黄土高原北部水蚀风蚀交错区产流条件及径流系数

为了揭示黄土高原北部水蚀风蚀交错区的产流机制并推求径流系数,为该地区地表水资源的深入研究提供基础数据,选取具有黄土高原北部水蚀风蚀交错区典型气象与水文特征的六道沟流域为研究区。通过分析实测水文数据,从机制上分别研究了试验流域在表层土壤（5—10 cm）达到饱和及不饱和条件下的产流过程,在长历时低强度降雨条件下,产流的必要条件是表层土壤达到饱和且雨强≥0.12 mm/min;在短历时高强度降雨条件下,表层土壤未达到饱和状态时,产流的必要条件是降雨强度≥0.52 mm/min;径流系数与平均降雨强度之间存在着显著的正相关关系;以运动波理论的基础方程式结合GIS技术开发了适用于试验流域的分布式降雨—径流数值模型,模型的误差<3%;基于2005—2009年（5 a）的降雨—径流数值计算,得到试验流域在这5 a的平均径流系数为0.11,从而推求出多年平均径流系数为0.10～0.15。     

流域坡面综合产流数学模型的研究

从流域坡面产流机制出发,依据Horton入渗曲线,建立起一个可适用于不同流域的综合产流模型,模型以降雨强度和土壤蓄水量为控制条件,同时兼顾超渗产流和蓄满产流,适应下垫面条件较为均一的流域或单元区域在不同条件下的产流计算。     

SWAT模型灵敏性分析模块在云州水库流域的应用

SWAT模型是基于水文过程的,具有很强物理机制的流域分布式水文模型.介绍了AVSWAT2005灵敏性分析模块,并在华北土石山区云州水库流域得到较好的应用与验证.通过灵敏性分析,辨析出影响该流域产流模拟结果精度的主要参数因子.SCS径流曲线系数(CN2)、土坡可利用水量(SOL-AWC)、土壤饱和导水率(SOL_K)的影响是显著的,灵敏性等级高;平均坡度(SLOPE),浅层地下水径流系数(GWQMN)有一定影响,灵敏性等级中;依据上述结论调整参数值,采用连续10 a的实测月流量数据对模型进行了校准和验证.结果表明,模型对月流量模拟的相对误差在模型校准期和验证期均小于15%,Nash-Suttcliffe系数Ens高于0.7,SWAT模型对云州水库流域产流的模拟结果良好.因此,灵敏性分析模块的应用极大地提高了模型在华北土石山区的可用性,具有一定的推广意义.     

基于改进径流曲线数模型的北京密云坡地径流估算

密云区是北京重要的地表饮用水源地,准确模拟地表径流量,对于分析泥沙和污染物的运移十分重要。近年来,学者们运用径流曲线数(soil conservation service curve number,SCS-CN)模型计算本区地表径流量,但预报精度不理想;未考虑降雨过程和雨强对于产流过程的影响,可能是造成预报误差的重要原因。该文利用密云石匣小流域5个坡面径流小区共201场降雨产流资料,提出次产流径流曲线数计算方法,以改进SCS-CN模型并分析改进后模型模拟效果。结果表明,次产流径流曲线数与多年平均径流曲线数的比值和最大30 min降雨量与次雨量的比值之间呈显著幂函数递增关系,据此提出计算次产流径流曲线数的幂函数方程,以改进SCS-CN模型。当曲线数为0.02时,改进后模型模拟效果最好,效率系数为0.693,明显高于未改进的SCS-CN模型。改进后模型对裸地和耕地的产流模拟效果较好,但对林地的产流模拟效果不理想。今后需在深入分析产流机理的基础上,进一步提出与土壤特性有关的模型参数优化方法。     

地表粗糙度对黄土坡面产流机制的影响

为探明地表粗糙度对坡面产流机制的影响,该研究通过室内与室外径流小区模拟降雨试验相结合,分析在3种雨强(60、90、120 mm/h)下粗糙坡面与平整坡面(坡度5°、10°、15°、20°)产流点位空间分布和坡面产流时间特征,阐明地表粗糙度对坡面产流机制的影响。结果表明:粗糙坡面与平整坡面产流点位沿径流方向的变异系数分别为34.4%~52.9%、15.5%~31.1%,即粗糙坡面产流点位较平整坡面更为分散。相较于平整坡面,地表粗糙度具有推迟坡面产流效应,且推迟效应随坡度、雨强增大而逐渐减弱。表明地表粗糙度在小坡度、小雨强条件下具有较强延迟坡面产流能力。地表粗糙度影响坡面产流一方面通过地表填洼的直接作用;另一方面通过增加降水入渗水头,增强坡面入渗能力的间接作用。通过坡面地表填洼量预测的初始产流时间与实测坡面产流时间比值范围为2.2%~36.2%,表明地表粗糙度间接作用为延迟坡面产流的主导作用。因此,该研究结果阐明了粗糙坡面的点状产流与坡面产流特征,进一步为粗糙坡面产流机制的揭示及地表粗糙度对坡面土壤侵蚀机理的影响提供了科学依据。     

