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。     

秦淮河流域径流过程对土地利用变化的响应

土地利用变化影响了流域产汇流机制,进而改变了流域洪水响应过程,成为流域径流演变的主要驱动因素,特别是城市化流域最为明显。为深入探究快速城市化背景下土地利用变化对流域径流的影响,该研究以南京市秦淮河流域为例,利用2005、2010、2015和2020年4期土地利用数据和2003—2020年18场小时尺度洪水过程,基于HEC-HMS(hydrologic engineering center-hydrologic modeling system)平台构建秦淮河流域水文模型系统,量化变化环境下降雨径流过程对土地利用变化的响应。结果表明:1)流域不透水面积增加了99.53%,而农田面积减少了6.57%,且增加的不透水面积主要来自农田转入,占比约96.42%;2)秦淮河流域洪水过程模拟结果显示HEC-HMS模型在秦淮河适用性较好,率定期洪峰流量相对误差、洪量相对误差、Nash-Sutcliffe系数和均方根误差RMSE分别为-1.63%、-11.79%、0.854和159.73 m³/s,验证期洪峰流量相对误差、洪量相对误差、Nash-Sutcliffe系数和均方根误差RM...     

沂河流域暴雨径流变化特征研究

[目的]探究气候因素驱动下沂河流域暴雨径流的变化规律,阐释流域暴雨径流的影响因素,为深入理解流域水文响应过程和水资源管理提供科学参考。[方法]利用改进后的Lyne-Hollick数字滤波法估算了沂河流域的暴雨径流量,通过水文信号方法与皮尔逊相关系数法,定量分析沂河流域暴雨径流的变化特征及影响因素。[结果](1) 1975—2000年,流域年均暴雨径流指数SFI呈缓慢下降趋势(R²=0.37,p<0.01),年际SFI下降率0.048/10 a,暴雨径流占河川径流比重下降;(2)年均暴雨径流量呈波动增加趋势(R²=0.04,p=0.35),于1998年达到研究时段峰值;(3)暴雨径流量年内季节分配差异显著,年内暴雨径流量峰值出现在7—9月,夏季暴雨径流Q₍s(sf))与冬季暴雨径流Q₍w(sf))差异较大,高暴雨径流变化指数Q_HV、暴雨径流变差系数C₍V(sf))总体呈上升趋势,低暴雨径流量变化指数Q_LV呈下降趋势;(4) 198...     

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。     

黄丘区不同空间尺度地貌单元产沙特征及其动力机制

以黄土丘陵沟壑区桥沟流域为原型观测流域,利用流域内的水文站网、不同地貌单元大型径流场等观测设施,定量研究了黄土丘陵沟壑区不同空间尺度地貌单元产沙特征,揭示不同空间尺度地貌单元产沙机制.结果表明,侵蚀模数随着空间尺度的增加,呈现出“增加-峰值-减小”的涨落变化过程.在坡面尺度,侵蚀产沙主要与径流深有关,径流剪切力可以较好地描述其侵蚀产沙关系,输沙率随径流剪切力的增加而增加,而流域尺度的侵蚀产沙不仅与径流深有关,还与洪峰流量有关,径流侵蚀功率可以较好地表征其侵蚀产沙关系.     

毛不拉孔兑暴雨径流产输沙特征研究

暴雨是造成毛不拉孔兑多种自然灾害的主要原因之一,通过对毛不拉孔兑流域暴雨径流产输沙特征进行总结和分析,结果表明:毛不拉孔兑降水在年内高度集中,年际变率大,暴雨季节性强,多在7、8月;径流年内分配不均,洪水与暴雨出现的时间相应;洪水过程具有陡涨陡落的特点,径流量和最大洪峰流量的年际变率很大;次洪水含沙量高,具有大水大沙型和小水大沙型的特点。掌握该区暴雨径流产输沙关系的基础资料,为防治该区水土流失及洪水泥沙灾害提供重要依据。     

清水河流域场次洪水输沙特性及关键影响因素

[目的]揭示水沙对关键环境因子的响应规律，以期为促进黄河流域水土保持综合治理提供理论基础。[方法]利用清水河流域场次洪量和输沙量数据，基于径流侵蚀功率理论和随机森林等方法系统分析了清水河流域场次洪水输沙特性及其关键影响因素。[结果]流域产洪输沙量呈现显著的空间分异特性，影响不同子流域洪水输沙过程的主要参量有所区别。随机森林结果表明在小量级洪水频发的区域主要影响因素为径流深、洪水历时与洪峰流量，而在中量级洪水频发的区域则分别为径流深、洪峰流量与平均流量。在侵蚀产沙的解释变量中引入表征径流过程的复合指标更能综合体现天然降水和流域下垫面属性对次洪过程侵蚀产沙的影响，其拟合精度相较于传统的径流-输沙关系更高。[结论]相比于传统的径流深、平均流量或者洪峰流量等单一径流参量指标，径流侵蚀功率更适宜描述次洪尺度水沙关系。     

