无定河流域悬移质有效输沙流量分析 -...

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2010 6 Journal of Sediment Research 3 收稿日期 : 20082 07 2 07 基金项目 : 国家自然科学基金项目 (40788001, 40677019) 作者简介 : 马元旭 (1980 - ) ,,山东泰安人 ,博士后 ,主要从事河流地貌研究 。 无定河流域悬移质有效输沙流量分析 马元旭 ,许炯心 ,黄河清 ( 中国科学院 地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点实验室 ,北京  100101) 摘要 : 本文利用无定河实施水土保持措施前 11(1959 - 1969 ) 的日平均流量和日平均含沙量资料 , 计算 了无定河及其支流共 12条河流的有效输沙流量。由于流量之间的不连续性 ,首先将各站所有的流量分为两 : 小流量级和大流量级 。将小流量级别的流量分别以该流量级的 1 3/4 1/2 1/4 标准差为间隔进行分级。 对于大流量 ,如果相邻的流量差在对应的小流量间隔内 ,将其归为一级。然后计算每级流量的输沙量 ,最大输 沙量对应的流量为有效输沙流量。结果发现风沙区河流的有效输沙流量与黄土丘陵沟壑区和河源梁峁沟涧 区河流的有效输沙流量之间存在着很大的区域差异 。在四种分级间隔下 ,黄土丘陵沟壑区和河源梁峁沟涧区 河流的有效输沙流量一般均出现在大洪水流量范围内 ,风沙区河流的有效输沙流量出现在小流量范围内。流 量分级间隔的大小对风沙区河流的有效输沙流量的历时百分比有着较大的影响。不同地貌区域河流有效输 沙流量的差异主要与流量过程和含沙量有关 。 关键词 : 无定河 ; 有效输沙流量 ; 水流历时 ; 流量分级 ; 流量过程 ; 高含沙水流 中图分类号 : TV 143. 6 文献标识码 :A 文献编号 : 0468 2 155X (2010) 03 2 0073 2 08 1 前言 河道形态的调整往往取决于河道的某一特征流量 ,而这一特征流量与河道的输沙有着极为密切的 关系 。Wolman &Miller(1960)将力学中“功 ”的概念应用到地貌营力的有效作用分析中 , 提出了“有效 输沙流量 ” (Q e )这一概念 [1] 。所谓有效输沙流量 ,是指在所有的流量级别中 ,输沙量达到最大所对应的 某一级别的流量 。Wolman &Miller(1960)将有效输沙流量与平滩流量的重现期进行了比较 , 发现两者 之间比较近似 ,之后的很多学者对有效输沙流量以及两种特征流量之间的关系进行了研究 。Wolman & M iller(1960)的分析表明有效输沙流量与平滩流量的重现期大多在 1-2 年左右。通过对美国怀俄明州 和科罗拉多州的 15 条河流的分析 ,Anderews(1980)也发现有效输沙流量和平滩流量几乎是一致的 , 现期介于 1. 18 3. 26 年之间 [2] 。而对于有效输沙流量与平滩流量或者具有某一重现期的流量是否一 ,一些学者提出了不同的见解 。Benson &Thomas(1976) , Pickup and Warner (1976) 指出有效输沙流 量与平滩流量之间存在着显著差别 。 Pickup and W arner (1976) 的研究表明有效流量具有 1. 15 1. 40 年的重现期 ,相对于 1. 58 年一遇的洪水要小得多 ,而平滩流量为 4 10 年一遇。平滩流量与造床流量 之间也存在着较大的区别 ( 陈建国 , 2006) 可见 ,有效输沙流量的大小和重现期以及其与平滩流量、造床流量之间的关系一直是存在争议的问 题。本文以无定河及其支流为例 ,利用逐日平均流量和逐日平均含沙量分析 : (1) 四种不同流量分级方 案下无定河的有效输沙流量 , (2)无定河不同地貌区的河流有效输沙流量的差异 。 3 7

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泥 沙 研 究

 2010年 6月 Journal of Sediment Research 第 3期

收稿日期 : 2008207207

基金项目 :国家自然科学基金项目 (40788001, 40677019)

作者简介 :马元旭 (1980 - ) ,男 ,山东泰安人 ,博士后 ,主要从事河流地貌研究。

无定河流域悬移质有效输沙流量分析

马元旭 ,许炯心 ,黄河清(中国科学院 地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点实验室 ,北京 100101)

