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地理学报 >

2022 , Vol. 77 >Issue 11: 2878 - 2889

DOI: https://doi.org/10.11821/dlxb202211012

气候变化与地表过程

黄河源区典型河网平面形态特征及影响因素

  • 李敏慧 ,
  • 吴保生 ,
  • 陈毅
展开
  • 清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京 100084
吴保生(1959-), 男, 教授, 博士生导师, 主要从事水力学及河流动力学方面的研究。E-mail:

李敏慧(1996-), 女, 博士生, 研究方向为河流地貌学。E-mail:

收稿日期: 2022-02-07

  修回日期: 2022-10-11

  网络出版日期: 2022-12-27

基金资助

国家自然科学基金项目(51639005)

收起

Planform geometry and controlling factors of river networks in the Yellow River source zone

  • LI Minhui ,
  • WU Baosheng ,
  • CHEN Yi
Expand
  • State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China

Received date: 2022-02-07

  Revised date: 2022-10-11

  Online published: 2022-12-27

Supported by

National Natural Science Foundation of China(51639005)

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摘要

黄河源区不同地貌环境下的河网发育模式、平面形态等具有显著差异，存在羽状、矩形状、对称羽状和树状4种典型的河网类型。选取黄河源区83个典型子流域，计算了河网平面特征参数，探讨了河网参数与地形和气候因子的关系及河网类型的分布规律。结果表明，4类河网平面特征差异性通过流域宽长比、河网密度和流域内河流流向最大频数得到了较好的体现。流域坡度和降雨量对河网密度及流向的影响显著，且能较好解释河网密度及流向最大频数的变化；降雨对流域宽长比的影响显著。羽状主要分布在源区上游北部边缘地带，气候干旱，地表裸露，流域坡度均值为4.5°，流域高差均值为730 m。矩形状集中分布在若尔盖地区，气候相对湿润，且有大量的沼泽湿地，流域坡度和流域高差均值分别为2.3°和177 m。对称羽状处于高山峡谷地带，流域坡度和流域高差均值分别为16.9°和1167 m，降雨量变化范围大。树状分布在黄河源中游山区及中下游的冲积地貌，流域坡度和流域高差均值分别为15.4°和968 m，植被覆盖较好。结合4类河网的空间分布特征及河网参数与环境因子的多元回归分析结果分析，认为地形是决定河网平面形态分异的主要原因；当地形限制减小，气候条件和植被覆盖情况对河网的发展起了重要作用。

关键词： 黄河源; 河网类型; 流域形状; 河网密度; 河流流向; 影响因素

本文引用格式

李敏慧 , 吴保生 , 陈毅 . 黄河源区典型河网平面形态特征及影响因素[J]. 地理学报, 2022 , 77(11) : 2878 -2889 . DOI: 10.11821/dlxb202211012

Abstract

The landform of the Yellow River source zone is diverse, leading to various drainage patterns. To understand the drivers of planform geometry of river networks in the Yellow River source zone, 83 representative sub-basins, including dendritic, pinnate, rectangular and symmetric pinnate patterns are selected for studies. Attributes to characterize the planform geometry of river networks are calculated. The relationships between river network attributes and environmental factors are examined. The results show that the differences in the characteristics of the 4 drainage patterns are well reflected by the aspect ratio, drainage density and the maximum frequency of flow directions. Changes in drainage density and the maximum frequency of flow directions are well expressed by slope and precipitation variation. Aspect ratio is significantly influenced by precipitation. The pinnate networks are mainly distributed at the northern edge of the upper plateau where the climate is arid and the surface is bare. The mean basin slope of this pattern is 4.5º, and the mean relief is 730 m. The rectangular networks are concentrated in the Zoige basin where the mean basin slope and relief are 2.3º and 177 m, respectively. The climate of the Zoige basin is relatively humid and there are plenty of swamps and wetlands. The symmetric pinnate networks are more likely to occur in the high-relief valleys where the precipitation varies greatly. The average slope and relief of the symmetric pinnate networks are 16.9º and 1167 m, respectively. The dendritic networks are distributed mainly in mountainous areas of the middle reaches and fluvial plains in the northeast part of the source zone. The average slope and relief of the dendritic networks are 15.4º and 968 m, respectively. The vegetation coverage is better than that of the upper plateau. Our analysis suggests that topography is the main factor that leads to the differences of planform geometry among various drainage patterns. Climate and vegetation coverage play an important role in the development of river networks when the constraints of topography are reduced.

