淤地坝坝控流域土地利用类型空间优化配置研究

以小河沟流域的花梁淤地坝坝控流域为研究对象,收集坝控流域的土地利用类型资料,在分析原有土地利用结构及其土壤侵蚀强度的基础上,基于RUSLE模型对坝控流域内不同土地利用空间优化配置进行研究.结果表明:不同土地利用类型下土壤侵蚀强度不同,不合理的土地利用结构是造成该流域土壤侵蚀严重的主要原因.梯田能够有效地控制土壤侵蚀,在水土保持效益中具有不可替代的作用;花梁坝坝控流域水土保持措施的最优配置方案为:3°以内的平坦地作为耕地,草地分布在3°~7°的缓坡地,7°~25°的坡地作为梯田,其余坡地作为林地;在最优配置下,多年平均侵蚀模数为6.102 8×10~5 kg/(km~2·a),淤积年限内各年份的土壤侵蚀模数都有很大程度的下降,最大减蚀比为93.48%(1980年),最小减蚀比达到47.52%(1976年).研究结果可为黄土高原淤地坝坝控流域水土保持措施的合理配置提供参考.     

国内科技期刊亮点

淤地坝建设有效治理沟坡侵蚀产沙在中国黄土高原丘陵沟壑区,淤地坝建设初期,小流域侵蚀强烈,泥沙沉积量巨大,其后,产沙强度由强变弱,泥沙沉积量呈显著降低趋势,淤地坝在减少水土流失方面具有其他措施不可替代的作用;微小流域与较大流域在泥沙来源方面存在较大差异,坡沟侵蚀产沙比并非一个定值,其研究还有待于进一步深化。     

考虑沟-坡分异的黄土高原大中流域侵蚀产沙模型

针对黄土高原坡面沟缘线上、下侵蚀产沙分异显著的特点,以及机理模型在大中流域不易应用的现状,利用基于Hc-DEM的沟缘线自动提取技术,划分流域沟间地和沟谷地地貌单元.在改进坡长因子算法和改造沟坡侵蚀模型的基础上,提出沟间地运用通用土壤流失方程为模型框架评估面蚀为主的坡地侵蚀,沟谷地运用改造沟坡侵蚀模型评估冲蚀为主的沟谷侵蚀,并与泥沙输移比分布模型集成确定流域侵蚀产沙分布的模型体系.经在北洛河上游流域检验,模型体系能良好模拟流域多年平均侵蚀产沙,在年际尺度也具有较好可靠性,可为黄土高原大中流域水土保持效益评价和水土流失防治规划提供技术支撑.     

分布式小流域侵蚀模型及应用

针对黄土高原水土流失严重问题,基于分布式水文模型的基础上,建立了小流域侵蚀产沙输沙模型.产沙模型采用USLE模型,并结合黄土高原侵蚀的特色进行改进,考虑了降雨、土壤、植被、水保等因素对侵蚀的影响.输沙模型结合分布式水文模型的河网汇流,制定了一套简单的输沙方案.岔巴沟流域的实测资料验证该模型简单可行.能够模拟出流域的实际侵蚀图,为流域侵蚀的预报及水保工程的规划提供科学依据.     

利用水文法分析汾河水库上游的减沙效益

以汾河水库上游的降雨、径流、输沙和水库泥沙淤积量等资料为基础,用水文法分析计算了汾河水库上游水土保持措施中的减沙效益,并对减沙效益进行了合理修正.研究表明,治理期间(1998-2004年)流域平均降水量比基准期(1958-1972年)减少4.9%,水库来水量减少38.5%,水库年平均减沙量为1005×104t.其中由于水土保持治理,年平均减沙775×104t,减沙率50.6%.     