紫色土丘陵区农业小流域暴雨事件磷素多尺度流失特征

为了揭示自然小流域尺度降雨、地形、土地利用结构等对泥沙和磷素输出的影响,根据丘陵区农业小流域自然地貌与土地利用特征,设计了不同尺度的小流域监测点,分别为苏荣、截流、大兴、万安,监测面积分别为3.0,34.6,480.3,1 236.4hm~2,并选择了降雨侵蚀力(R)分别为1 411.5,595.7,391.4 MJ·mm/(hm~2·h)的3场降雨事件监测小流域内磷素流失过程特征。结果表明:(1)以居民点集镇和耕地为主的苏荣和截流小流域水文响应速度较快,暴雨事件中径流峰值出现在降雨峰值后的5~10min,较大尺度大兴和万安小流域泥沙浓度峰值与径流峰值滞后于降雨峰值0.5~3h。(2)3场暴雨径流中泥沙与全磷、颗粒态磷均存在较一致的显著相关关系(R0.6,P0.01),泥沙、全磷流失负荷在源头小流域(苏荣、截流)最高,3场暴雨苏荣全磷平均流失负荷达到0.36kg/hm~2,万安小流域泥沙、全磷流失负荷最低,全磷平均流失负荷为0.009kg/hm~2。(3)小流域径流中颗粒态磷占全磷流失量50%以上。(4)多元回归分析结果表明,径流量和泥沙含量可用于进行磷素流失通量预测。坡耕地、林地与水田带状组合结构可显著降低小流域泥沙和磷素流失负荷。研究结果为计算丘陵区农业小流域暴雨过程中磷素多尺度流失负荷提供参考。     

模拟降雨条件下农田地表径流与壤中流氮素流失比较

选择太湖流域平原河网地区为试验地点,采用3次重复人工暴雨试验方法,研究暴雨径流过程中地表径流与壤中流氮素流失特征。结果表明:地表径流与壤中流氮素流失特征具有较大差异,地表径流水相TN平均浓度为12.41 mg/L,壤中流水相TN平均浓度低于地表径流约50.65%。地表径流氮素流失以PN为主,DN和PN的流失量比为1∶2.65,壤中流氮素流失以DN为主,DN和PN流失量比为2∶1。整个暴雨径流过程中氮素流失以地表径流为主,占总流失量的81.66%,壤中流氮素流失量相对较少,仅占氮素总流失量的18.34%。地表径流与壤中流氮素流失量比较分析结果证实,土壤的水分下渗滤过机制对氮素具有较强的削减作用,对PN的削减作用尤为明显,可达70%以上。在流域产汇流过程中,充分发挥洼地和高透水地段对地表径流的蓄渗功能,对面源营养盐污染控制具有重要的作用。     

潮白河流域径流对降雨的多尺度响应

为揭示不同空间尺度上,径流对降雨的响应以及降雨对不同时期径流变化的影响程度,采用泰森多边形法,计算潮白河流域及其各个子流域的平均年降水量,并应用Mann-Kendall趋势检验,计算潮白河流域1957-2001年的径流突变点和变化趋势,使用回归分析来计算降水-径流之间影响关系的强弱.结果表明:在于不同尺度的子流域年径流变化在波动的幅度和平稳程度上具有差异,但差异并不明显.从整体趋势上看,径流在1960-1970年之间,呈现显著下降趋势,而在1990年之后,则有所回升;而在1970-1980年期间,呈现一定的波动性,变化趋势不明显.径流对降雨的多尺度回归结果显示,随着流域尺度的增大,降雨-径流的关系逐渐减弱.在较小尺度的流域,降雨与径流的联系更加紧密,气候因素在小尺度流域对径流的影响更为突出;而在大尺度的流域中,影响径流的因素则更为复杂,降雨量变化并不能很好的解释径流量的改变.此外,在不同时期降雨-径流关系仍然存在一定的差异性.径流变化处于平稳期与上升期时,对降雨响应更强,径流的下降,则受雨量变化影响较小,受其他气候因素与土地利用因素影响更多.一般认为,人类活动和气候变化是影响径流的两个因素,综合本文分析,在较大尺度流域和径流下降的时期,人类活动对径流的影响更加显著.因此,为保证潮白河流域及其子流域的产流量,对人类活动的有效管理,如优化土地利用,合理水资源配置等是必不可少的.     

