流域吸附态磷时空分布模型的构建与应用

为了模拟吸附态磷负荷的时空分布,从被侵蚀土壤进入受纳水体的载体地表径流着手,综合考虑坡上和坡下的径流特性对被侵蚀土壤迁移的影响,引入时空分布的径流连通性指标,由此提出坡面泥沙输移比的计算方法。将改进的土壤流失方程作为流域土壤侵蚀量的计算方程,结合所提出的坡面泥沙输移比并考虑磷在土壤中的富集,构建流域吸附态磷负荷的时空分布模型。以三峡库区小江流域作为案例,对该流域2000-2010年的吸附态磷负荷的时空分布进行了模拟,模拟得到多年平均吸附态磷负荷为0.056 t/km2。模拟值与实测值吻合较好,其年平均吸附态负荷相对误差低于6%,表明所构建的模型以及所提出的坡面泥沙输移比的计算方法可行。该研究可为三峡库区的水环境保护和水污染防治提供参考。     

谈泥沙输移比

<正> 泥沙输移比,是指在一定时段内通过沟道或河流某一断面的实测输沙量与该断面以上流域总侵蚀量的比值。在流域侵蚀—产沙—输沙系统中,泥沙输移是研究流域侵蚀与产沙关系的关键。泥沙输移比这一概念的应用,使这项研究向定量化方向发展迈进了一步。进行中小流域综合治理规划、防治土壤侵蚀、合理利用水沙资源,无不需要掌握流域产沙情况。在上游总侵蚀量可以估算的情况下,如果知道流域泥沙输移比,就可以预报下游的输沙量,从而满足规划或工程设计的需求。     

基于混合产流模式的黄土高原流域水沙过程耦合模拟

为深入理解黄土高原干旱半干旱地区复杂地貌条件下流域水沙运移规律。基于垂向混合产流机理和运动波方程，构建分布式流域水文模型，耦合流域土壤侵蚀和泥沙输移过程模拟模块，并考虑梯田对水沙过程的影响，建立适用于黄土高原的分布式流域水沙过程模型。选取黄土高原延河支流西川河流域多年实测场次洪水过程的径流泥沙资料，对模型进行率定和验证。径流模拟的纳什效率系数在0.56以上，平均值超过0.70,模拟次洪过程的峰形、峰值、峰现时间与实测过程具有较好的一致性；侵蚀产输沙模拟精度较低，其纳什效率系数均值率定期为0.79,但验证期仅为0.45,模拟结果整体趋势与实测值较一致，但输沙量模拟峰值比实测值偏低。模型可以较精确地模拟黄土高原流域洪水产汇流过程，但输沙量模拟值偏低，一方面由于产汇流模块的误差传递；另一方面，对重力侵蚀考虑不足。因此，未来模型将考虑滑坡、崩塌等重力侵蚀过程，提升模拟精度和效率，为流域水沙过程模拟与流域综合治理提供有效工具。     

岔巴沟流域泥沙输移比时空分异特征及影响因素

本文以团山沟单元小流域作为流域系统产沙的源地，将其它中小流域输沙模数与单元小流域侵蚀模数之比定义为泥沙输移比，系统的研究了岔巴沟流域次暴雨泥沙输移比的时空变化特征及降水水文影响因子和地貌形态因子的综合影响。研究发现，从长远来看，流域系统的侵蚀与产沙可达到平衡，但就次降雨或年度而言，流域系统经常处于泥沙滞留和滞留的泥沙重新侵蚀搬运的状态。降雨量、径流系数、降雨时间、水流平均含沙量能很好的表达岔巴沟各流域次暴雨泥沙输移比，在考虑地貌形态因子的影响后，得到了岔巴沟流域次暴雨泥沙输移比的降水水文因子与地貌形态因子关系的综合表达式。     

