汇报人：张晓明 中国水利水电科学研究院

364.99 367.93
114.58 318.72 -250.41 68.61
52.18 54.74 22.66 44.17 -29.52 56.57
降水影响 变化值 变化率(%)
-46.27 18.48
-8.01
27.15
藉河流域 14000
Q/mm ΔQtot/mm ΔQclim/% ΔQhum/% 12000
流域 皇甫
川 北洛
河
泾河
渭河
年份
1954-1979 1980-2010 1960-1995 1996-2010 1971-1985 1986-1996 1997-2010 1960-1968 1969-1993 1994-2010
实测值 (10 m3)
1.97
0.92 8.93 6.192 15.66 11.73 9.55 100.40 67.46 49.46
国家自然科学基金面上项目 (51379008)
汇报人：张晓明 中国水利水电科学研究院
一、项目简介
科学问题提出
自然环境和人类活动特征均表现为尺度性和空间异质性
地理学和生态学的重点领域
尺度-结构-过程相互作用 地貌-水文-生态过程相互耦合
黄土高原生态系统发生了巨大变化，是人为驱动下植被 及水土保持工程变化最剧烈的区域
黄河中游黄土粒度组成细，其河流的自然 泥沙输移比接近于1(张信宝等，2006)
地质地貌类型区
空 间 侵蚀类型区 域
地质构造，多年平均降水条件 地形要素，多年平均降水条件
某范围下的小尺度流域
土壤、植被、地形、年尺度或 次降雨条件
泥沙输移比的分形特征
N
lg ( 1 / m )P(m,r)
Di

lim
0.71
1.62
0.80
1.91
0.74
2.05
0.66
2.11
0.65
2.17
0.52
2.37
0.66
2.53
0.64
4.07
0.37
5.11
0.41
6.41
0.41
7.88
0.37
8.29
0.41
9.83
0.24
34.32
0.22
49.43
0.19
66.49
0.10
SDR = 0.824 F -0.413 （R²= 0.900）
/
90.8% /
7 6 5 4 3 2 1 0
1960-1969
1970-1985 1986-2002 北洛河
1970-1985 1986-2002
2003-2010 2003-2010
输沙量（108t）
径流量（108m3）
25
泾河
20
15
10
5 1960-1970
5
1971-1985 1986-2002 泾河
2003-2010
累积降雨量(mm)
基于多种方法测算，对于小尺度流域，随着流域面积增加降雨径流和输沙减 少的贡献率相对减小，土地利用变化（人类活动）对水沙减少的贡献在增加。
二、阶段性成果
成果2：多尺度流域水沙变化尺度变异机理
中
尺
度
流
域
3246 km2
8706 km2 26900km2 45421km2
渭河流域13.5×104km2
径流量（108m3）
6
皇甫川
5
4
3
2
1
0 1954-1969
2.0
1970-1985 1986-2002 皇甫川
2003-2010
1.5
1.0
0.5
0.0 1954-1969
1970-1985
1986-2002
2003-2010
径流量（108m3）
输沙量（108t）
15
北洛河
12
9
ห้องสมุดไป่ตู้
6
3 1960-1969
4
3
2
1
0 1960-1970
1971-1985
1986-2002
2003-2010
径流量（108m3）
输沙量（108t）
150
渭河
120
90
60
30
0 1960-1969
1970-1985
1986-2002
2003-2010
12 渭河
10
8
6
4
2
0 1960-1969
1970-1985
1986-2002
二、阶段性成果
成果1：泥沙输移比尺度依存及分形特征
泥沙输移比值的尺度依存性
黄河流域
长江流域
泥沙输移比的尺度域
次降雨的SDR
时 间 年尺度的SDR 域
多年平均SDR
黄土高原地区，100km2的小流域被一次暴雨 全部笼盖的机率大（余新晓，2007）
小流域集雨面积>500km2时，降雨空间分布 均匀的假设不成立 (Robinson，1979)
一、项目简介
项目来源
