝道的河道轉(zhuǎn)為河流; 反之則意味著流域氣候條件惡化, 更多的河流變成溝道。

在圖6(c)和6(d)中, 分別將干燥指數(shù)閾值設(shè)定為0.129和0.12, 用來近似地表征流域氣候濕潤度增加約1%和8%后的水系狀況。由圖可知, 氣候條件改善后, 水系密度和連通性顯著增強(qiáng), 尤以研究區(qū)中西部的錫林郭勒地區(qū)最為明顯。當(dāng)氣候條件改善約 1%(干燥指數(shù)閾值=0.129)時, 內(nèi)蒙古高原東部內(nèi)流河水系的分支比和河網(wǎng)密度分別比當(dāng)前實(shí)際水系增加26%和70%; 當(dāng)氣候條件改善8%(干燥指數(shù)閾值=0.12)時, 分支比和河網(wǎng)密度則分別增加38%和75%。

在圖6(e)和圖6(f)中, 分別將干燥指數(shù)閾值調(diào)整為0.135和0.15, 用來近似地表征因自然或人類活動導(dǎo)致流域氣候濕潤度減少4%和13%后的水系狀況。由圖可知, 當(dāng)氣候條件惡化后, 干涸的溝道繼續(xù)向高級別河流蔓延(圖6(e)), 尤以研究區(qū)東部的烏蘭察布盟地區(qū)最為明顯。氣候條件進(jìn)一步惡化后, 整個河流系統(tǒng)將發(fā)生大面積的河道干涸, 水系連通性幾乎完全喪失, 生態(tài)系統(tǒng)不可逆轉(zhuǎn)地被破壞,最終變?yōu)槿鐖D6(f)所示水系。當(dāng)氣候條件惡化4%(干燥指數(shù)閾值=0.135)時, 內(nèi)蒙古高原東部內(nèi)流河水系的分支比和河網(wǎng)密度分別比當(dāng)前實(shí)際水系減少0.2%和50%; 當(dāng)氣候條件惡化13%(干燥指數(shù)閾值=0.15)時, 分支比和河網(wǎng)密度則分別減少25%和85%。

圖6 不同情景下的內(nèi)流河流域河網(wǎng)Fig. 6 River network of endorheic river in different scenarios

4 結(jié)論

本文通過對內(nèi)蒙古高原東部15個典型內(nèi)流河水系結(jié)構(gòu)特征的分析, 闡明水系結(jié)構(gòu)與流域氣候和下墊面條件的密切關(guān)系, 得到如下結(jié)論。1) 內(nèi)蒙古高原東部內(nèi)流河流域的水系結(jié)構(gòu)與兩個關(guān)鍵氣候因子(年均降水量和年均潛在蒸發(fā)量)均緊密相關(guān), 且呈現(xiàn)相反趨勢, 表現(xiàn)為分支比、側(cè)枝比和河網(wǎng)密度隨年均降水量增加而增大, 隨年均潛在蒸發(fā)量增加而減小。2) 流域坡度和草原覆蓋率均為影響流域水系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵下墊面條件。內(nèi)流河流域的水系結(jié)構(gòu)總體上受地形控制, 較高的草原覆蓋率(多為旱生或半旱生的草本植物)對河網(wǎng)的發(fā)育則有一定的抑制作用。

針對內(nèi)流河流域特征和水系現(xiàn)狀, 應(yīng)制定差異化的治河策略來改善內(nèi)流河水系的結(jié)構(gòu)與功能。本文研究結(jié)果有助于更好地認(rèn)識內(nèi)流河流域水系發(fā)育過程, 對干旱、半干旱地區(qū)脆弱生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)治理具有借鑒意義。