泾河流域径流-泥沙的尺度效应研究

[目的]分析泾河流域径流和泥沙的尺度效应,并通过突变检测确定突变时间点,对比突变前后水沙尺度效应的变化,为气候变化和人类活动对水沙尺度效应研究提供支持。[方法]收集整理了泾河流域1958—2013年的水沙资料,基于流域水沙异源的特性,将流域分成南北两个分支,分别探讨2条分支水沙的尺度效应,并通过Mann-Kendall突变检验方法计算出突变时间点,对比突变前后尺度效应的异同。[结果](1)南北两分支的径流—泥沙之间的尺度效应具有反向关系。北支(洪德—张家山)的产流模数随面积增加表现为线性增加,南支(三关口—张家山)的产流模数随面积增加表现出对数函数关系,随集水面积增大产流模数先快速减小后缓慢减小。北支的产沙模数随面积增加表现为线性减少,南支的产沙模数随面积增加表现出幂函数关系,即随面积增大产沙模数先快速增加后缓慢增加;(2)突变后水沙都比突变前出现了不同程度的减少,突变前后水沙的尺度效应大部分具有相同的拟合函数关系式,仅南支的产沙模数由突变前的最优二项式函数拟合转变为突变后的线性函数。[结论]气候变化和人类活动的共同作用不同程度的改变了泾河流域径流—泥沙的尺度效应。     

流域系统径流侵蚀链内泥沙输移的空间尺度效应

尺度问题在地貌过程及水文模拟研究中具有重要意义,以黄土高原丘陵沟壑区岔巴沟小流域为例,基于毛沟-支沟-干沟尺度序列典型水文站的实测径流泥沙数据,分析流域系统基于事件的径流侵蚀链内泥沙输移的空间尺度效应。结果表明:1)基于侵蚀链毛沟-支沟-干沟不同空间尺度的平均输沙模数、平均含沙量、最大含沙量分别依次为3 912、3 285、3 522 t/km2,497、524、679 kg/m3,639、634、800 kg/m3,且在流域系统中均保持空间上的不变性;2)与单一力学指标相比,引入洪峰流量项的水流功率、单位面积径流能量及水流能量等复合能量指标能更好地描述侵蚀链不同尺度内及尺度间水沙关系;3)侵蚀链的输沙量主要取决于径流量,而洪峰流量能更好地解释侵蚀链内不同尺度径流输沙的差异,在侵蚀输沙的预测变量中引入表征径流变率的指标会提高中小型产沙事件泥沙预报的可靠性;单位洪峰流量(增加1 m3/s)引起的输沙增量是单位径流量(增加1 m3)增沙作用的875倍以上,欲消除侵蚀链内上下游径流输沙的空间尺度效应,则需将对应的洪峰流量比调控至5‰以下,或将对应的径流能量比调控至600以下;4)侵蚀链内上游含沙水流对下游的泥沙输移影响有限,随流域面积增大,含沙水流的空间尺度效应降低,输沙模数300 t/km2的大型侵蚀产沙事件尤为明显。分析结果突出了流域系统径流侵蚀的过程特性和洪水调控可能引起的巨大减沙潜力。因此,针对高含沙水流,侵蚀链内泥沙调控及其水土保持措施的效益评估和功能评价亦应基于过程。研究结果可为全面揭示径流调控系统的水土保持意义、推动水土保持措施效益的精细化评估提供理论依据和科学支撑。     

工程建设弃土弃渣水土流失过程试验研究

弃土弃渣是工程建设产生的最主要地面组成物质之一.采用野外放水冲刷试验方法,对黄河班多水电站工程区弃土弃渣水土流失过程进行了研究.(1)不同供水流量下,产流率随供水过程的动态变化整体呈增长趋势,可用幂函数方程描述,开始产流后的5 min内产流过程的变化幅度较大,随后较为平缓,并趋于基本稳定;(2)不同供水流量下,产沙率随供水历时的增长而减少,可用对数相关方程描述,小流量下变化过程波动较小,大流量下变化幅度较大;(3)不同供水流量下,含沙量随着供水历时的增长而减少,可用对数相关方程描述.各流量下的变化趋势基本一致;(4)次产流深、次产沙模数皆随供水流量的增大而增加,增加趋势基本相同,皆可用对数相关方程描述.平均含沙量随供水流量的增大先增加后减小,临界值为7.17 L/min,可用抛物线相关方程描述;(5)次产沙模数随次产流深的增大而增加,表现为很好的正相关关系,可用对数相关方程来描述.     