岔巴沟流域次暴雨产流无量纲模型

为了建立小流域次暴雨产流预报模型,在岔巴沟流域选取大小不同的4个小流域10 a水文资料,分析降雨、地貌等因素对流域产流的影响,选取主要因素最大30 min雨量、最大30 min雨强、流域沟道比降、流域面积和流域狭长度。用无量纲参数和逐步回归分析的方法估计模型参数,得到了岔巴沟流域次暴雨产流无量纲模型,用模型预报结果与实测结果对比,模型预报精度为70%。结果表明,所建立的模型具有参数少、结构简单、量纲和谐、物理意义明确的特点,可为流域产流模型进一步研究提供参考。     

基于短历时Philip入渗公式的产流模型

在分析积水入渗条件下短历时Philip入渗公式特点基础上,建立了基于短历时Philip积水入渗公式的降雨产流模型。模型显示地表积水时刻与雨强平方成反比。利用降雨强度为0.082 cm/min、坡度为15°情况下实测累计降雨产流量推求了模型参数吸渗率,并利用获得的S分别计算了雨强为0.214 cm/min、坡度为5°,雨强为0.133 cm/min、坡度为5°和雨强为0.133 cm/min、坡度为15°情况下累积径流量,相对于实测累积径流过程,计算相对误差都在10%内,可以满足精度要求,说明基于短历时Philip入渗公式建立的降雨产流模型可以用于描述坡面降雨产流过程。     

基于能量转换的地貌单位线计算方法及应用

该研究基于能量转换原理构建汇流模型,针对中小河流汇流参数确定困难、汇流计算准确度低的问题,分析流域内水质点能量的空间分布,采用将重力势能转化为动能的方式估计地表水流速度,计算空间流速场并提取地貌单位线。采用分辨率30 m×30 m的数字高程模型（Digital Elevation Model,DEM）数据,将湖南省竹溪坡流域划分为57个计算单元,分别采用能量转换法和坡度雨强法提取了地貌单位线。构建了研究区的分布式模型,其中产流计算采用新安江模型,坡面汇流采用地貌单位线模型,河网汇流采用马斯京根法,对竹溪坡流域36场降雨径流过程进行模拟。采用统计方法分析汇流参数,对参数的取值范围进行了评估。结果表明,与坡度雨强法相比,基于能量转换方式的洪水模拟结果中,峰现时间误差不超过1 h的场次比例由30.5%提高到83.3%,确定性系数不低于0.9的场次由9场提升至17场,平均确定性系数达到0.89,显著提高了模拟精度。通过对断面流速进行统计分析,评估竹溪坡流域汇流参数取值范围为[0.008, 0.014],当参数在此区间浮动时,确定性系数不低于0.9的场次比例为44%～50%,与率定得到的结果接近。该方法物理意义明确,参数可以通过率定或者测量方式确定,为无资料地区汇流规律研究提供了一种可靠思路。     

SCS模型在干热河谷区坡面产流模拟中的应用

 为探索干热河谷泥石流多发地区的降雨产流机制,选择地处云南省东北部干热河谷区的蒋家沟流域,利用径流小区野外双环下渗试验的结果,确定径流小区中各土壤水文类型,根据蒋家沟实际情况,用前期影响雨量代替前5d降雨总量来确定各径流场中土壤的前期湿润程度,然后利用实际观测的5次降雨—径流资料,运用SCS模型对5个不同土地利用类型的径流小区进行降雨产流模拟,通过校正初损Ia和CN参数,得到模拟结果。结果表明,与实测资料相对比,各次降雨中模拟的径流量与实测值的误差平均值分别为4.32%,5.30%,9.59%,7.99%,5.26%,可信度较高,说明SCS模型可以应用于干热河谷区坡面降雨产流的估算,研究成果可为该地区降雨—径流模型提供参考。     