黄土丘陵沟壑区不同空间尺度流域泥沙输移比研究

泥沙输移比是定量表征流域内侵蚀产沙-河道输沙特征的重要指标。探讨了不同尺度流域泥沙输移比计算的可能性与方法,以黄土丘陵沟壑区的径流小区、小流域、水文站实测资料为基础,利用径流小区观测资料和单元小流域侵蚀模数2种方法,对4种空间尺度流域的泥沙输移比进行了估算。结果表明:(1)对于面积在10~100km²的小流域,利用2种方法计算的泥沙输移比结果非常接近,说明在没有小区观测资料时,用单元小流域计算流域泥沙输移比是可行的。(2)对于土壤侵蚀类型单一的水文站控制流域,在没有面积>1km²单元小流域资料的情况下,可以用面积1~10km²小流域或面积10~100km²小流域作为单元小流域来计算泥沙输移比而对于侵蚀类型不同的支流其误差范围有些偏大。(3)流域治理措施的实施对于泥沙输移比的减少具有明显的效果,但治理措施减沙效应的发挥具有一定的滞后性。     

蒲河流域退耕前后降水和植被对土壤侵蚀变化的影响

为了定量评价退耕还林还草前后蒲河流域土壤侵蚀变化特征及降水和植被对土壤侵蚀的影响,运用修正后的通用土壤流失方程(RUSLE模型)探讨1990—2019年流域土壤侵蚀变化,结合LMDI模型评估了1990—2000年、2000—2010年、2010—2019年3个时间段植被和降水对流域土壤侵蚀变化的影响。结果表明：30年来,流域侵蚀强度以微度和轻度侵蚀为主,而中度及以上等级的土壤侵蚀面积有逐渐减小的趋势;流域侵蚀情况总体持续向好,植被覆盖度与降雨侵蚀力相互作用驱动了研究区土壤侵蚀的动态发展;2000年以前,降水是影响土壤侵蚀变化的主导因素,随着退耕还林还草工程的实施,植被作用逐渐凸显。蒲河流域的退耕还林还草成效显著,是流域侵蚀防治的有效措施,应在侵蚀较强的流域中上游地区继续加强植被恢复措施。     

黄土高原泾河流域1960—2000年的年输沙量时空变化

为制订合理有效的水土流失治理政策,需定量了解流域的泥沙输移总量及其时空变化。以黄土高原多泥沙的典型流域泾河为例,按有连续水文观测数据的11个水文站的控制范围,把流域划分为11个河段,统计分析1960—2000年间的年均输沙量和输沙模数在不同年代的变化和空间上的差异。结果表明:1)20世纪60年代泾河流域年均输沙量为3.024 9亿t/a,年均输沙模数为6 672 t/(km2.a);输沙等级为强度,但空间分布不均匀,其中输沙等级为极强度和强度的河段面积占流域面积的72.6%,其年均输沙量占流域总量的86.0%;输沙等级为中度和轻度的河段面积占流域面积的27.4%,其年均输沙量占流域的14.0%。2)20世纪70年代以来,泾河流域年均输沙量开始减少,90年代已减至2.657 8亿t/a,较60年代下降了12.1%,减沙主要发生在输沙等级为极强度的河段,其减沙量占流域总减沙量的93.5%,尤其以降水较高、植被较好的西部地区为主要贡献区,而其他输沙等级河段的年输沙量基本保持不变。因此,在侵蚀性暴雨增加的气候变化背景下,植被稀疏、抵抗暴雨侵蚀能力差的半干旱地区应列为水土保持重点地区。     

水土流失水文因子演变规律分析及输沙量插补方法研究——以湖北省浠水流域英山水文站为例

利用实测系列资料研究了湖北省浠水流域英山水文站以上流域水土流失主要水文因子的演变规律,分别建立了年降水量、汛期降水量、年径流量、汛期径流量、邻近站年输沙量等因子与英山站悬移质年输沙量的关系模型。利用Excel工具精确率定模型参数,将插补泥沙资料与实测值进行比对和误差评定,从而评估插补方案。采用不同水文因子建立的模型插补获得的泥沙资料成果精度略有差异,优选模型插补展延得到的泥沙资料可用于水土流失治理规划、水保效益评估和水利工程调度运用淤积计算。     

