坡沟侵蚀产沙关系的模拟试验研究

黄土高原坡面从分水岭到坡脚,径流侵蚀产沙方式和产沙强度等特征表现出明显的垂直分带性。为了揭示造成这种垂直分带性特点的形成机理,本文设计了4m长坡面(坡度为20°)和3m长沟坡(坡度为50°)组成的坡沟系统试验土槽,采用四个不同流量(2.1Lmin-1、3.2Lmin-1、5.2Lmin-1、7.2Lmin-1)的放水冲刷试验,研究了坡面不同来水量、来水含沙量及来水动能对沟坡侵蚀产沙的影响,并建立了坡沟系统侵蚀产沙过程的数学模型。结果表明:坡面放水径流强度、坡面来水含沙量以及坡面来水单位水流功率均影响着沟坡部分侵蚀产沙量的大小。坡面放水径流强度与沟坡侵蚀产沙量之间呈幂函数关系;坡面来水含沙量和坡面来水单位水流功率与沟坡部分的侵蚀产沙量之间呈线性关系。根据单位水流功率的概念,计算得出试验条件下沟坡侵蚀产沙的临界单位水流功率值为0.632。最后,根据改进的Yalin公式及沟坡侵蚀产沙的影响因素,分别建立了坡面和沟坡侵蚀产沙的数学模型,经计算后与实测值进行对比发现结果基本令人满意。     

细沟侵蚀过程与细沟水流水力学参数的关系研究

利用供沙土槽和试验土槽的双土槽径流小区 ,定量研究了在不同降雨强度下上方来水来沙对陡坡地细沟侵蚀产沙过程和细沟水流水力学参数的影响及其细沟水流水力学特征参数与细沟侵蚀产沙量的关系。结果表明 :坡面细沟侵蚀过程以侵蚀—搬运过程为主 ,坡上方来沙不仅被径流全部搬运 ,且上方来水在坡下方引起了另外的侵蚀产沙量 ,其值随上方来水含沙量的减少和降雨强度的增加而增大。上方来水的汇入或降雨强度的增大可使细沟水流流态由层流转化为紊流。上方来水对细沟水流水力学参数 (流速、水力半径、雷诺数、弗劳德数和阻力系数 )有重要影响。定量分析了细沟水流水力学特征参数 (流速、雷诺数和阻力系数 )与上坡来水引起坡下方净侵蚀产沙量的关系 ,建立了净侵蚀产沙量与细沟水流流速、雷诺数和阻力系数统计模型。     

黄土坡面细沟水流含沙量变化过程试验研究

细沟侵蚀是我国黄土坡面主要侵蚀过程之一,阐明细沟水流含沙量变化过程对于揭示坡面细沟侵蚀产沙过程机理及治理坡面水土流失具有重要意义。采用具有定流量人工放水的组合小区模拟降雨试验,对黄土坡面细沟水流含沙量变化过程进行研究。结果表明：（1）在不同雨强及不同坡度下,细沟水流含沙量随径流过程的变化具有很大的相似性,都随径流历时增长而逐步递增,可用幂函数方程很好地描述;（2）细沟水流平均含沙量随雨强及坡度的增大都相应增大,分别可用线性方程和指数很好地描述;（3）雨强及坡度对细沟水流含沙量的综合作用可用二元幂函数方程很好地描述,其中雨强对坡面细沟水流含沙量的影响大于坡度的影响;（4）水流切应力是细沟水流含沙量变化过程关系最密切的水动力学参数,试验条件下细沟水流含沙量变化过程的发生发展根源于水流剪切力的动力作用过程。     