Key words： Yellow River source zone; drainage pattern; aspect ratio; drainage density; flow direction; controlling factors

1 引言

河网是研究流域水文、地貌演变的重要对象，其平面及纵剖面形态记录了演化过程的大量信息[1⇓-3]。河网特征能够反映水系形成和发育的条件，对河网进行分类可以更系统地研究各类河网形成的地形、地质、气候等条件，揭示河网产生分异的成因机制。河网结构对流域水文响应过程起着控制作用[4-5]，影响了河网汇流等流域水文过程，因此，河网分类有助于理解河流水系地貌演化及水文过程模拟，对流域水文研究有着重要意义[6-7]。
目前，河网分类已由定性描述特征，通过经验方法分类[8]，发展为借助河网指标，通过机器学习等方式实现自动分类[9⇓⇓-12]。常见的河网类型有树状、羽状、平行状、格状、矩形状、放射状、环状和向心状等[13]，各类型下又可以细分不同子类型。河网类型的产生与土壤、构造运动、气候和侵蚀过程相关。对于河网发育条件的研究多集中在树状、羽状、平行状、格状、矩形状。树状多分布在下垫面均匀，不受构造运动影响的区域。羽状多分布在构造运动控制产生的陡峭地形中[14]。Parvis[15]认为黄土覆盖区更易产生羽状河网。格状和矩形状多分布在断裂带和皱褶山周围[14-15]。平行状多分布在地形较陡的地区[13-14]。Jung等[16]发现，当初始地形平均坡度超过3%时，树状会向平行状发展。初始地形坡度对于非干旱区的河网发育有一定的影响，但是对于干旱、半干旱区的河网影响不大[17]。刘怀湘等[18-19]借助河网特征参数探究河网形成的可能条件，基于Horton定律区分羽状、叶状和枝状河网，发现Horton比可以反映小尺度上环境条件所产生的影响，降水量对河网形态有重要影响。
黄河源区地貌多样，上游为高海拔、低起伏的高原地貌，中游存在大量山脉，为典型的高山峡谷地貌，若尔盖地区为典型的高原草甸，存在大量冲积河流，同德、共和盆地为典型的侵蚀地貌[20]。丰富的地貌形态使得该地区河网形态多样。黄河源同德盆地出现了一种独特的刺状水系，具有平行排列的细短支流，以非对称方式近直角入汇。同德盆地覆有厚层黄土，存在沉积物的平坦宽谷，以及大规模溯源侵蚀是刺状水系发育的基本条件[21]。然而该研究选取的是2级流域，水系结构过于简单，且流域样本不够丰富。黄河源玛曲河段是一段特殊的冲积平原河道，接连出现网状、分叉、弯曲和辫状河型，究其原因是地形限制、泥沙淤积和植被发育[22]。但该研究对象为河段形态，没有关注流域河网平面形态。黄河源区存在树状、羽状、矩形状和对称羽状4种典型的河网类型，作者近期研究发现[23]，利用流域宽长比、河网密度和流向参数可以较好地区分4类河网，但缺乏对4类河网发育条件的探讨，对于黄河源区河网水系特征及发育条件的认识尚不清晰。
河网特征参数分布可以有效地反映河网形态特征。本文拟对黄河源区不同类型的代表性河网进行研究，利用河网参数刻画河网形态特征，提取流域地形和气候因子，比较各类河网所处环境条件的差异性，通过多元回归分析寻求河网参数的影响因素，从而得到黄河源不同类型河网发育的可能条件。

2 研究区域

黄河源区位于青藏高原东北部，黄河源头起源于巴颜喀拉山，海拔约为4600 m。区域内宽阔的盆地被几个主要的山脉分割：巴颜喀拉山定义了黄河上游的南边界，阿尼玛卿山横亘中游，祁连山和黄河上游最大支流湟水，形成了青藏高原和内蒙古的天然分界线[24]。根据水文和地质地貌等特征，黄河源区的划分有所差异。本文的研究区域指黄河流域位于青藏高原上的部分，处于31°37'N~38°37'N、95°19'E~104°10'E之间（图1）。
图1 黄河源区选取河网分布示意图

