黃河水文地貌耦合系統及其演變 許炯心 9787030764065 【台灣高等教育出版社】

精彩書評
地理學，水文水資源學

目錄

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前言
第一章 緒論1
第一節 流域系統與水文地貌學過程1
第二節 水文地貌耦合系統2
第三節 人類活動對水文地貌過程的影響2
第四節 水文地貌過程研究進展綜述3
第五節 黃河流域地貌系統中的耦合類型和本書的體系結構5
第二章 植被-侵蝕-河道耦合關係及其變化6
第一節 植被-侵蝕關係的轉型6
第二節 基於降水-植被-侵蝕耦合關係重建歷史上的侵蝕產沙18
第三節 黃河流域植被變化的重建及其對下游河道決溢頻率的影響27
第三章 水土保持對河流水文地貌耦合的影響37
第一節 徑流可再生性的變化37
第二節 綠水係數的變化46
第三節 減水效應與減沙效應的耦合關係55
第四節 流域水土保持措施對下游河道淤積的影響65
第四章 黃河流域的4個泥沙沉積匯75
第一節 上游泥沙沉積匯76
第二節 黃河中游沉積匯85
第三節 下游泥沙沉積匯99
第四節 河口泥沙沉積匯106
第五節 4個沉積匯沉積量變化的比較111
第五章 幹支流耦合關係119
第一節 十大孔兌來沙對黃河上游河道淤積的影響119
第二節 支流高含沙水流對幹流河道演變的影響128
第三節 水庫下游支流來沙對水庫下游河道沖淤的影響134
第六章 水沙耦合關係143
第一節 水沙耦合關係與水流能耗143
第二節 基於水沙關係的沖淤臨界研究147
第三節 多泥沙河流的侵蝕、輸移、沉積過程對水沙關係的複雜響應152
第四節 基於水沙關係的河型判別156
第五節 水沙關係與河床演變和河口發育160
第六節 基於Lane平衡對傳統水沙關係的推廣165
第七節 Lane平衡參數對河床調整的控制作用170
第七章 流域能耗特性及其意義186
第一節 黃河幹支流的能耗率與泥沙輸移的關係186
第二節 黃河流域能耗率與產沙輸沙尺度效應的關係193
第三節 黃河幹支流能耗率沿河長的複雜變化及其意義200
第八章 氣候-水文-泥沙產輸耦合關係204
第一節 黃河河口鎮至龍門區間的產沙量對氣候變化的響應204
第二節 黃河源區徑流的產生對氣溫變化的複雜響應217
第三節 黃河源區的河流泥沙對氣候變暖的複雜響應現象234
第四節 基於洞穴石筍氧同位素記錄重建黃河源區徑流量和輸沙量的變化245
第五節 基於旱澇指數對河龍區間產沙量的重建257
第九章 流水-風力作用耦合關係274
第一節 風力作用的歷史變化274
第二節 水力作用的歷史變化280
第三節 多沙粗沙區粗泥沙產沙量的歷史變化284
第十章 上中下游平灘流量292
第一節 上游甯蒙河段平灘流量293
第二節 中游支流渭河平灘流量306
第三節 下游平灘流量323
第十一章 流域-河道耦合關係337
第一節 黃河上游水沙變異指標及其與流域因素的關係337
第二節 黃河上游和下游河道輸沙功能變化對流域因素的響應354
第三節 黃河上游懸沙粒徑的變化及其成因364
第四節 黃河上游清水來源區來水的稀釋效應對下游河道淤積的影響375
第五節 黃河下游二級懸河發育演變385
第十二章 人類社會經濟與水文地貌系統的耦合關係407
第一節 農村社會經濟結構的改變對植被的影響407
第二節 農村社會經濟結構的改變對流域產沙的影響423
第三節 人類社會經濟活動對黃河入海泥沙通量和三角洲造陸的影響439
第四節 過去1800年黃河流域降水和徑流變化對朝代更替和國都遷移的影響451
參考文獻467
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精彩書摘
第一章 緒論
第一節 流域系統與水文地貌學過程
流域系統理論自20世紀70年代由著名的美國地貌學家Schumm（1973，1977）創立以後，成為一種重要的理論工具，在世界上得到了廣泛的應用，對國際河流地貌研究產生了很大的推動作用（Hurget et al ，2007），也使我國河流地貌研究發展到一個新階段（葉青超等，1990；陸中臣等，1991；尹國康，1991；許炯心，1996）。自2000年以來，隨著國際對全球變化和環境問題的關注，流水作用過程與流域系統的研究取得了長足的進展。
