沉积物输送的有效排放机制及其在喀斯特流域中的地貌学意义

《Journal of Hydro-environment Research》：Effective discharge for sediment transport and its geomorphological significance in karst catchments

有效输沙流量估算与河道形态响应机制研究在喀斯特集水区。摘要：基于2003-2023年西南中国8个喀斯特集水区水文泥沙数据，采用分析法与分类法估算有效输沙流量(Qe)，揭示Qe与河道形态演变的关联机制。结果表明：Qe年一遇重现期介于1.04-10.15年，显著影响泥沙输运与河道调整，其阈值比例在20%-67%之间，增减Qe分别导致河道淤积与侵蚀。研究为喀斯特区水文-地貌耦合机制提供了量化依据。

　　在水文与地貌研究领域，有效径流（Qe）被认为是一个关键参数，它能够定量地将水流与地貌过程联系起来。有效径流通常指在一定时间尺度内，能够输送大部分泥沙并完成最大地貌工作的水流条件。这一概念在河流形态演变研究中具有重要意义，因为水流的强度和频率直接影响河流床的侵蚀、沉积和形态调整。然而，由于不同流域的有效径流值存在显著差异，如何准确估算Qe及其对河道形态的影响仍然是一个具有挑战性的问题。本研究以中国西南地区8个典型的喀斯特流域为对象，利用2003年至2023年的月度径流量和泥沙负荷数据，分别采用分析法和基于类别的方法进行Qe估算，并进一步评估Qe对河道形态调整的作用。通过对比两种方法的计算结果，研究发现有效径流的重现期范围存在较大差异，其中分析法得到的重现期为1.37至4.07年，而基于类别的方法则为1.04至10.15年。这表明，在不同类型的喀斯特流域中，有效径流的估算方法需要根据具体的水文和地貌特征进行调整。

有效径流与泥沙输运和沉积过程密切相关，进而影响河道形态。研究结果显示，输送50%悬移泥沙所需的径流量占总径流量的比例在20%至67%之间，而完成这一输送过程所需的时间比例则在22%至69%之间。这表明，有效径流在泥沙输运过程中起到了至关重要的作用。当有效径流减少时，可能导致河道淤积，而有效径流增加则可能引发河道下切。这一发现对于理解水文与河道形态之间的关系具有重要意义，同时也为喀斯特流域的泥沙控制和生态恢复提供了科学依据。

在喀斯特地貌区域，由于其独特的地质条件，如可溶性碳酸盐岩的广泛分布、复杂的地下水流网络以及高频率的极端降水事件，使得水文与泥沙之间的关系更加复杂。这些因素共同作用，导致泥沙输运和沉积过程呈现出显著的时空异质性。例如，喀斯特地区的土壤形成速度较慢，表土与基岩的结合较为脆弱，土壤流失后难以恢复，这使得有效径流的估算和其对河道形态的影响研究尤为重要。此外，喀斯特地区的水文响应通常较为敏感，极端降水事件可能导致短时间内大量泥沙的输送，从而对河道形态产生显著影响。

研究区域主要位于中国西南部，包括两个典型的喀斯特流域：乌江流域和西江流域。乌江流域位于东经104°15′35″至109°20′6″，北纬26°09′13″至30°12′1″，海拔范围为113至2888米，总面积约为8.79×10^4平方公里。西江流域则位于东经102°16′52″至113°23′51″，北纬21°36′17″至27°00′21″，海拔范围为0至2866米，总面积约为3.5×10^5平方公里。这两个流域不仅在地理位置上具有代表性，而且在地貌特征、水文条件和泥沙输运机制方面也存在显著差异。例如，乌江流域主要位于高原地区，而西江流域则涵盖了高原-盆地过渡带、低起伏山地以及三角洲等多种地貌类型。这种多样化的地貌背景使得研究结果更具普遍性和指导意义。