Responses of flood peaks to land use and landscape patterns under extreme rainstorms in small catchments - A case study of the rainstorm of Typhoon Lekima in Shandong,China

Investigations of the formation mechanisms of flood peaks in small catchments facilitate flood prediction and disaster prevention under extreme rainstorms. However, there have been few studies on the responses of flood peaks to land use landscape patterns using field surveys during extreme rainstorm events. Based on field data from 17 small catchments near the rainstorm center of Typhoon Lekima, 7 landscape indices were chosen. The flood peak and its sensitivity to the land use landscape were investigated by combining remote sensing interpretation and related analysis. The conclusions are as follows: (1) The peak discharge of the small catchment was 2.36–56.50 m³/s, the peak modulus was 8.00–48.89 m³/(s·km²), and the flood index K ranged from 3.61 to 4.55. (2) Under similar rainfall conditions, the flood peak modulus, K and the proportion of sloping cropland had significantly positive correlations (p < 0.05). The flood peak modulus was significantly negatively correlated with the proportion of forest-grassland and terrace (p < 0.05), and K and the proportion of forest-grassland and terraced land exhibited a negative correlation. (3) The flood peak modulus and K were positively correlated with the landscape fragmentation. (4) The sensitivities of small catchments to floods were evaluated to be moderate compared to K values from other studies. The ability of small catchments to cope with extreme rainstorms can be improved by increasing the areas of forest-grassland, and terraces and reducing landscape fragmentation. Our results could be applied to provide a basis for land use planning and support for the response against disasters caused by extreme floods.     

太行山小流域特大暴雨洪水关系及过程研究

分析发生在2000年7月3～6日,历时72 h,暴雨总量达358.19 mm特大暴雨特征的基础上,通过对小流域出口断面流量的连续监测,进一步分析了暴雨洪水关系及演变过程.结果发现:此次暴雨属于局部性、历时长、中心强度大的特大型暴雨,暴雨强度的峰值达到了32.84 mm/h,出现在降雨过程的后期;暴雨洪水在出口断面上的响应出现在降雨过程的中后期,且后期尤为明显,另外由于流域面积较小,汇流时间短,响应到来的时间也较短.同时,经过进一步分析和计算得出,此次降雨过程的最大洪峰流量为1.185 m3/s,最大洪峰流量的径流模数为3.66 m3/(s*km2), 时段最大暴雨径流系数为0.567;整个降雨历时内所产生的洪水总量为33 030.54 m3,平均径流系数为0.304.     

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。     

金沙江干热河谷典型区段水土流失特征

以金沙江干热河谷典型区段不同处理坡面和林地、农地集水区为研究对象,采用坡面径流小区和集水区卡口站三角形薄壁堰实测法,在坡面径流小区和集水区土地利用现状调查基础上,通过降雨、径流及泥沙观测,分析金沙江干热河谷典型区段水土流失特征。结果表明:(1)不同处理坡面径流小区产流量、产沙量大小依次为坡耕地>自然坡面>水平阶整地>反坡台整地,表明反坡台和水平阶造林整地以及植被良好的自然坡面对地表径流的拦蓄和对泥沙的削减都起到较好效果;(2)大暴雨对集水区尺度产流产沙贡献值大,产流降雨量在4.8～27.6mm区间,农地集水区径流深小于林地集水区,大于27.6mm时,农地集水区径流深反超林地集水区,而产沙量不受降雨量影响,为林地集水区低于农地集水区;(3)径流小区尺度与集水区尺度雨季水土流失起止时间一致,集水区径流系数小于径流小区,集水区产沙量大于径流小区。     

台风“利奇马”暴雨引发的流域产流产沙特征——以山东省临朐县为例

为了明确极端暴雨下不同尺度流域的产流产沙特征,为应对极端暴雨事件提供技术支撑。基于2019年9号台风“利奇马”导致的暴雨洪水事件,采用暴雨中心的辛庄控制站和弥河干流黄山水文站的水文数据,分析了本次暴雨中两个不同尺度流域的径流、泥沙总量及过程特征。结果表明:2019年8月10—17日,辛庄观测站次洪水径流总量为123万m³,实测洪峰为40.96 m³/s,洪水泥沙总量为4600 t,产沙模数为1285 t/km²。黄山水文站实测洪峰流量为2210 m³/s,是自1988年建站以来的最大流量,重现期为33.3年一遇。黄山水文站输沙量为36.23万t,输沙模数为966 t/km²。本次暴雨洪水的输沙量是多年平均输沙量(19.50万t)的1.65倍,与2018年夏季汛期洪水泥沙过程的水沙关系曲线相关性较好。综上,基于水沙关系的黄山水文站流域场次洪水输沙量预测方法是准确的,说明在极端暴雨事件中采用历史洪水泥沙关系预测输沙量是可行的。     

