基于黄土丘陵沟壑区第Ⅰ副区淤地坝淤积调查的土壤侵蚀模数计算

[目的]探索适合黄土丘陵沟壑区不同沟道土壤侵蚀模数计算的新方法,为区域水土流失防治和水保规划提供数据支持。[方法]以黄土丘陵沟壑区不同沟道74个不同坝型的淤地坝为基础,将其看作小流域的沉沙池,同时结合实地调查测量与分析计算,利用淤地坝赋存的泥沙信息获得不同级别沟道的土壤侵蚀量。[结果](1)在地形复杂的黄土丘陵沟壑区,土壤侵蚀模数与不同沟道对应的淤地坝控制面积具有一定的负相关关系;(2)土壤侵蚀模数调查值较设计值显著降低,造成淤地坝空坝率上升,使淤地坝长期保持负效应。[结论]利用闷葫芦坝淤积量推算坝体控制面积土壤侵蚀量,方法简单合理。同时小流域坝系可采用多种方法综合分析,相互印证,可较准确地确定小流域土壤侵蚀模数。     

基于差分GPS技术的淤地坝泥沙淤积量估算

淤地坝是黄土高原水土流失治理中的一项重要措施。但是早期建设的淤地坝缺乏监测资料,对现已淤满坝地拦截泥沙量的估算成为当前研究中的一个难点问题。该文选取延安宝塔区羊圈沟小流域1979年修建的淤地坝为研究对象,采用高精度差分GPS技术,测量坝地淤积面平均高程和淤地面积,结合1977年1︰10 000地形图,建立高程—面积/淤积量曲线,得出羊圈沟淤地坝淤积泥沙方量为155 849.2 m3,并通过计算得到建坝至淤满期内（1979－2004年）年平均土壤侵蚀模数4 052.1 t·km-2·a-1,属于中度侵蚀。差分GPS技术的应用为准确估算淤地坝泥沙淤积量提供了技术支撑,可以弥补历史上侵蚀产沙数据,而且对定量评价水土流失及其治理效益提供了依据。     

黄土高原暴雨产沙路径及防控——基于无定河流域2017-07-26暴雨认识

黄土高原大规模生态建设显著降低黄河输沙量,但暴雨条件下,黄河典型支流输沙量仍然维持在高位。2017年7月26日无定河普降暴雨,白家川站洪峰流量达4 480 m~3/s,最大含沙量达837 kg/m~3,为1975年建站以来最大洪水。暴雨后,笔者对典型小流域侵蚀输沙特征进行调查,暴雨情况下,小流域土壤侵蚀模数仍然很高,但是由于坝系拦蓄,流域泥沙输移比显著降低。暴雨条件下,黄土高原丘陵沟壑区产沙路径为梯田下部田坎寅坡耕地寅土质道路寅沟壁寅淤地坝垮坝寅沟道及河道堆土。针对产沙路径,笔者提出新形势下黄土高原土壤侵蚀5条防治对策:1)完善小流域寅一级支流寅黄河干流三级输沙通道,保障排沙畅通;2)持续推进退耕还林(草)和坡改梯工程,加强坡耕地治理;3)加强农村道路建设和坡面径流调控能力建设,防治道路和沟壁侵蚀;4)加强梯田管护;5)加强生产建设项目监管,管控建设项目弃土。     

沟道比降对淤地坝建设影响的定量研究

定量分析了沟道比降与库容及单位库容坝体土方量的关系,统计了黄土高原陕、晋、内蒙古、宁4省区在建的分布于32条小流域的556座淤地坝的坝体土方量和库容,计算出了这些淤地坝的单位库容坝体土方量,并在此基础上讨论了适宜建坝的沟道比降最大值:坝高分别为10、20、30、40 m时,适宜建坝的最大沟道比降分别为9.55%、8.42%、6.71%、5.57%。     

凌源市沟道建设存在问题及治理对策

凌源市属低山丘陵区,水土流失面积2 131.75 km2,占全市面积的65.04％。土壤侵蚀模数4 482 t/(km2.a),比第二次遥感调查增加1 282 t/(km2.a),沟道侵蚀严重。要从根本上遏制水土流失,就必须修建具有拦泥减沙、淤地造田等综合措施的淤地坝工程。凌源市具备建坝资源丰富、建坝技术成熟等诸多有利条件。要提高对淤地坝工程的认识,小流域综合治理要向以沟道坝系工程为主的综合治理转变。按河流水系,以小流域为单元,建设沟道坝系。结合国家水土保持重点建设工程渗津河项目区,搞好试点,全面展开。创新机制,放开建设权,拓展融资渠道。     

