黄土丘陵沟壑区不同空间尺度流域泥沙输移比研究

泥沙输移比是定量表征流域内侵蚀产沙-河道输沙特征的重要指标。探讨了不同尺度流域泥沙输移比计算的可能性与方法,以黄土丘陵沟壑区的径流小区、小流域、水文站实测资料为基础,利用径流小区观测资料和单元小流域侵蚀模数2种方法,对4种空间尺度流域的泥沙输移比进行了估算。结果表明:(1)对于面积在10~100km²的小流域,利用2种方法计算的泥沙输移比结果非常接近,说明在没有小区观测资料时,用单元小流域计算流域泥沙输移比是可行的。(2)对于土壤侵蚀类型单一的水文站控制流域,在没有面积>1km²单元小流域资料的情况下,可以用面积1~10km²小流域或面积10~100km²小流域作为单元小流域来计算泥沙输移比而对于侵蚀类型不同的支流其误差范围有些偏大。(3)流域治理措施的实施对于泥沙输移比的减少具有明显的效果,但治理措施减沙效应的发挥具有一定的滞后性。     

泾河流域径流-泥沙的尺度效应研究

[目的]分析泾河流域径流和泥沙的尺度效应,并通过突变检测确定突变时间点,对比突变前后水沙尺度效应的变化,为气候变化和人类活动对水沙尺度效应研究提供支持。[方法]收集整理了泾河流域1958—2013年的水沙资料,基于流域水沙异源的特性,将流域分成南北两个分支,分别探讨2条分支水沙的尺度效应,并通过Mann-Kendall突变检验方法计算出突变时间点,对比突变前后尺度效应的异同。[结果](1)南北两分支的径流—泥沙之间的尺度效应具有反向关系。北支(洪德—张家山)的产流模数随面积增加表现为线性增加,南支(三关口—张家山)的产流模数随面积增加表现出对数函数关系,随集水面积增大产流模数先快速减小后缓慢减小。北支的产沙模数随面积增加表现为线性减少,南支的产沙模数随面积增加表现出幂函数关系,即随面积增大产沙模数先快速增加后缓慢增加;(2)突变后水沙都比突变前出现了不同程度的减少,突变前后水沙的尺度效应大部分具有相同的拟合函数关系式,仅南支的产沙模数由突变前的最优二项式函数拟合转变为突变后的线性函数。[结论]气候变化和人类活动的共同作用不同程度的改变了泾河流域径流—泥沙的尺度效应。     

不同时间尺度下流域径流侵蚀功率输沙模型模拟精度

流域不同时间尺度下的水沙关系及其模拟预测是国内外水土流失研究的热点问题,基于水蚀动力过程的径流侵蚀功率理论,建立了径流侵蚀功率输沙模型,选取黄河一级支流无定河流域的实测径流泥沙资料,系统研究了年、月和次暴雨3种不同时间尺度下的径流侵蚀功率和输沙量之间的相关关系,对比分析了径流侵蚀功率输沙模型与径流-输沙模型在表征流域径流侵蚀输沙上的优劣。结果表明:1975-2010年,无定河流域径流、输沙和径流侵蚀功率在不同时间尺度下均呈下降趋势;不同时间尺度下的径流侵蚀功率输沙模型的R^2相对于径流-输沙均较高,表明基于径流侵蚀功率的流域径流侵蚀功率输沙模型在不同时间尺度上均能够更准确地表征径流侵蚀输沙关系。     