降雨-植被格局耦合作用对坡沟系统水沙特征影响

不同植被格局的产流产沙特征是研究坡沟系统植被调控机理的重要基础.本研究以坡-沟系统物理模型为载体,通过间歇性模拟降雨试验对坡面5种覆草格局的产流产沙特征进行了分析.结果表明,植被格局对坡沟系统的产流产沙量均有显著性影响(p0.05).坡下部的蓄水减沙效益总体优于坡上部,但在坡沟系统条件下,并非将草带种植得越靠近坡面最下端,其蓄水减沙效益最佳,不同植被格局的蓄水减沙效益依次为:坡面中下部坡下部坡面中上部坡面上部,即将草带种植在距离坡面4m时其水土保持效果最佳,此处可减水7.35%,减沙62.93%.在不同格局条件下,第2、3次降雨径流量均值分别比第1次降雨增加5.39%~37.16%、1.83%~21.83%,产沙量均值分别比第1次减少42.05%~82.45%、72.34%~92.26%,即随着降雨场次的增加,径流量略有增加且趋于稳定的时间逐渐缩短,产沙量急剧下降.在不同植被格局条件下,随着模拟降雨历时的延长,径流量在0~10min内以约0.54L/min的速度快速增加至8~10L/min,之后处于水平稳定状态.产沙量的变异系数Cv在50%以上,产沙过程波动剧烈.草带削减径流量为5%左右,蓄流作用稍弱,相对来说对泥沙的拦截作用较好,能使产沙量下降33%左右.     

基于GeoWEPP模型的桥子沟流域土壤侵蚀对比研究

为探讨人类活动对黄土丘陵区土壤侵蚀时空格局的影响,选取黄土高原丘陵区典型小流域桥子沟(包括桥子东沟和桥子西沟两个对照小流域)为研究对象,利用GeoWEPP模型对不同时段内两个子流域土壤侵蚀时空格局进行了定量模拟,并开展了1988-2000年水土保持治理效应对比分析,探讨了土地利用变化对流域产流和产沙的影响.结果表明,模拟获得的两子个流域各阶段径流深及输沙模数与实测数的相对误差均小于15%,说明GeoWEPP模型适用于桥子沟;在阶段1(1988-1990年)、阶段2(1991-1995年)和阶段3(1998-2000年)三个阶段,桥子沟土壤侵蚀状况均有好转.对比发现,在实施了土地利用整改措施的阶段1-阶段2时期,两个子流域土壤侵蚀均得到改善,而在阶段2-阶段3时期,实施水土保持措施的桥子东沟土壤侵蚀改善效益明显高于未实施措施的桥子西沟,表明水土保持措施在水土流失治理中发挥了积极的作用;不同时期流域的土地利用与土壤侵蚀强度的时空变化关系密切,说明合理的土地利用变化改变了该流域下垫面条件,能有效地减缓流域土壤侵蚀,是流域土壤侵蚀格局变化的主要驱动力.研究结果可为黄土高原有效实施水土保持治理措施,开展土壤侵蚀监测、防治和小流域管理提供依据.     

东北黑土区小流域侵蚀产沙影响因素分析

利用东北黑土区拜泉县17个水库控制流域作为分析样本,提取水库控制流域侵蚀产沙及相关影响因子,采用相关性分析、多元线性回归分析和主成分分析等方法,开展小流域产沙及其影响因素研究。研究得出:该研究区产沙模数变异大,与流域面积相关性不显著,而在0.01水平上与流域平均坡度、最大高程、高程差和降雨侵蚀力等呈显著正相关,与水土保持因子和聚集指数呈显著负相关;构建的多因素产沙模数回归方程中,水土保持措施因子和地形起伏度2个因素对悬移质产沙模数SSY的解释度达到68.0%。流域景观水平因子、流域形态因子、地形因子和土壤可蚀性因子对流域产沙的贡献率分别为25.1%、13.8%、7.1%和26.1%,这4个主成分对SSY的解释程度为72.2%。研究表明,在东北黑土区设法减小流域坡度、高差和土地的破碎化是控制土壤侵蚀的有效办法之一。     