黄土丘陵沟壑区多尺度地貌单元输沙能力及水沙关系

以黄土丘陵沟壑区裴家峁沟为原型观测流域,利用流域内相互嵌套的全坡面径流场、水文站网等观测设施,定量研究黄土丘陵沟壑区不同空间尺度地貌单元水沙关系和输沙能力特征。结果表明:1)坡面尺度地貌单元的径流深和输沙模数在多年平均时间尺度上均大于流域尺度地貌单元。当地貌单元空间尺度达到流域尺度时,多年平均径流深随着流域尺度增加而增加,输沙模数与流域面积之间存在着负相关关系。但在次降雨条件下,不同空间尺度地貌单元径流深和输沙模数峰值可能出现在全坡面、桥沟一支沟、桥沟或裴家峁沟。2)不同空间尺度地貌单元水流输沙能力随着空间尺度的增大而减少,相对于裴家峁沟,全坡面径流场、桥沟一支沟和桥沟的单位水流功率含沙量分别是裴家峁沟的186、77和58倍。3)不同空间尺度地貌单元径流量与输沙模数的水沙关系表现出较好的线性关系,且径流量与输沙模数关系随着空间尺度增加更为密切,但随着空间尺度增加,径流量和输沙模数的水沙关系曲线斜率急剧减小。研究成果可为水土流失空间尺度效应及尺度转换的研究提供科学依据。     

流域尺度、水文及耕作措施对产沙量的影响

自然流域的侵蚀过程及沉积过程达到平衡状态时,其产沙模数趋于稳定,这种平衡可以通过人类活动被打破。冲积平原的沉积物堆积过程会导致其产沙模数下降。为预防发生重大侵蚀灾害,2006—2008年美国地质调查局对爱荷华州的洛瓦流域、密西西比州的亚祖河等传统耕作方式流域的悬移质进行研究,发现两个流域的泥沙主要来自面积不等的4个农业流域。因亚祖河流域的土壤侵蚀量及地表水流量较洛瓦流域高,并存在特殊的河流地貌,使其产沙模数较高。亚祖河流域的产沙量随其流域面积的增加先增加,而后迅速下降。洛瓦流域内,面积在30~500 km^2的区域,其产沙量随面积增加而增大。     

黄土丘陵区淤地坝建设后小流域泥沙拦蓄与输移特征

了解淤地坝建设后小流域泥沙拦蓄与输移的变化特征对正确认识和评价淤地坝的减蚀作用有重要意义.该文通过对黄土丘陵区王茂沟流域1953-2015年不同时段内淤地坝的拦沙量和流域出口输沙量的分析,研究了坝系建设后泥沙拦蓄、输移和侵蚀的变化过程与特征.研究表明,王茂沟流域年均拦沙模数呈减少-增加-再减少的波动变化趋势;流域年均输沙模数呈先增加后减少的变化趋势;1953-1986年期间,不同阶段的年均侵蚀模数变化不大,1987年后呈显著下降趋势.流域治理后期与初期相比,年均拦沙模数、输沙模数和侵蚀模数分别下降了79.3％、90.6％和83.9％.淤地坝建设初期,有效库容对流域拦沙模数和输沙模数的变化有重要影响,侵蚀性降雨频发和较低的水土流失治理度是侵蚀强烈的主要因素;流域治理后期,侵蚀性降雨及其发生频次的减少,水土流失治理度的提高与稳固,是流域拦沙、输沙和侵蚀产沙显著下降的主要原因.淤地坝在控制流域侵蚀产沙、减少泥沙输移方面作用显著,但要达到持续有效的作用,坡面治理不容忽视,两者兼顾是黄土丘陵区水土保持的必由之路.     