摘要 :本文利用无定河实施水土保持措施前 11年 (1959 - 1969年 )的日平均流量和日平均含沙量资料 ,计算

了无定河及其支流共 12条河流的有效输沙流量。由于流量之间的不连续性 ,首先将各站所有的流量分为两

组 :小流量级和大流量级。将小流量级别的流量分别以该流量级的 1、3 /4、1 /2、1 /4标准差为间隔进行分级。

对于大流量 ,如果相邻的流量差在对应的小流量间隔内 ,将其归为一级。然后计算每级流量的输沙量 ,最大输

沙量对应的流量为有效输沙流量。结果发现风沙区河流的有效输沙流量与黄土丘陵沟壑区和河源梁峁沟涧

区河流的有效输沙流量之间存在着很大的区域差异。在四种分级间隔下 ,黄土丘陵沟壑区和河源梁峁沟涧区

河流的有效输沙流量一般均出现在大洪水流量范围内 ,风沙区河流的有效输沙流量出现在小流量范围内。流

量分级间隔的大小对风沙区河流的有效输沙流量的历时百分比有着较大的影响。不同地貌区域河流有效输

沙流量的差异主要与流量过程和含沙量有关。

关键词 :无定河 ;有效输沙流量 ;水流历时 ;流量分级 ;流量过程 ;高含沙水流

中图分类号 : TV 143. 6   文献标识码 : A   文献编号 : 04682155X (2010) 0320073208

1 前言

河道形态的调整往往取决于河道的某一特征流量 ,而这一特征流量与河道的输沙有着极为密切的

关系。Wolman & M iller(1960)将力学中“功 ”的概念应用到地貌营力的有效作用分析中 ,提出了“有效

输沙流量 ”(Qe )这一概念 [ 1 ]。所谓有效输沙流量 ,是指在所有的流量级别中 ,输沙量达到最大所对应的

某一级别的流量。Wolman & M iller(1960)将有效输沙流量与平滩流量的重现期进行了比较 ,发现两者

之间比较近似 ,之后的很多学者对有效输沙流量以及两种特征流量之间的关系进行了研究。Wolman &

M iller (1960)的分析表明有效输沙流量与平滩流量的重现期大多在 1 - 2年左右。通过对美国怀俄明州

和科罗拉多州的 15条河流的分析 , Anderews(1980)也发现有效输沙流量和平滩流量几乎是一致的 ,重

现期介于 1. 18~3. 26年之间 [ 2 ]。而对于有效输沙流量与平滩流量或者具有某一重现期的流量是否一

致 ,一些学者提出了不同的见解。Benson &Thomas ( 1976) , Pickup and W arner ( 1976)指出有效输沙流

量与平滩流量之间存在着显著差别。Pickup and W arner (1976)的研究表明有效流量具有 1. 15~1. 40

年的重现期 ,相对于 1. 58年一遇的洪水要小得多 ,而平滩流量为 4~10年一遇。平滩流量与造床流量

之间也存在着较大的区别 (陈建国 , 2006)。

可见 ,有效输沙流量的大小和重现期以及其与平滩流量、造床流量之间的关系一直是存在争议的问

题。本文以无定河及其支流为例 ,利用逐日平均流量和逐日平均含沙量分析 : (1)四种不同流量分级方

案下无定河的有效输沙流量 , (2)无定河不同地貌区的河流有效输沙流量的差异。

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2 研究区概况

无定河是黄河中游的一条重要支流 ,自然环境和水沙条件复杂多样 ,是黄河下游粗泥沙沉积的主要

来源区。其流域面积为 30 261km2 ,干流全长 491km,主河道平均比降为 1. 97%。流域位于毛乌素沙漠

南缘与黄土高原北部的交界地区 ,是风沙 - 黄土过渡地带。流域年平均降水量为 409. 1mm,属于暖温