青年-面上连续资助项目：
“自然-人为”耦合驱动的流域水沙运移尺度效应及其尺度依存
围绕“自然-人为”耦合作用下流域水沙输移过程尺度分 异、尺度依存、尺度域 、尺度推绎展开研究
刻画气候、土地利用、径流与泥沙在常态(极值)下协同变化及互馈规律 揭示人类影响下流域水沙输移在连续和离散尺度上的尺度效应及分异性 评估自然-人为因素对水沙输移影响贡献度 建立水沙输移过程尺度效应依存的尺度划分体系 发展流域水文过程尺度推绎和转换的方法
0.03
0.82
0.03
0.76
0.03
0.83
0.04
0.72
0.12
0.70
0.98
0.48
1.20
0.54
1.20
0.58
1.50
0.34
3.00
0.49
3.20
0.44
6.70
0.39
22.90
0.31
32.50
0.30
33.20
0.23
35.50
0.24
Roehl
F(km2)
SDR
1.02
A(t)
S(t)
Stot(t) Sclim (%) Slucc (%) 4000
8.85×106 4.29×106 2.44106 13.5
8.52×106 1.85×106
86.5
2000
0 0
y = 1.062x - 429.0 R = 0.994
5000
10000 15000 20000 25000 30000
0.52
1.60
0.55
5.70
0.17
11.80
0.29
17.20
0.13
17.90
0.69
19.50
0.13
24.20
0.10
36.00
0.15
41.30
0.13
45.90
0.18
161.00
0.12
190.00
0.09
272.00
0.04
433.00
0.09
Williams and Berndt
r 0
m1
lgr
lgs Dlgr K
降雨空间分布均匀成立
一个流域从地面侵蚀到河流输沙整个过程中泥沙运行规 律与更小一级的流域无本质差异，只是量上有所不同
随着观测尺度（如流域面积）的变化其某种功能 （如输移比）也同步发生变化，但规律一致
3
SDR 0.8F -0.403
2
R2=0.937
5000
10000
累计降水量/mm
15000
时段 1962-1976 1977-2008
P/mm 564.5 551.7
E0/mm 1000.7 1010
径流 （万 m³）
输沙 （万 t）
典型时段
1986-1993 1994-2010 1986-1993 1994-2010
实测值 计算值
前后相差
年均量 年均量 变化值 变化率(%)
罗玉沟流域
2000 0
900 600
y = 0.6728x + 218.84 R²= 0.9848
y = 0.0525x + 178.96 R²= 0.9533
1986-1993年 1994-2010年
300
0 0
y = 0.0973x + 53.918 R²= 0.8912
1986-1993年 1994-2010年
降雨和气温对径 流过程的影响
土地利用/森林植被 对径流过程的影响
水土保持措施对 水文过程的影响
洪峰削减45%
洪峰削减80%
降雨与土地利用在不同尺度流域水沙过程主控作用如何变异
问 较大尺度流域降雨、植被、水保措施对水沙过程影响作用的分离 题 多尺度流域各过程特征指标的提取
发展普适性的景观指数是不现实的，应在相应的尺度域内发展相应的主控指标（傅伯杰）
计算值 (108 m3)
1.87 /
8.12 /
14.62 15.20
/ 91.30 93.07
总减少 量(108 m3)
/
1.05 /
2.74 /
3.93 6.12
/ 32.93 50.94
降水贡 献率(%)
/
9.2% /
29.6% /
26.6% 7.6%
/ 27.6% 14.4%
人类活动 贡献率(%)
1.20
1.25
1.30
地貌分形维数D i
流域地貌分形维数与年泥沙输移比
1.2
流域面积与年泥沙输移比
0.9
0.6
0.3
0.0 0
10
20
30
40
50
60
70
流域面积F (km2)
李青云等
F(km2)
SDR
0.01
0.95
0.02
0.96
0.02
0.87
0.02
0.97
0.02
1.02
0.03
0.77
0.62
1.30
0.66
4.50
0.48
17.70
0.42