饱和与非饱和黄绵土细沟径流水动力学特征及侵蚀阻力对比

近地表水文状况显著影响坡面土壤侵蚀过程。土壤饱和状态作为一种特殊的近地表水文状况,其细沟侵蚀特征较之非饱和状态存在明显的差异。以黄绵土为研究对象,采用限定性细沟模拟冲刷,对比研究了饱和与非饱和状态下黄绵土的水动力特征和侵蚀阻力。结果表明:饱和黄绵土径流流速与坡度、流量之间符合良好的幂函数关系,坡度对流速的影响更甚;饱和黄绵土径流流速约为非饱和黄绵土的1.17倍,其坡面摩擦阻力仅为非饱和黄绵土的70.3%;同种工况下,非饱和黄绵土的径流含沙量和细沟径流动能明显偏低,随着径流动能增大,2种土的径流含沙量均呈现对数型增长,径流含沙量峰值稳定在400,280kg/m~3内;饱和与非饱和黄绵土的细沟可蚀性参数分别为0.088,0.057kg/(m~2·s),相应的土壤临界剪切力分别为0.773,1.561Pa,表明饱和黄绵土更易剥蚀、流失。     

坡面薄层含沙水流水动力学参数提取的方法

针对坡面径流水深浅(1～5mm)和水动力学参数(流速、水深等)提取困难,给坡面侵蚀径流水流结构、能量耗散及泥沙输移等的深入研究带来困难的问题,基于水动力学原理和相似性理论,通过"非常规比尺模型"将径流水深进行放大,来研究坡面薄层含沙水流的水流相似过程。结果表明:(1)当薄层含沙水流水深放大2.5倍,含沙量在10～320kg/m~3时,薄层含沙水流原型和模型的水面线(阻力)、流速、侵蚀地形的误差分别为0～0.1%,0.1%～5.3%,0.9%～4.9%,误差均在允许范围之内,原型和模型满足几何、运动等相似比尺转换关系;(2)水深在0.5～1.25cm时,薄层含沙水流为紊流,原型和模型的流速垂向分布满足对数分布,可以用同一方程进行表达;(3)"非常规比尺模型"可以作为一种方法应用到薄层含沙水流的水动力学参数提取、水流结构、能量耗散、泥沙输移等的深入研究过程中。     

浑水泥沙含量对矩形槽水位流量关系影响的实验研究

浑水与清水的水流特性有差异。但实验分析研究结果表明,在本实验条件下（比降1/82,有机玻璃矩形槽,含沙量0~245.5kg/m³,流量（5.01/s,槽内水流属粗糙紊流急流流态,且距槽尾47～102cm的槽段为恒定均匀流）,含沙量未对实验槽的糙率及水位流关系产生影响,槽内也未产生泥沙淤积,从而精确地确定了清水和浑水的糙率及其相应的水位流量关系计算公式,可供土壤侵蚀,模拟模型测定水土流失量应用。本文就含沙量对糙率和水位流量关系影响的初步分析和探讨,可供有关研究参考。     

东北黑土坡耕地不同水力条件下坡长对土壤细沟侵蚀的影响

集中水流条件下细沟土壤侵蚀过程对研究细沟侵蚀机理与土壤侵蚀预报有着重要的意义,并且为土壤侵蚀模型其他重要参数比如剥蚀率、可蚀性参数提供基础数据。为了研究东北黑土坡耕地不同水动力条件下坡长对土壤细沟侵蚀的影响,该文采用室内模拟试验方法,测量含沙量随坡长的分布。试验设计包括4个坡度(5?、10?、15?、20?)与3个流量(1、2、4 L/min),在不同水力条件下,测量不同坡长(0.5、1、2、3、4、5、6、7、8m)含沙量。结果表明含沙量在各种水力条件下均随坡长增加,且其增加的速率随坡长减小。对坡长与含沙量系列数据用幂指数函数拟合,其决定系数R2在0.85到0.99之间。因此,黑土坡耕地细沟侵蚀产生的含沙量随坡长呈幂指数增加,且含沙量在一定坡长之后将达到最大值。随坡度和流量的增大,水流在更短的坡长上侵蚀并携带更大的最大含沙量。该文对进一步理解与研究细沟侵蚀过程有着重要的意义,且为深入研究细沟侵蚀提供了数据支撑,为土壤侵蚀模型剥蚀率、可蚀性参数等提供依据。     