Factors controlling hydro-sedimentary response during runoff events in a rural catchment in the humid Spanish zone

In Galicia (NW Spain) studies on the suspended sediment (SS) transported in river catchments are scarce. Using a dataset comprising three hydrological years (2004/05–2006/07) in the Corbeira catchment (NW Spain), the relationships between rainfall, runoff and SS are analysed at event scale. The catchment was instrumented to measure rainfall, water level and SS in the stream. Several event (rainfall, discharge and SS concentration and load) and pre-event (rainfall and discharge) variables were calculated for all the events analysed. Correlation matrices were developed using these data. Discharge characteristics and rainfall depth showed good correlations with SS concentration and load. Suspended sediment and discharge relationships were also examined. In most of the events, the SS peak preceded peak discharge (clockwise hysteresis), implying that zones near the stream are the main sediment source areas.     

极端暴雨下小流域洪峰对植被和梯田的响应——以山东临朐台风“利奇马”暴雨为例

全球气候变化背景下,极端暴雨事件出现频率增加,研究小流域洪峰形成机理对暴雨洪水预测与防灾减灾具有重要意义。基于2019年9号台风"利奇马"在山东省潍坊市临朐县造成的特大暴雨事件,选取暴雨中心附近的17个小流域,综合应用野外调查、遥感解译等方法,研究了小流域洪峰强度和敏感性对植被和梯田的响应特征。结果表明:该暴雨事件中,小流域洪峰流量为2.36～56.50 m~3/s,洪峰模数为8.00～48.89 m~3/(s·km~2),洪水指数介于3.61～4.55。在相似降雨条件下,洪峰模数、洪水指数与坡耕地比例呈显著的正相关关系(p0.05),洪峰模数与林草地和梯田比例呈显著的负相关关系(p0.05),洪水指数与林草地和梯田比例呈一定的负相关关系。植被和梯田对洪峰影响的有效性随着次降雨量的增大,呈现先增加后降低的非线性特征;在极端暴雨条件下,调查流域对洪水的敏感性属于"Average"水平;增加林草地、梯田等土地类型的面积可提高小流域对极端暴雨的应对能力。     

Field drainage, soil water management and flood hazard

Abstract. The efficient management of clay soils depends on the rapid disposal of water following rainfall. Winter storm outfall hydrographs of under drained catchments ranging in size from 0.44 ha to 7.2 km² are given, illustrating the drainage response of a Windsor Series soil. The response time of different sized catchments is discussed in relation to potential flood hazard arising from drainage improvements of agricultural land. Comparison is made with other soils to reveal broadly similar patterns of drainflow, with peak flow occurring typically between 1 and 4 hours after the mid-point of a storm. Despite large fluxes of water through the soil profile, the water content of the soil within the catchment of an individual tile lateral is shown to vary only by small amounts both during and after a single rainstorm and over a drainage season.     

场次暴雨条件下濂水流域水沙关系探究

为探究场次暴雨条件下流域的水沙关系,该研究以赣南濂水流域为对象,基于1965—2020年的水文气象数据和土地利用数据,运用聚类分析、判别分析和Spearman相关分析等,在场次暴雨条件下,分析不同洪水类型、不同时段下的水沙特征及水沙关系,并对水沙滞回关系进行探究。结果表明：流域120场暴雨洪水划分为3种类型,发生频率由高到低依次为：Ⅲ型（短历时、小径流、低洪峰）、Ⅰ型（长历时、中径流、中洪峰）、Ⅱ型（中历时、大径流、高洪峰）。整个研究期划分的5个时段中,1996-2005年、2006-2020年的输沙特征值增幅较大,且单位径流的输沙能力大幅上升。不同洪水类型下的各水沙环路曲线比例差异较大;在不同时段下,逆时针型、“8”字型曲线分别在1996-2005年、2006-2020年的比例最高分别为4.30%、55.6%,这与流域内果园大面积开发导致的沙源位置及数量的改变有着密切关系。研究成果可为流域的水沙管理及调控提供科学依据。