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泥沙研究
2010年6月JournalofSedimentResearch第3期

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:TV143.6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&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
[1]
输沙流量”(Qe)这一概念。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&
Miller(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),PickupandWarner(1976)指出有效输沙流
量与平滩流量之间存在着显著差别。PickupandWarner(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。

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。

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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30261km2,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