带半干旱气候。西北部为风沙区 ,占全流域面积的 54. 3% ,河源区为厚层黄土覆盖 ,沟壑切割深度为

50. 3m。整个无定河流域的流量和含沙量年内变差较大 ,但是风沙区与丘陵沟壑区相比而言 ,其年内变

差相对较小。

无定河流域根据地貌类型可以大致分为风沙区、河源梁涧区和黄土丘陵沟壑区 (图 1)。不同的地

貌区域 ,其地表物质组成、降水特征以及水沙过程都存在着较大的差别。风沙区主要以沙地为主 ,属风

成地貌 ,物质组成较粗 ;黄土丘陵沟壑区地表物质组成主要是黄土 ,颗粒较细 ;而河源沟峁梁涧区物质组

成为与黄土丘陵沟壑区类似 ,但是地貌差异较大 ,河流已经深切到基岩。

3 数据和计算方法

本文所用的数据均来源于 1959 - 1969年期间的黄河流域水文资料。该时期水土保持措施实施前

的“基准期 ”[ 6 ] ,人类活动较弱 ,可以分析准自然条件下河道输沙过程和特征对流域侵蚀产沙的反映。

由于测站设立时间的差别 ,不同测站水文资料的时间系列不尽相同 ,一般具有 6 - 11年的时间系列 ,详

细情况如表 1所示。由于赵石窑站水沙主要来源于风沙区河流 ,丁家沟和川口站水沙主要来自于黄土

丘陵沟壑区 ,因此分别将这三个站划分到风沙区和黄土丘陵沟壑区 [ 9 ]。

表 1 无定河测站数据概况

Table 1 Summary of the data ofW uding R iver and its tributaries

站名 河流 地貌区域 时段 年数 数据点数

丁家沟 无定河 黄土丘陵沟壑区 1959 - 1969 11 4 018

川口 无定河 黄土丘陵沟壑区 1959 - 1969 11 4 018

横山 芦河 黄土丘陵沟壑区 1959 - 1969 11 3 837

殿市 黑木头川 黄土丘陵沟壑区 1959 - 1969 11 3 776

马湖峪 马湖峪河 黄土丘陵沟壑区 1963 - 1966, 1968 - 1969 6 2 192

绥德 大理河 黄土丘陵沟壑区 1960 - 1961, 1964 - 1969 9 2 893

李家河 小理河 黄土丘陵沟壑区 1959 - 1969 11 3 806

青阳岔 大理河 梁峁沟涧区 1959 - 1969 11 3 745

靖边 芦河 梁峁沟涧区 1959 - 1969 11 3 770

赵石窑 无定河 风沙区 1959 - 1969 11 4 018

韩家峁 海流兔河 风沙区 1959 - 1969 11 3 837

榆林 榆溪河 风沙区 1959 - 1967 9 2 923

  不同研究中所使用的流量和含沙量的资料的时间精度不尽一致。有些研究使用了以 5 - 15分钟为

间隔的实测流量和含沙量资料 ,这种数据精度高 ,但是花费较大 ;而对于有些地区 ,仅仅有一些零散的实

测流量和含沙量资料 ,而且含沙量资料比较缺乏 ,所以大部分情况下流量对应的含沙量是根据已有流量

与含沙量之间的幂函数关系插值计算而得到的。较多的研究采用日平均流量和日平均含沙量 ,这种日

平均数据可以满足有效输沙流量计算的需要 ,每级流量的含沙量为该级流量内所有含沙量的平均值。

流量的分级在有效输沙流量的计算过程中起着重要的作用。在 Wolman & M iller ( 1960)最初的研

究中 ,并没有考虑流量等级划分的数目 [ 1 ]。而以后的研究发现 ,有效流量不是一个单一的流量 ,而是某

一级别的流量 ,因此有必要对所有的流量分成若干等级。每级流量之间具有相同的间隔 ,每级流量的大

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小以该流量区间的中间值来代表。目前 ,对于流量分级数目还没有一种较为客观的方法 ,因此流量的分