上方来水来沙对细沟侵蚀产沙过程的影响

利用双土槽系统径流小区 (供沙土槽和试验土槽 ),定量研究了不同上方来水含沙量和不同降雨强度下 15^°坡面上方来水来沙对坡下方细沟侵蚀产沙过程的影响。结果表明,坡上方来沙量不但被径流全部搬运,且坡上方来水在坡下方细沟侵蚀槽引起另外的侵蚀产沙量 S。坡面细沟侵蚀过程以侵蚀—搬运过程为主。上方来水对细沟侵蚀产沙的贡献受上方来水含沙量和降雨强度的影响。降雨强度的增加或上方来水含沙量的减少,使 S值的增加更为显著.     

红壤缓坡水流动力学特性及其对侵蚀影响的试验研究

水动力学特性对阐明红壤坡面侵蚀过程和产沙机理有重要意义。采用动床模拟径流冲刷方法,研究不同坡度(5°、8°、10°、12°)和不同放水流量(5、7.5、10 L/min)下,第四纪黏土发育红壤坡面侵蚀规律和水动力学特性。结果表明:1)放水冲刷初期坡面流为短时间薄层水流,随后发育为细沟流。薄层水流流态大部分处于"过渡流-缓流区",细沟流大部分处于"过渡流-急流区"。薄层水流单宽流量、水深、流速、雷诺数以及弗劳德数均小于细沟流,而曼宁糙率和达西-韦斯巴赫阻力系数则为薄层水流大于细沟流。2)曼宁糙率和达西-韦斯巴赫阻力系数均与弗劳德数呈幂函数关系(R~2分别为0.49和0.53),过渡流达西-韦斯巴赫阻力系数与雷诺数呈现显著幂函数关系(R~2为0.29)。3)从水动力学角度解析了红壤缓坡面水蚀过程——水力坡度和雷诺数2种因子共同组成的复合水动力参数可作为表征坡面侵蚀产沙的特征参数,建立了薄层水流和细沟流条件下基于水力坡度与雷诺数乘积的土壤侵蚀速率指数函数方程(R~2分别为0.94和0.52)。研究初步表明红壤缓坡的侵蚀规律和水动力学特性,为进一步研究该区域坡面侵蚀动力学机制奠定一定基础。     

土壤侵蚀物理模型中紫色土细沟侵蚀参数研究

以长江中上游典型侵蚀性土壤紫色土为研究对象,采用变坡限定性细沟土槽,研究不同流量、坡度和沟长情况下,紫色土细沟侵蚀特征,并量化了细沟侵蚀参数。结果表明:细沟侵蚀受水流水力特征、土壤性质和坡面影响,随着水流含沙量的增大,细沟侵蚀速率呈现减小趋势;流量越大,坡度越陡,细沟水流的剥蚀率越大,造成细沟侵蚀速率也越大。在5L/min的小流量下,细沟侵蚀速率受剥蚀率限制与含沙量没有出现线性关系,15,25L/min流量下,细沟侵蚀速率与含沙量呈线性相关。侵蚀速率在细沟开始处最大,随沟长的增大,水流能量消耗于挟带泥沙而迅速减小,相关性分析得到侵蚀速率与沟长呈指数递减,相关系数R2变化于0.45~0.98之间。通过回归分析得到试验条件下,紫色土细沟土壤可蚀性均值为0.005 3s/m,临界剪切力均值为2.92Pa。研究结果对于坡面土壤侵蚀物理模型的建立和推广应用提供数据支撑,为紫色土坡面侵蚀研究提供借鉴。     