工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系

工程堆积体具有独特的土壤组成及复杂的下垫面条件,其土壤抗冲性极差,径流条件下堆积体陡坡坡面关键的水动力学参数及其相互关系亦表现出不同的特点,为探明工程堆积体坡面径流水动力学参数及其相互关系,该文采用30、40、50、60 L/min 4个流量,对24°、28°、32°共3个坡度的堆积体边坡(20 m×5 m标准监测小区)进行模拟放水冲刷试验,选取径流流速、水深、雷诺数、弗汝德数、径流阻力系数、水流剪切应力、径流功率等参数进行分析。结果表明:工程堆积体坡面侵蚀位置主要集中在坡面上部(0~10 m),侵蚀时段主要集中在产流后期(12~30 min);流速随坡度和流量的增大而增大,坡度对流速的影响大于流量;随着坡面流由层流向紊流、急流向缓流的过渡,坡面径流阻力系数随之增大;基于水流剪切应力和径流功率分别计算获得的工程堆积体坡面细沟侵蚀土壤可蚀性参数分别为2.63×10-2 s/m和0.1 s2/m2,对应的临界侵蚀径流功率为0.8 N/(m·s)。研究结果可为坡面措施的配置提供一定的理论支撑,也能为工程堆积体土壤侵蚀预报模型的建立提供部分基础参数。     

修河中上游流域土地利用变化对径流的影响

[目的]土地利用的变化对流域水文过程产生了重要的影响,研究土地利用变化下的水文响应已成为水文学科研究的一个热点。[方法]以修河中上游流域作为主要研究区域,分析了35年来修河中上游流域各种土地利用类型的变化特征,并利用1987—2000年水文气象数据资料,构建了SWAT模型,通过设置1980年、1990年、2005年和2015年4种土地利用情景,定量分析了修河中上游流域土地利用变化对径流的影响。[结果]SWAT模型在研究区具有较好的适用性。1980—2015年,修河中上游流域主要用地类型为林地、耕地和草地,三者面积之和占流域的98%。其中高利用城市用地和耕地对径流的影响系数是正值,说明高利用城市用地和耕地对径流起促进作用;林地、草地对径流的影响系数均表现为负值,说明林地和草地对径流有抑制作用,且草地的抑制作用更加显著。此外,林地和草地在丰水季会减少径流,在枯水季却会增加径流,有类似海绵的作用。[结论]模拟研究土地利用变化对修河中上游流域径流的影响在合理规划水土资源、改善生态环境方面具有十分重要的现实意义。     

滇中城市群土地利用转型及生态系统服务价值交叉敏感性分析

为探清滇中城市群土地利用转型对生态系统服务功能的影响,基于2000年、2010年、2020年3期Landsat TM/OLI遥感土地利用解译数据,运用土地利用动态变化模型、生态系统服务价值计算模型和土地利用转型生态贡献度研究了不同土地利用转型过程和生态系统服务价值的时空演变特征,并结合交叉敏感性系数模型定量评估了土地利用转型对生态系统服务价值的响应程度并划定敏感性分区。结果表明:(1)滇中城市群土地利用类型以林地、草地、耕地为主,建设用地持续扩张及耕地、水域、未利用地面积不断减少,草地和林地经历了“先减少后增加”的变化过程;(2)研究期间生态系统服务价值呈“先减少后增加”的趋势,地均生态系统服务价值高值区主要分布在滇池、抚仙湖和星云湖三大高原湖泊流域;(3)近20 a来,退耕还林、还草、还湖对生态系统服务功能改善的贡献度达49.10%,毁林开荒、围湖造田对林地、草地和水域的占用导致生态系统服务价值减少约2.65亿元;(4)耕地、林地、草地和水域向其他地类转型对生态服务价值的响应较为敏感,耕地、林地和草地与建设用地间转型的高生态敏感区集中在曲靖和楚雄,耕地与林地间转型的高生态敏感区分布较小,林地向草地和水域转型的低生态敏感区空间分布范围最广。综上,该区不同土地利用转型对生态系统服务功能影响显著。     