级还具有一定的任意性和不确定性。Anderson ( 1980)根据 Yevjevich将流量分为 20个等级 [ 2 ], Pickup

and W arner (1976)将所有的流量统一分为 33个等级 [ 4 ]。但这些流量分级数目在某些河流上不适

用 [ 7 ]。Crowder and Knapp (2005)提出了一种新的计算方法 ,即对所有的流量以相等的间隔进行分级 ,

要求每一级内至少包含一个流量 ,而且有效输沙流量不能发生在最小的流量级别内 ,符合该要求的最大

分级数目即为所需要的分级数目 [ 8 ]。

图 1 无定河站点分布图

Fig11 Locations of the hydrometric stations ofW uding R iver and its tributaries

由于研究区域流量变率较大 ,大洪水之间的间隔较大 ,按照 Crowder and Knapp (2005)的方法对所

有的流量进行分级不够合理。由于流量之间的不连续性 ,首先将各站所有的逐日平均流量分为两组 :小

流量级和大流量级。将小流量级别的流量分别以该流量级的 1、3 /4、1 /2、1 /4标准差为间隔进行分级。

对于大流量 ,如果相邻的流量差在对应的小流量间隔内 ,将其归为一级。然后计算每级流量的输沙量 ,

对各个级别的输沙量绘制柱状图 ,最大值所对应的流量的中值即为有效输沙流量。

4 结果与分析

411 四种计算方案的有效输沙流量

根据以上的计算方法 ,我们计算了无定河流域 12条支流的有效输沙流量和流量历时百分比 (表

2)。其中对于丁家沟和川口两个站点 ,由于 S、3S/4所划分出来的级数较少 ( < 10) ,我们没有给出计算

结果。

从以上的计算结果可以看出 ,无论采用哪种流量分级方法 ,风沙区河流的有效输沙流量与黄土丘陵

沟壑区和河源梁峁沟涧区河流的有效输沙流量之间存在着很大的差异。风沙区河流的有效输沙流量出

现在小流量区间 ,对应的流量历时百分比为 26. 36% - 30. 63% ;除了个别情况外 ,黄土丘陵沟壑区和河

源梁峁沟涧区河流的有效输沙流量均出现在大洪水时间期间 ,水流历时百分比在 0. 025% - 3. 34% ,大

多数站点的有效输沙流量为该时期内最大洪水流量。已有的研究表明 ,风沙区的河流相对于黄土丘陵

沟壑区的河流而言 ,其月平均流量的变率较小 ,大洪水发生的频率较少 ,而且含沙量不高 [ 9 ],因此汛期

洪水的输沙量相对较少 ,这就使得有效输沙流量落在以发生频次较多的中小流量之间。黄土丘陵沟壑

区的河流 ,降雨后地表下渗强度较小 ,容易形成直接的径流 ,因此在汛期会出现大洪水。而且由于黄土、

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基岩风化物和风成沙等特殊的物质组成及风水两相作用 ,使汛期暴雨形成的洪水含沙量很高 ,尽管洪水

的发生频次较少和历时较短 ,但是输沙率却相当大。以丁家沟和川口为代表的整个无定河流域 ,其有效

输沙流量为时段最大洪水流量 ,这与黄土丘陵沟壑区的其它支流类似 ,说明无定河出口河道的有效输沙

流量主要取决于黄土丘陵沟壑区的洪水和高含沙水流 ,风沙区河流的输水输沙对整个无定河贡献很小。

由有效输沙流量的历时百分比变化可以看出 ,四种流量分级大小对风沙区的河流有着较大的影响。

在不同的流量分级下 ,分沙区河流有效输沙流量的历时百分比变化幅度较大 ,而黄土丘陵沟壑区和河源

梁峁沟涧区河流的有效输沙流量历时百分比相对很小。

表 2 四种方案下无定河及其支流有效输沙流量Table 2 Effective discharge for transporting sediment ofW uding R iver and its tributaries under four schemes

站名S 3S/4 S/2 S/4

Q e /m3· s - 1 FD /% Q e /m3· s - 1 FD /% Q e /m3· s - 1 FD /% Q e /m3· s - 1 FD /%Qmax /m3· s - 1