Fig. 1 Spatial distribution of river networks selected in the Yellow River source zone

早更新世—中更新世，在整体隆升中，黄河源区形成了断块山、走滑拉分—断陷盆地和大量湖泊；晚更新世，挤压收缩显著，湖盆变形，移位至扎陵湖、鄂陵湖地区；全新世，走滑挤压，持续隆升，闭流盆地转向开放。近代，受新构造运动影响，源区地貌不断演变，水系格局逐渐形成[25]。黄河源区地势西北高、东南低，分布有低山、宽谷、湖泊和沼泽。区域内主要的盆地，如若尔盖、共和及同德盆地，被不断填充，形成了大量夷平面[26]。源区大部分为沉积岩，存在少量火山岩，黄土广泛分布在高原东北角，蒸发岩在湖泊附近占主导[24]。土地利用类型以高原草地、林地和沼泽地为主[27]。黄河源身居内陆，气候类型属于青藏高原亚寒带半干旱半湿润型，东部气温比西部高，昼夜温差大，东南部降水比西北部高，水热空间分布差异显著[28-29]。
黄河源区地貌形态多样，河网水系发育，支流众多。为了探究黄河源区河网平面形态特征，本文拟选取不同形态的子流域进行研究。合适的流域尺度有助于河网特征的研究及影响因素的归类，若流域尺度过小，水系结构过于简单，尚未形成各类河网特征；若流域尺度过大，同一流域的不同区域往往展现出不同类型河网的特征。本文选取了83个典型子流域进行研究，流域空间分布如图1所示。

3 数据与方法

3.1 数据资料和处理

基于2000年获取的SRTM DEM数据V4.1版本进行河网提取，数据的空间分辨率为90 m，提取河网时采用了DEMRiver程序[30-31]，临界集水面积阈值取为40个栅格（约为0.324 km2），该阈值下提取的河网与谷歌地球影像上的河网的吻合度较高。DEM数据可从地理空间数据云网站（http://www.gscloud.cn）获取。
本文中的降雨和气温数据来自1970—2000年的WorldClim数据集[32]，干旱指数数据来自全球干旱指数数据集[33]。岩性数据来自GLiM数据库[34]，土地利用数据来自FROM-GLC30产品[35]。

3.2 河网参数计算

3.2.1 流域形状

流域宽长比（AR）常用于描述流域轮廓形状特征[36-37]，定义为流域宽度与流域长度的比值。不同研究中采用的计算方法略有差异，本文采用的计算公式为[36]：
A R = W / L b
式中：Lb为流域长度，反映流域纵向的空间范围，采用流域内干流起点至终点的坐标距离；W是指流域宽度，反映流域横向的空间范围，即纵向的法向方向，采用流域面积（A）与流域长度的比值作为流域宽度，计算公式为：
W = A / L b

3.2.2 河网密度

河网纹理指流域中河流的相对间距，反映了流域的发育程度。河网密度（D）常被用来表征河网纹理特征[13]。河网密度是单位面积内河流的长度，计算公式为[38]：
D = L T / A
式中：LT是流域内河流总长度；A是流域面积。

3.2.3 流向参数

河网中的河流被汇流点分割成多个河段，河段流向由河段上游和下游的汇流点的连线确定，根据该连线与正北方向形成的夹角确定该河段流向所属方位。流向被分为16个方位，即东、南、西、北、东南、东北、西南、西北、东北偏北、东北偏东、东南偏南、东南偏东、西北偏北、西北偏西、西南偏南和西南偏西，每个方位的角度覆盖范围为22.5°。统计所有河段流向所属方位，各方位组中河段的数目称为该方位下的流向频数，为了减少1级河段数目过多对结果带来干扰，采用长度加权流向频数，各方位下的加权流向频数 n f i的计算公式为[23]：
n f i = ( n i × L i ) / ∑ i = 1 16 L i
式中： n i为i方位中河段的数目； L i为i方位中所有河段的长度总和。
流向玫瑰图可以清晰直观地反映流向分布特征，以本文中选取的羽状、矩形状、对称羽状和树状4种河网类型为例，流域加权流向频数玫瑰图如图2所示。从图2中可以看到，不同类型河网的流向玫瑰图特征差异较大。羽状河网河段总体倾向于流向相近的方位，流向频数最大值一般大于其他3类河网。矩形状河流流向玫瑰图中的高频方向近乎垂直，对称羽状河流流向玫瑰图中的高频方向基本对称，树状河流流向分布范围较广，但不存在近乎垂直或对称的高频方向。
图2 典型河网流域内河流加权流向频数玫瑰图