1960-2010年延河水沙特征及其对退耕工程的潜在响应

河流水沙特征与流域降水量和下垫面变化密切相关.为揭示流域降雨以及退耕还林对延河流域水沙特征的影响,本文以延河甘谷驿站控制区1960-2010年流域降水量、河流径流量和输沙量实测数据为基础,统计分析了延河水沙变化特征及其对流域降水量的响应,并对比分析了退耕前、后(以2002年为界)延河水沙变化.结果表明:在1960-2010年间,延河甘谷驿站控制区年及汛期(6-9月)降水量、径流量和输沙量呈波动递减趋势,汛期降水量、径流量和输沙量值约占年值的64.8％、71.7％和98.1％;年及汛期输沙量与径流量呈极显著正相关关系,径流量变化可分别解释年及汛期87.6％和92.2％的输沙量变化,降水量变化可分别解释年及汛期22.7％和23.6％的输沙量变化;退耕后流域年及汛期平均输沙量、径流量和径流系数显著低于退耕前,剔除退耕前后降水量差异影响,退耕工程对年及汛期累计输沙量变化分别贡献87.5％和86.9％,对年及汛期累计径流量变化分别贡献77.4％和75.4％.研究阐明退耕可显著降低年及汛期平均径流量、径流系数和输沙量.     

从乐都水文站水沙变化看湟水流域生态建设成效

通过对乐都水文站径流量、输沙量、降水量进行分析,探讨了青海省湟水流域退耕还林还草的效益:2000—2010年,青海省湟水流域各县(市)累计完成退耕还林还草面积14.71万hm2,2002年退耕还林还草效益开始显现,年径流量和年降水量开始增加,年输沙量和年输沙模数明显减少,退耕后的年输沙量和年输沙模数分别比退耕前减少了467万t和359 t/km2。鉴于青海省湟水流域退耕还林还草工程区生态环境总体上还比较脆弱,提出了延长退耕还林还草补助政策的时间、加大基本口粮田建设力度、调整产业结构、提高全社会的生态意识等建议。     

南方红壤区典型水土流失治理小流域的洪水径流泥沙特征

为探究南方红壤区经长期水土流失治理小流域的水沙特征,该研究收集长汀县朱溪河小流域2017—2020年降雨及洪水水沙数据,通过冗余分析、多元逐步回归方程、含沙量-流量滞回曲线等方法进行分析。结果显示：（1）流域年洪水径流深和泥沙量分别为282.30～892.50 mm和35.80～179.50 t/km²,洪水事件的产沙模数集中在0～20.0 t/km²,但总泥沙量由大于5.0 t/km²的少数事件决定;（2）降雨量、30 mim的最大雨强和降雨侵蚀力是影响洪水径流泥沙的主要降雨特征,对径流、泥沙变化的解释度分别为68.99%和49.28%,通过主要径流特征估算泥沙量、平均含沙量和最大含沙量,拟合优度达0.624～0.870;（3）洪水事件共出现6种含沙量-流量滞回关系,其中线型出现频率（55%）最高,该类事件中含沙量随流量的变化具有分阶段特征,临界含沙量约为0.1 g/L。经过长期的水土流失治理,红壤区小流域的洪水泥沙量普遍较低,且主要受径流量影响,洪水事件的滞回关系表明流域的泥沙供应通常处于持续少量的状态,研究结果有助于揭示红壤区土壤侵蚀的发展趋势。     

黄河中游晋西北地区水沙变化及流域综合治理效益分析

采用水文法对黄河中游河龙区间晋西北地区实测水沙资料进行分析,与１９６９年以前相比,１９７０～１９９６年区域年降雨量减少８１％,相应的年均洪水径流量减少２８２９３万ｍ３,其中流域综合治理影响占４９６％,降雨影响占５０４％;年均输沙量减少９９４５万ｔ,其中流域综合治理影响占５６６％。降雨减少虽比水保措施对水沙的影响来得直接、强烈,但当流域综合治理达到一定程度时,人们所期望的蓄水减沙目标是可以实现的。     