丁家沟 38. 51 23. 22 931 0. 025 931

川口 1970 0. 025 1970 0. 025 1970

横山 63. 23 0. 18 64. 3 0. 10 63. 9 0. 13 90. 8 0. 026 118

殿市 101 0. 027 101 0. 027 101 0. 027 101 0. 027 101

马湖峪 48. 45 0. 091 90. 2 0. 046 90. 2 0. 046 90. 2 0. 046 90. 2

绥德 45. 47 1. 52 65. 42 1. 28 204 0. 173 204 0. 173 335

李家河 7. 66 1. 76 8. 05 1. 76 8. 43 1. 76 118 0. 026 118

青阳岔 146 0. 027 146 0. 027 146 0. 027 146 0. 027 146

靖边 8. 76 0. 72 1. 80 3. 34 8. 36 0. 88 53. 9 0. 027 53. 9

赵石窑 17. 59 26. 36 30. 71 7. 39 20. 51 26. 36 21. 96 26. 36 245

韩家峁 3. 32 53. 66 4. 01 11. 86 3. 78 14. 15 3. 10 27. 55 288

榆林 10. 75 21. 77 13. 26 14. 75 12. 42 21. 77 11. 59 30. 63 142

412 输沙量柱状图形态

传统的研究中输沙量柱状图的形态一般为非常明显的单峰 ,而 A shmore的研究 (1988)表明有输沙

量的柱状图存在多种形式 ,即明显的单峰、不明显的宽峰、多峰等形式 [ 10 ]。就本文的研究来看 ,由于半

干旱区特殊的水沙过程 ,汛期洪水的输沙量比较显著 ,因此 ,无论以那种标准对流量进行分级 ,输沙量的

柱状图总是呈现多峰形态 (图 2所示 )。本文的结果表明输沙量的柱状图均表现为多峰形式 ,即存在多

个对输沙有贡献的流量级。所有的输沙柱状图可以分为两类 :第一类是有效输沙流量在小流量范围级

别内 ,以风沙区的河流为代表 (图 2 ( a) ) ;第二类有效输沙流量发生在大洪水时间期间 ,包括黄土丘陵

沟壑区和河源梁峁沟涧区的河流 (图 2 ( b)、( c)、( d) )。

5 讨论

5. 1 有效输沙流量的差异

Wolman & M iller (1960)在其最初的研究中指出 ,河流有效输沙流量的重现期大多在 1 - 2年之间 ,

但他们同时指出 ,这并非是固定不变的 ,有的河流的有效输沙流量的重现期不到 1年。之后 ,大量的研

究发现有效输沙流量的没有固定的重现期 ,而且与平坦流量之间存在着较大的差异 [ 4, 11 ]。Nash (1994)

分析了美国 55条河流悬移质的有效输沙流量 ,结果发现这些有效输沙流量的重现期存在着很大的变

化 ,从一周到几十年不等 [ 11 ]。Phillip s(2002)分析了洪水对河道形态的影响 ,结果表明存在着两个级别

的流量 ,一个是发生频率较高的小流量 ,输送大部分的悬移质 ;另一个是比较罕见的洪水流量 ,它可以携

带原先铺在河床上的抗冲物质。因此 ,泥沙的来源和输沙的类型对有效输沙流量的确定有着很大的影

响 [ 12 ]。

就无定河流域而言 ,风沙区河流的有效输沙流量一般为发生频率较少的大洪水流量 ;而对于黄土丘

陵沟壑区而言 ,有效输沙流量一般为该时期的最大洪水流量。这与世界上其它地区河流的有效输沙流

量之间存在着较大的区别。

5. 2 流量分级数目对有效流量的影响

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图 2 无定河四个站点的有效输沙柱状图

Fig12 Effective discharge histogram s for transporting suspended sediment at four stations ofW uding R iver Basin

