影响黄土丘陵区次降水泥沙输移比的水文要素

以桥沟小流域为研究对象,利用该流域不同地貌部位的野外径流场及沟道水文站网观测资料,计算了不同场次降水的泥沙输移比,较为系统地研究了影响桥沟流域次降水泥沙输移比的水文要素。结果表明:土壤前期含水量、流域的降水过程特征、洪峰流量、径流量、水流含沙量是影响次降水泥沙输移比的主要水文要素;提出了表示降水、径流、泥沙对泥沙输移比影响的表征参数,即降水峰现系数、径流侵蚀力和泥沙相对容重。     

基于物理过程的分布式流域水沙预报模型

将分布式水文模型与土壤侵蚀产沙模型相互嵌套,构建了一个分布式流域水沙预报模型。模型基于DEM,将流域离散为“坡面+ 沟道”系统,采用“+ 1 ”分级方法将沟道组织为河网,实现了流域水沙预报的并行计算。坡面单元划分为植被层、地表层、非饱和带和地下水层,模拟了降雨、截留、蒸散发、入渗、地表径流、壤中流和地下水、各种形式的侵蚀产沙及泥沙输移;沟道进行汇流演算以及泥沙输移。模型在李子溪流域对长系列降雨的模拟结果表明,模型的水文模块模拟精度良好,侵蚀产沙模块模拟效果基本令人满意。     

分布式非点源有毒污染物模型构建研究

在分布式水文模型ESSI基础上,以日为时间尺度,以DEM栅格单元为基本模拟单元,构建了区域尺度的长时期连续模拟的分布式非点源有毒污染物模型ESSI-2。该模型具有产流、汇流、产沙、汇沙、有毒污染物分解、输移及汇聚等完整的模拟功能。模型中根据降雨特征和下垫面特征之间的动态对比关系动态选取产流方式;同时采用RUSLE模型计算泥沙剥蚀量,并根据产沙量与径流泥沙输移能力的对比计算泥沙输出量。该模型充分描述了农药的降解、吸附、下渗、输移、汇聚等过程,可以对农药的输移过程和时空分布进行模拟分析。最后,以临沂流域为研究区,对模型进行了案例分析。计算结果表明,该模型适用于临沂流域,能够分析其土壤侵蚀及农药输移过程。     

坡面泥沙输移比时空分布式的构建与分析

坡面泥沙输移比分布式的构建是计算坡面输沙分布和吸附态非点源污染负荷分布的基础。在对已构建的坡面泥沙输移比式进行分析研究的基础上,鉴于降雨形成的地表径流是坡面泥沙输移的直接推动力,对现有的"流动连通性"指标进行改进,提出了"径流连通性"指标并以此构建坡面泥沙输移比时空分布式。将泥沙输移比式与修正的通用土壤流失方程结合,形成山地流域输沙模型。以三峡库区大宁河流域为例,通过对输沙量的模拟,对比分析了所构建的坡面泥沙输移比式的合理性。基于径流连通性指标的坡面泥沙输移比时空分布式,考虑了降雨产生的坡面泥沙输移比随时间的变化,更为合理、模拟精度更佳。     

分布式非点源有毒污染模型构建研究

在分布式水文模型ESSI基础上，以日为时间尺度，以DEM栅格单元为基本模拟单元，构建了区域尺度的长时期连续模拟的分布式非点源污染模型ESSI-2。模型具有完整的产流、汇流、产沙、汇沙、有毒污染物分解、输移及汇聚等完整的模拟过程。采用动态产流方案，即根据降雨特征和下垫面特征之间的动态对比关系动态选取产流方式。采用RUSLE模型计算泥沙剥蚀量，并根据产沙量与径流泥沙输移能力的对比计算泥沙输出量。模型充分描述了农药的降解、吸附、下渗、输移、汇聚等过程，因此可以对农药的输移过程进行模拟和时空分布分析。最后，以临沂流域为研究区，对模型进行了验证和应用。模拟结果表明，ESSI-2模型在临沂流域是适用的，能够应用于土壤侵蚀及农药输移过程研究。     

