水土保持减水减沙效益计算方法研究

介绍了三种水土保持减水减沙效益计算方法,通过分析比较和实际应用,认为模型法是合理可行的计算方法。所建模型能够模拟大中流域长系列水流泥沙过程,且有较好的移植性。本文方法应用于大理河流域水土保持减沙效益计算,效果良好。     

黄河上游西柳沟流域淤地坝系对径流影响的模拟分析

黄河上游西柳沟流域水土流失情况严重,流域内修建了不同规模的淤地坝,以改善研究区因水土流失而引起的水沙灾害问题.为探讨淤地坝对流域径流过程的影响,根据淤地坝运行机理,本文在SWAT模型的基础上开发了淤地坝水循环模块,构建了适用于西柳沟流域的分布式水文模型,并根据流域出口断面实测月流量数据对改进的模型进行参数率定及模型验证.分析表明,改进后的SWAT模型率定期与验证期的确定系数R~2均在0. 70以上,纳什效率系数E_(NS)均在0. 5以上,相对误差Re均小于20%,模型模拟效果较好.同时,综合考虑淤地坝地理位置、规模等特性,设置不同情景,利用改进的SWAT模型对不同淤地坝情景下西柳沟水文过程的响应进行了模拟分析.结果表明,西柳沟淤地坝系减水效果明显,随着淤地坝数量的增加,流域出口流量明显减少:与现状淤地坝情形(39座骨干坝)相比,无淤地坝情形下流域出口年均流量将会增加25%左右;未来新建79座骨干坝后的流域出口流量比现状情形减少约75%.本研究利用改进后的SWAT模型量化了淤地坝工程对径流的影响,为进一步研究淤地坝坝系影响下的水沙关系奠定基础.     

变化条件下黄河上游水沙调控模式研究

水沙调控是解决黄河上游宁夏至内蒙古河道淤积萎缩、凌汛威胁的重要措施.采用实测资料分析和数学模型计算等方法,考虑水沙情势和流域生态保护、经济社会发展需求变化,研究了黄河上游不同水沙调控模式及其调控效果.现状调控模式,未来宁蒙河段处于淤积态势,年平均淤积量0.59×10⁸t,最小平滩流量减小到1 000m³/s.调整龙羊峡、刘家峡水库调控模式,对减少宁蒙河段淤积、恢复中水河槽有一定作用,但淤积态势未发生调整,龙刘水库汛期少蓄水25×10⁸～40×10⁸m³,宁蒙河段年均淤积量为0.36×10⁸～0.44×10⁸t,同时影响流域供水、发电.在黄河上游黑山峡河段建设水库,与现状工程联合拦沙和调水调沙运用,协调水沙关系,一级开发方案可在100a内使宁蒙河道基本不淤积,最小平滩流量恢复并维持在2 500m³/s;二级开发方案可在水库运用50a内使宁蒙河段不淤积,最小平滩流量恢复并维持在2 500m³/s...     

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%.     

美国五大流域减沙效果分析

选择密苏里河上游的Willow、佐治亚州Lloyd Shoals水库、韦科、田纳西河一级支流渡科河、科罗拉多河上游等5条美国长期进行水土流失治理的较大的流域进行减沙效果分析。通过前后长达10—32年的对比,排除降雨和水利工程因素的影响后得出,由于对这些河流上游长时间开展大面积水土保持,其下游河道减沙效果都很显著。     

面向逐日产沙模拟的SWAT模型封闭与检验

针对SWAT(soil and water assessment tool)模型逐日产沙模拟中含沙量-流速关系的尺度匹配问题,给出了日尺度产沙模拟的最大含沙量封闭关系。该文采用黄河中游砒砂岩区9个水文站长系列实测水沙资料,确定日输沙率-日流量的幂函数型关系曲线,提供了SWAT模型日尺度最大含沙量的封闭关系。并将封闭的SWAT模型用于皇甫川流域水沙产输过程模拟,采用空间嵌套的皇甫站和沙圪堵站实测资料进行模型验证。结果表明:皇甫站率定期和验证期日输沙过程的Nash-Sutcliffe效率系数(Nash–Sutcliffe efficiency coefficient, NSE)分别为0.70和0.66,决定系数R~2分别为0.74和0.68;沙圪堵站率定期和验证期NSE分别为0.78和0.72,R~2分别为0.78和0.74;未进行封闭模型的沙圪堵站率定期和验证期NSE分别为0.36和0.26,R~2分别为0.39和0.26。表明封闭后的SWAT模型显著提高了模拟效率,能够用于黄土高原砒砂岩地区泥沙逐日过程模拟。     

喀斯特高原山地不同植物篱配置模式下的减流减沙效益对比

以朝营小流域作为研究区,利用标准径流小区法,研究不同植物篱配置模式下的减流减沙效益,径流小区包括:黑麦草、黑麦草+白三叶、白三叶、鸭茅+榛子、鸭茅+金荞麦+木通等5种植物篱模式,并与对照小区玉米地进行对比.结果表明:(1)在喀斯特高原山地各植物篱措施均具有较好的减流减沙效果,相比之下鸭茅+金荞麦+木通三行植物组合模式效果最显著;(2)各小区径流及泥沙流失量由大到小依次为:白三叶、黑麦草、鸭茅+榛子、黑麦草+白三叶、鸭茅+金荞麦+木通三行植物篱;(3)与对照组相比,组合植物篱模式(鸭茅+金荞麦+木通,黑麦草+白三叶,鸭茅+榛子)减流减沙效果优于单一植物篱模式(黑麦草,白三叶).     