重力侵蚀黄土沟壑区沟坡产沙特性

沟坡是黄土丘陵沟壑区小流域侵蚀产沙的主要来源,其侵蚀规律的研究可为流域水土保持措施优化配置提供科学依据,对该地区的防灾减灾和可持续发展具有重要现实意义。在多种坡度、坡高的陡坡模型上进行了模拟降雨试验,分别采用地貌仪和径流泥沙采样装置对次降雨过程中沟坡的重力侵蚀量和产流、产沙过程进行了动态监测和定量分析。结果表明:重力侵蚀在高含沙水流的形成中起着十分重要的作用,但不是每次重力侵蚀的发生都能导致高含沙水流;次降雨过程中,含沙量和输沙率均随降雨历时呈现上升趋势,特别是次降雨的中后期,含沙量和输沙率的增大趋势都比较明显;历次降雨事件中,次降雨30min全过程出口径流的平均产沙量和次降雨中后期出口径流平均产沙量的变化趋势一致;次降雨过程中,出口径流含沙量与输沙率随坡度的增大呈整体波动式增大,但与坡高关系不显著。总之,在黄土沟坡区,重力侵蚀对产沙过程有显著影响。     

黄土高原水土保持减沙效益的尺度效应初步分析

收集了黄土高原64个不同大小流域的水土保持措施减沙效益的资料和研究成果,利用这些资料分析了随着流域尺度的变化黄土高原水土保持措施减沙效益的变化。统计分析结果显示,水土保持措施减沙模数随流域面积没有明显的变化趋势,单位治理面积减沙比与流域面积之间也不存在明显关系。     

黄河中游河龙区间侵蚀产沙对景观特征的非线性响应

为明确退耕还林（草）工程期间景观特征变化对侵蚀产沙过程的非线性影响机制，以2006—2016年黄河流域河龙区间33个水文站控制子流域为研究对象，采用增强回归树方法分析了河龙区间子流域产沙模数时空差异的景观驱动因子，定量评价了各景观特征与产沙模数的非线性关系。结果表明，林地和耕地面积比例对产沙模数变异贡献最大，分别贡献22.0%和16.9%的变异；林地面积的增加和耕地面积的减少可以减少产沙模数，但当林地面积>15%，耕地面积<20%时，对产沙模数的影响减弱；增加林地和草地的植被覆盖度对水土流失的减缓作用也存在阈值，草地和林地植被覆盖度的阈值分别为0.5和0.3，当超过该阈值后，其对侵蚀产沙过程的减缓作用趋于弱化；适当减少边界密度数量有利于控制流域土壤侵蚀，当边界密度<60 m/100 hm²时，边界密度对产沙模数影响不大，当超过阈值后，产沙模数随着边界密度的增加急剧增大。当边界密度维持在60 m/100 hm²之内时，可以达到适宜的水土流失防治效果。研究结果揭示了河龙区间流域尺度上景观因子对侵蚀产沙过程的阈值效应，可以为黄河流域植被合理恢复提供重要参考。     

黄土坡面降雨产流产沙过程及其响应关系研究

降雨及其产生的径流是引起黄土高原土壤侵蚀的主要动力,开展黄土区降雨产流产沙过程研究可为土壤侵蚀过程模型研发奠定基础,为该区水土保持与生态建设提供重要科学依据。该文基于收集分析子洲径流试验站天然非恒定降雨、产流、产沙过程观测资料,应用非线性模拟技术,对黄土坡面降雨产流产沙动态变化过程及响应关系进行了研究,结果表明,黄土坡面累积降雨量随降雨历时的变化过程、累积径流深随产流历时的变化过程、累积侵蚀产沙模数随产沙历时的变化过程、累积径流深变化过程对累积降雨量变化过程的响应、累积侵蚀产沙模数变化过程对累积径流深变化过程的响应均呈现为非线性关系,可分别划分为两种类型,并分别可用扩展S型曲线模型和扩展幂函数模型进行数学描述。     

松花江流域侵蚀产沙演变特征分析

利用松花江流域116个站点的降水资料和14个典型流域水文站的径流泥沙资料,在分析降水、径流和输沙时间变化特征的基础上,研究了该区侵蚀产沙演变特征及其主要影响因素.研究结果表明,1961-1990年松花江流域降水和径流无显著增长趋势,但输沙量增长显著,每10 a平均增长幅度为34.7%,丘陵漫岗区输沙量增长幅度较山区更为显著.流域输沙量自1979年开始显著增加,降水量变化不是输沙量快速增长的主要原因,人类活动导致的下垫面变化可能是输沙量增加的重要原因.     