近20a三峡库区泥沙输移比估算与吸附态氮磷污染负荷模拟

该文把泥沙输移比细化到栅格空间,以反映流域水文过程的地形指数作为泥沙受汇流的动力系数、植被截留阻力作为泥沙输移的阻力系数,构建泥沙输移比模型,最后运用已有的土壤侵蚀模型、泥沙负荷模型和吸附态氮磷污染负荷模型估算近20 a三峡库区吸附态氮磷污染负荷,结果表明:1影响库区泥沙输移的动力系数主要集中于中等以上区间(0.4,0.8),空间异质性不显著,而阻力系数表现较为复杂,坡度低的平行岭谷区和河流冲积缓坡以及台地区较高,坡度陡的秦巴山地北部区和武陵山区的高山峡谷地带偏低;2库区泥沙输移比呈"单峰"结构,近似正态分布,均值为0.48。空间上具有显著的异质性,中、西部平行岭谷区泥沙输移比较小,武陵山区和秦巴山区较高,以河流河道为中心向两侧呈梯度增大趋势;3泥沙负荷均值与负荷总量的年际变化趋势相同,泥沙负荷总量的模拟值(0.9亿t)与公报监测值(0.92亿t)最为接近的是1995年。空间格局上因近10 a库区泥沙负荷量的均值变化不大,泥沙负荷的低值区与高值区的空间分布比较稳定,低值区的分布范围广泛,集中度高,而高值区的分布较为离散和破碎;4吸附态氮磷负荷量与土壤侵蚀模数、泥沙负荷量在数值上同比增长,在2010年负荷总量达到最大值,分别为1.2和0.6亿t。空间上总体分布相似,具有不平衡特征,从东向西呈逐渐减小趋势。与监测数据的相关分析,吸附态氮负荷的模拟效果比吸附态磷更好,且吸附态氮磷负荷在库区流域内存在空间相关性。     

耦合RUSLE和景观阻力的北部湾流域土壤侵蚀风险评价

以北部湾流域为研究区,考虑景观阻滞作用进行土壤侵蚀风险评估,采用遥感影像等基础数据,结合RUSLE模型,计算得到北部湾流域的土壤侵蚀模数,利用土壤侵蚀影响强度和土壤侵蚀风险指数分别表示土壤侵蚀对目标水体的泥沙输移风险和土壤流失风险。结果显示:在北仑河流域的西北部、东南部地区,防城江流域的西北部地区和南流江流域的局部地区现状土壤侵蚀较严重;土壤流失风险高的地方位于南流江流域(六万大山和大容山交界的局部区域)和铁山港滨海平原盆地的西南部地区。     

An integrated watershed modelling framework to explore the covariation between sediment connectivity and soil erosion

Quantitative identification of the covariation between sediment connectivity and soil erosion can contribute to provide the key information for watershed sediment management. However, this covariation and its spatiotemporal response mechanisms are still unclear, especially whether this covariation can be used as a basis for identifying critical source areas of sediment in large-scale ecological restored watersheds. In this study, an integrated methodology framework by the revised universal soil loss equation (RUSLE), index of connectivity (IC) and sediment delivery ratio (SDR) was proposed to visually assess the spatiotemporal characteristics of erosion and sediment yield processes in the Yanhe Watershed with large-scale ecological restoration from 1985 to 2020 and to identify the covariation between sediment connectivity and erosion in subbasins. The soil erosion estimated by RUSLE has decreased by over 80% since 1985 owing to increased vegetation cover and the effective implementation of soil conservation measures, but the upper reaches still have high erosion intensity due to differences in specific controlling factors such as topographic conditions and land cover, requiring focused soil conservation practice. The IC results showed that as the vegetation restoration and soil conservation measures in the Yanhe Watershed varied from year to year, their spatial and temporal patterns had a strong influence on the distribution of sediment connectivity, and some local areas in the middle reaches showed local minima of IC in 1995, 1998 and 2010 mainly due to the implementation of long-term ecological restoration project. The developed IC-Erosion maps indicated that areas with high connectivity but low erosion accounted for over 60% of the total watershed area from 1985 to 1999, demonstrating a reverse correlation between sediment connectivity and erosion. Meanwhile, over 40% of the erosion occurred in a few areas (approximately 20%) with high connectivity and high erosion from 2000 to 2004, which can be characterized as the critical areas of erosion. The methods and results of this study provide ideas for separately defining both erosion and connectivity and quantifying bi-variable erosion–connectivity classification, which can be easily viewed on a scatterplot.     