SDR = 0.621 F -0.139 （R²= 0.928）
DSDR=0.139
This study
F(km2)
SDR
0.56
0.67
0.66
0.79
1.02
0.82
1.03
0.81
1.05
0.85
1.23
0.93
1.24
0.83
1.40
核心问题之二：尺度推绎与转换
水文尺度转换以分布式水文模拟为主要途径
通过不同尺度间 的状态变量、模 型参数、输入数 据等信息转换来 实现，数据信息 需求大，实用区 域的推广有限
水文尺度推绎的新途径—分形理论和统计自相似性
问 流域水文过程的分形特征 题 某尺度域内流域水文生态特征指标提取
F(km2)
SDR
0.10
0.53
0.50
0.39
1.00
0.35
5.00
0.27
10.00
0.24
50.00
0.15
100.00
0.13
200.00
0.11
500.00
0.09
SDR = 0.493F-0.154 （R²= 0.914）
DSDR=0.154
SDR = 0.525 F -0.346 （R²= 0.610）
DSDR=0.413
实际值
模拟值
D为流域泥沙输移比分形维数
0.0 lyg1 lyg3 lyg5 lyg7 lyg10 lyg12 lyg14 lyg16 lyg18 lyg20 lerg2 lerg4 典型流域单元
二、阶段性成果
成果2：多尺度流域水沙变化尺度变异机理
1.4km2 1.1km2
小
尺
72.8km2
LN (SDR )
1
0
0
1
2
3
4
5
LN (F )
尺度域：多年平均降雨条件下， 小流域面积<500km2降雨空间均匀
泥沙输移比尺度转换模型
泥沙输移比SDR
泥沙输移比 SDR
1.2
SDR = 38732 e-9.868 Di
0.9
R 2 = 0.726
0.6
0.3
0.0
1.00
1.05
1.10
1.15
100.6 41.8
58.8
12.5
10000
87.5
8000
6000
人类活动影响 变化值 变化率(%) -204.14 81.52 -21.51 72.85
y = 0.348x + 3799. R = 0.985
累积输沙量(104t)
时期 1962-1976 1977-2008
P(mm) 564.5 551.7
2003-2010
输沙量（108t）
北洛河状头站汛期实测径流输沙关系
泾河张家山站汛期实测径流输沙关系
渭河咸阳站汛期实测径流输沙关系
各流域下垫面变化不同而对产流、产沙影响不同，2000年以来泾河、 渭河相同雨量下的天然径流量明显减少；渭河咸阳站以上2000年以来汛期 径流输沙较之前减少明显，尤其大流量下的输沙量减少更多。
核心问题之三：自然-人为影响作用的分离与评估
对于泥沙输移小流域主要受坡面过程影响，而大流域受沟道、河道过程影响(陈浩,1993)。 流域面积越大，水沙关系受坡面性质影响越小，因此，植被等坡面措施对大流域水沙关系
的改变将更加困难，其对中大流域减沙作用主要依靠减水的方式实现（蔡强国，2007）。
自然-人为耦合作用下的流域水沙过程在时、空尺度的演变，更难以辩析和评估
核心问题之一：尺度效应
流域水沙过程是否具有尺度效应仍有争论
时间尺度
侵 蚀 原 动 力 降 雨
空间尺度
地 质 构 造 、 地 形 地 貌
观测尺度
小区观测
流域观测
样带调查
梯度对比
—
问 尺度依存性如何理解？流域水文过程是否具有尺度效应？ 题 尺度效应的尺度域包括什么？尺度域如何界定？
12.0km2
度
流
1019km2
域
Sediment yielding/t/(km2•a)
3200 Lyg
Leg
2400
Qzd
1600
800
0
0
20
40
60
80
Ratio of forest cover/%
累积径流/万m³
累积输沙量/t万
6000 4000
y = 0.2611x + 1649.5 R²= 0.9834
DSDR=0.346
SDR SDR1 F -D
SDR1为面积为1.0 km2的单元小流 域的泥沙输移比
SDR = 0.3481 F -0.211 （R²= 0.991） DSDR=0.211
1.2
0.9
0.6
0.3
泥沙输移比SDR
ASCE
F(km2)
SDR
0.50
0.67
0.70
0.63
1.00