快速修筑淤地坝

在黄土高原丘陵沟壑区,坡耕地水土流失严重产量低的地区。长期以来,群众在沟边筑坝,拦蓄洪水泥沙,淤地造田。一般中小型淤地坝3-5年即可淤为坝地。坝地土壤肥沃、耐早、能稳产高产,比坡拼地产量高4-5倍。因此,加速修建淤地坝已成为该地区发展农业的主要措施。     

黄土丘陵第三副区典型淤地坝系结构特征分析

为科学认识黄土丘陵区淤地坝系结构特征,对黄土丘陵区第三副区车路沟坝系沟道特征、库容分布特征、泥沙淤积及蓄水量分布特征进行了总结,并对坝系的级联方式进行了解析,对把口站的水沙变化趋势进行了分析。结果表明:(1)车路沟流域随着沟道级别的提高,沟道平均面积增大,平均沟长增加,平均比降减小;Ⅰ级沟道小型坝的数量最多,Ⅱ级沟道中型坝数量最多,Ⅲ级和Ⅳ级沟道则以骨干坝建设为主。(2)随着沟道级别的提高,骨干坝的总库容、设计防洪库容和设计淤积库容表现为逐渐增大,中型坝、小型坝的总库容和设计防洪库容表现为逐渐减小,设计淤积库容先增大后减小。(3)车路沟坝系中型坝和小型坝的设计淤积库容已经几乎淤满,而骨干坝还剩余较大的淤积库容。(4)车路上游坝系单元通过拦蓄洪水泥沙为下游主沟的淤地坝减轻防洪压力,坝系单元内部各中小型坝尽快淤积成地,车路沟坝系仍有较大的淤地潜力;随着车路沟淤地坝系的建设,流域把口站的水沙趋势发生了明显变化。研究成果以期为黄土高原淤地坝系建设管理提供参考。     

淤地坝坝体体积的计算

对于已确定的淤地坝坝址,坝体的纵断面（即沟道横断面）是一定的。根据实测的沟造横断面,以沟底最低点为坐标原点,沟道一侧的岸壁曲线可用幂函数形式表示之。利用这种幂函数关系,对于坝坡均一的坝体．在设定坝顶宽、坝高和上下游边坡之后,作者推导出沟道一侧坝体体积的计算公式;沟道两侧的坝体体积即为坝体总体积。对于非均一坝坡、设有马道的坝和坝体加高的体积,可将坝体横断面分割为由几个均一坝坡组成的坝体断面,分别计算其体积。这种计算方法的精度,取决于坝址横断面岸壁曲线回归方程与实际岸壁的符合程度。     

砒砂岩地区沙棘“柔性坝”拦沙与生态效应试验研究

沙棘植物“柔性坝”是一种防止沟道土壤侵蚀、拦沙保水的新型生物工程,尤其适合生态环境恶劣的砒砂岩地区。在内蒙古砒砂岩地区鄂尔多斯市准格尔旗东一支沟开展了沙棘植物“柔性坝”野外拦沙保水实验,泥沙颗粒级配分析结果表明,沟道“柔性坝”坝系普遍发生了淤积,与下游刚性谷坊配套使用可天然分选沟道里的泥沙——拦粗淤细,将粗沙拦截在沟道里,细沙淤在下游谷坊中,拦沙效果非常明显。“柔性坝”沟道土壤水分监测表明,沙棘植物“柔性坝”沟道土壤剖面含水量年内动态变化有着明显的差异,“柔性坝”可显著调节沟道土壤水分,提高水源涵养能力,促进“柔性坝”自我繁殖,实现坝体的自我增长。     

黄土高原地区病险淤地坝除险加固探讨

淤地坝是在黄土高原水土流失区各级沟道内修建的控制沟道侵蚀的一项重要工程措施,具有悠久的建设历史。但受投资规模的限制,加之过去普遍存在少花钱、多建坝、快拦泥、多淤地的思想,建成的淤地坝多为大坝和放水建筑物"两大件",没有泄洪设施。随着经济社会的发展,人们对防灾抗灾减灾和安全生产工作提出了越来越高的要求,保障淤地坝安全运用变得越来越有必要。为搞好淤地坝安全运用,就病险淤地坝除险加固初步设计中的设计标准、溢洪道布设、坝系洪水组合、坝高和库容等问题进行了探讨。     

黄土高原坡沟系统径流水动力学特性试验

为了研究坡沟系统中坡面与沟道之间的侵蚀产沙关系,该研究采用双坡段（坡面和沟坡）组合模型,通过室内放水冲刷试验,结合REE示踪技术,研究了黄土高原地区径流的水动力学特性。结果表明：在试验流量范围内,坡沟系统径流雷诺数变化位于342.3～858.8之间,且变化幅度随冲刷历时的增大而增大;弗罗德数变化位于1.36～8.92之间,且具有时空分异特征。相同流量下,坡沟系统的坡面径流流速沿程有先增大后减小的趋势,在从坡面向沟坡过渡时,各流量下的流速均达到极小值,进入沟坡以后,流速又开始增大。当流量相同时,Darcy-Weisbach阻力系数和曼宁糙率系数沿程均呈先减小后增大然后再减小的趋势。该研究为黄土高原坡沟系统侵蚀产沙模型的建立提供理论依据。     