颗粒间相互作用对宽浅坡面流输移能力影响的试验观测

流域上游地区的土壤侵蚀及与其相关的泥沙运移是影响流域地表径流水质的重要过程，被侵蚀的泥沙大部分由坡面流输移，目前的泥沙输移关系都是从剪切力概念或河道能量概念引出的，而这些概念却都是仅仅基于流体力学的。泥沙的运移都单一地依赖于水流剪切力或能量的阈值条件，这一理论的前提是：①泥沙初始运移需要的最小剪切力或临界剪切力，或者最小、临界河道能量；②泥沙输移率和剪切力或河道能量与其临界值的差值密切相关。这些关系或许可以用来描述泥沙在河道中的输移，却不能反映出泥沙在宽浅坡面流中输移的微观机制或物理过程。流域的上游地区，在上临界弗如德数的水力条件下，坡面流含沙量的变化范围非常大。在宽浅坡面流的试验研究中，泥沙按照逐步控制方式添加到坡面流中，并且通过测量来确定颗粒速度与含沙量之问的关系。在不同的水力条件下，存在最大的泥沙输移率，对泥沙颗粒运移的观测表明：泥沙输移方式是跳跃式的，在这些条件下，水流状态受控于包含了很大部分动能的滚动波，因此滚动波是薄层流泥沙侵蚀及输移过程中的主要能量来源。     

黄土高原小流域分布式水蚀预报模型

本文基于黄土高原丘陵沟壑区小流域地形复杂、径流与侵蚀产沙具有明显垂直分带性的特点，以栅格DEM(Digital Elevation Model)为基础，提出由水文模块和侵蚀模块两部分组成的黄土高原小流域分布式水蚀预报模型。水文模块包括降雨、截留、微地形表面存储、入渗、地表径流和沟道流过程，采用运动波方程实现汇流演算；侵蚀模块考虑雨滴击溅分离、坡面薄层水流、细沟水流、浅沟水流和沟道流剥离与沉积等基本过程，运用泥沙物质平衡原理完成泥沙输移计算。应用模型对次降雨事件模拟的初步结果表明，模型对中度以上侵蚀性降雨事件的模拟精度在85％以上。     

黄河流域泥沙输移比与流域尺度的关系研究

泥沙输移比是研究流域泥沙侵蚀与泥沙入河量关系的指标。通过对黄河、延河、杏子河、纸坊沟四级流域尺度上泥沙输移比的研究,分析了黄河流域泥沙输移比与流域尺度的关系。结果表明,杏子河流域泥沙输移比大于1,而黄河、延河、纸坊沟流域的泥沙输移比均小于1。在黄河、延河、杏子河三级流域中,流域泥沙输移比随流域尺度增大呈明显减小趋势,而杏子河与纸坊沟流域的泥沙输移比随流域尺度增大而增大。随着流域尺度增大,被侵蚀的泥沙在输移过程中沉积下来的概率增大,就可能出现泥沙输移比随流域尺度增大而减小的现象,但这种可能性能否转化成现实,还受制于流域其他因素的影响。     

黄土地区流域产沙的数学模型

泥沙及污染物质在自然界搬运、输移,主要依靠运动水流冲刷、挟带来完成.在坡面上一场降雨以薄层漫流形式汇集到沟壑,其流量集中,单位水体侵蚀、挟沙能力迅速增大.本文为了描述象这样的黄土地区径流形成过程中两种不同形式,首先将流域分为面蚀区和重力侵蚀区,然后直接应用干旱地区流域水文模型计算的净雨过程覆盖在坡面面蚀区域上,建立了在坡面层状漫流过程中它所形成的泥沙层状剥蚀、推移质运动方程以及地表流汇集到沟壑河网后,穿过重力侵蚀区的沟蚀悬移质运动方程.本文在这里指出流域产沙主要是由这两种方式引起的. 最后结合岔巴沟流域产沙计算的例子,本文总结了流域下垫面因素对流域产沙量的影响.     

汉江上游流域产水产沙时空规律研究

以汉江流域为研究区，在GIS技术支持下，应用分布式模型SWAT（Soiland Water AssessmentT001）进行了流域产水产沙模拟。采用1987—1996年的资料进行模型率定，1997-2001年的资料进行模型检验，在此基础上，给出了汉江上游泥沙侵蚀量的空间分布图，分析了产沙量和植被／土壤类型、地表径流量以及地形的关系。结果表明汉江上游北岸丹江片区的泥沙侵蚀量最为集中，汉江上游流域产沙的空间分布主要取决于地表径流的空间分布和地形因素的变化，而植被覆盖／土壤类型对产沙量的影响较小。研究表明SWAT模型可以应用于与径流相关的各种模拟分析并对流域长期连续泥沙负荷模拟具有较好的适用性，研究成果对汉江流域的土壤侵蚀综合治理和进一步开展考虑南水北调中线工程的汉江流域综合管理具有重要参考价值。     