漯河市规划区雨洪格局空间分布特征综合量化研究

[目的]探索城市雨洪格局空间分布规律,为海绵城市建设提供参考。[方法]建立GIS数据库,ArcGIS空间模拟与SCS-CN,SWMM模型相结合,定量分析20a重现期和2h,85.43mm降雨,漯河规划区产流和积水分布特征。[结果]研究区径流量和径流系数(相等)、径流体积、峰值流量、积水区域的自相关Moran's I系数分别为0.338(p0.001),0.142(p0.001),0.101(p0.001),0.918(p0.001),表明产流与积水分布均呈现显著集聚性,土地类型和管网分布对产流影响大于积水过程,而地形影响则相反;径流量和径流系数由中心向外递减趋势,径流体积与峰值流量受汇水区面积和城市管网分布影响;高产流风险区不透水面占该区域82.73%,径流系数0.7和不透水面70%的汇水区集中在城市中心;积水区用地类型以农业用地、城市绿地、道路用地为主,分别占总面积的36.56%,21.39%,21.82%,分布特征存在显著差异。[结论]城市地表结构变化与城市产流和积水分布关系密切,综合量化方法可以直观地反映城市雨洪格局特征与趋势。     

基于DEM和SCS模型的四川盆地丘陵区局地径流研究

人类活动对产流的影响是水文科学研究的热点,如何采取有效的方法利用表面径流成为解决水资源危机的关键问题。以重庆市忠县拔山镇3个村为研究区,基于土地利用、土壤、降雨等信息,应用SCS模型对四川盆地丘陵区局地径流进行计算和分析。研究区径流空间分布与下垫面土地利用类型和土壤类型密切相关,下垫面单一的水域和裸地所形成的径流量大,而有作物的水田和旱地所形成的径流量较小;研究区径流年内分配相对集中,主要产生在4月至10月,占全年的90%以上,但整体上看,径流与降雨呈现一致性趋势;研究区年际径流量分布不均,呈现丰、枯水年交替变化的现象,年径流变差系数Cv值较小。研究结果还表明:SCS模型所需参数较少,并考虑了径流与土壤特性和土地利用情况的关系,是一种简洁且实用的径流计算方法;利用GIS软件,可使局地径流数据图像化,这使径流等水文过程更加简明和直观。因此,利用GIS等软件分析研究各个集水区径流的时空变化等规律,可为研究各个集水区内农业水资源布局等提供方法和参考,实用性和可操作性强。     

不同空间布局对城市降雨径流的影响

[目的]探讨不同城市空间布局(包括分析绿地、建筑)分别到出水口不同水流长度、面积比等因素与降雨径流的关系,以优化城市典型下垫面的空间布局,实现城市雨水径流的控制。[方法]以漯河市中心城区为研究对象,基于2016年3月航拍影像,提取中心城区的土地覆被信息,利用SWMM模型分析研究区在不同降雨重现期的径流特征以及影响降雨径流的因素,并定量研究城市绿地、建筑不同空间分布格局对径流削减的影响。[结果]绿地、建筑面积比与径流系数呈极显著负相关,二者到出水口的水流长度对产流效应有较显著影响,绿地较建筑离出水口近的子汇水区径流系数较小,其中重现期为5a时,径流削减率最高可达到44.49%。[结论]结合水流长度、面积比等因素,合理安排绿地、建筑的规模及布局,可实现雨水空间再分配,从而达到削减径流的目的。     

岔巴沟流域汛期径流模拟及地表产流特征分析

气候变化是影响流域水文循环过程的重要驱动因素,近年来,气候变化导致极端降雨—径流事件的频繁发生对人类社会经济发展构成了严重的威胁。因此,迫切需要开展流域水文模拟和产流特征分析。土壤和水评估工具(SWAT)是一种具有物理机制的分布式水文模型,已被广泛用于评价变化环境下的水文过程。以黄土高原岔巴沟流域为研究区,通过利用与黄土高原地区产流模式更为接近的Green-Ampt下渗法驱动SWAT模型模拟了岔巴沟流域日尺度的水文过程,并以水文响应单元为分析对象,结合4个降雨—径流事件的地表产流量和地表径流系数分析了降雨强度和前期土壤含水量对不同土地覆被产流特征的影响。结果表明：(1)基于Green-Ampt下渗法驱动的SWAT模型率定期和验证期E_NS为0.76,0.74,R²为0.78,0.75,模型能够较好地模拟日尺度流域水文过程;(2)流域不同土地覆被下地表径流系数随最大雨强的增加呈显著上升趋势,且最大降雨强度大于16 mm/h后地表径流系数显著增加,当土地覆被为耕地时降雨转化为地表径流的比例最大,其次为草地和林地;(3)前期土壤含水量的大小可以揭示大...     