降雨和汇流条件下浅沟侵蚀过程试验研究

[目的]探究含沙水流汇入对含有浅沟微地形的裸土和草地坡面的侵蚀产沙过程的影响,为该地区浅沟侵蚀治理提供理论依据,并为坡沟系统的土壤侵蚀模型建立奠定基础。[方法]通过降雨和放水相结合的野外模拟试验和人工建筑的浅沟模型开展研究。[结果]含沙水流汇入裸土浅沟坡面的侵蚀量增加了15%～58%,而对草地浅沟坡面的侵蚀影响不显著,说明草地恢复对于减少由汇流作用的侵蚀具有显著效益。试验条件下裸坡和草地坡面泥沙浓度都在产流开始时达到最大然后逐渐降低,最后达到稳定,然而含沙水流汇入使得泥沙浓度达到稳定所需的时间延长。含沙水流汇入能够显著增加浅沟发育速度,特别是浅沟沟宽和下切深度增加明显,草地恢复可以显著减缓浅沟的下切侵蚀,进而减缓浅沟的发育速度。对于裸土和草地浅沟坡面,含沙水流汇入显著增加了浅沟部位流速,尤其是草地浅沟部位各坡段流速平均增幅达到了55%。[结论]增加含沙水流汇入会显著增加裸坡坡面上的浅沟侵蚀量和浅沟的发育速度,而对草地坡面上浅沟的侵蚀和发育影响不显著。     

基于MIKE模型的不同淤地坝型组合情景对小流域侵蚀动力和输沙量的影响

为科学认识黄土高原淤地坝建设对小流域侵蚀动力过程的影响,通过分布式水文模型MIKE SHE和一维水动力模型MIKE 11耦合模拟了王茂沟流域的洪水过程,并计算了流域主沟不同断面的侵蚀动力参数和不同坝型组合的减沙效益。结果表明:(1)淤地坝建设在不同程度上改变了小流域沟道的侵蚀动力分布,坝系建成后沟道的侵蚀动力参数减幅最大。(2)小流域径流侵蚀功率表现为上中游剧烈变化,下游趋于稳定,且下游径流侵蚀功率明显小于上游。(3)淤地坝建设可以有效减小流域的输沙量,其中单独建设骨干、中型、小型坝相比流域未建坝时,输沙模数分别减少24.74%,47.11%,64.11%;流域坝系建成后减沙效益最明显,流域输沙量减少83.92%。研究成果可为黄土高原淤地坝减沙效益评估提供科学参考。     

藉河示范区淤地坝建设的特点与建设途径

黄河水土保持生态工程藉河示范区地处黄土丘陵沟壑区第Ⅲ副区，地形破碎，沟壑纵横，沟道侵蚀明显，淤地坝建设是该地区沟道治理的一项重要水土保持工程措施。该区淤地坝建设形成了高坝小库容，防洪要求高，工程投资大，筑坝方式单一等区域特点。规划以单坝为主，技术指标适当放宽，合理布设骨干工程，适当提高防洪标准等技术途径，使淤地坝在促进当地社会经济发展方面发挥着重要作用。     

黄土高原小流域淤地坝监测

[目的]为了探索小流域淤地坝监测的内容、指标、方法,分析淤地坝建设效益,更好地为淤地坝规划、建设、运行管理服务。[方法]2005—2010年,在黄土高原不同水土流失类型区选择了12条典型小流域坝系,布设监测点,采用遥感、水沙观测、调查等方法,连续开展淤地坝工程建设动态、拦沙蓄水、坝地利用及增产效益、坝系工程安全等监测。分析了淤地坝建设与坝系配置、坡面治理、拦沙蓄水、坝地利用等之间的关系。[结果]小流域淤地坝坝系在拦截泥沙、蓄洪滞洪、减蚀固沟、增地增收、促进农村生产条件和生态环境改善等方面发挥了显著的生态、社会和经济效益。[结论]建议在淤地坝建设中以小流域为单元,以骨干坝为主体,骨干坝、中型坝、小型淤地坝相结合,形成稳定的淤地坝坝系。     