不同时间尺度孤山川流域水沙关系变化及驱动因素

以黄土高原孤山川流域为研究区,采用Mann-Kendall趋势检验和Pettitt突变检验分析年际尺度水沙变化趋势和突变年份。结果表明:孤山川径流量和输沙量于1965—2014年呈现极显著减少趋势(p<0.01),突变年份为1979年和1996年,据此将研究时段划分为基准期(1965—1979年)、过渡期(1980—1996年)和效益期(1997—2014年)。同基准期相比,过渡期年均径流深和输沙模数分别减少34.11 mm和401.48t/km^2,效益期减少65.05mm和213.09t/km^2。径流深低于10mm时,水沙关系较为离散;高于该值时,水沙关系变化相对稳定。过渡期人类活动的减水减沙贡献率分别为79.12%和86.45%,效益期人类活动减水减沙贡献率分别为86.45%和87.45%。     

黄河中游多沙粗沙区1997-2007年的水沙变化趋势及其成因

基于近期水文泥沙和降水资料对黄河中游多沙粗沙区水沙变化进行了研究,结果表明,1997年以来,黄河中游多沙粗沙区的水沙变化出现了新的特点,产沙量变化趋势发生了改变,表现出明显的减小趋势。1986-1996年间,河口镇至龙门区间平均产沙量为5.08亿t/a;1997-2007年间,减小为2.33亿t/a,减小幅度达54.1%。在总体上来看,从1970年开始,河口镇至龙门区间产沙量具有明显的减小趋势。但在总体下降的趋势中,表现出次一级的变化趋势,即产沙量先下降,在1986年达到最低值后再增大,在1996年达到最大值后再减小。1998-2006年,产沙量与降水量之间的决定系数仅为0.017,二者不相关,产沙量的变化与降水量变化的关系不大。这说明,人类活动已经完全改变了产沙量与降水量关系,成为支配产沙过程的主导因素。1997年以后,水沙关系也发生了根本性的变化。1970年以来,河龙区间水土保持措施的减沙效益表现出复杂的变化,减沙效益先增大,达到峰值后减小,减小到最小值后再增大。人类活动对产沙量变化的贡献率呈增大趋势,1998-2006年间人类活动对产沙量变化的贡献率达到65%,年降水量变化对产沙量变化的贡献率减小为35%。1997年以来河口镇至龙门区间产沙量的大幅度减少,与水土保持措施的加强、大面积退耕还林草的实施、淤地坝建设力度的大大加强、大面积封禁治理的实施和大规模农村剩余劳动力的转移有密切的关系。     

铁路施工期不同下垫面土壤侵蚀区域差异研究

区域性是地理学的重要特点之一.本研究从区域差异性着手,应用对比方法,模拟研究了辽宁兴城和贵州威宁2个区域在铁路工程施工期工程措施所形成的各类人工地貌的侵蚀产沙、产流特征.结果表明,由于地表自然状况的南北区域差异,导致2个研究区在工程措施影响下的各类人为地貌的产沙产流具有明显的差异,具体表现为:北部研究区的产沙产流时间迟于南部;相同时间内累积产沙量、产流量则北部小于南部,表现出明显的地域差异性.     

APEX模型在淮河流域中上游的适宜性研究

探讨了APEX(Agricultural Policy/Environmental eXtender)模型在淮河流域中上游的适宜性。将APEX模型用于淮河流域中上游监测资料较匮乏的3个径流小区,用日径流/产沙的实测值和模拟值校正和验证模型,用校正过的模型评价不同土地管理措施的长期水土保持效益(1981~2005)。在模型校正阶段,3个小区日径流量和产沙量的平均百分误差绝对值(APE)小于20%,平均纳希-苏特克利夫有效系数(EF)大于0.6,平均R2大于0.7;在模型验证阶段,3个小区日径流量和产沙量的平均APE小于12%,平均EF大于0.5,平均R2大于0.7,APEX模型可模拟出径流、产沙的日变异。在水土保持效益评价结果中,与对照(休闲地)相比,管理措施2(林地-水平沟)的径流量平均减少37%,产沙量平均减少89%,管理措施1(林草混交-水平梯田)的水土保持效益要略低于管理措施2,构建水平沟、水平梯田以及增加地表植被是控制该地区水土流失的有效措施。研究结果表明:APEX模型适应性强,可用于预测和评价淮河流域中上游不同土地管理措施下的水土流失,这为资料匮乏地区研究土壤侵蚀提供了一种新的思路和工具。     