很多学者在分析有效输沙流量时所采用的流量分级数目各不相同 ,到目前为止没有一种明确合理

的流量分级方法目前被普遍接受。在某一研究中所建议的流量分级数目 ,对于其它的研究不一定适

用 [ 7 ]。即使是在同一研究中 ,所采用的流量分级数目不同 ,所得到的有效输沙流量的大小也不同 [ 8 ]。

之所以很多研究得出的有效输沙流量的重现期存在很大不同 ,在一定程度上与各自所任意选取的流量

分级数目有关。流量分级数目较小 ,每级流量所包含的流量数较多 ,每一级别流量发生的频次越高 ,即

使输沙率较小 ,也有可能使得总输沙量变大。因此 ,在这种情况下有效流量可能出现在较小的流量下。

如果分级数目较大 ,使得每级流量所包含的流量数都相对较少 ;如果流量较大时含沙量很高 ,就会导致

有效输沙流量向流量较高的方向移动。

本文根据四种流量划分标准所计算出来的结果表明 ,不同的流量划分间隔会对有效输沙流量大小

的确定带来很大的差别。如果流量划分间隔较大 ,有效输沙流量一般较小 ,而当流量间隔较小时 ,有效

输沙流量会逐渐变大。这在一定程度上说明了随着流量划分级别的增加 ,每一级别的流量数目逐渐减

小 ,对于以发生频次较大的小流量而言 ,流量数目的减小会导致总输沙量的骤减 ,因此有效输沙流量会

向较大流量的方向移动。对于黄土丘陵沟壑区和河源梁峁沟涧区的河流而言 ,尽管在四种流量分级间

隔下有效输沙流量历时百分比变化不大 ,但是可以明显地看到在 S/4间隔下 ,大理河绥德站外 ,其余河

流的有效输沙流量均发生在最大洪水流量期间。对于风沙区的河流 ,虽然在四种间隔下有效输沙流量

变化幅度不大 ,但是反映流量过程和结构的历时百分比却存在着较大的波动 ,说明流量分级对有效输沙

流量存在着较大的影响。

5. 3 流量过程对有效流量的影响

Pickup and W arner (1976)详细分析了流量过程对有效输沙流量的影响 [ 4 ]。流量历时特征对有效

输沙流量的大小具有很大的影响 ,有效输沙流量远小于平滩流量。已有的研究表明 ,风沙区河流的流量

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变率小于黄土丘陵沟壑区的流量变率 [ 9 ]。风沙区流量变率都较小 ,流量过程相对平稳 ,因此有效输沙

流量较小 ,而且根据四种流量分级方案所计算出来的有效输沙流量具有较强的稳定性 ;而黄土丘陵沟壑

区的河流流量变率较大 ,流量过程极不平稳 ,因此根据不同的方案所计算出来的每一级别流量的输沙率

存在着很大的不稳定性 ,有效输沙流量也变化不定。当流量分级间隔较小时 ,黄土丘陵沟壑区河流的有

效输沙流量趋向于洪水流量 ,洪水的作用得到很好的突现。

5. 4 含沙量对有效流量的影响

对于干旱区的河流而言 ,除了流量过程和流量变率的差别外 ,含沙量的差别也是一个很重要的因

素。在流量较小时 ,风沙区和黄土丘陵沟壑区河流的含沙量一般都比较小 ,差别也不大 ;然而当流量逐

渐增加 ,尤其是达到洪水流量时 ,黄土丘陵沟壑区河流的含沙量急剧增加 ,远远高于风沙区河流的含沙

量 (图 3所示 )。

图 3 1959 - 1969年期间李家河和榆林站含沙量与流量的关系

Fig13 Relationship between suspended sediment concentration and discharge at

L ijiahe and Yulin stations during year 195921969

表 3 无定河及其支流有效输沙流量输沙量所占总数沙量的百分比

Table 3 Percentage of suspended sediment loads by effective discharge to total suspended

sediment loads ofW uding R iver and its tributaries

站名 河流 总输沙量 /104 t·d - 1 有效输沙流量输沙量 /104 t·d - 1 有效输沙流量输沙量所占百分比 /%

丁家沟 无定河 96 534. 17 5 686. 99 5. 89

川口 无定河 228 772. 50 12 697. 52 5. 55

横山 芦河 20 988. 19 1 039. 91 4. 95

殿市 黑木头川 5 975. 04 684. 15 11. 45

马湖峪 马湖峪河 5 360. 61 572. 03 10. 67

绥德 大理河 50 313. 58 2 642. 08 5. 25

李家河 小理河 13 921. 08 815. 62 5. 86

赵石窑 无定河 36 408. 80 2 341. 47 6. 43

韩家峁 海流兔河 652. 02 79. 84 12. 24

榆林 榆溪河 3 452. 10 246. 71 7. 15

青阳岔 大理河 10 642. 76 1 218. 55 11. 45

靖边 芦河 8 857. 19 465. 70 5. 26

  对于风沙区的河流来说 ,尽管物源较充沛 ,但是由于泥沙颗粒搭配比较均匀 ,主要以风成沙为主 ,导

致洪水时含沙量也不高 ,输沙量相对较小 ;而对于黄土丘陵沟壑区的河流而言 ,地表物质受到侵蚀而进

入沟道的泥沙颗粒级配存在着一种最优组合 ,在流量较大时形成含沙量极高的高含沙水流 ,因此单次洪

水的输沙量很大 [ 13 ]。

5. 5 有效输沙流量与造床流量

大多数学者给出的造床流量的定义是指对河道断面的形成和维持起决定性作用的流量。而有的学

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者所给出的定义与有效输沙流量的定义类似 ,是指起作用相当于所有流量的那一级流量。有效输沙流