上方来水来沙对浅沟侵蚀产沙及水动力参数的影响

 浅沟侵蚀是黄土高原重要的侵蚀类型,上方汇水对坡面浅沟侵蚀具有重要的影响。采用野外放水冲刷试验,定量分析26°坡耕地在上方来水量为5、10和15L/min时对坡下方浅沟侵蚀产沙及其水动力参数的影响。结果表明：上方来水的汇入使浅沟水流流速明显增大,雷诺数、弗劳德数、水流功率和剪切力分别增大33%～76%、21%～47%、29%～72%和18%～42%,阻力系数减少11%～13%,导致浅沟侵蚀产沙量明显增大;除流速和弗劳德数外,其余水动力参数随放水时间的延长呈递增趋势;上方来水使浅沟侵蚀产沙量相对增量与水流功率和剪切力相对增量均呈幂函数关系。     

MIKE耦合模型模拟淤地坝对小流域暴雨洪水过程的影响

为科学认识淤地坝建设对黄土高原小流域暴雨洪水过程的影响,该文通过分布式水文模型MIKE SHE和一维水动力模型MIKE 11耦合模拟了不同坝型组合和坝系级联方式下的小流域暴雨洪水过程,研究表明:1)淤地坝系建成后会使小流域洪水的洪峰和洪水总量明显减少,其中骨干坝减幅最小,中型坝次之,小型坝减幅最大;串联、并联、混联3种坝系级联方式均使洪峰流量和洪水总量明显减小,其中混联坝系减幅最大,并联坝系次之,串联坝系最小。2)淤地坝建设改变了洪水历时,其中骨干坝和中型坝增加了洪水历时,而小型坝缩短洪水历时。3)沟道连通性指数与洪峰流量、洪水总量均有很好的相关关系,淤地坝建设明显降低了沟道连通性,通过改变沟道连通性调控了小流域的暴雨洪水过程。可为黄土高原淤地坝安全运行提供科学依据。     

黄丘区小流域暴雨径流动力特征对淤地坝配置的响应

为定量揭示淤地坝措施配置对黄丘区小流域暴雨径流形成及演进过程的影响,采用室内小流域人工模拟降雨试验,对不同淤地坝措施布设情景下（无坝、单坝、双坝）小流域不同断面径流的水动力、侵蚀动力特征进行研究。结果表明：径流量与含沙量整体均随时间推移而增大,无淤地坝布设情景下径流量增幅为114.60 cm3/s,双坝情景的径流量增幅仅有70.11 cm3/s;淤地坝对小流域暴雨径流演进过程的影响显著,淤地坝布设后径流流态由主要的紊流-缓流变为以层流-缓流为主,雷诺数Re减小幅度达到12.04%～85.85%;动力参数中径流功率ω和雷诺数Re可以被认为是能够较好描述不同淤地坝布设下侵蚀产沙的动力因子。研究结果对于揭示流域暴雨径流过程及成灾机理具有重要现实意义,可为科学评价水土保持措施调控径流过程的效应提供理论依据。     

黄土丘陵沟壑区浅沟水流水动力学参数实验研究

浅沟侵蚀是黄土丘陵沟壑区重要的侵蚀类型,浅沟水流的水动力学参数研究是建立浅沟侵蚀物理模型或概念模型的基础。以黄土丘陵沟壑区延安市燕儿沟小流域的坡地为对象,通过野外放水冲刷实验,对浅沟水流的水动力学参数变化特征进行研究。结果表明：浅沟水流属于紊流范围,大多数情况下是急流;在坡度18°左右时,携沙水流的流速最小,阻力最大,此时水流的能量分配在侵蚀与携沙之间达到平衡;浅沟水流在坡度26°左右时流速达到最大,水流功率达到最大,最利于浅沟侵蚀的发生和发展。研究结果可为黄土区浅沟侵蚀物理模型的建立提供理论支撑。     

黄土区不同地貌部位径流泥沙空间分布试验研究

黄土丘陵区侵蚀泥沙的来源以及坡沟侵蚀产沙关系等一直是研究的热点难点之一，也是争论较多的问题。在梁峁坡到谷坡的坡沟系统中，不同地貌部位有对应的侵蚀形式出现。该文采用多坡段组合模型，运用人工模拟降雨试验方法，研究了黄土区坡面各垂直侵蚀带径流泥沙的空间分布特征及上坡来水来沙的加速侵蚀作用。结果表明：单位面积与时间产流量排列为谷坡＞梁峁坡下部＞梁峁坡中部＞梁峁坡上部。雨强0.5 mm/min时，没有沟蚀发育；1.0 mm/min时，细沟主要在梁峁坡下部；1.5 mm/min时，细沟伸展到梁峁坡上部，谷坡出现滑塌和崩塌等重力侵蚀现象。坡面径流量、产沙量随坡度、坡长、降雨强度变化成正比增长。上坡来水来沙使梁峁坡和谷坡产沙量大幅度增加。