被动式减摇水舱减摇效果的评定

通过模型在规则波系列及不规则波中的试验,并结合有关的分析计算,指出被动式水舱的减摇效率与船舶本身的无因次横摇衰减系数μ有关,其规律大体呈线性关系。船舶本身的μ越小,加装水舱后能获得的减摇效率越高。当船舶在高海况下航行时,用减摇效率来评价水舱的减摇效果已无实际意义,应该直接在不规则波中进行试验。如果加装水舱后得到的有义横摇幅值能满足船舶耐波性衡准中限定的数值,则可以认为该水舱达到了预期的减摇效果。     

黄河下游湿地景观特征及其对来水来沙的响应

利用黄河下游利津、泺口和花园口1950-2005年水沙数据、1987年和2002年两期下游滩地、河流和坑塘湿地数据,运用景观生态学基本理论,分析黄河下游湿地景观格局的演变,讨论湿地时空变化对来水来沙的反馈效应.结果表明,近20年来,黄河下游湿地大幅缩减,滩地景观减少最多,受人为和自然因素双重作用,景观斑块多样性变化不一.回归分析表明,滩地面积与来沙存在负相关,受来水减少影响,主河道萎缩严重,河口延伸速率减缓.     

基于WaTEM/SEDEM模型的双枫潭流域侵蚀产沙模拟

采用WaTEM/SEDEM模型,以湖南省3个流域为研究对象,利用莲花堰和石门坎水文站水沙数据对模型进行校正和验证,并将验证后的模型模拟双枫潭流域的侵蚀产沙,模拟结果表明:双枫潭流域年均产沙模数为631t/km2;受地形和土地利用的影响,流域侵蚀模数在0~10°坡度范围内总体呈现沉积,而在大于10°的坡面上侵蚀强度随坡度增加而增加.流域内旱地土壤侵蚀强度为3 345t/(km2·a);草地侵蚀速率为430t/(km2·a);林地和灌木林用地总体上表现为沉积,其沉积速率分别为110和83t/(km2·a).将以上模拟结果与其他相关研究比较,证实WaTEM/SEDEM模型在模拟流域侵蚀产沙方面有很好的应用前景,利用该模型可为流域水土保持措施实施提供科学依据.     

基于生态足迹法的徒骇河-马颊河流域水资源承载力动态分析与预测

为了解决徒骇河-马颊河流域面临的水资源紧缺问题,采用生态足迹法测算不同空间尺度时该流域2003—2019年的水资源生态足迹、承载力、集约利用度和压力指数,构建灰色拓扑模型预测流域水资源承载力变化趋势。结果表明：农业用水是该流域最主要的水资源消耗部门;德州市水资源承载力最高,聊城市次之;2003—2019年各城市水资源利用效率逐年升高,水资源消耗量远大于可供给量;2003—2019年流域平均水资源承载力约为1.10×10⁴ km²,水资源利用效率逐年提升,但流域水资源利用尚处于不可持续状态;预测2020—2030年流域水资源承载能力呈现好转趋势,2030年水资源承载能力为7.86×10³～2.10×10⁴ km²。     

黄土高原梯田运用对流域产沙的影响规律及阈值

近十几年来,在林草有效覆盖率改善不大、淤地坝很少的黄土高原西部地区,河流输沙量也像植被大幅改善的黄土高原东中部一样减少了85%～90%,说明以往黄土高原梯田的减沙作用被低估.以黄土高原六盘山以西82个中等流域为样本,利用下垫面和实测输沙数据,分析了不同规模梯田运用对流域产沙的影响规律.研究表明,梯田兼具本地减沙和异地减沙作用,流域减沙幅度均大于相应时期梯田比;梯田比 30%后,单位面积梯田的减沙作用逐渐变小;梯田比达到40%后,减沙幅度基本稳定,是有效遏制黄土高原产沙的梯田阈值.     