太湖流域土地利用变化的营养盐输出响应模拟

通过解译1985年、1995年和2000年3个时段TM／ETM影像，分析太湖流域80年代以来的土地利用变化特征。采用不同土地利用类型产出营养盐实测参数与分布式水文模型相结合的思路，建立基于单元格网的流域营养盐污染估算模型，定量评估太湖流域土地利用变化对氮素输出的影响。研究结果显示，模型模拟径流量及总氮输出量与实测值吻合良好；自1985年到2000年，太湖流域城镇面积扩展了40．38％，增加量占太湖流域总面积的3．88％；在1980～2000年的雨情下，全流域土地利用变化导致产流量平均增加4．11％，TN输出量平均增加5．35％，最高值为21．62％，各年差异与降雨分布和雨情特征有关；受土地利用变化空间差异影响，在城镇快速扩展的苏锡常地区和浦东浦西地区，土地利用变化导致TN输出量平均增加17．11％和10．72％，最高可达60．43％和28．689%。     

滇中高原山地4种人工群落径流量和土壤流失量的研究

基于连续5年的定位观测,研究了滇中高原4种典型人工群落的径流与侵蚀特征。结果表明:区域降雨量的季节分配不均,湿季(6~10月)降雨量占全年的86.64%,降雨量主要由大于10 mm以上的降雨带来,且降雨强度大部分小于5 mm/h。与荒地相比,林地的水土保持效益显著。试验小流域的地表径流量与降水量密切相关,土壤流失量主要决定于地表径流量,其次是降水量。     

土壤保持功能对土地利用变化的敏感性研究

土地利用/覆被变化作为人类活动的直观反映，深刻改变着地表植被覆盖和地表径流，进而导致土壤保持功能的变化。采用趋势分析法对重庆市2000—2015年土壤保持功能的变化趋势进行研究，采用交叉敏感系数法研究各地类转换对土壤保持功能的敏感性。结果表明：（1）研究区地类以林地和旱地为主，2000—2015年间林地、裸地、水体和建设用地的面积有所增加，旱地、草地和水田的面积有所减少。其中，建设用地增幅最大，达0.93%，主要来源于旱地和水田的转换；旱地降幅最大，达0.85%，主要流向建设用地和林地。（2）研究区2000—2015年间土壤保持量总体呈波动上升趋势。其中，基本不变的区域占比77.22%，增加和显著增加区域占比21.85%，减少和显著减少的区域占比0.10%。增加和显著增加的区域主要集中在500~1 000 m的旱地和林地，减少和显著减少的区域主要为海拔500 m以下的旱地。（3）旱地与草地、水田与林地之间的转换对土壤保持功能的变化敏感性最高（敏感性系数分别为11.01和6.73），其次是旱地与裸地、水田、水体之间，草地与水体、裸地、林地之间以及林地与水体、裸地之间的转换，其敏感性系数均大于1。     

环京津地区耕地利用系统健康评价研究

环京津区已成为京津冀城市圈发展的战略区域,保障耕地资源健康和可持续利用是打造环京津战略的重要基础。因此为合理利用耕地资源,对耕地利用系统健康进行评价来判断其是否处于可持续利用状态。本论文利用PSR模型构建了耕地利用系统健康评价指标体系,采用改进的TOPSIS方法,从压力和状态两方面分析影响耕地利用系统健康的障碍因素,通过对2014年环京津区72个县(市)的耕地利用系统健康进行评价,得到了环京津区耕地利用系统健康综合指数,研究表明:1)从压力角度分析,人口密度和人均水资源量的压力分值在研究区中排位靠前,其是影响系统健康的主要障碍因素;农用化肥折纯量分值在排序中位于中部,人类的生产活动是影响耕地利用系统压力的次要障碍因素。2)从状态角度分析,土地垦殖率和灌溉保证率指标分值均排在前40%,土地垦殖率和灌溉保证率是影响耕地利用系统健康指数的主要障碍因素;受灾面积的状态指数分值排在前50%的位置,其是影响耕地利用系统健康指数的次要障碍因素。3)本文将环京津地区耕地利用系统健康状态划分为病态、不健康、亚健康、健康四个等级,依据划分结果可看出研究区在空间结构上呈现出"中间低,四周高"的空间分异特征。耕地利用系统处于健康和亚健康状态的县(市)有40个,主要分布于远京津山地丘陵和远京津平原区,属于高风险-低压力区,耕地利用压力、社会经济的发展和耕地利用系统响应性能较高是影响这些县(市)耕地利用系统健康状态的主要因素;耕地利用系统处于不健康和病态的县(市)有32个,主要分布于近京津山地丘陵区和近京津平原区,属于高风险-中压力区,耕地利用率低是限制这些县(市)耕地利用系统健康的主要成因。