图1 准噶尔流域下垫面类型及分级水系
Fig. 1 Types of underlying surface and hierarchical river networks in the Junggar Basin
北京大学学报(自然科学版) 第61卷 第6期 2025年11月
Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Pekinensis, Vol. 61, No. 6 (Nov. 2025)
doi: 10.13209/j.0479-8023.2025.074
摘要 基于 30m 水平分辨率的数字高程模型和遥感影像数据, 提取准噶尔盆地 32 个内陆河的 7 级水系, 分析干旱气候条件下不同下垫面条件(以冰川为主型和以荒漠为主型)的内陆河子流域的水系分级结构特征。结果表明, 尽管准噶尔盆地各子流域在 1～4 级范围内总体上满足水系结构自相似定律, 但以冰川为主型子流域由于降水量较大且植被覆盖率较高, 其分支比以及河网密度均高于荒漠为主型子流域。进一步分析表明, 以冰川为主型流域的水系结构参数主要受温度、潜在蒸散发和土壤含水量因素控制, 以荒漠为主型流域的水系结构参数则与绿洲面积和植被覆盖特征的关系更密切。
关键词 内陆河; 准噶尔流域; 水系结构; 流域因子; 下垫面
内陆河指由内陆山区降水或高山冰雪融水形成的, 不汇入海洋, 而是流入内陆湖泊或在沙漠、沼泽中消失的河流[1]。这些河流主要分布在干旱–半干旱气候区[2], 多为间歇性河流[3–4]。
作为一个多重分级系统, 内陆河水系遵循霍顿水系定律, 即随着河流级别的变化, 水系结构参数遵循特定的几何规律[5–6]。内陆河的霍顿比数值小于外流河水系[7–8], 如塔里木河的分支比仅为 1.6～ 4.2[9]。同时, 内陆河水系分布稀疏, 美国中部、中亚以及非洲北部等典型内流区的河网密度仅为 0.3km−1[10]。此外, 随着河流级别的增加, 内陆河的平均河宽以及宽深比显著小于外流河[11]。内陆河水系结构主要受潜在蒸发量、坡度、冰川覆盖率和植被覆盖率等因素控制[12–13]。
当前, 关于下垫面条件对内陆河水系结构以及“水系结构–流域特征”关系的认识仍然十分有限。内陆河流域下垫面较为复杂, 以准噶尔流域为例, 下垫面类型包含沙漠、草原、冰川、裸土、裸岩、稀疏灌木林和稀疏草地等[14]。孙从建等[15]的研究表明, 中国西北内陆河流域的径流主要由山区降水、冰雪融水以及包含裂隙基岩水在内的地下水构成, 冰川覆盖率影响子流域的径流组成[16]。在下垫面高度冰川化的子流域中, 冰川融水是径流的主要来源, 冰川对径流的贡献率与冰川覆盖率之间呈近似对数关系[17]。沙地面积占比较大的流域通常具有较低的土壤含水量[18–19]。土壤含水量对流域的降雨–入渗–产流过程具有重要影响, 前期土壤含水量越高, 土壤入渗能力越低, 达到稳定径流系数和稳定入渗率的时间越短[20–21]。在未来气候变化情景下, 准噶尔盆地可能出现苔原和冷温带气候区退缩以及干旱草原气候区和干旱沙漠气候区拓展的现 象[22]。冰川退缩的加速, 不仅会改变流域内冰川融水的径流量, 还会削弱冰川的缓冲功能, 进而打破区域水资源平衡, 损害河流生态系统服务功能[3,24]。因此, 有必要对不同下垫面条件下的内陆河水系结构特征展开研究。
本文以准噶尔盆地内 32 个典型内陆河的子流域为研究对象, 基于 30m 分辨率数字高程模型数据提取的子流域水系, 从水系结构自相似性、分级特征和主要影响因素 3 个维度揭示不同下垫面条件对内陆河水系结构的影响, 以期为准噶尔流域水资源管理以及干旱地区可持续发展提供科学依据。
准噶尔盆地位于中国西北部(42°36′–48°39′N, 82°17′–96°10′E), 其东北依傍阿尔泰山, 南接天山山脉, 西临准噶尔西部山地, 东抵北塔山麓, 总面积约为 38 万 km2。研究区属于中温带大陆性干旱气候, 具有干旱少雨、蒸发强烈的特征(年均降水量约为 212mm, 年均蒸发量高达 2300mm)[24]。该地区降水具有时空分布不均的特点, 降水时间集中在5—8 月, 降水量自西向东递减。近 60 年来, 区域气候日益温暖湿润, 年均气温和年均降水量分别以0.35℃/10a 和 13.25mm/10a 的速率增加[25–26]。除额尔齐斯河注入北冰洋外, 盆地其他河流均为内陆河, 汇入乌伦古湖、艾比湖和玛纳斯湖等内陆湖泊。该地区年均总径流量为 2.06×1010m3, 全年 70%～80%的径流量集中在汛期(4—8 月)[27]。