水土保持措施对黄河水沙影响评价模型及效益评价研究

黄河水沙变化研究是黄河水、沙资源合理利用的前提，水土保持措施对水沙影响评价模型及效益评价是黄河治理开发的基础。本文对第三期黄河水土保持科研基金项目第三专题研究成果进行了总结：综合分析了现有水沙评价模型和孤山川流域水沙变化研究成果，探讨了水土保持措施对产流产沙机制的影响，遴选了用于研究的水沙评价模型，并对研究区的水土保持措施对水沙的影响做了定量分析评价。     

红砂岩侵蚀区典型水土流失治理模式减流减沙效应

阐明小区尺度下不同水土流失治理模式的减流减沙效应,可为大尺度上的水土流失治理提供科学依据。以红砂岩侵蚀劣地为研究对象,采用野外径流小区长期定位试验的方法,分析自然降雨下典型水土流失治理模式的减流减沙效应及其对降雨要素、降雨雨型的响应规律。结果表明:试验观测期间,裸露地表径流系数为0. 66,土壤侵蚀量为0. 07 t/hm2,生态或经济开发治理后减流减沙效应均能达90%以上。地表裸露坡面产流产沙受降雨量、雨强影响显著,生态恢复模式降低了降雨要素对坡面产流产沙过程的影响,经济开发模式受降雨量影响显著。大雨强、短历时的降雨雨型是坡面产流产沙的主要雨型,对裸露坡面产流产沙的贡献将近50%,生态或经济开发治理后该雨型对产流产沙的贡献明显提高,增幅以经济开发模式大于生态恢复模式。因此,生态恢复和经济开发均是治理红砂岩水土流失的有效途径,应将生态恢复和经济开发治理相结合,使水土流失治理模式不仅具有水土保持功能,同时提升生态服务价值,促进当地的经济发展。     

EUROSEM模型对晋西黄绵土坡面侵蚀过程的模拟应用

晋西黄绵土坡面因其土壤、降雨等条件极易造成严重水土流失,本文基于不同坡长(2、3、4 m)与雨强(60、90、120 mm/h)组合方式下的野外人工模拟降雨试验,应用EUROSEM模型对坡面径流侵蚀过程及产流产沙总量进行模拟,通过对比分析模拟值与实测值,评价该模型对晋西黄绵土坡面土壤侵蚀过程的模拟效果及在该区的适用性。结果表明:坡长、雨强与产流产沙总量均为正相关关系,雨强对其影响较坡长大,但二者之间具有制约作用,偏相关分析显示当二者单独作用于产流产沙总量时,相关性均增大,且坡长与产流产沙总量的相关性明显较共同作用时增大;模型模拟产流率峰值出现时间与实测值稍有偏差,而模拟产沙率峰值首次出现时间较实测值提前了约5 min;当雨强大于60 mm/h,坡长由3 m延长至4 m时,产流产沙总量实测增量较2 m延长至3 m减小,而4 m坡长条件下,产流产沙总量模拟值几乎均大于实测值。总体而言,EUROSEM模型在晋西黄绵土坡面上有较好的适用性,模型对产流过程的模拟较产沙过程更为准确,产流产沙总量的模型模拟值与实测值间相对误差RE在许可范围之内,效率系数ME分别为0.978、0.974。     

百年尺度黄河上中游水沙变化趋势分析

根据黄河有实测资料以来的水文泥沙定位观测数据,利用非线性统计方法分析了1919—2012年黄河潼关以上河段水沙系列变化趋势。20世纪80年代中期以来水沙变化特点表明,黄河年径流量、年输沙量自20世纪80年代中期以来总体呈不断减少之趋势,而上中游水沙关系则早于20世纪60年代末已发生突变,1986年发生的突变属上中游同时发生的第2次突变。从百年尺度看,黄河水沙变化在1960年以前主要受到气候等自然因素影响,径流泥沙系列随降雨丰歉而出现相应的丰枯变化,之后黄河水沙变化受气候等自然因素和人类活动因素的双重影响,尽管不同时段降雨有丰歉变化,但径流量、输沙量都持续减少;近百年内年输沙量趋势度的绝对值明显大于年径流量趋势度的绝对值,中游的年径流量、年输沙量的趋势度的绝对值明显大于上游的;近30年是黄河水沙百年尺度中最枯的时段,其变化的突出特点表现在来水来沙量不断显著减少,水沙变化程度在空间上分布不均,泥沙主要减于中游而径流主要减于上游,水沙年内分配趋于均匀,来沙系数趋于降低,水沙搭配关系趋好。     

分布式侵蚀产沙模型在流域减水减沙效益评价中的应用

采用分布式侵蚀产沙模型,以陕西省黑草河小流域为例,对多种水土保持措施和不同土地利用方式条件下流域的径流输沙过程进行数值模拟计算,并通过对比评价了不同水土保持措施和土地利用方式的减水减沙效益,为流域内配置水土保持措施和优化流域管理提供了科学依据和技术支撑.     