量是不是就是造床流量 ,到目前为止还没有确切的结论。如果说有效输沙流量相当于造床流量 ,那么有

效流量所输送的来沙量应该占相当大的比重。我们统计了各站有效输沙流量输沙量所占的比重 ,如表

3所示。从统计结果来看 ,有效输沙流量的输沙量所占总数沙量的比重不是很大 ,对于整个流域来说尤

其明显。因此在一定意义上 ,有效输沙流量不等同于造床流量。

Comez等 (2007)对新西兰 W aipaoa河的平滩流量和有效输沙流量进行了比较 ,发现平滩流量的重

现期为 2 - 6年 ,而有效输沙流量至少一年发生三次。Pickup and W arner (1976)的研究也表明有效输沙

流量与平滩流量之间存在着较大的区别 ,有效输沙流量明显小于平滩流量 [ 4 ]。如果有效输沙流量远小

于平滩流量 ,说明有效输沙流量只对河槽底部起到较强的影响 ,对整个河槽的塑造和维持起的作用不是

很大。因此 ,对于有效输沙流量就是造床流量的说法还值得商榷。

6 结论

通过本文的研究发现 ,有效输沙流量具有很强的区域性。对于不同地区和不同自然环境下的河流

而言 ,其水沙构成状况大不相同 ,因此有效输沙流量也大不相同。对于无定河这种半干旱区的河流而

言 ,其有效输沙流量主要具有以下几个特征 :

(1)不同地貌区的有效输沙流量存在着很大的差异。黄土丘陵沟壑区和梁峁沟涧区的河流的有效

输沙流量发生在洪水事件期间 ,而风沙区的河流的有效输沙流量为较小流量。这表明有效输沙流量存

在着区域差异。

(2)流量分级大小对风沙区河流的有效输沙流量有着重要的影响。在不同的流量分级间隔下 ,风

沙区河流有效输沙流量历时百分比存在着较大的变化。尽管在不同的流量分级下黄土丘陵沟壑区和河

源梁峁沟涧区的有效输沙流量大小存在着较大的区别 ,但是其历时百分比变化相对较小。

(3)无定河不同地貌区河流有效输沙流量的差别主要取决于其流量过程和含沙量。黄土丘陵沟壑

区和梁峁沟涧区的河流流量变率和含沙量都较大 ,因此洪水输沙能力较强 ,有效输沙流量偏向洪水一

端 ;而风沙区河流的流量变率和含沙量相对较小 ,因此有效输沙流量会集中在较小的流量级上。

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Effective d ischarge for suspended sed im en t in W ud ing R iver and its tr ibutar ies

MA Yuan2xu, XU J iong2xin, HUANG He2qing( Institu te of Geographic Sciences and N atura l R esources Research, Chinese Academ y of Sciences, B eijing, 100101, China)

Abstract: Effective D ischarge is one of the most important paradigm s in fluvial geomorphology which is

frequently used to characterize river restoration design and ecological evaluation. Many researchers have

dedicated to demonstrate that effective discharge has a regular recurrence interval of 122 years. However, some

researches show that this is not always suitable for every stream. Hence, further studies are necessary to figure

out how the effective discharge behaves. Based on the mean daily discharge and mean daily suspended

sediment data during the period of 1959 - 1969 in W uding R iver basin, the effective discharges for suspended

sediment transport in ten stream s were computed using S、3S/4、S/2、S/4 ( S denoting standard deviation of

discharges in the range of low flows) as class intervals. The results indicate that the effective discharge varies

in different geomorphologic regions. In gullied hilly loess region and gullied valley loess region, the effective

discharge is in the range of high flows whose flow duration is mostly less than 1%. However, in aeolian

region, the effective discharge for suspended sediment transport occurs in the range of low flows with flow

duration of about 26% - 30%. For the smallest class interval, the effective discharge p ropagates to have

regular flow duration, with the values of 0. 026% in gullied loess regions and 28 ±2% in aeolian region. By

comparing the results derived from different size of class intervals, the effective discharge for suspended

sediment transport in aeolian region appearsmore sensitive to the size of class intervals. Hydrologic regime and

suspended sediment concentration p lay an important role in the determ ination of effective discharge and may

cause a bimodal dom inant discharge. Both normal frequent flows and rare floods can be considered as

dom inant discharges.

Key words: effective discharge; class intervals; flow frequency; flow regime; suspended sediment

concentration; W uding R iver

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