区域尺度侵蚀产沙估算方法研究

 区域土壤侵蚀模型是大区域土壤侵蚀普查和水土保持宏观决策的支持工具,土壤侵蚀模型的研发是土壤侵蚀学科的前沿领域。基于DEM将区域划分为规则网格,设计产流、产沙过程的单元模型,包括植被截留、入渗、填洼、流速、携沙能力、径流剥蚀量、泥沙沉积等算法。将月降水当作1次降雨事件,并划分若干时段进行迭代计算,利用GIS空间分析功能完成水沙汇集运算,并在ArcGIS支持下进行计算机程序设计,有效地完成了区域侵蚀产沙量的计算。将模型应用于延河流域得到:1995年7月份平均径流深为35.6mm,径流系数为0.237,流域出口径流量为2.72亿m3,流域出口输沙量为0.38亿t,流域平均侵蚀模数为4575t/(km2.月);输出图形空间格局和结构符合实际情况,初步模拟结果令人较满意。     

东北黑土漫岗区侵蚀产沙平衡分析

以位于东北黑土漫岗区的乌裕尔河流域及其周边部分地区为例,探讨该区土壤侵蚀产沙平衡问题。利用侵蚀产沙平衡的方式,分析了东北黑土漫岗区侵蚀泥沙的来源、侵蚀泥沙的沉积部位以及流域产沙之间的关系。通过历史资料、实地观测等方式,明确了坡面及沟道侵蚀为该区侵蚀泥沙的主要来源;坡间凹地、坡脚及坡下草甸为侵蚀泥沙的主要沉积位置,只有少部分泥沙通过流域出口输出。进而阐明了该区坡面侵蚀量大,河道输沙量小的主要原因,为该区水土保持规划、水土流失治理提供了参考依据。     

基于GIS的次降雨分布式土壤侵蚀模型构建——以晋西王家沟流域为例

利用野外试验小区观测与人工模拟降雨资料,在定量分析羊道沟小流域坡面—沟坡—沟道侵蚀产沙关系基础上,建立了羊道沟小流域侵蚀产沙模型。借助GIS技术,将王家沟小流域划分为40个沟间地、40个沟坡地及它们组成的40个子流域和一个输水输沙通道。通过对比分析每个子流域降雨、地貌、治理、植被覆盖、耕作措施和土壤6个主要侵蚀产沙影响因子与羊道沟小流域各因子的关系,得到王家沟各子流域相对于羊道沟小流域侵蚀产沙模型相应参数的修正系数,结合王家沟流域主沟道泥沙输移关系,建立了王家沟流域次降雨分布式侵蚀产沙模型。利用王家沟流域1963-1968年22次天然降雨资料,对模型进行检验,结果较为理想,预测精度达到55％。     

泥沙来源“指纹”示踪技术研究综述

泥沙来源"指纹"示踪技术是综合研究流域土壤侵蚀和泥沙输移的新方法。泥沙来源"指纹"示踪技术基于流域侵蚀产沙过程划分潜在物源类型,根据物源特性筛选具有诊断能力的"指纹"性质,通过定量转换模型建立流域出口泥沙与内部潜在物源间的"指纹"联系,定量描述各潜在物源对流域出口产沙的相对贡献;结合悬移质或沉积泥沙通量监测,定量分析各潜在物源对流域产沙的绝对贡献量及流域侵蚀产沙时、空变化特征。通过综述泥沙来源"指纹"示踪技术的理论基础及实施框架,流域尺度潜在物源类型,泥沙"指纹"因子类别、分布特点及诊断能力,泥沙来源复合"指纹"示踪技术的研究进展,指出泥沙来源"指纹"示踪技术的局限性,并对泥沙来源"指纹"示踪技术进行展望。     

流域侵蚀产沙模拟与泥沙冲淤变化研究

针对流域侵蚀泥沙计算问题,开展了基于流域泥沙库的流域侵蚀产沙模拟及泥沙冲淤变化研究。计算中考虑了河道塘库淤积作用的影响,分析了影响流域侵蚀和泥沙输移的主要因子,结合通用土壤流失方程并考虑流域泥沙输移,构建了流域侵蚀产沙模型。模型通过魏城河流域模拟验证取得了良好的效果。     

基于SWAT模型的抚河流域土壤侵蚀模拟

为模拟流域土壤侵蚀状况,分析土地利用方式对土壤侵蚀的影响,构建抚河流域SWAT模型.应用SWAT模型对研究区的径流、产沙状况进行了校准和验证,在此基础上分析了抚河流域土壤侵蚀强度特征,探讨了不同土地利用方式对产沙的影响.结果表明:4个测站月径流、月输沙量的校准期和验证期的决定系数(R2)均在0.7～0.93之间,Nash-Sutteliffe效率系数(NSE)在0.64～0.92之间,径流、泥沙模拟结果达到满意精度,模型在本区域具有良好的适用性;土壤侵蚀以微度侵蚀和轻度侵蚀为主,城乡及工矿用地的土壤侵蚀模数最大,而林地的产沙量绝对量最大.研究成果可为研究区水土保持提供参考.     