坡面径流类型对侵蚀产沙及水沙传递关系的影响

降雨-径流格局对土壤侵蚀过程具有重要影响,以团山沟七号全坡面径流场1961-1969年间65次径流事件的径流泥沙数据为基础,选取历时、径流深和径流变率为径流过程的特征指标,采用K均值聚类和判别分析相结合的方法,将坡面径流划分为5种类型。其中,A型径流具有超长历时、低变率、小径流的特点,是较为特殊的类型,B、C型径流具有中长历时、中高变率、大径流的特点,D型径流具有短历时、低变率、小径流的特点,是最为普遍的类型。E型径流具有中历时、中变率、中径流的特点。不同径流类型下的输沙模数、平均含沙量及最大含沙量由大到小依次为:CBEDA,B、E、C型径流应是坡面径流调控的重点。不同径流类型输沙模数的差异主要来源于径流量(深)的变化,相同径流量(深)条件下,不同径流类型输沙模数的差异主要来源于由径流历时和径流变率所引起的水沙传递关系的改变;与A型径流相比,其作用使D、E、B、C型径流的输沙模数相对增大7.9、6.3、4.8和4.5倍,增大倍数随径流量(深)的增加呈逐渐减小趋势。通过构建包含主要径流特征指标的动力参数ξ,对不同径流类型及径流阶段的径流-泥沙传递关系进行数学描述,其最优回归关系均符合S=alnξ+b的一般形式,能合理解释不同径流类型及不同径流阶段含沙量变化的主要驱动因素。研究结果可为坡面径流类型划分、水沙传递关系构建、全面评估坡面径流调控系统的水土保持意义、进一步丰富坡面径流调控理论的内涵提供一定的参考。     

稻田径流侵蚀泥沙对磷素流失的影响

采用田间小区定位试验研究了自然降雨条件下稻田径流泥沙流失规律及其对磷素流失的影响。结果表明:常规施肥(T0)条件下,稻季径流侵蚀泥沙量可达5 113.63kg/hm2,秸秆还田(T1)和还田减肥(T2)处理均显著降低侵蚀泥沙量,分别达6.02%和7.18%。T1、T2处理能降低侵蚀泥沙中全磷(TP)和速效磷(AP)的平均浓度,分别达6.23%,22.16%和3.99%,13.40%。同时,T0处理的稻季侵蚀过程中由泥沙流失的磷素总量达1 115.34g/hm2,T1、T2和T3(肥料运筹)处理均能显著降低侵蚀泥沙TP流失量,分别达18.14%,23.93%和15.21%,磷素流失率也显著地降低。     

稻田径流侵蚀泥沙对氮素流失的影响

采用田间小区定位试验研究了自然降雨条件下稻田径流侵蚀泥沙对氮素流失的影响。结果表明:常规施肥(T0)条件下,稻季径流侵蚀泥沙量可达5113.63 kg hm-2,秸秆还田(T1)和还田减肥(T2)处理均显著降低侵蚀泥沙量达6.02%和7.18%。T1、T2和肥料运筹(T3)处理均能降低侵蚀泥沙全氮(TN)和速效氮(AN)平均浓度,分别达0.46%、6.46%、0.47%和5.57%、18.67%、13.98%。同时,就稻季侵蚀泥沙流失氮素总量而言,T0处理TN流失达14.24 kg hm-2,T1和T2处理均能显著降低侵蚀泥沙TN流失量,分别达7.58%和14.10%。同时,T1处理能够显著降低TN流失率7.58%,而T2处理则显著增加TN流失率7.37%。     

基于能量的坡面侵蚀性径流及其水沙传递关系

为有效辨识径流侵蚀能量对水沙关系的影响,构建水流功率ω和水流能量因子SE等指标,采用经验频率统计法,初步拟定了基于能量的坡面侵蚀性径流标准,并考察了不同侵蚀事件的水沙关系。结果表明：1）坡面侵蚀性径流的一般参考标准为：水流功率大于10.5 W/m或水流能量大于0.059 W,输沙模数一般大于0.6 kg/m2。2）事件时间尺度下输沙模数主要受水流能量因子控制,平均含沙量与水流功率关系最优;过程时间尺度下瞬时输沙率与瞬时水流功率、输沙模数增量与水流能量因子增量皆成正线性相关。3）侵蚀性径流的输沙能力是非侵蚀性径流的2.5倍,而非侵蚀性径流单位水流能量增量的增沙能力是侵蚀性径流的4.8倍;调节单位水流功率（10 W/m）的减沙效益可达50%,调节单位水流能量因子（0.1 W）的减沙效益可达71%。分析结果表明侵蚀性径流事件的整体水沙关系更稳定,径流能量更强,输沙能力更大,基于能量拟定侵蚀性径流标准具有可行性。研究结果可以为黄土高原坡面典型径流事件筛选和径流侵蚀能量调控提供参考。     