本研究选取准噶尔盆地 32 个典型内陆河的子流域作为研究对象(图 1)。根据 Horton-Strahler 河流分级法则, 这些水系对应的最高河流级别为 5～7 级, 其中, 有 6 个子流域的最高河流级别小于 5 级。有32 个子流域的流域面积为 922.43～12525.14km2, 降水量为 61.00～390.28mm/a。鉴于冰川与沙地两类下垫面与内陆河径流来源、地下水类型等水文地质条件密切相关, 我们参照各子流域的基本特征, 将其进一步划分为 11 个以冰川为主型的子流域和 21 个以荒漠为主型的子流域。其中, 以冰川为主型子流域的冰川面积占比大于 1%, 以荒漠为主型子流域的冰川面积占比小于 1% (或沙地面积大于 90%)。
图1 准噶尔流域下垫面类型及分级水系
Fig. 1 Types of underlying surface and hierarchical river networks in the Junggar Basin
用于水系提取的数字高程模型(Digital Elevation Model, DEM)数据的水平分辨率为 30m, 来源于中国科学院计算机网络信息中心地理空间数据云平台(https://www.gscloud.cn/); 用于无水沟道识别的 1984—2015 年全球地表水出现频率数据来源于全球地表水动态数据库(http://global-surface-water.appspot. com); 湿地与湖泊数据来自全球湖泊和湿地数据库(http://www.wwfus.org/science/data.cfm); 多年平均降水数据来源于世界气候数据中心(https://www.w orldclim.org/); 多年平均潜在蒸散发数据来源于全球潜在蒸散量气候数据库(https://doi.org/10.6084/m9. figshare.7504448.v3); 流域实际蒸散发和土壤含水量数据来源于全球高分辨率水土平衡数据库(https: //doi.org/10.6084/m9.figshare.7707605.v3); 下垫面特征(包括冰川、沙漠、草地、沙地和绿洲分布)数据来自国家冰川冻土沙漠科学数据中心(http://www. ncdc.ac.cn/portal/)。
采用节点平衡二叉树的高效算法, 从 30m 分辨率 DEMs 数据中提取准噶尔盆地水系[9]。将其与中国 1:100 万河流数据(http://www.resdc.cn)中真实河道进行流向及空间地理位置对比, 结果显示二者较为一致, 验证了所提取河网的有效性。
我们采用 Horton-Strahler 分级法对河网进行分 级[28]。该方法将源头最小且不分支的河流定义为 1级河流, 下游河流的分级通过下式描述:
(1)
其中, nd表示下游河流级别, n1和 n2表示交汇口上游两条支流的河流级别。
霍顿比是一个不随河流级别变化的定值, 可通过最佳线性插值法, 对水系结构自相似性进行检验:
(2)
(3)
其中, L代表河流平均长度; N代表流域河段的数目; ω为自变量, 代表河流级别; RB和 RL分别表示分支比和河长比; lgNω和 lgLω为因变量; −lgRB和 lgRL 为斜率; N×lgRB和 lgL1−lgRL为截距。当一个流域对应的 R2>80%且 p<0.05 时, 认为该流域通过自相似检验[29]。
根据 Horton-Strahler 分级规则, 我们选用分支比(RB)、河长比(RL)、流域面积比(RA)以及河网密度(DD)4 种水系结构参数描述流域水系结构特征, 分别定义为相邻两级河流的数目、平均长度、流域平均面积的比值以及集水区河流总长度与流域总面积的比值。其中, RB和 DD能较好地反映流域水系的连通性和发育程度[7,30]。计算公式如下:
, (4)
, (5)
, (6)
, (7)
其中, A代表平均流域面积, ω代表河流的级别, Ω代表流域的最高河流级别。
从气象、径流、地形和下垫面条件 4 个方面量化流域特征, 如表1 所示。
使用 IBM SPSS 27.0 软件进行 Pearson 相关性分析, 判断水系结构参数与流域特征因子之间的相关性。Pearson 相关系数用 r表示。设定判定标准: 将确定性系数 R2 > 0.5, 显著性概率 p < 0.05 (即 95%置信水平)视为显著相关。采用多元回归模型和方差分解分析方法, 利用 R 语言中 relaimpo 包的 relimp 函数, 计算各流域因子对水系结构参数的相对重要性。在进行方差分解分析时, 依据 lmg 指标来评估各自变量对模型方差解释的贡献程度。