皖江淮分水岭东部降水变化与池河流域输沙关系的研究

对皖江淮分水岭东部 195 7年以来的降水测站记录和该地区池河流域 1990年以来的降雨径流因子及输沙量资料分别进行了趋势分析和关联分析 ,发现 4 3年来 ,江淮分水岭东部降水的季节和年际变化异常显著 ,且春季降水具有明显的减少趋势 ,夏季和年总降水都有明显的增加趋势。以该地区池河流域为例 ,通过灰色关联分析揭示出径流量和日雨量 5 0～ 10 0 mm暴雨次数与输沙量的关联最为密切 ,其次是降雨量和大于 10 0 mm的暴雨次数与输沙量关联密切 ,最后是雨日天数。研究结果可为江淮分水岭地区旱灾和水土流失防治提供科学依据     

黄河流域的土壤风力侵蚀

黄河流域土壤风蚀面积约10.3万km~2,占流域总面积的13.7％。主要发生在阴山山脉以南和长城以北地区。本文根据遥感制图和面积测算,介绍了风蚀区地貌、气候、植被概况,论述了土壤风蚀的基本因素及向沙漠化、砾漠化、岩漠化方向发展的三种途径,最后对土壤风蚀进行了分级,探讨了风蚀对河流产沙的影响。     

沂河流域植被覆盖时空演变及其与径流的关系研究

为探求沂河流域植被覆盖时空演变特征及其与地表径流的关系,基于MOD13Q1 NDVI遥感影像数据,利用趋势分析方法,分析了2000—2020年沂河流域植被覆盖时空演变特征,并利用SCS模型模拟地表径流深,使用相关分析在像元尺度上分析了植被NDVI变化与径流的关系。结果表明：(1)沂河流域20年间植被NDVI呈波动增加趋势,流域内NDVI空间分布差异较大,NDVI增加的区域主要分布在流域北部,NDVI减少的区域主要分布在流域东部和南部及各城镇建成区内;(2)沂河流域不同时期径流深均呈现出不同程度的由西北向东南逐渐增加趋势,径流深出现较大幅度波动,径流存在明显的丰枯变化;(3)流域NDVI和地表径流之间呈正相关和负相关共存的相关关系,以不显著正相关为主,呈显著正相关的区域主要集中在流域北部,显著负相关区域主要集中在流域南部兰山区境内。研究表明,沂河流域整体植被覆盖得到了改善,但流域内部植被变化存在分异,植被保护与修复主要集中在北部,而南部与东部地区随着人类活动的增加,NDVI出现一定程度减少。随着流域内不同空间位置NDVI的增加及减少,径流主要呈增加趋势且两者相关关系在小空间尺度下存在明显...     

永定河典型生态护岸措施下坡面产流产沙试验研究

为实现永定河北京段沙质河道生态修复,通过野外径流小区放水冲刷试验,在3种放水流量(0.5,1.0,1.5 m~3/h)、坡度10°、5种护岸材料(生态袋、椰丝植生毯、三维土工网、松木桩、卵石)下分析不同生态护岸坡面的水动力学特性、产流产沙状况。结果表明:(1)3种放水流量下5种护岸材料布设坡面的平均流速均小于裸坡,5种护岸材料平均径流流速均表现为卵石松木桩三维土工网生态袋椰丝植生毯。5种生态护岸材料弗劳德数均小于1,雷诺数均小于500。(2)生态护岸措施有效减少产流,产流量随时间均呈对数显著增加,5种生态护岸材料平均径流拦截率表现为松木桩卵石三维土工网椰丝植生毯生态袋。(3)随放水流量的增大坡面产沙率增大,各生态护岸措施均能有效减少产沙量,各护岸措施的泥沙拦截效果随着放水流量增大显著降低。研究结果对永定河不同河段岸坡治理、生态护岸材料选择、永定河绿色廊道建设有重要意义,也对定量评价不同护岸材料下坡面的减水减沙效益提供参考。