黄土区工程堆积体陡坡坡面径流调控工程措施的减沙效应

定量分析减少径流和改变水沙关系在泥沙调控中的不同作用,对于深刻理解径流调控措施的水土保持效益具有重要意义。以黄土区工程堆积体陡坡坡面(36°)为例,探讨了野外模拟径流冲刷试验条件下,不同工程措施及其组合调控坡面径流的水沙效应及其作用效率。结果表明:1)不同工程措施均能较好地调控坡面径流侵蚀过程,不同情形下的产流时间控制比为2～20,径流量控制比为0.45～0.78,产沙量控制比为0.20～0.59;平均含沙量控制比为0.38～0.79;2)减流控沙作用是工程措施调控坡面侵蚀产沙的主要原因,水沙关系调沙作用则受减流控沙作用的制约;3)水平阶类措施的水沙关系调沙量与减流控沙量呈线性正相关,当减流控沙量超过一定临界值时,水沙关系才开始发挥调沙作用;水平沟类措施的水沙关系调沙量与减流控沙量呈二次函数关系,水沙关系调沙量存在极大值;4)水平沟类措施调控泥沙的作用效率高于水平阶类措施,水平沟+鱼鳞坑的组合可很好地发挥减流控沙和水沙关系调沙作用的潜力(55%),使二者在较高的水平上维持相对平衡;因此,不同工程措施与组合的实际应用应以具体的水土保持效益和防治目标为布设依据。研究可为堆积体陡坡治理的工程措施优化提供理论参考。     

流域侵蚀输沙空间尺度效应及其影响因素研究进展

侵蚀输沙空间变异及其尺度效应是流域水文过程研究的一个重要内容,对流域水土流失控制和水沙资源科学管理具有重要意义。通过对流域侵蚀输沙空间尺度效应研究成果的系统回顾,从坡面到流域,阐述了降雨、土壤和植被等环境要素对侵蚀输沙尺度效应的影响,梳理了尺度效应产生机制方面的认知,总结了不同条件下坡面产流和侵蚀输沙尺度转换的代表性方法。在此基础上,对流域侵蚀输沙空间尺度效应研究的发展趋势进行了讨论,未来应增加新技术和数据的应用,建立具有明确物理机制的侵蚀输沙空间尺度转换方法,同时,急需突破剧烈环境变化对空间尺度效应影响的研究。本文的梳理与总结可为流域侵蚀输沙过程的深入研究提供参考,为土壤侵蚀防治和河流水沙的综合管理提供一定的科学支持。     

基于SWAT模型的延河流域径流侵蚀能量空间分布

降雨侵蚀力是通用土壤流失方程(universal soil loss equation,USLE)等流域土壤侵蚀模型中应用最广泛的侵蚀动力因子,但仍具有一定的局限性,相比之下,径流侵蚀功率可以更充分地反映地表水力侵蚀动力的综合作用。分析径流侵蚀功率的空间分布,以期从能量的角度阐明流域侵蚀的分布情况,研究流域空间侵蚀的特征。该研究运用SWAT模型在延河流域的模拟结果,将次暴雨径流侵蚀功率推广到年尺度,提出年径流侵蚀功率的概念,并研究年径流侵蚀功率的空间分布规律及尺度效应。研究结果表明:在延河流域年径流侵蚀功率的空间分布具有\"支流大、干流小;上游大、下游小\"的特点;将子流域出口断面控制面积作为空间尺度因子,与径流侵蚀功率拟合,呈幂函数关系,空间尺度效应阈值在155 km2;将子流域出口断面以上河长作为空间尺度因子,与径流侵蚀功率拟合,呈指数函数关系,且干、支流的空间尺度效应不同。研究结果从能量角度阐明了延河流域水力侵蚀动力的空间分布,为在延河流域不同地区进行针对性的水土资源管理、水土保持工程建设提供理论支持。     