在喀斯特流域中，地下水流网络的存在对泥沙输运过程产生了重要影响。由于地下水流的快速存储和再分配，粗颗粒的床沙在地表的输运能力受到限制，因此本研究主要关注悬移泥沙的输运过程。悬移泥沙通常具有较小的粒径，能够在水流中长时间悬浮并被输运至下游。因此，估算有效径流时，需要特别关注悬移泥沙的输运特性。此外，不同流域的泥沙输运机制也存在差异，例如在某些流域，泥沙主要通过地表径流输运，而在另一些流域，地下径流可能在泥沙输送过程中起到关键作用。

为了估算有效径流，本研究采用了一种基于泥沙输运量与径流频率关系的方法。该方法假设，有效径流是能够完成最大地貌工作的水流条件，其计算依据是泥沙输运量与径流频率的乘积。通过这一方法，研究团队能够评估不同径流频率下泥沙输运的贡献，并确定有效径流的重现期。此外，研究还采用了一种基于类别的方法，该方法通过将径流数据划分为不同的类别，并计算每个类别对地貌工作的贡献，从而估算有效径流。这两种方法在计算结果上存在较大差异，表明在喀斯特流域中，有效径流的估算需要综合考虑多种因素，包括水文条件、泥沙输运机制以及地貌特征。

研究结果表明，不同喀斯特流域的有效径流值存在显著差异，这可能是由于各流域的水文条件、地形特征以及泥沙输运机制的不同所致。例如，在某些流域，有效径流的重现期较短，表明该流域的泥沙输运主要依赖于频繁发生的中等强度洪水；而在另一些流域，有效径流的重现期较长，表明该流域的泥沙输运主要依赖于较少但强度较高的洪水。这种差异对于理解喀斯特流域的水文与地貌过程具有重要意义，同时也为流域管理和生态保护提供了科学依据。

此外，研究还发现，有效径流对河道形态调整的影响是显著的。当有效径流增加时，可能导致河道下切，从而改变河道的纵剖面和横断面特征；而当有效径流减少时，可能导致河道淤积，进而影响河道的稳定性。这些变化不仅对河流生态系统产生影响，还可能对人类活动，如水利工程、农业灌溉和城市排水系统，造成一定的挑战。因此，有效径流的估算和监测对于喀斯特流域的可持续发展具有重要意义。

在喀斯特地区，由于其特殊的地质条件和生态脆弱性，水文与泥沙之间的关系尤为复杂。研究发现，喀斯特地区的土壤形成速度较慢，表土与基岩的结合较为脆弱，土壤流失后难以恢复。这使得有效径流的估算更加困难，因为一旦土壤流失，其恢复过程可能需要很长时间。此外，喀斯特地区还经常受到极端降水事件的影响，这些事件可能导致短时间内大量泥沙的输送，从而对河道形态产生显著影响。因此，研究有效径流在喀斯特流域中的作用，不仅有助于理解水文与地貌之间的关系，还能够为生态恢复和水资源管理提供科学支持。

本研究的结果表明，有效径流的估算方法需要根据具体的流域特征进行调整。在分析法和基于类别的方法之间，研究发现基于类别的方法在某些流域中更适用于估算有效径流的重现期，而在其他流域中，分析法可能更有效。这可能是因为基于类别的方法能够更好地反映不同径流频率对泥沙输运的贡献，而分析法则更适用于计算特定水文条件下泥沙输运的总体趋势。因此，在实际应用中，选择合适的估算方法对于准确评估有效径流的影响至关重要。

综上所述，有效径流在喀斯特流域的水文与地貌过程中扮演着重要角色。通过采用分析法和基于类别的方法，研究团队能够更全面地理解有效径流的特性及其对河道形态调整的影响。这些研究结果不仅有助于揭示喀斯特流域的水文与地貌关系，还能够为流域管理和生态保护提供科学依据。此外，研究还强调了在喀斯特地区进行有效径流估算的复杂性，指出需要综合考虑多种因素，如水文条件、泥沙输运机制以及地貌特征，才能准确评估有效径流的作用。因此，未来的研究应进一步探索不同估算方法在喀斯特流域中的适用性，并结合实际观测数据，建立更加精确和可靠的Qe估算模型。