流域系統既是一個水循環系統，又是一個地貌系統，前者側重于水的循環，後者側重於以流水為紐帶的泥沙侵蝕、搬運、堆積與地表形態塑造過程，二者具有緊密的聯繫，這種聯繫越來越受到重視。水文地貌學（hydrogeomorphology）的概念和術語在20世紀50年代提出，蘇聯的河流地貌研究者用這一概念研究了河型問題（沈玉昌和龔國元，1986）。1973年著名理論地貌學家Scheidegger（1973）對國際上的水文地貌研究進行了綜述；其後有不少研究成果問世（Chatterji et al ，1978；Douglas，1985）。1992年在著名地貌學家鄧恩（T Dunne）的倡導和組織下，在日本橫濱召開了水文地貌學國際討論會，將這方面的研究推向一個新的階段。1997年國際地圈-生物圈計劃（IGBP）下屬的過去的全球變化研究計劃（PAGES）的核心項目”農業開發時期以來流域系統物質通量對氣候變化和人類活動的響應”正式啟動，其項目設計體現了水文、地貌、氣候和人類活動諸要素相耦合的思想。與此同時，水文地貌學聯繫在河流生態恢復的研究中得到重視（Petts et al ，1992）。2006年，國際水文科學協會（IAHS）下屬的國際大陸侵蝕委員會在英國鄧迪（Dundee）召開了以”泥沙動力學與流水系統中的水文地貌學”為主題的國際研討會，其中兩個關鍵性概念即流水泥沙系統（fluvial sediment system）和水文地貌學十分引人注目，標誌著水文地貌學的研究已成為國際河流系統和流水泥沙系統研究中的重要生長點（Rowan et al ，2006）。Sidle和Onda（2004）以”水文地貌學：正在湧現的學科”為題，對水文地貌學的若干科學問題進行了綜述，強調了對水流、泥沙運移動態及動力機制時空格局的研究，並闡述了時空尺度、土地利用變化相互作用以及累積效應等概念。有物理基礎的水文響應模擬計算方法得到進一步發展，為水文地貌學研究打下了更堅實的基礎（Loague et al ，2006）。在水文地貌學的理論框架中，山區河流水沙耦合研究取得了新的成果（Hattanji and Onda，2004；Morche et al ，2008）。
第二節 水文地貌耦合系統
流域系統中水文要素和地貌要素的耦合，形成了水文地貌耦合系統。作者團隊在2011∼2013年完成的國家自然科學基金項目申請書中，明確地提出水文地貌耦合系統的概念。在一個水文地貌耦合系統中，存在著水文要素和地貌要素之間的響應、適應、反饋和調整，以實現二者之間的平衡為目標。水文地貌耦合系統可以分為不同的層面：?流域層面：地貌要素影響產流，徑流侵蝕地表，導致地貌演化，又反過來影響產流過程；人類活動改變地表微地貌，如梯田、淤地壩的修建，也會改變產流過程。?河道層面。?河口三角洲陸海相互作用層面。以上3個層面，可以分別稱為流域水文地貌耦合、河道水文地貌耦合與河口水文地貌耦合。人類活動與氣候變化是影響水文地貌耦合關係及相關過程的主要因素。兩個因素的變化均會導致水文地貌耦合系統的變化。這兩個因素變化的速率是不同的，20世紀50年代以來，前者變化的速率及其影響已大大超過後者，成為決定水文地貌耦合系統變化的主導因素。研究人類活動對水文地貌耦合系統的影響，是地貌學、水文學迫切需要解決的重要科學問題。在地球科學中，自20世紀80年代以來，各部分（各個子系統）耦合關係的研究得到了人們的廣泛關注，成為研究的重點，大至如何發展多圈層相互作用模式、開發多種尺度的氣候-水文-土壤-植被耦合系統模式、研究地貌-水文-生態過程相互耦合（傅伯傑等，2006），小至全球變化背景下乾旱區山地-綠洲-荒漠系統的耦合關係（王讓會等，2006），都受到人們的重視。從系統的層面上說，河流系統各帶之間的耦合關係的研究是河流學科的一個核心問題，亟待突破。在自然條件影響下，各帶、各個子系統、各種過程之間形成了特定的耦合關係（Harvey，2001）。