降水和土地利用变化对罗玉沟流域水沙关系的影响

为探讨降水和土地利用变化对流域水沙关系的影响,以黄土高原丘陵沟壑区罗玉沟流域为研究区域,利用流域25年(1986—2010年)的年降水量、年径流量和年输沙量以及土地利用变化资料,分析罗玉沟流域水沙演变规律和水沙关系变化。结果表明:在1986—2010年罗玉沟流域年降水量和汛期降水量基本保持平稳,无明显的增减趋势,而流域年径流量和年输沙量整体呈波动递减的变化趋势,降水与径流相关分析得出,汛期产流产沙对流域年径流量和年输沙量影响最显著。对不同时期流域水沙变化分析,土地利用方式改变,主要是梯田、林草等水土保持措施,对于流域减水减沙作用有限,梯田和林草面积的增加并未明显改变流域水沙关系,淤地坝等工程措施对黄土高原丘陵沟壑区流域减水减沙具有重要作用。研究结果可为黄土丘陵沟壑区水土流失治理及水土保持措施布设提供理论依据。     

黄土区森林植被对流域径流和输沙的影响

 为进一步探讨森林植被对流域尺度径流和输沙的影响,给黄土区植被建设提供理论依据,通过对黄土区山西省吉县蔡家川嵌套流域的聚类分析,选取地形地貌特征相似的森林流域和无林流域,对其雨季径流和输沙进行分析。结果表明:森林植被可以大幅度地延缓产流时间、减少小流域的暴雨洪峰流量;随着森林植被覆盖率的增加,流域雨季径流量、径流深和径流系数减少,无林流域比森林流域的雨季径流深和径流系数高520倍,少林流域比多林流域的雨季径流深和径流系数高2.7～2.9倍;少林流域暴雨径流输沙量是多林流域的36倍,且前者暴雨径流输沙过程线的变化比后者剧烈得多。由于森林植被对流域径流影响的复杂性和尺度依赖性,森林在区域（或大流域）尺度的水文功能评价仍有待进一步深入研究。     

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。     

Estimation of Runoff,Peak Discharge and Sediment Load at the Event Scale in a Medium‐Size Mediterranean Watershed Using the Annagnps Model

In this paper, the Annualized Agricultural Non‐Point Source (AnnAGNPS) model has been used to estimate runoff, peak discharge and sediment load at the event scale in a Mediterranean watershed. The study area is the Carapelle torrent, Southern Italy (area = 506 km²), where continuous rainfall, streamflow and sediment load data are available. Nineteen flood events have been registered in the period 2007–2009 and were used for the application of the model. The aim of the paper is to evaluate the predictive accuracy of the model at the event scale, in a medium‐size watershed, given the specific conditions of the semi‐arid environments. A sensitivity analysis has been carried out to assign the correct parameterization: the mean normalized output variation of the most meaningful input parameters pointed out the influence of the curve number on runoff, peak discharge and sediment load predictions (values greater than 1); the MN Manning's roughness coefficient and K, C and P factors of the universal soil loss equation showed a moderate influence on sediment load simulations (values between 0·5 and 1). The selection of the Soil Conservation Service synthetic storm types has been based on the observed storm events analysis to improve the peak discharge simulations. The model prediction has proved to be good for runoff (R² = 0·74, NSE = 0·75, W = 0·92) and peak discharge (R² = 0·85, NSE = 0·70, W = 0·94), and satisfactory for sediment yield (R² = 0·70, NSE = 0·63, W = 0·91). The relative error is lower for high events; this result is quite interesting in semi‐arid environments, where most of the annual sediment yield is concentrated in a few, severe events. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

赣江流域水土保持生态建设减水减沙效益评价

利用赣江流域1956-2008年年降雨量和赣江控制站外洲水文站年径流量和年输沙量资料,采用水文分析法计算赣江流域近30a水土保持生态建设的减水减沙效益。结果表明,赣江流域治理后期1984-2008年水土保持生态建设年均减沙量为5.70×10⁶t,年均减沙效率为48.57%。随着水土保持措施的生效,减沙率有逐年上升而后稳定的趋势,2008年减沙率达80.54%;赣江流域水土保持生态建设对流域年径流总量减少不明显,后期径流量反而会有所增加。水土保持生态建设能增加流域土壤入渗,减少地表径流,削减洪峰流量,延长汇流时间,起到防洪减灾效果。