Fig. 2 Flow direction rose maps for pinnate, rectangular, symmetric pinnate, and dendritic patterns

流域内河流流向最大频数一定程度上可以反映流域内河流流向的均匀程度，最大频数越大，河流倾向于流入相同或相近的方向，流向最大频数M计算公式为[23]：
M = m a x ( n f i )

4 结果与分析

4.1 河网平面形态特征

基于Horton-Strahler分级法，本文选取的83个子流域均为4级流域，流域面积在17~241 km2之间。基于河网类型的描述与定义[8,13 -14]，通过目视解译，83个子流域可分为羽状、矩形状、对称羽状和树状4类，分别有24个、17个、21个和21个[23]。各类河网平面形态如图3所示。
图3 河网形态示意图

Fig. 3 Examples of pinnate, rectangular, symmetric pinnate, and dendritic patterns

羽状形态狭长，支流较长，河流较顺直，多数支流流向相近，流域内存在优势流向。矩形状轮廓宽大，河流弯曲度大，河段中存在大量直角弯，支流交汇时多形成直角。对称羽状存在一条明显的主流，主流较为顺直，支流较短，在主流两侧呈对称入汇，支流与干流间的入汇角度近乎90°。树状河网形似树枝，向上游拓展分叉，河流流向自由。
图4展示了4类河网流域宽长比、河网密度和流域内河流流向最大频数的分布情况。流域宽长比反映了流域轮廓形态，流域越狭长，宽长比越小。羽状宽长比大致处于0.12~0.51之间，均值为0.29，矩形状宽长比大致处于0.28~0.83之间，均值为0.62，对称羽状宽长比处于0.16~0.42之间，均值为0.26，树状宽长比大致处于0.34~0.79之间，均值为0.56。羽状和对称羽状主要形成于狭长型流域中，河流向主流两侧的发展受限，树状和矩形状河流流向自由，羽状和对称羽状宽长比明显低于矩形状和树状。
图4 流域内河流宽长比、河网密度和流向最大频数分布

Fig. 4 Distributions of aspect ratio, drainage density, and the maximum frequency of flow directions for different drainage patterns

河网密度表征了单位面积下河流的密集程度[39]。羽状支流较长且分布较为密集，总体而言，该类型河网密度最大，大致处于1.53~2.23 km/km2之间，均值为1.92 km/km2。对称羽状支流分布也较为密集，但支流大多短小破碎，河网密度小于羽状，处于1.08~1.41 km/km2之间，均值为1.22 km/km2。矩形状河流弯曲，支流较多，流域内河流总长较大，河网密度仅低于羽状，处于1.36~1.73 km/km2之间，均值为1.54 km/km2。树状河网密度处于1.07~1.47 km/km2之间，均值为1.24 km/km2。
流域内河流流向最大频数表示流域内河段在16个方位内的最大数目，数值越大，表明存在优势流向，流域内河段更倾向于流向同一方位，因而羽状流向最大频数最高，处于3.85~16.20之间，均值为8.11。对称羽状存在较对称的两个优势方向，流向最大频数处于1.77~5.55之间，均值为3.36。矩形状和树状流向最大频数分别处于1.15~3.76和1.03~4.10之间，均值分别为2.40和2.48。

4.2 河网参数及影响因素

本文采用多元逐步回归分析法分析流域参数与环境因子间的关系，探究主导因素。表1给出了河网参数与环境因子的相关系数，表2给出了标准化多元回归系数，表2中的系数均通过了0.01的显著性检验。
表1 河网参数与环境因子的相关系数矩阵

Tab. 1 The correlation matrix among river network attributes and environmental factors