基于SWAT模型的径流与土壤侵蚀过程模拟

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应用于密云水库潮河子流域,对模型的敏感性进行了分析,并采用1986～1991年下会水文站数据对其径流量和泥沙负荷进行了率定和验证,模型评估结果表明该模型对径流的模拟效果非常好,对泥沙的模拟效果较好。通过计算34个子流域内的侵蚀模数,对流域内的土壤侵蚀强度进行了分级,并分析了不同土地利用方式对产沙的影响。结果表明,流域内的土壤侵蚀主要发生在农田,为保障密云水库的水质应对其采取有效的水土保持措施。     

基于支持向量机回归的次降雨小流域侵蚀产沙预报研究——以晋西王家沟为例

基于次降雨小流域侵蚀产沙过程的复杂性、非线性，利用支持向量机回归和主成分分析方法，确定了影响次降雨小流域侵蚀产沙量的关键因子，包括浑水径流深、洪峰最大流量、降雨量和30min最大降雨强度。建立了向量机回归支持下的次降雨小流域侵蚀产沙预测模型。利用60次侵蚀产沙实测资料，对模型预报精度进行了分析，结果表明，基于支持向量回归的次降雨流域侵蚀产沙预报模型具有较好的预测精度，预测精度平均为在86％。该研究为揭示次降雨小流域土壤侵蚀规律提供了新的途径和方法。     

渭河流域侵蚀产沙强度的区域分异特征

根据渭河流域水文站的泥沙观测资料,采用"水文-地貌法",将渭河流域划分为132个侵蚀产沙单元,计算分析了渭河流域侵蚀产沙强度的区域分异特征.渭河流域的多年平均侵蚀产沙强度为4 459.2 t/(km2*a), 产沙量为5.2亿t/a;≥5 000 t/(km2*a)的强度侵蚀面积平均为5.2亿km2,占全流域总面积的44.3%;主要侵蚀产沙区位于渭河南河川及天水以上的黄土丘陵沟壑区、泾河庆阳以上的大部分地区和杨家坪以上的部分地区、以及北洛河刘家河以上的干旱黄土丘陵沟壑区,侵蚀产沙强度在6 000～10 000 t/(km2*a)之间,其面积占流域的39.1%.由于渭河流域上中游水土流失严重,导致下游河床泥沙淤积日趋严重,洪水灾害的潜在危险性很大,直接威胁着渭河下游以至黄河下游的安澜.因此,渭河流域的水土保持工作非常重要,特别是中上游地区的主要侵蚀产沙区和产沙中心.应加强渭河流域水土保持措施的区域适宜性与匹配关系的研究,开展水土流失动态实时监测,为科学配置治理措施,加快水土流失治理步伐提供理论依据.     

新民市郎家山小流域土壤侵蚀特征分析

对新民市郎家山小流域水土流失状况利用RUSLE模型进行全面的总结与验证。结果显示:通过流域水文资料推算的评估结果与模型计算得到平均侵蚀模数总体保持一致,为958 t/(km^2·a),在计算分析土壤侵蚀方面RUSLE模型具有较高的精准度与可行性;流域年均侵蚀量1.6×10^5t,流域侵蚀产沙主要来源于轻度侵蚀,在水土保持工程中应注重对轻度侵蚀的综合治理;轻度、中度及以上侵蚀面积分别占全流域的65.63%与12.96%;土壤侵蚀的土地利用类型以农村居民点与旱地为主,地形坡度与土壤侵蚀模数之间存在正相关性,侵蚀地形主要集中在8°~25°坡岸,且该坡段侵蚀量与面积占比均达到最大。     