环境变化对大马营河流域水沙的影响

为解决气候变化、人类活动以及水土保持等众多变化因素对区域河流径流量以及输沙量的影响,以甘肃省山丹县大马营河为研究对象,通过运用理论计算和现场实测等方法,研究各种环境因素变化对流域地表径流以及输沙量的影响。结果表明,降雨变化对年径流量的影响比温度变化的影响大;大马营河流域的年减沙效益、减水效益实测值与预测值具有明显的相关性;人类活动对大马营河流域的减水作用呈现先增加后减小趋势,而对减沙作用则相反。     

基于InVEST模型的称钩河流域土壤保持功能研究

选择陇中黄土高原称钩河流域为研究区,采用InVEST模型进行土壤侵蚀及土壤保持空间分布模拟.结果表明:称钩河流域2014年潜在与实际土壤侵蚀量分别为6.45×10~6和1.15×10~5t,土壤侵蚀模数为725.24 t/(km~2·a),整个流域以微度侵蚀为主,面积占整个流域的94.69%;全流域的土壤保持总量为6.35×10~6 t,单位面积土壤保持量为39 861 t/(km~2·a),土壤保持率高达98.34%;不同土地利用类型土壤保持总量从大到小依次是:梯田天然草地有林地灌木林地建设用地旱平地人工草地坡耕地裸地,梯田的土壤保持总量最高,为2.4×10~6t,占总量的37.69%.     

流域产沙模型研究进展

流域产沙模型是研究土壤侵蚀和水土流失的主要方法,是解决流域生态和环境问题的有效途径.对产沙模型的分类及研究进展进行了较为全面和系统的阐述,指出分布式流域产沙模型是该领域未来的发展方向.     

数字流域模型淤地坝模块改进及减水减沙效益评估

淤地坝具有重要的水土保持作用,但其减水减沙效益的科学评估仍存在困难.一方面,淤地坝减水减沙的物理机制仍难以刻画;另一方面,观测资料有限且难以获取.以概化淤地坝卧管及溢洪道等部分的泄流机制及整体水沙调控机制为基础,改进和检验了数字流域模型的淤地坝模块,应用改进后的模型模拟皇甫川流域水沙过程并评估淤地坝减水减沙效益.研究结果表明：不考虑淤地坝的情况下,模型对淤地坝数量较少的近似自然状态期(1979～1986年)适用性较好,而对淤地坝数量较多的受扰状态期(2007～2012年)适用性较差,水沙模拟值明显高于实测值.考虑淤地坝的物理机制后,与原模型相比,除个别年份外,改进后的模型对受扰状态期水沙过程的模拟精度具有明显的提高,其逐日流量NSE(Nash-Sutcliffe效率系数)从-51.085～0.450提高到0.134～0.802,逐日输沙率NSE从-56.740～0.390提高到0.066～0.857.使用改进后的模型计算得受扰状态期淤地坝平均拦水量为0.142×10⁸m³,减水效益为40.9%;平均拦沙量为0.050×10⁸     

黄河中游小流域产沙机理与治理对策

选取黄河中游河段上的支流：皇甫川、窟野河、无定河上一些小流域作为典型流域进行分析研究，根据下垫面差异，将产沙区分为黄土区、基岩区、风沙区、通过各产沙因子对侵蚀产沙影响作用的分析，对三种产沙区进行定性到定量分析，全面研究了黄河中游产沙机理，并进一步提出了治理对策，本文研究的典型流域指基本上具有单一下垫面物质组成的流域。     