流域宽长比 河网密度 流向最大频数 流域坡度 流域高差 年均降雨量
流域坡度 -0.096 -0.671 -0.356 - - -
流域高差 -0.253 0.016 0.055 0.276 - -
年均降雨量 0.283 -0.389 -0.581 0.063 -0.171 -
干旱指数 0.203 -0.566 -0.596 0.283 -0.164 -0.836
表2 河网参数与环境因子的标准化多元回归系数

Tab. 2 Standard multivariate regression coefficients between river network attributes and environmental factors

河网参数 流域坡度 流域高差 年均降雨量 干旱指数 复相关系数
流域宽长比 - - 0.283 - 0.283
河网密度 -0.556 - -0.409 - 0.777
流向最大频数 -0.321 - -0.561 - 0.663
由表2可知，流域坡度及降雨量对河网密度和流域内河流流向最大频数的影响显著，流域高差和干旱指数的影响不显著。随着坡度的增加，水系的密集度减小，河网密度减小，河网水系发育受到了来自地形的阻碍[39]。随着降雨增加，植被覆盖变好，地表植被的缓冲部分削弱了径流冲刷，河网密度减小。坡度的增加限制了河流流向的发展，流向最大频数减小，流域内存在优势流向的可能性降低。降雨的增加可以增强河流向各个方向冲刷的能力，同样降低了优势流向存在的可能性，流向最大频数减小。
结果表明黄河源区流域宽长比与降雨弱正相关，相关系数不高，但降雨对宽长比的影响显著。黄河源区从东南部至西北部，地势增高，降雨减少，河网以干流冲刷为主，侧枝冲刷减弱[21]，流域趋于狭长，宽长比减小。

4.3 河网类型与环境条件

为了进一步探究各类河网平面形态分异的原因，本文分析了4类河网所处地形和气候因子分布情况，4类河网平均流域坡度、流域高差、平均年降水量和干旱指数的分布如图5所示。
图5 各类河网流域坡度、流域高差、平均年降水量和干旱指数分布

Fig. 5 Distributions of basin slope, relief, annual precipitation, and aridity index for different drainage patterns

构造运动对水系格局起着重要作用，已有研究表明构造对河网的控制作用主要体现在高级别河流上，对低级别河网的控制作用并不明显[40⇓-42]。本文选取的83个河网均为4级河网，属于低级别河网，与大尺度断裂带相比，流域尺度较小，构造的控制作用被削弱。地形特征（如高差和坡度）一定程度上反应了构造特征，高差和坡度对河网的影响能反映出构造对河网的影响。但地形特征不仅仅是构造运动的结果，而是多种因素（如河流侵蚀和气候条件）共同作用的结果。从地形条件分析，矩形状流域坡度和流域内高差最小，均值为2.3°和177 m。对称羽状坡度和高差最大，均值分别为16.9°和1167 m。羽状和树状流域坡度均值分别为4.5°和15.4°，高差均值分别为730 m和968 m。
从气候条件分析，黄河源区降雨量从西北至东南递增，干旱指数大致也呈现出递增的趋势，即湿润度增加（图6）。羽状、矩形状、对称羽状和树状所处区域平均年降水量分别为420 mm、673 mm、549 mm和559 mm。由图6可知，4类河网的空间分布与降雨量及干旱指数的空间分布存在一定的关联。羽状主要分布在平均年降水量为290~500 mm、干旱指数为0.25~0.55的区域，降雨量小，最为干旱。矩形状主要分布在降雨量为655~695 mm、干旱指数为0.64~0.7的区域，降雨量较大，较为湿润。树状主要分布在降雨量为500~655 mm、干旱指数为0.55~0.64的区域。对称羽状所在区域降雨量和干旱指数变化最大。
图6 黄河源区平均年降水量和干旱指数分布

Fig. 6 Spatial distributions of annual precipitation and aridity index in the Yellow River source zone

此外，本文对黄河源区土地利用情况和岩性作了统计，如表3所示。4类河网主要位于疏松沉积物和沉积岩分布的区域，区域内大多数沉积岩为松潘甘孜复理石建造[43]。羽状主要分布在裸地区，矩形状分布区主要为草地，对称羽状主要分布在草地和裸地，树状主要分布在草地和森林覆盖区。羽状所处区域最为干旱，植被覆盖情况差，其余3类河网所处区域较为湿润，植被覆盖情况转好。
表3 黄河源区所选河网土地利用和岩性