表1 表征流域特征的变量因子
Table 1 List of variables as descriptors of river basin properties
分类特征因子符号单位 气象潜在蒸散发量PETmm/a 实际蒸散发量AETmm/a 平均温度T℃ 干燥指数AI 多年平均降水量Pmm/a 径流多年平均地表径流Rmm 地形流域平均坡度S(°) 下垫面土壤含水量SWCmm/a 冰川面积占比Glacier% 沙地面积占比Sand% 绿洲面积占比Oasis% 植被覆盖度VC%
对准噶尔盆地 32 个代表性子流域的水系进行Horton 自相似检验, 其检验参数(R2值和 p值)的分布如图 2 所示。根据 Horton 自相似假设的接受阈值(R2>80%, p<0.05)[29], 在 RB和 RL两个参数上分别有78%和 75%的子流域通过检验。统计结果表明, 准噶尔盆地共有 25 个子流域水系具有自相似特征。
图 3 展示准噶尔盆地 25 个子流域的 4 个典型结构参数(RB, RL, RA和 DD)随河流级别的变化规律。采用曼–惠特尼 U 检验法[31]比较不同级别水系结构参数的差异, 将显著性水平设定为 p<0.05。计算结果显示, RB相邻两级的 p值依次为 0.082, 0.161, 0.297, 0.249 和 0.037, RL相邻两级的 p值依次为0.509, 0.007, 0.837, 0.187 和 0.232, RA相邻两级的 p值依次为 0.327, 0.010, 0.398, 0.591 和 0.471。检验结果表明, 准噶尔盆地内陆河水系的 RB在 1～6 级范围内较为稳定, 呈现良好的水系结构自相似性, 中位数范围为 1.92～2.91; RL和 RA在 1～3 级范围内较为稳定, 中位数范围分别为 1.60～2.26 和 3.30～4.79。随着河流级数的增加, 高级别河流汇集减少, 霍顿比波动幅度增大, 河网密度中位数由 68.02km−1下降至 0.04km−1, DD与河流级别呈近似指数分布关系, DD=235×10−0.6ω(R2=0.923, p=6.739×10−87)。气候干旱、补给匮乏和水动力条件不足等因素限制了准噶尔盆地内陆河下游水系的发育。
为探究准噶尔流域水系结构的影响因素, 从流域气象、径流、地形和下垫面条件 4 个方面选取12个流域特征因子, 并将其分别与 4 项水系结构参数(RB, RL, RA和 DD)进行 Pearson 相关性分析, 结果如表2 所示。
F 表示子流域占比
图2 准噶尔流域自相似检验参数的分布
Fig. 2 Distributions of self-similarity test parameters in the Junggar Basin
*和**分别表示 p < 0.05 和 p < 0.01, 下同
图3 准噶尔盆地典型子流域水系分级特征
Fig. 3 Hierarchical characteristics of endorheic rivers in the sub-basins of the Junggar Basin
表2 准噶尔盆地典型子流域水系结构参数与流域特征因子的 Pearson 相关系数
Table 2 Pearson correlation coefficient between river network structural parameters and basin characteristic factors for typical sub-basins in the Junggar Basin
流域特征因子水系结构参数RBRLRADD 实际蒸散发量0.58**0.24−0.250.54** 干燥指数0.66**0.40*−0.190.68** 潜在蒸散发量−0.69**−0.47*0.08−0.72** 平均温度−0.71**−0.45*0.01−0.69** 年均降水量0.61**0.22−0.260.53** 地表径流量0.10−0.060.030.21 流域平均坡度0.56**0.46*−0.170.58** 土壤含水量0.67**0.42*−0.190.69** 冰川面积占比0.65**0.51**−0.080.65** 沙地面积占比−0.69**−0.260.00−0.62** 绿洲面积占比0.38−0.03−0.110.34 植被覆盖度0.58**0.26−0.190.56**