长期植被覆盖对紫色土坡面减流减沙能力的影响

[目的]研究长期林草植被覆盖小区减流减沙能力的变化速率,为西南土石山区水土保持植被恢复提供科学依据。[方法]2018—2021年在贵州省赤水市天台镇径流场观测了15°裸地、15°草地、15°林地、30°林地与30°草地5个径流小区的产流产沙、植被覆盖、土壤表层含水量数据,用径流系数和含沙量的变化反映各小区减流减沙能力的变化。[结果]5个小区减流减沙效益排序为30°草地>15°林地>30°林地>15°草地>裸地。其中,30°草地小区植被覆盖度最高,为92.8%,其径流量和土壤侵蚀模数分别为2.43 mm和6.51 t/(km²·a)。裸地小区径流量最高,为153.49 mm,土壤侵蚀模数最高,为1214.5 t/(km²·a); 15°草地小区径流系数降低速率最快,为-0.292%/a,其含沙量降低速率也最快,为-14.6 g/(L·a)。植被覆盖度与径流量之间负相关关系极显著,与含沙量负相关关系显著,与土壤表层含水量呈极显著正相关关系。[结论]高植被覆盖度有利于植被恢复、水源涵养和控制水土流失。对于水土流失相对严重的15°草地坡面,其长期植被覆盖的水土保持效益更为明显。     

泾河流域水沙特性及减水减沙效益分析

该文对泾河流域的水沙特性及水沙变化作了分析,并根据其产流产沙规律进行了流域“水文法”减水减沙效益计算,得出:1970～1989年综合治理减水效益为7.5%,减沙效益为14.4%。而降雨量减少影响减水32%,影响减沙48%。经与实施水利水保措施效益的结果对比验证,二者基本接近。同时,对该流域80年代沙量锐减的原因分析表明:80年代减沙的主要原因是降雨量减少,对减沙的影响程度为63%,综合治理影响程度为37%。     

工程堆积体坡面不同植被格局的控蚀效果研究

为探明不同植被格局对工程堆积体陡坡坡面土壤侵蚀的影响,采用10,20,30 L/min 3种放水流量,对黄土区不同格局（裸坡、坡顶、坡中、坡底、条带）下的高陡边坡（32°,20 m×1 m）进行模拟放水试验,选取径流率、产沙率、减流效益、减沙效益等因子对堆积体坡面植被的控蚀效果进行分析。结果表明：3种放水流量下,条带、坡顶、坡中、坡底的平均径流率较裸坡分别减小57.33%,61.17%,41.62%,24.78%,平均产沙率较裸坡分别减小74.99%,61.10%,55.01%,46.43%,且径流率与产沙率的线性关系（R²=0.57~0.80,p<0.01）整体上弱于裸坡（R²=0.71,p<0.01）。不同植被格局中,条带及坡顶格局的减流效益分别是65.97%,60.52%,减沙效益分别为71.44%,57.22%,二者的控蚀效果远高于其他格局。产沙率与径流功率的线性相关性（R²=0.61~0.83,p<0.01）高于径流剪切力（R²=0.29~0.76,p<0.01）,径流功率能更好地反映堆积体坡面土壤侵蚀机制。     

中国北方地区水土保持措施减沙水代价分析

水土保持措施是减少河流泥沙的主要措施。水土保持措施在减少土壤侵蚀的同时也会减少地表径流和地表水资源量。根据目前我国北方地区水土保持对径流量和泥沙量的研究结果,比较分析了在坡面和沟道上梯田、造林、种草和坝地等水土保持措施减沙水代价,并对不同流域尺度水土保持综合措施减沙水代价进行了综合分析。研究表明,同一区域不同水土保持各单项措施减沙水代价不同;同一措施和综合措施减沙水代价存在明显的区域分异,通过选择减沙水代价较小的水土保持措施的类型和区域配置,可以在减少相同泥沙量的同时,相对增加河流水资源量。     

三川河流域水沙变化水文分析

根据三川河流域实测降雨、洪水、泥沙资料,在统计分析和探讨产洪产沙机理的基础上,应用数理统计学原理,通过逐步回归分析建立了降雨产洪产沙数学模型,并用之计算了三川河流域1970—1996年水土保持综合治理措施的减洪减沙效益,对三川河流域20世纪90年代水沙变化进行了重点分析,还采用另外4种水文分析方法进行了平行计算和验证,取得了比较理想和真实的结果,为全面分析流域综合治理成效提供了科学依据。对三川河流域降雨资料的系列化处理方法、径流系数变化趋势以及河道冲淤变化情况进行了分析,其研究方法对黄河中游其它多沙粗沙支流的水沙变化研究具有重要的借鉴作用。     