Tab. 3 Land-use and lithology of river networks selected in the Yellow River source zone

河网类型 土地利用 岩性
羽状 裸地 疏松沉积物和硅质沉积岩
矩形状 草地 疏松沉积物
对称羽状 草地和裸地 硅质沉积岩和混合沉积岩
树状 草地和森林 混合沉积岩
黄河源区4类河网的空间分布与地形特征存在较大的关联。羽状主要分布在源区上游北部边缘地带，流域坡度均值处于1.6°~9.8°之间，中等大小的流域坡度和流域高差使得河流流向较为统一，干旱的气候条件下，植被覆盖情况差，河道多顺直发展。对称羽状，主要分布在源区中游的高山峡谷地带，区域内高差大、坡度大，降雨量变化范围大。陡峭的地形强烈地限制了河流发育，即使降雨增大，河流也难以通过降水冲刷侧向发展，其发育动力可能还是来源于溯源侵蚀[21]。当地形限制减小，降雨和植被的影响逐渐显现。矩形状集中分布在若尔盖地区，若尔盖盆地处于东昆仑大断裂东段，是被不同方向断裂围限的一个相对沉降区域[44]，区域内高差、坡度均较小，气候相对湿润，且有大量的沼泽湿地，河流蜿蜒蠕动，形成了大量弯曲河道[22]。树状分布在黄河源中游山区及中下游的冲积地貌，区域内植被覆盖较好。

5 结论与讨论

本文以黄河源区83个典型子流域为研究对象，包含羽状、矩形状、对称羽状和树状4种河网类型，从流域形状、河网密度和流向参数3类流域特征参数入手，展现不同类型河网的差异性。结合4类河网的空间分布特征及河网参数与环境因子的多元回归结果，主要得到如下认识：
（1）4类河网平面形态差异通过河网特征参数差异得到体现。羽状狭长，支流密集，多数支流流向相近，因此宽长比较小，河网密度大，流向最大频数大；矩形状流域轮廓宽大，河流弯曲，流向分散，因此宽长比大，密度较大，流向最大频数小；对称羽状狭长，支流短小且沿干流对称分布，因此宽长比小，密度小，流向最大频数较大；树状流域轮廓较宽大，支流流向自由，因此宽长比较大，河网密度较小，流向最大频数较小。
（2）流域坡度和降雨量对河网密度及流向最大频数的影响显著，能较好地解释河网密度及流向最大频数的变化，降雨对流域宽长比的影响显著。羽状所处区域坡度和高差较大，平均年降水量和干旱指数最小，气候干旱，中等坡度使得河流较为密集，裸露的地面推动了河道的顺直发展，河流流向相近，因此流域宽长比较小，河网密度最大，流域内河流流向最大频数最高。矩形状位于若尔盖盆地，坡度和高差小，地形限制小，河网向各个方向发展的限制小，平均年降水量和干旱指数大，气候湿润，降水补给充足，植被覆盖好，因此宽长比大，密度较大，流向最大频数小。对称羽状所处区域山脉密集，坡度和高差大，地形陡峭，即使降雨增大，地形对河流侧向发展的限制作用仍然很强，因此宽长比小，密度小，流向最大频数较大。树状所处区域坡度和高差变化范围大，平均值偏大，降雨和干旱指数较大，气候相对湿润，植被覆盖较好，推动河网向树状形态发展，因此宽长比较大，河网密度较小，流向最大频数较小。
（3）河网形态产生分异是多种因素综合作用的结果。通过对黄河源区83个典型河网进行地貌学分析，本文认为地形格局是4类河网产生分异的主控因素，地形格局受到构造运动的控制，对于河网发展和演化模式具有决定性意义。降雨形成的径流是主要侵蚀动力，随着流域坡度减小，地形限制减弱，降雨和植被覆盖对河网平面形态的影响逐渐凸显。地形坡度只反映出部分构造特征，构造特征的准确刻画、更大尺度的河网地貌学分析以及构造—气候—地形间耦合关系的量化，有待更深入的研究。

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