流域泥沙过程模拟中的河道输沙计算

全流域的水沙过程包括降雨产流、汇流的全过程，以及泥沙侵蚀、输移、沉积的不同运动形态．对这一物理过程的全面描述有其必要性和现实意义．在数字流域中，将流域水沙过程概化为坡面产流产沙、沟坡区重力侵蚀、沟道水沙运动及河道水沙输运四部分．其中，前三部分的计算能为中下游河道水沙计算提供入口边界条件．本文对前三部分的内容只作简要介绍，重点以一维水动力学模型为工具，以1977年为典型年，完成了流域泥沙过程模拟过程中干流河道输沙计算，并对龙门站的预测水沙过程和实测水沙过程龙门一三门峡河段进行了演算和对比．结果表明，用预测龙门站水沙过程计算中下游河道的水沙演进是可行的．     

中国西部矿区厚松散层的溃沙临界流速与水沙流动特征

以陕北榆横矿区为例,研制全程可视化水沙两相高速流动试验装置,开展颗粒起动试验、溃沙试验和水沙两相流动试验.试验结果表明:细颗粒的流失是溃沙的先决条件,为粗颗粒的运移创造膨胀空间.0.3~0.6mm风积沙颗粒之间主要以碰撞的形式传递能量,而0.15~0.3mm的风积沙颗粒之间的相互摩擦和挤压作用占优,相比于碰撞作用能量损失较少,相同时间内出沙量随着颗粒粒径的增大呈递减趋势.随着轴向应力的不断增大,风积沙所需要的溃沙临界流速也越来越大.当风积沙粒径d<0.6mm时,溃沙时渗流状态为线性层流,临界流速为0.03~0.4cm/s.单位时间内溃沙量与水力梯度成正比,表明含水层水压力是决定溃沙灾害程度的关键因素.     

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.     

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.     

基于弱作用力的固液相微界面作用模拟方法

为了探究固液相微界面作用的物质输移机制,丰富水-沙-污染物微界面作用的数值模拟方法,本文基于光滑粒子流体动力学方法(SPH)耦合电场力、布朗运动力、曳力等弱作用力,构建复杂微界面作用模型,模拟了细颗粒泥沙吸附Pb²⁺的微界面作用过程.模拟结果演示了细颗粒泥沙与Pb²⁺的微界面作用全过程,Pb²⁺进入液膜,由液膜迁移至颗粒内,逐渐填满液膜和孔道,最终填充空腔.微界面作用动力学分析结果表明模拟结果符合准二级动力学模式;微界面作用模式识别结果表明0～10min为膜扩散阶段,10～60min为膜扩散和颗粒内扩散并存阶段,60～210min为颗粒内扩散阶段.模拟结果具有较好的微界面作用动力学相似性和微界面作用模式一致性.该方法适用于微米尺度下的微界面作用过程模拟,为水-沙-污染物交互作用的微观尺度建模提供新思路.     

分布式水沙物理模型CASC2D-SED的应用研究

对基于栅格单元的分布式水沙物理模型在国内的应用进行研究。在介绍CASC2D-SED概念的基础上,研究其产流及产沙模块在国内半湿润地区以及产流模块在无资料地区径流模拟中的适用性。选取宁夏三关口流域以及好水川流域为典型研究流域,对三关口流域1983—1987年8场洪水进行了产流及产沙过程模拟,结果表明:模型的产流及产沙模块在三关口流域均取得良好的模拟效果,验证了模型的合理性及适用性。同时将三关口流域的参数移用于好水川流域,进行2010年及2011年4—9月的径流模拟,得到流域内15个计算点及流域出口处的日来水量,经验证,模型模拟结果可靠,可用于无资料地区的径流模拟。     

减摇水舱晃荡运动数值模拟研究

减摇水舱是一种全航速下都能起到减摇效果的减摇装置,研究减摇水舱在晃荡运动过程中减摇力矩的变化规律,是一件很有意义的工作.首先,考虑到减摇水舱在晃荡运动的过程中水舱角的变化对阻尼系数的影响,将阻尼系数看作一个时变的函数;然后求解船舶-水舱系统横摇方程,计算不同频率简谐运动形式下,减摇水舱对于船舶提供的减摇力矩;最后应用CFD方法,对水舱在上述运动形式下的晃荡过程进行3D数值模拟,求得的减摇力矩与理论计算值比较吻合.该研究工作为减摇水舱减摇力矩的计算提供了一个新方法,同时也为下一步的研究奠定了理论基础.     

基于InVEST模型的北三河流域土壤保持功能研究

基于2000—2017年北三河流域的气象和遥感资料,采用InVEST模型定量分析了流域内生态系统的土壤侵蚀和保持状况,同时对不同土地利用类型的土壤保持功能进行了动态评估。结果表明：2000—2017年研究区土壤保持量整体上呈微弱减少的趋势,减少率为0.03×10⁸ t·a^-1。多年平均土壤保持量为5.90×10⁸ t,而实际土壤侵蚀量与潜在土壤侵蚀量的平均值分别为0.07×10⁸ t和5.04×10⁸ t,实际土壤侵蚀以微度和轻度侵蚀为主。流域土壤保持强度大致呈现北高南低的分布格局,北部植被覆盖度高的山区平均土壤保持量高达493.30 t·hm^-2·a^-1,且土壤保持量变化较大,减少量普遍超过30 t·hm^-2·a^-1,而南部耕地及居民区平均土壤保持量仅为1.87 t·hm^-2·a^-1,土壤保持量变化较小(±10 t·hm^-2...