从表2 可以看出, 气象因子方面, 水系结构参数对潜在蒸散发量、温度等因子更敏感, 而与降水的相关性较弱, 高温少雨、蒸发强烈对水系发育十分不利[32]。流域平均坡度与水系结构参数显著正相关, 再次印证地形对水系的塑造起主导作用[33]。相较于地表径流量, 水文地质条件对水系结构的影响更显著, 表现为土壤含水量和分支比均与河网密度高度相关。
下垫面因子中, 水系结构参数对冰川和沙地面积占比的空间变化较敏感, 随着子流域的冰川面积占比从 0%～1%增至 1%～10%, 以冰川为主型子流域的RB和 DD分别增加 20.48%和 104.16%; 当流域沙地面积占比由 0%～30%增至 30%～98%时, 以荒漠为主型子流域的 RB 和 DD 分别减小 22.08%和 54.00%。研究表明, 准噶尔流域的径流主要由山区降水、高山季节性积雪和冰川融水以及地下水补给[34], 冰川覆盖率的变化会影响子流域的径流组分, 而沙地、荒漠以及植被等下垫面特征会影响流域的入渗–产流过程。在准噶尔盆地以冰川为主型的子流域中, 径流主要由高山冰雪融水和山区降水补给。目前, 新疆山地冰川总体上呈加速消融趋势[35], 随着气温不断升高, 冰川加速融化和退缩, 河流水量增加, 有利于准噶尔盆地内陆河水系的发育。在以荒漠为主型的子流域中, 径流的形成主要受局部降雨强度和土壤性质影响[36]。随着沙地面积占比逐渐增加, 表面沙层覆盖作用增强, 地面下渗能力提高, 一般的降雨难以形成地面径流[37], 从而使得水系的分支比以及河网密度呈减小趋势。因此, 冰川和沙地面积占比均被视为影响水系结构差异的关键因素。
此外, 准噶尔盆地中, 绿洲范围对水系结构无显著影响, 但植被覆盖度对内陆河水系的影响不容忽视。已有研究表明, 植被覆盖度是影响流域水系结构[38]和水文连通性[39–40]的关键下垫面条件, 植被覆盖度的增加会降低土壤密度, 增大孔隙度, 影响土壤入渗和产流过程, 进而影响水系发育[41]。
需要指出的是, RA与 12 个流域特征因子均不存在显著相关性。RA表示高一级河流与低一级河流流域面积的比值, 计算所用的流域面积即地表分水线所包围的面积。分水岭的迁移主要受构造运动与差异侵蚀的影响[42–44], 与气象、径流、地形和下垫面因子的相关性较弱。
考虑到各流域因子之间的相互作用, 进一步采用多元回归模型和方差分解分析方法, 评估不同流域因子对分支比和河网密度的相对重要性。结果表明, 流域的土壤含水量(12.80%)是分支比最重要的驱动因素, 同时干燥指数(11.91%)、气温(11.45%)和沙地范围(11.21%)等因子的相对贡献也较为突出; 河网密度则主要受潜在蒸散发(11.88%)和土壤含水量(11.84%)影响(图 4)。
我们进一步将子流域分为以冰川为主型和以荒漠为主型两组, 并分析两类流域在水系结构及其影响因子方面的差异。
图4 准噶尔盆地流域因子对水系结构参数的相对贡献
Fig. 4 Relative contributions of basin factors to the river network structural parameters for the Jungger Basin
采用曼–惠特尼 U 检验法, 分析以冰川为主型和以荒漠为主型子流域水系结构参数(RB和 DD)的差异, 结果如图 5 所示。以冰川为主型子流域 RB和DD 的中位数分别为 2.68 和 27.62km−1, 显著大于以荒漠为主型子流域(RB和 DD的中位数分别为 2.06 和10.36km−1)。这一结果与前述结论一致, 即准噶尔盆地 RB和 DD整体上与冰川面积占比显著正相关, 与沙地面积占比显著负相关。高山冰雪融水是河川径流的重要补给来源, 而荒漠下垫面沙层的高入渗率使得降水在地表很难形成径流。因此, 以冰川为主型子流域呈现更高的分支比和河网密度。
选择对流域特征因子最敏感的 RB和 DD作为变量, 对比以冰川为主型和以荒漠为主型两类子流域水系结构影响因素的差异, 结果如表3 所示。以冰川为主型子流域的水系结构主要受潜在蒸散发、平均温度和土壤含水量控制, 并与流域平均坡度和冰川面积占比密切相关; 以荒漠为主型的子流域中, 绿洲和沙地面积占比对当地水系发育起到更加关键的作用。
图5 冰川为主型和荒漠为主型子流域水系的结构差异
Fig. 5 Comparison of structural parameters between glacier-dominant sub-basins and desert-dominant sub-basins