小流域土壤侵蚀及径流过程自动测量系统的实验应用

流域内降雨－径流－土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取是土壤侵蚀机理研究中的难点,其实时、准确测量为侵蚀模拟－预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。该文针对这一问题,将量水堰及水位传感器、薄层水流流速测量系统、γ射线泥沙含量测量仪有机组合,构成流域土壤侵蚀过程测量系统。将该系统测量仪器布设于室内小流域模型各沟道出口及沟道内典型点处,在降雨强度25 mm/h,降雨历时5 min条件下,系统测量的流域出口处流量及泥沙含量变化值与采用手工采样方法测量结果的决定系数R²分别为0.738,0.749,流速误差为8.7%,比较结果显示该系统具有较高的测量精度。在此测量精度范围内,同时测得各沟道口流量及泥沙含量动态变化过程及沟道中典型点处流速。流域内径流过程及径流含沙量的动态测量结果表明将该系统应用到土壤侵蚀动态过程的研究中是可行的。     

黄土丘陵沟壑区中大流域侵蚀产沙模型与尺度转换研究

由于侵蚀产沙因子时间和空间上的变异性,中大流域的侵蚀产沙过程模拟相对于小流域更为复杂化,目前已存在的物理模型和经验模型均难以很好地运用在中大流域。分析了中大流域的侵蚀产沙特点及已有的模型,认为尺度转换技术是实现大中流域侵蚀产沙模拟研究重要的途径,并对尺度转换的方法进行了探讨。     

紫色土小流域土壤流失对不同土地利用类型的响应

 小流域土壤流失特征不仅反映了流域的土地利用和管理状况,而且对其下游水体环境和水利设施安全具有深刻的影响。1999—2000年间以紫色土区3个具有不同集水面积、物理特征和土地利用类型的典型小流域为研究对象,探讨不同雨型下土壤流失对不同土地利用类型的响应特征。中大型降雨和间歇型降雨侵蚀下,以林地为主要土地利用类型的流域输沙模数最小,平均为866kg·hm-2,谷地农田利用类型最高,平均为5 550kg·hm-2。次降雨侵蚀力和次降雨峰值径流流量,分别是紫色土区非林地和林地利用为主小流域输沙模数变异的主要影响因子。     

内蒙古十大孔兑西柳沟流域土壤侵蚀及水土保持措施调查

[目的]内蒙古十大孔兑地区属黄河中上游多沙粗沙区和生态脆弱区,对该区典型流域西柳沟的土壤侵蚀进行实地调查,分析流域土壤侵蚀特征及成因,为该区水土流失防治提供科学依据。[方法]于2022年9月19—26日和2023年6月21—26日沿X640解柴线(解家营—柴沟堡)和G109京拉线(北京—拉萨)2条公路分别布设15个调查点和14个集水区,对调查点及集水区植被、土壤、土壤侵蚀特征和水土保持措施等进行调查。[结果]流域内草地片蚀较为严重,耕地侵蚀不严重,沟谷内裸地风蚀较为严重。上游黄土高原丘陵区沟蚀严重,且溯源侵蚀、下切侵蚀及沟岸扩张未停止,伴随较为严重的重力侵蚀。中游风沙区以风水复合侵蚀为主,大幅增加了流域的产沙总量。流域内道路建设及边坡开挖等人为扰动进一步加剧了侵蚀风险。径流泥沙含量测定结果验证了流域泥沙的主要来源为上游地区。流域内水土保持措施以植被措施及工程措施为主,虽已起到一定水土保持作用,但由于形式单一而未能发挥理想效果。[结论]西柳沟短历时高强度的降雨特点叠加下层砒砂岩土壤条件共同加剧了该区土壤侵蚀,经济发展压力下的人类活动扰动加剧了生态风险,当地政府亟需持续增加水土保持投入,提...     

小流域侵蚀产沙分布式数学模型的研究

 为反映因下垫面因子空间分布不均和人类活动对流域侵蚀产沙的影响,建立了基于场次暴雨的小流域侵蚀产沙分布式数学模型。该模型能够模拟出流域在不同水土保持措施(不同土地利用类型)下的径流和侵蚀产沙的时空过程,从而加强了在水土保持措施制定中的应用,并能够检测流域管理措施对径流泥沙过程产生的影响,进而为配置流域内水土保持措施和检测流域管理,提供技术支撑和科学依据。经黑草河小流域实测资料率定和验证,计算值与实测值符合良好。     