人類活動介入並日益佔優勢之後，原有的耦合關係將會被改變，即經歷一個”解耦合”（decoupling）的過程，並重新建立新的耦合關係。Fryirs等（1999）通過實例研究，討論了澳大利亞新南威爾士一個流域在歐洲移民進入後，由人類活動引發的坡溝關係解耦合過程，以及由此導致的泥沙來源的變化（Fryirs and Brierley，1999）。Fryirs和Brierley（2007）對流水地貌系統中的解耦合和非連通性進行了系統研究，在流域尺度上討論了從泥沙來源到泥沙沉積匯之間的非連通性的形成機制，包括緩衝帶、障礙和席狀堆積（buffers、barriers and blankets）等的影響。
第三節 人類活動對水文地貌過程的影響
河流養育了人類社會，人類又對河流施加了日益增大的影響，二者之間形成了特定的耦合關係。這種耦合關係是動態的、隨著時間而變化的。隨著人類文明特別是科學技術的迅速發展，人類施加於河流的作用力迅速增強，人類已經在很大程度上改變了河流的自然面貌。可以說，在今天的世界上，大至長河巨川，小至涓涓小溪，莫不打上了人類活動的深刻烙印。人-水關係是人-地關係中最重要的方面之一，一部人類文明史便是人類與河流之間的關係不斷調整的歷史。人類與河流的關係，已經成為陸地表層系統科學研究的核心內容，也是地貌學最重要的前沿領域之一。
地表流水作用過程受力學規律的支配，可以運用牛頓力學原理，通過分析地表物質在力的作用下發生運動和這一過程中能量的轉化、耗散來進行描述。通常是列出一組偏微分方程，並求其解析解或數值解。人類活動對河流地貌過程的影響主要是通過改變作用力與抵抗力的對比關係以及系統中能量的分配和耗散方式來實現的。在大多數情況下，這種影響並沒有改變微分方程組本身，而只是改變了其中的某些參數。從這一意義上說，人類活動對河流的影響可以在一定程度上用力學方法來描述。同時，河流系統又是一個複雜系統。自從人類出現在自然界並與河流發生日益密切的聯繫之後，人類在開發利用河流資源（水資源、河流沙礫資源、河流氾濫平原土地資源、航道資源、風景資源等）和治理河流災害（洪水災害、泥沙災害、斷流災害等）的過程中，以各種方式影響河流，同時又受到河流的制約，形成了特定的耦合關係，這種耦合關係使河流系統變得更為複雜。運用系統耦合理論來認識人類-河流相互作用，可以從宏觀上把握人類與河流之間的相互關係與相互作用，認識河流系統的複雜行為，揭示其中的規律，從而為流域管理的規劃與科學決策提供可靠的依據。
流域系統中的人類活動可以概括為以下四方面：?人類對土地利用、土地覆被狀況的改變。包括破壞植被與植被恢復、開墾與退耕、水土保持坡面措施（修築梯田、種樹種草）。?水利工程的修建與水資源和水能的開發利用。徑流泥沙調節 。?河道整治。河道形態變化。?跨流域調水等。水庫工程和其他工程的修建，使河流成為一個受控制的系統，可稱為受控河流系統，或河流控制系統。對這一系統的調控，可以運用自然控制論的方法和原理來解決。自然控制論的思想已提出多年（曾慶存，1996），基於這一思想可以建立河流控制系統的概念。
第四節 水文地貌過程研究進展綜述
我國科學家對河流系統中的水文過程和地貌過程分別進行了大量研究，發表了一系列專著和論文，涉及流域產流匯流過程與分布式水文模型、土壤侵蝕過程及土壤侵蝕模型、人類活動影響下的黃河水沙變化、黃河下游的河道萎縮與河床調整等。夏軍等（2004）建立了基於非線性水文系統的分布式時變增益水文模型，該模型獲得了較廣泛的應用。郭生練等（2003）、李蘭等（2002）也在分布式水文模型方面取得了很好的進展。我國在侵蝕機理研究方面取得了大量成果（牟金澤和孟慶枚，1982；陳永宗等，1988；唐克麗，1990；唐克麗，1993；蔡強國等，1998；鄭粉莉和高學田，2000），對侵蝕模型也進行了系統的研究（姚文藝和湯立群，2001；劉寶元等，2001）。劉寶元等（2001）借鑒美國通用土壤流失方程（USLE）的成功經驗，根據實測資料建立了坡面土壤流失預報方程，江忠善等（1996）利用黃土高原丘陵溝壑區徑流小區的觀測資料，建立了次降雨小流域地塊侵蝕預報模型，蔡強國等（1996）將小流域侵蝕產沙分為坡面、溝坡和溝