表3 冰川为主型和荒漠为主型子流域水系结构参数与流域特征因子的相关系数
Table 3 Correlation coefficient between river network structural parameters and basin characteristic factors in glacier-dominated and desert-dominated sub-basins
流域特征因子冰川为主型荒漠为主型RBDDRBDD 实际蒸散发0.260.400.420.30 干燥指数0.560.600.340.29 潜在蒸散发−0.80**−0.73*−0.31−0.40 平均温度−0.76**−0.53−0.32−0.38 多年平均降水0.410.400.430.29 地表径流量−0.080.110.170.38 流域平均坡度0.73*0.570.030.10 土壤含水量0.61*0.64*0.350.29 冰川面积占比0.70*0.530.130.14 沙地面积占比−0.36−0.20−0.52−0.54* 绿洲面积占比−0.43−0.210.57*0.53* 植被覆盖度0.050.150.430.44
上述差异性与准噶尔盆地子流域特殊的水源补给方式密切相关。总体而言, 准噶尔内陆河径流主要依赖高山冰雪融水和山区降水补给[17,45]。在内陆干旱地区, 降水稀少, 土壤长期处于干燥状态, 下渗能力强, 而降水强度往往不能满足下渗需求[46], 导致产流量减少。因此, 在山区冰川面积占比较低甚至无冰川覆盖流域中, 气候、水文因子与水系结构参数之间的相关性并不显著。在此类流域中, 绿洲面积的增加有助于提高流域土壤的持水能力[47], 增强土壤入渗性能, 进而影响地表“产汇流”过程和流域水系结构, 使得 RB和 DD主要受流域内绿洲和沙地面积占比控制。相比之下, 在以冰川为主型流域中, 冰川面积占比增大, 加上冰川融水对温度变化的高度敏感性, 导致其流域水系结构对气像因子更敏感。
图6 冰川为主型(圆圈)和荒漠为主型(灰点)子流域水系结构参数与流域特征因子的关系
Fig. 6 Relations between river network structural parameters and basin characteristic factors in glacier-dominated (circle) and desert-dominated (gray dot) sub-basins
表4 依据下垫面条件分类的两组子流域特征信息
Table 4 Characteristics information on two groups of sub-basins classified based on underlying surface conditions
类型年均降水量/(mm·a−1)流域平均坡度/(°)土壤含水量/%冰川面积占比/%沙地面积占比/%植被覆盖度/% 冰川为主型265.737.2737.292.1911.0657.18 荒漠为主型204.653.3322.710.0549.2831.24
如图 6 所示, 两类流域在流域特征、水系结构以及二者响应关系上均存在明显的差异。冰川面积占比更高的子流域主要分布在准噶尔盆地南部, 河流多发源于具有深厚积雪的天山山脉[48], 年均降水量较多, 流域平均坡度较大, 流域内植被覆盖度较高(表4)。相较于以荒漠为主型的子流域, 以冰川为主型子流域的整体特征更有利于河网发育。例如, 在相似的流域坡度区间(4°～8°), 以冰川为主型子流域的 RB和 DD平均值分别比以荒漠为主型子流域高26.80%和 77.72%。
由图 6(i)和(j)可知, 随着冰川覆盖率从 5%～ 10%降至 0%～5%, 以冰川为主型子流域的 RB平均值由 3.13 减至 2.59, DD平均值由 39.77km−1减至25.96km−1。以冰川为主型流域水系结构对气温等气候因子的敏感性源自其以冰川融水为主的水源补给结构。研究表明, 近 50 年天山冰川面积退缩率为18.41%[49], 预计到 2090 年, 天山北麓 80%的冰川将消失殆尽[50], 冰川融水径流及其对河川径流的调节作用将锐减, 无疑将影响水系连通性等一系列结构特征。因此, 为实现流域水资源的可持续利用, 应加强对冰川的动态监测, 并采取适应性策略来有效地应对冰川变化带来的影响。如图 6(k)和(l)所示, 当流域绿洲面积占比由 20%～40%降至 0%～20%时, 以荒漠为主型子流域的 RB平均值由 2.55 减至 2.02, DD平均值由 21.22km−1减至 10.64km−1。以荒漠为主型的流域水系似乎对植被条件的变化更敏感[51], 近年来准噶尔盆地植被整体上呈增加趋势, 但局部重盐渍化区域仍然存在植被退化现象, 不利于水系发育[52–53]。对于该类流域, 需要着重关注气候变化与人类活动影响下流域植被等下垫面的动态变化。