基于WaTEM/SEDEM模型的洮河源区土壤侵蚀产沙模拟及其空间驱动力分析

[目的]全面认识长时间尺度的土壤侵蚀时空变化及其影响因素对土壤侵蚀治理具有重要意义。探究流域1998—2018年土壤侵蚀和产沙时空变化特征及其空间驱动力因子,为洮河源区流域的水土治理提供科学理论依据。[方法]以洮河源区流域为研究区,基于碌曲站实测输沙数据以及植被NDVI数据,通过WaTEM/SEDEM模型结合重心模型分析流域侵蚀产沙时空变化特征,进一步采用地理探测器方法探究其空间驱动力因子。[结果]洮河源区的土壤产沙模数由1998年的33.81 t/(hm²·a)增加至2018年的48.59 t/(hm²·a);土壤侵蚀强度主要以微度侵蚀为主,其次是极强侵蚀和轻度侵蚀,剧烈、强烈和中度侵蚀占比最小。侵蚀较强区域分布在高山地带;侵蚀较微弱的区域分布在中部的河谷地区和海拔较低的区域。流域内地形等级和植被覆盖度对土壤侵蚀影响最大,q值分别为0.359,0.183,流域侵蚀模数随地形位等级增大而增大,随植被覆盖度的增大而减少。1998—2003年和2008—2013年这两个时段,土壤侵蚀重心向东南方向移动,2003—2008年侵蚀重心向西北方向移动,...     

水蚀风蚀交错区典型流域景观格局变化对土壤侵蚀过程的影响

流域土壤侵蚀过程与景观格局的关系是评价流域景观格局合理性的关键问题。以GIS软件为分析平台,以最新提出的"源""汇"景观理论为基础,以水蚀风蚀交错区典型流域——六道沟流域1995,2010年土地利用/覆被格局为分析对象,以淤地坝淤积量作为土壤侵蚀监测信息,利用景观空间负荷对比指数分别分析了这2个时期各景观类型随空间要素配置、贡献权重和组成比例对土壤侵蚀过程的影响,最后对该指数的变化与土壤侵蚀模数的变化进行相关性分析。结果表明:2010年与1995年相比,六道沟流域各集水区的相对高度、坡度、投影距离、运移距离负荷对比指数均呈减小趋势,景观格局分布更加合理,水土流失危险性降低,与同期土壤侵蚀模数变化趋势相同。坡度负荷对比指数增量与土壤侵蚀模数增量相关性较弱,相对高度、投影距离、运移距离负荷对比指数增量与土壤侵蚀模数增量呈显著正相关,运移距离负荷对比指数反映土壤侵蚀过程对景观格局变化响应的效果最好。景观格局负荷对比指数与土壤侵蚀实测值之间均存在较大差异,应进一步改进模拟方法以达到准确量化的目标。坡度负荷对比指数不能很好地解释景观格局对土壤侵蚀过程的影响,需要在坡度取值方式上加以改进。     