布设植物篱条件下工程堆积体坡面产流产沙过程研究

为了探究植物篱措施对工程堆积体坡面产流产沙过程和减流减沙效益的影响,采用35,45,55L/min 3个流量,对24°,28°,32°3个坡度的堆积体边坡(20m×5m标准小区)进行模拟放水冲刷试验。结果表明:植物篱坡面的初始产流时间和产流强度较对照坡面(裸坡)均有不同程度减小,产流强度在时间尺度上表现为间歇性波动上升;植物篱坡面产沙率先增大后减小,产沙率整体低于对照坡面,且二者差值随时间逐渐缩小;小流量条件下产沙较稳定,大流量条件下产沙率变化较大;产沙量与产流量之间有良好的线性关系;植物篱措施的平均减沙效益随坡度增大而减弱,平均减流效益随坡度增加而增大,减沙效益仅与坡度有显著相关性。减流效益与减沙效益的关系较复杂,但降低工程堆积体坡面坡度仍是防治水土流失的关键,对于植物篱措施减流减沙的局限性,应通过提升植物篱的布设参数来改善。     

黑土区垄作方式对坡耕地土壤侵蚀的调控效果

[目的]分析黑土区不同垄作方式对坡耕地土壤侵蚀的调控效果,为该区土壤侵蚀防治提供科学指导。[方法]在5°和10°坡耕地开展人工模拟降雨试验,降雨强度为50,100 mm/h,垄作方式包括：横坡垄作、垄向区田、顺垄+底部横垄和横垄+排水沟,对照处理为传统顺坡垄作。[结果]试验条件下,与顺坡垄作处理相比,横坡垄作、垄向区田、顺垄+底部横垄和横垄+排水沟处理均可有效调节径流、降低土壤侵蚀量,但不同垄作方式对径流和侵蚀的调控效果随着降雨强度和坡度的增加而减小。在5°坡耕地,横坡垄作方式对径流和侵蚀的调控效果最佳,产流率和土壤侵蚀速率分别稳定在15.0 mm/h和0.2 kg/(m~2·h)以下。在50,100 mm/h降雨强度下,与顺坡垄作处理相比,其径流量分别降低92.3%和83.9%,土壤侵蚀量分别降低96.8%和94.6%;而垄向区田方式对径流和侵蚀的调控效果略大于顺垄+底部横垄处理。在10°坡耕地,横坡垄作方式在降雨前期具有较好的蓄水保土作用,但在降雨后期垄体易损坏,造成土壤侵蚀量剧增;横垄+排水沟方式在降雨前期能够蓄水保土,在降雨后期能够较好地进行排水。[结论]在坡度平缓的坡耕地,应...     

基于植被恢复的黄土高原典型流域次洪水沙特征分析

研究大规模植被恢复条件下岔巴沟流域次洪水沙变化,对揭示黄土高原土壤侵蚀演变规律和黄河水沙调控具有重要作用。基于101场洪水事件,结合NDVI和降雨数据,通过分析不同生态建设时期岔巴沟流域次洪水沙变化特征,选取2场典型洪水事件进行对比,揭示次洪输沙与径流侵蚀能量的关系。结果表明:时期Ⅱ的次洪平均径流量是时期I的1.86倍,但平均输沙量仅为0.52倍。在4个洪峰流量分级中,时期I的次洪平均输沙模数明显高于时期Ⅱ。与NO.2洪水事件相比,NO.100洪水事件的径流过程和输沙过程具有良好的同步性,洪水历时更长,洪峰流量、输沙峰值明显较低。时期I和Ⅱ的次洪输沙模数均随径流侵蚀功率的增加而增加,但时期Ⅱ的输沙模数整体低于时期I。研究结果表明大规模植被恢复对黄土高原典型流域次洪输沙的调控作用较径流更为显著。