黄土丘陵沟壑区不同土地利用方式下小流域侵蚀产沙特征

为进一步优化和合理配置水土保持措施,以黄土丘陵沟壑区3个不同土地利用方式下的坝控小流域为例,基于人工探槽取样、淤积层次甄别及与产流降雨事件的对应关系,结合1∶10 000早期地形图与全站仪测量,拟合库容曲线来估算淤地坝泥沙淤积量,进而反演坝控流域的产沙模数变化特征。结果表明:(1)延河马家沟3个不同土地利用方式下的洞儿沟、阎桥和芦渠坝控小流域,自建坝至2016年的多年平均淤积量分别为2 748.80,4 634.31,3 141.17 t;(2)洞儿沟、阎桥和芦渠流域多年平均产沙模数分别为2 432.56,3 131.29,1 794.95 t/(km~2·a),依次属于轻度、中度和轻度侵蚀;不同土地利用方式下坝控小流域的最小产沙降雨量均20 mm以上;(3)不同的土地利用方式对小流域侵蚀产沙影响显著,人类活动明显的阎桥流域多年平均产沙模数大于以林草地为主的洞儿沟流域,而以林地和梯田为主的芦渠流域多年平均产沙模数最小。由此可见,在黄土丘陵沟壑区合理配置不同的水土保持措施,是减少小流域侵蚀产沙的有效途径。     

流域土壤侵蚀测量系统研究

流域内降雨-径流-土壤侵蚀过程中不同时空点处流量、流速、泥沙含量的获取是土壤侵蚀机理研究中的难点,它们的实时、准确测量将为侵蚀模拟-预报模型的建立与检验提供必要的数据支持。针对这一问题,提出一套测量流域土壤侵蚀动态变化过程变量的自动化测量系统。该系统由四部分构成:量水堰和水位传感器实现径流流量的测量;薄层水流流速测量系统测量坡面流及其流域内沟道中水流速度;径流含沙量测量系统测量径流中的泥沙含量;数据采集控制以及存储系统,实现试验设计点处侵蚀量的动态变化过程测量及数据存储。这一系统的构建及应用必将推动侵蚀过程测量向着更自动化和可操作化方向发展。     

Prediction of soil and water conservation structure impacts on runoff and erosion processes using SWAT model in the northern Ethiopian highlands

Purpose

Land degradation due to soil erosion is a serious threat to the highlands of Ethiopia. Various soil and water conservation (SWC) strategies have been in use to tackle soil erosion. However, the effectiveness of SWC measures on runoff dynamics and sediment load in terms of their medium- and short-term effects has not been sufficiently studied.

Materials and methods

A study was conducted in 2011 to 2015 in the Gumara-Maksegnit watershed to study the impacts of SWC structures on runoff and soil erosion processes using the soil and water analysis tool (SWAT) model. The study was conducted in two adjacent watersheds where in one of the watersheds, SWC structures were constructed (treated watershed (TW)) in 2011, while the other watershed was a reference watershed without SWC structures (untreated watershed (UW)). For both watersheds, separate SWAT and SWAT-CUP (SWAT calibration and uncertainty procedure) projects were set up for daily runoff and sediment yield. The SWAT-CUP program was applied to optimize the parameters of the SWAT using daily observed runoff and sediment yield data.

Results and discussion

The runoff simulations indicated that SWAT can reproduce the hydrological regime for both watersheds. The daily runoff calibration (2011–2013) results for the TW and UW showed good correlation between the predicted and the observed data (R ²?=?0.78 for the TW and R ²?=?0.77 for the UW). The validation (2014–2015) results also showed good correlation with R ² values of 0.72 and 0.70 for the TW and UW, respectively. However, sediment yield calibration and validation results showed modest correlation between the predicted and observed sediment yields with R ² values of 0.65 and 0.69 for the TW and UW for the calibration and R ² values of 0.55 and 0.65 for the TW and UW for the validation, respectively.

Conclusions

The model results indicated that SWC structures considerably reduced soil loss by as much as 25–38% in the TW. The study demonstrated that SWAT performed well for both watersheds and can be a potential instrument for upscaling and assessing the impact of SWC structures on sediment loads in the highlands of Ethiopia.

     

长江上游川中紫色土丘陵区小流域泥沙输移比空间尺度效应研究

应用分形理论空间尺度效应原理，采用137^Cs同位素示踪法测定小流域多年平均侵蚀模数和调查紫色土丘陵区不同小流域多年平均淤积模数的方法，探讨了泥沙输移比与小流域集雨面积的关系，得出了长江上游川中紫色土丘陵区小流域泥沙输移比空间尺度效应泥沙输移比（SDR）统计模型。经验证，该模型可用于估算紫色土丘陵区资料短缺小流域的输移比和产沙量。