本文探讨准噶尔盆地 32 个典型内陆河子流域的水系结构特征及其流域影响因素, 所得主要结论如下。
1)准噶尔流域 1～4 级河流的分支比、河长比和流域面积比呈现良好的水系结构自相似性, 水系结构受潜在蒸散发、干燥指数、气温、土壤含水量和沙地面积占比等因素的影响。
2)准噶尔盆地不同下垫面条件的子流域在水系分级结构特征和流域影响因素方面存在差异。冰川主导型子流域具有更高的分支比和河网密度, 水系结构主要受到潜在蒸散发、平均温度和土壤含水量影响, 而荒漠主导型子流域的水系结构则与绿洲和沙地面积占比的关系更密切。
3)对于不同下垫面类型的内陆河流域, 应采用有针对性的可持续管理措施。
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Study on the Structural Characteristics of River Networks in the Junggar Basin
Abstract Based on 30 m horizontal resolution digital elevation models and remote sensing images, this study extracted 7th stream-order river network of 32 endorheic rivers in the Junggar Basin and analyzed the hierarchical river network structure of endorheic sub-basins under different underlying surface conditions (glacier-dominated and desert-dominated types) in arid climate. The results indicate that although the sub-basins in the Junggar Basin generally conform to the self‑similarity law of river network structure across stream orders 1 to 4, the glacier‑dominated sub‑basins exhibit higher bifurcation ratios and drainage densities than the desert‑dominated sub-basins, due to their greater precipitation and higher vegetation coverage. Further analysis reveals that the structural parame-ters of river networks in glacier-dominated basins are primarily controlled by temperature, potential evapo-trans-piration, and soil water content, whereas in desert‑dominated basins, these parameters correlate more closely with oasis area and vegetation characteristics.
Key words endorheic river; Junggar Basin; river network structure; basin factor; underlying surface
国家自然科学基金(52479057, 52394233)和中央高校基本科研业务费专项资金(2243300004)资助
收稿日期: 2024–09–13;
修回日期: 2025–01–16