川中丘陵区一种新型小流域径流输沙模型的建立与应用

径流输沙模型对定量评价水沙的输出响应具有重要的意义。本研究在已有研究成果的基础上，通过对四川盐亭县林山西沟小流域的径流、泥沙进行现场观测与分析，提出含沙量单位线的定义及其确定方法，建立了适应该小流域的径流输沙模型。并应用实测资料进行比较，表明模型的模拟结果可靠，模拟过程确定性系数达0．8以上，为川中丘陵区小流域径流输沙过程的预测预报提供了一个新方法。     

东江上游河流水沙分析

分析了东江上游地区河流水沙特性,并阐述了水库的修建和运用对该地区水沙输移的影响。东江上游地区是整个流域泥沙的重要来源区,该地区地表径流主要来自于降水,河流泥沙也主要来自于降水和径流所造成的土壤侵蚀。从长系列看,东江上游地区径流量虽然在不同时期波动较大,但相对稳定,而河流输沙量呈下降趋势。东江上游来水来沙主要集中在每年的汛期,其汛期来水来沙量分别占全年的70%和88%。枫树坝水库和枕头寨水库建成运用,减小了径流量的季节差异,降低了河流流量脉动特性。同时其河流输沙率在枫树坝水库和枕头寨水库建成以及枕头寨水库调整后分别下降了30%和50%。近年来,东江下游进行的大规模无序采沙,其采砂量已经远大于上游来沙量。在东江流域进行水沙管理时,不仅要采取措施遏制这种无序采沙行动,同时也要进一步研究流域水沙输移问题,以达到维持整个河流系统的水沙平衡。     

黄河中游水利水保工程对下游的影响

由于水利水保工程和气候因素的双重作用 ,使得近年来黄河中游地区入黄水沙锐减 ,虽然减沙有利于黄河下游河道减淤 ,但减水特别是含沙量较小区的减水使黄河下游河道淤积量增加并逐步细化 ,且使下游断流现象加剧。本文经分析指出 ,多沙粗沙区必须加速治理 ,少沙清水区和黄河下游要节约用水 ,才有可能缓解黄河下游的断流和中常洪水高水位等问题     

粗糙度对坡面侵蚀及泥沙分选性影响试验研究

为进一步揭示土壤侵蚀的内在规律,以某一试验小区为例,通过模拟不同地表粗糙度,分析了不同雨强条件下的坡面侵蚀产沙及泥沙颗粒粒径变化特征。结果表明:相同雨强和降雨历时下,粗糙度对坡面径流率、水流功率、径流含沙量和产沙率有显著影响;侵蚀泥沙的搬运形式与雨强和粗糙度均有关,而不同泥沙颗粒搬运方式是引起不同粗糙度坡面侵蚀产沙分异的重要原因。因此,坡面侵蚀产沙模型中应综合考虑地表粗糙度和泥沙粒径信息。研究成果可为水土保持规划设计和水土保持措施优化配置提供一定依据。     

黄河流域水沙变化趋势多模型预测及其集合评估

黄河水沙变化情势深刻影响着黄河流域水沙调控工程布局、流域内外水资源配置和跨流域调水工程建设等黄河保护与治理开发重大问题的决策。但受研究时段、方法及其边界条件等影响,黄河水沙变化预测成果差异大,难形成共识。本研究基于水沙变化归因和预测结果的不确定性解析,构建了多模型预测成果集合评估技术,预测了黄河流域未来50 a水沙量。结果表明:既有流域水沙变化归因与预测成果差异大,原因在于不同方法因数据输入、变量构成及精度评价方法差异带来的不确定性;提出了基于输入-结构-输出的模型适用性判别准则和评价技术,并基于标准化的数据输入,从数据需求、物理基础、应用效率、输出尺度和预测精度等五个维度,集合评价了现有水沙变化预测模型的适用性;构建了流域水沙变化多模型集合评价-多结果加权融合-BMA集合预测的集合评估技术,根据9类模型预测成果,集合预测了黄河流域未来50 a年径流量为240亿m³,年均输沙量为2.5亿t。