流域泥沙过程机理分析

黄土高原地质地貌复杂，是黄河流域的主要泥沙源区，并以黄土丘陵沟壑区和黄土高塬沟壑区为代表．沟壑区的不同部位具有不同的侵蚀产沙现象，并在不同的空间尺度上表现出迥异的水沙运动规律．为此需将流域分为坡面与沟道两大系统分别研究，本文描述坡面侵蚀产沙、沟坡区重力侵蚀和沟道水沙运动的主要现象，分析各水沙过程的主要机理．揭示出可依据坡面径流建立坡面侵蚀产沙模型；根据水流的诱发作用，用沟坡土体失稳的随机力学模型模拟沟坡重力侵蚀；考虑影响水沙运动的多种要素，建立沟道系统的高含沙水沙模型．流域泥沙过程机理的研究为建立符合实际物理图景的水沙模型系统，完成流域泥沙过程模拟提供基础。     

构建黄河水沙调控体系，保障黄河长治久安

 黄河难治的根本症结是水少沙多,以善淤、善决、善徙而闻名于世。公元前602年以来,下游河道决口1590余次,较大的改道26次,呈三年两决口、百年一改道,洪涝灾害频繁。治理黄河历来是中华民族安民兴邦的大事,新中国成立后,党和政府高度重视黄河治理开发与保护,取得了巨大成就：一是黄土高原“变绿了”,黄河“变清了”。流域水土流失面积治理了近50%,黄土高原林草覆被率由20纪80年代的20%增加到现状的63%,梯田面积由1.4万km²提升至5.5万km²,建设了各类淤地坝5.9万座,累积拦截泥沙194亿t,黄土高原主色调由黄变绿,入黄泥沙由1919-1959年的16亿t/a锐减到2000年以来的2.4亿t/a。二是水沙调控体系初步建成,洪水得到有效控制。黄河干支流上建成了龙羊峡、刘家峡、三门峡和小浪底等控制性工程,已建水库库容近800亿m³,下游两岸1371.2 km临黄大堤进行了4次加高培厚,调水调沙使下游河槽平均冲深2.5 m,水沙关系不协调问题得到初步改善,“悬河”得到遏制,河道游荡性大幅减小,保障了伏秋大汛岁岁安澜。三是水资源综合管理能力显著提高,资源分配日趋合理。黄河在全国率先出台了“八七”水量分配方案, 1999年开始实施全河水量统一调度,保障了黄河20年不断流,生态环境逐步改善。黄河以占全国2.5%的水资源量,养育着全国12%的人口、灌溉着全国15%的耕地。     

密云水库流域土地利用变化对产流和产沙的影响

密云水库流域是北京市的重要水源地,近年来在流域内点源得到有效控制的条件下,面源污染上升为密云水库水质污染的主要原因.将可表征土地利用变化对水文响应影响的分布式水文模型SWAT应用于密云水库流域,并采用1986-1991年下会和张家坟两个水文站点数据对径流量和泥沙负荷进行了率定和验证;应用GHS技术,对密云水库流域20世纪90年代初、中、末三期土地利用图进行了分析处理,并分别输入到率定好的SWAT模型中计算潮河和白河流入密云水库的径流量和泥沙量.研究结果表明:密云水库流域90年代中期土地利用情况发生了较大的波动,土地利用变化对产流和产沙产生了显著的影响.与90年代初期土地利用相比,在90年代中期土地利用条件下,潮河流域从1986年到1991年这6 a间年平均径流量将削减3.5%,泥沙量削减13.3%;白河流域6 a内年平均径流量削减4.0%,泥沙量削减53.0%.因此,加强对流域内土地利用的管理,对改善密云水库水质具有十分重要的意义.     

基于SWAT模型的晋江西溪流域产沙模拟

应用流域分布式水文模型SWAT,对东南沿海晋江流域1972-1979年的年、月产沙进行模拟,选取相对误差RE,绝对误差MD,效率系数Ens,决定系数R2等4个指标用于模型适用性评价,并利用模型输出结果进行流域水土流失空间差异研究.研究结果表明该模型适用于东南沿海流域的产沙模拟,且精度较高;模型在降水量大的情况下,模拟的精度较高;西溪流域在模拟期内轻度侵蚀面积和中度侵蚀面积广布,分别占研究区总面积的46.0%和45.4%.     