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。     

植被覆盖度和降雨侵蚀力变化对小流域泥沙连通性的影响

泥沙连通性可以反映泥沙源汇的潜在联系,识别流域水土流失热点区域及泥沙迁移路径。研究泥沙连通性的影响因素有助于更好地理解泥沙连通性的时空变化特征。该研究在已有泥沙连通性指数（Index of Connectivity,IC）模型基础上,考虑影响连通性的功能性因素,并采用修正泥沙连通性指数（Revised Index of Sediment Connectivity,ICr）探讨了植被覆盖度和降雨侵蚀力耦合作用下的季节与年际变化对天目湖中田舍河流域泥沙连通性特征的影响。结果表明：2019年夏冬季植被覆盖度分别为85%、57%,对应的泥沙连通性指数均值是-9.39、-6.85,植被覆盖度变化对泥沙连通性具有重要影响,利用NDVI值获取模型中的地表综合系数,可以动态反映地表植被和土地利用的区域及季节性变化;降雨影响泥沙的功能连通性,年尺度上的连通性指数均值同流域泥沙量的相关系数达0.91。说明在流域植被覆盖变化不明显时或者在林地为主的流域中,降雨因子具有主导作用;植被覆盖度升高28%,IC均值降低37%,而单独考虑降雨因子的IC-R均值则反映出雨量升高,指数值随之升高,修正连通性指数ICr综合考虑了植被与降雨因子,但在应用中要依据流域实际情况适当调整两者的权重。研究结果指出泥沙连通性指数在中国东南部区域运用中存在的问题,将对气候变化背景下我国湿润区湖泊小流域水土保持与水环境治理等提供科学参考。     

基于BP神经网络的陕北黄土高原侵蚀产沙影响因子显著性研究

黄土高原地区的侵蚀产沙与影响因子的关系特征一直是研究热点。以陕北黄土高原23个小流域为实验样区,采用BP神经网络方法,将6个影响侵蚀产沙的因子作为输入变量,侵蚀产沙模数作为输出变量,通过输入变量与隐含层之间、隐含层与输出变量之间的权重矩阵关系,构建关系模型。实验结果显示,该方法可以有效地区分不同因子对侵蚀输沙模数影响的显著性;6个因子对侵蚀产沙影响的显著性由高到低依次为:岩土抗蚀性>蚕食度>沟谷密度>年均降雨量>NDVI指数>粉砂黏土含量。最后,随机选择3个小流域作为检验样本,采用BP神经网络进行预测,验证了该模型的有效性。该研究可望完善小流域侵蚀产沙分析方法。     

概念性土壤侵蚀模型的建立及在紫色土小流域的应用

概念性土壤侵蚀模型在描述流域基本过程的同时对参数要求较低,现有概念性模型中计算产沙所需参数主要靠律定或借鉴经验值。该文介绍了1个无需流域出口产沙量长序列观测资料来律定且能适用于研究流域的概念性土壤侵蚀模型。模型中引入了分布式水文模型WetSpa Extension作为水文模块,结合流域内试验小区上建立的流量—产沙量经验关系计算侵蚀量,再结合泥沙输移比构建起产沙模块。通过在紫色土地区小流域的应用表明,模型能够得到较合理的流域出口产流量、产沙量以及侵蚀率的空间分布等模拟结果,在没有试验小区的邻近流域地区也具有推广性,且能作为评价水保措施效益的有力工具。该概念性模型对于流域出口泥沙资料稀少的地区具有很高的应用价值和协助流域管理的 潜力。     

流域侵蚀强度空间分异及动态变化模拟研究

流域侵蚀强度空间分异是小流域泥沙来源研究的重要内容之一。该文以小流域模型模拟试验为基础，利用人工模拟降雨、近景摄影测量和GIS技术，对流域模型不同空间部位的侵蚀强度及其随流域所处发育阶段的动态变化进行了研究。研究结果表明：依据次降雨相对侵蚀模数REM将历经25场模拟降雨的小流域模型发育过程划分为初期时段、活跃时段和稳定时段。沟谷侵蚀强度在整个流域模型发育过程中一直大于坡面；在流域发育初期时段至活跃时段前期，主沟侵蚀强度大于支沟，流域下部侵蚀强度大于中部和上部；在流域发育活跃时段后期，主沟侵蚀强度低于支沟，流域中部和下部侵蚀强度快速增长并达到峰值；在稳定期时段，主沟和支沟侵蚀强度变化趋于同步，流域上部的侵蚀强度高于中部和下部。流域侵蚀强度的时空分布特征对于小流域水土流失综合治理具有科学指导意义。