不同作物种植模式下坡耕地产流产沙的模拟研究

产流产沙是坡耕地水土流失的主要形式,为探讨不同种植模式对坡耕地产流产沙的影响,采用室内人工模拟降雨试验方法,在同一坡度、3种雨强下对坡耕地7种种植模式进行模拟试验。结果表明：1)不同种植模式下坡面产流量随雨强增大而增大,初始产流时间随雨强增大而缩短。坡面产流量趋势为先逐渐增大,之后(10 min左右)逐渐趋于稳定。C单种模式减流效果最差;A-B-C套种模式减流效果最好;低矮作物单种及参与的套种模式能更好促进降雨入渗。2)不同种植模式下坡面产沙量与雨强呈正相关,低矮作物参与的种植模式径流含沙量变化幅度较小,中、高单种或套种模式径流含沙量变化复杂。小、中雨强下,A-B-C套种模式减沙效果最好;大雨强下,A-B套种模式减沙效果最好。低矮作物参与的种植模式减沙效果优于中、高作物单种其套种模式。3)不同种植模式下产流量和雨强均呈极显著正相关。B、C单种模式与A-B-C套种模式产沙量与雨强有相关关系,其余模式与雨强的相关性不显著。综上,低矮作物单种及低矮作物参与的套种模式能有效减流、保土,因此坡耕地在进行农作物种植时应考虑增加低矮作物参与种植,避免造成大量水土流失。     

钱塘江流域产沙空间变异特征及影响因素

以钱塘江流域11个子流域为研究对象,采用1964—1989年、2006—2015年水文站水沙记录数据,通过提取流域侵蚀产沙的潜在影响因子,运用相关分析、主成分分析及多元回归分析等方法,对钱塘江流域产沙空间变异特征及影响因素进行研究。结果发现:钱塘江流域11个子流域的产沙模数空间变异性大,产沙模数从113.26 t/(km~2·a)变化到309.55 t/(km~2·a),平均值为185.51 t/(km~2·a);流域产沙量与流域面积、河流长度和径流量在0.05水平上呈显著正相关关系,而产沙模数随流域面积增加而减小的相关性不显著,但与聚集指数、香农多样性指数和斑块密度等景观指数在0.01水平上呈显著相关;多元回归分析表明,模型对年产沙量(Y_S)模拟效果较好,但对年产沙模数(Y_(SS))的模拟存在一定不确定性;以流域面积、河流长度为代表的流域形态因子对产沙量的贡献达到75.6%,以景观指数为代表的主成分对产沙模数的贡献达到44.4%,这表明产沙模数与流域景观特征关系密切,可根据流域地形地貌特征,合理调整土地利用结构控制流域的侵蚀产沙。     

复式河道滩槽泥沙粒径分布特性

以实体模型概化水槽为基础,研究水深、含沙量及泥沙级配等因素对滩槽泥沙粒径分布的影响.复式河道滩槽泥沙粒径的分布一般具有进口悬沙粒径大于出口悬沙粒径、主槽床沙粒径大于滩地床沙粒径、主槽悬沙粒径大于滩地悬沙粒径以及床沙粒径大于悬沙粒径等基本特征;滩槽床沙粒径比随滩槽相对水深的增加而增加,但滩槽悬沙粒径比随相对水深的变化不大;滩槽床沙粒径比随着含沙量的增加而减小,粗颗粒泥沙的减小幅度要比细颗粒泥沙大,而滩槽悬沙粒径比随含沙量变化不大;滩槽悬沙粒径比及床沙粒径比均随着来沙粒径的增大而减小,滩槽床沙粒径比的变化幅度要大于悬沙粒径比的变化幅度.通过分析滩槽泥沙粒径分布的主要影响因素,建立了相应的经验公式.